AULA 3

1. Materiais para Construção Mecânica AULA 3 Aços • Classificação e seleção dos aços • Aços comuns • Aços-liga • Aços inoxidáveis

2. Diagrama Fe-C Materiais para Construção Mecânica DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C • Ferros • Família dos aços • Família dos ferros fundidos • Soluções sólidas: • Ferro  • Austenita  • Ferrita  • Composto estequiométrico: • Cementita Fe3C • Reações: • peritética • eutética • eutetóide

3. Diagrama Fe-C Materiais para Construção Mecânica DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C aços fofos Fe

4. Diagrama Fe-C Materiais para Construção Mecânica DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C OBSERVAÇÕES Ferro Existe na natureza na forma de óxidos, nos minérios de ferro É extraído por meio de aquecimento em presença de coque ou carvão de madeira, em fornos adequados nos quais o ferro é reduzido e ligado ao carbono Produtos siderúrgicos comuns: aços e ferros fundidos Aços Ligas ferro-carbono com teor de carbono até 2,11% em peso Aço comum ao carbono: carbono é o principal elemento de liga. Contém apenas impurezas em concentrações residuais e um pouco de manganês Aço-liga: mais elementos liga são adicionados intencionalmente em concentrações específicas • As propriedades variam com o teor de carbono. A medida que aumenta: • Aumenta a resistência à tração até 1% de Carbono, decrescendo para teores mais elevados • A dureza aumenta continuamente • Diminui a ductilidade

5. Diagrama Fe-C Materiais para Construção Mecânica DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C OBSERVAÇÕES Produtos siderúrgicos comuns: aços e ferros fundidos Ferro fundido Produtos obtidos por fusão com mais de 2,11% em peso de carbono A medida que se aumenta o teor de carbono, menores são as temperaturas necessárias para a fusão do material, até 4,3% de carbono Como os FoFos fundem cerca de 300°C abaixo dos aços seu custo de produção é menor • Em geral, os ferros fundidos são • frágeis, que só resistem bem à compressão

6. Diagrama Fe-C Materiais para Construção Mecânica Fe - líquido 1540°C Fe - CCC 1400°C Fe - CFC 910°C Fe - CCC DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C Eixo esquerdo do diagrama: Ferro puro Transformações de fases: antes da temperatura de fusão, o ferro muda duas vezes de estrutura cristalina Transformação polimórfica do ferro Ferrita ou ferro-:estável na temp. ambiente estrutura CCC Austenita ou ferro-: estável entre 910°C e 1400°C estrutura CFC Ferro-:estável entre 1400°C e 1540°C estrutura CCC Eixo direito do diagrama: Cementita ou Carbeto de Ferro Composto intermetálico estequiométrico Com 6,67% em peso de Carbono – Fe3C

7. Diagrama Fe-C Materiais para Construção Mecânica DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C Carbonoimpureza intersticial    forma solução sólida com o ferro Soluções sólidas Ferro - : solução sólida de C no Fe CCC Ferro -  (austenita): solução sólida de C no Fe CFC Ferro -  (ferrita): solução sólida de C no Fe CCC

8. Diagrama Fe-C Materiais para Construção Mecânica DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C Características das Soluções sólidas Ferro -  (ferrita): solução sólida de C no Fe CCC Máxima solubilidade – em 727°C – 0,022% em peso de C Material mole e dúctil Na pureza em que é encontrada, seu limite de resistência é inferior a 32Kgf/mm2 Ferro -  (austenita): solução sólida de C no Fe CFC Máxima solubilidade – em 1147°C – 2,14% em peso de C Na faixa em que é estável, a austenita é mole e dúctil Ferro - : solução sólida de C no Fe CCC É virtualmente a mesma ferrita-, apenas ocorrendo em uma faixa mais elevada de temperatura – não tem importância tecnológica

9. Diagrama Fe-C Materiais para Construção Mecânica DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C Reação eutetóide: 0,77%C  0,02%C + Fe3C 6,67%C a 727°C 6,67

10. Diagrama Fe-C Materiais para Construção Mecânica DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C Reação eutetóide:0,77%C  0,02%C + Fe3C 6,67%C PERLITA Grão e estrutura da perlita (a) redistribuição do carbono no aço, (b) micrografia da perlita lamelar. PERLITA: microestrutura bifásica resultantes da transformação da austenita com composição eutetóide. Consiste de camadas alternadas de ferrita e cementita relativamente finas

11. Diagrama Fe-C Materiais para Construção Mecânica DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C Aspecto micrográfico de um ferro comercialmente puro. Ataque: reativo de água régia. 200X

12. Diagrama Fe-C Materiais para Construção Mecânica DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C Aspecto micrográfico de um aço hipoeutetóide com aproximadamente 0,3% de carbono. Ataque: reativo de nital. 200X

13. Diagrama Fe-C Materiais para Construção Mecânica DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C Aspecto micrográfico de um aço hipereutetóide resfriado lentamente. Ataque: reativo de picral. 200X A cementita está disposta em torno dos grãos de perlita, formando uma rede.

14. Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica • Classificação dos aços • Critérios: • Quanto à composição química • Quanto à aplicação • Quanto à microestrutura • Quanto ao processo de fabricação • Quanto as marcas registradas • Quanto as normas técnicas

15. Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto à composição química: - aços comuns (ao carbono) - aços especiais (ligas) Aços ao Carbono – propriedades – %C - não contem quantidade apreciável de elemento de liga - apresentam teores de impurezas – normais: P – 0,04% (max) S – 0,05% (max) Si – 0,10% e 0,35% Mn – 0,25% e 0,90%

16. Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto à composição química: Aços ao Carbono - Quanto ao teor de Carbono: - até 0,15% C – extra doce - 0,15% a 0,30% C – doce - 0,15% a 0,30% C – meio doce - 0,15% a 0,30% C – meio duro - 0,70% a 0,80% C – duro - acima de 0,80% C – extra duro baixo carbono médio carbono alto carbono

17. Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto à composição química: Aços especiais (ligas) –contem um ou mais elementos de liga (além de Fe e C) - quantidades de elementos de liga – modificam ou melhoram substancialmente uma ou mais propriedades (físicas, mecânicas ou químicas) - Quanto ao teor de elementos de liga: - aços baixa liga – somatório dos elementos de liga (teores) é inferior a 5% - aços alta liga - somatório dos elementos de liga (teores) é superior a 5%

18. Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica • Classificação quanto à composição química: • Aços especiais (ligas) • Objetivos dos elementos de liga: • - aços baixa liga • Aumentar a dureza e a resistência mecânica • Conferir resistência uniforme em toda a seção da peça de grandes dimensões • Diminuir o peso (consequencia do aumento de resistência) • - aplicações típicas: aços de construção • - elementos de liga: Ni, Cr, V, Mo, Si e Mn

19. Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica • Classificação quanto à composição química: • Aços especiais (ligas) – • Objetivos dos elementos de liga: • - aços alta liga • Conferir resistência à corrosão • Aumentar a resistência ao desgaste • Aumentar a resistência ao calor • Melhorar propriedades elétricas e magnéticas • - aplicações típicas: ferramentas, matrizes, presença de corrosão e calor

20. Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto à composição química: - aços alta liga Compreendem: - aços rápidos e similares (ex. aços para matrizes) -requisito – dureza e manutenção desta em elevadas temperaturas - W – 0,10% a 25%; Cr, Co e C alto - aços resistentes à corrosão e ao calor - requisito – resistir à formação da camada de óxido em temp. amb ou elevada - Cr – 10 a 35%; Ni

21. Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto à aplicação: - aços de construção - componentes industriais - laminados à quente ou forjados (s/TT) – estruturas metálicas e peças em geral - c/TT em aços C – aços de elevada RM, aços para cementação e nitretação, aços para molas - aços para ferramentas e matrizes - compreendem: - aços ao C temperáveis em H2O - aços resistentes ao choque - aços para trabalho à frio e à quente

22. Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto à aplicação: - aços inoxidáveis e resistentes ao calor aços inoxidáveis aços refratários – resistência à fluência a quente - aços com características especiais - aços para imãs permanentes - aços para núcleos de transformadores - aços com coeficiente de dilatação definido martensíticos ferríticos austeníticos

23. Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto à microestrutura: - ferríticos: não endurecíveis - perlíticos: baixa liga; podem ter ferrita ou cementita - austeníticos: 20% a 30% elementos de liga (Cr, Ni ou Mn), alta estabilidade da austenita - martensíticos: elementos de liga deslocam a curva TTT para a direita - cementíticos: alto teor de C, resultando alto teor de carbonetos

24. Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto ao processo de fabricação: - Aços Bessemer - aços LD - aços elétricos - etc Aços alta liga e alta qualidade – obtidos em fornos elétricos Aços de conversores – qualidade inferior

25. Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto a marca registrada: são classificados com a identificação do fabricante e com codificação peculir a cada fabricante em particular

26. Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto a Normas Técnicas: ABNT – norma brasileira SAE - AISI – normas americanas DIN - norma alemã

27. Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto a Normas Técnicas: ABNT – norma brasileira - NBR 6006 – classifica as aços-carbono e aços de baixo teor de liga – critérios adotados pela AISI e SAE Aços-carbono: %Si e %Mn não ultrapassam 0,6%Si e 1,65%Mn Também são considerados os teores: Max 0,1% Al, mín 0,0005%B, max 0,3%Cu ou mx 0,35%Pb Se adicionados elementos como Se, Te, Bi (melhoram usinabilidade) e Nb ainda são aços-carbono. Aços-liga: possuem outros elementos de liga

28. Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto a Normas Técnicas: SAE – Society of Automotive Engineers AISI – American Iron and Steel Institute UNS – Unifield Numbering System Letras XX ou XXX – cifras indicadoras dos teores de carbono Ex.: classe 1023 – AISI-SAE – aço carbono com 0,23% C G10230 – UNS – mesmo teor de carbono Designações coincidem

29. Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto a Normas Técnicas: dois primeiros algarismos: diferenciam os vários tipos de aços entre si, pela presença ou somente de Carbono como principal elemento de liga (além das impurezas) ou de outro elemento de liga, como Ni e Cr, além do C. 10 – aço ao carbono 11 – aços de fácil usinagem com alto enxofre 40 – aços ao molibdênio, com 0,25% de Mo em média

30. Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto a Normas Técnicas: dois primeiros algarismos: diferenciam os vários tipos de aços entre si, pela presença ou somente de Carbono como principal elemento de liga (além das impurezas) ou de outro elemento de liga, como Ni e Cr, além do C. 10 – aço ao carbono 11 – aços de fácil usinagem com alto enxofre 40 – aços ao molibdênio, com 0,25% de Mo em média

31. Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto a Normas Técnicas: SAE-AISI

32. Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto a Normas Técnicas:

33. Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto a Normas Técnicas: DIN Critérios diferenciados: DIN 17100 – “aços para construção em geral” – Ex.: em função do limite de resistência à tração: St 42 – aço com limite de resist. à tração entre 42 e 50 kgf/mm2 St 60 – limite de resistência à tração entre 60 e 72 kgf/mm2 DIN 17200 – classificação de acordo com a composição química C35 – aço-carbono com 0,35% C

34. Elementos de liga Materiais para Construção Mecânica Distribuição dos elementos de liga em aços ligados modo de distribuição: tendência de cada elemento em formar compostos e carbonetos Ni – dissolve-se na ferrita do aço – tem menor tendência em formar carbonetos do que o ferro Si – combina-se em pequena quantidade com o oxigênio presente no aço – forma inclusões não metálicas de modo geral, dissolve-se na ferrita Mn – a maior parte dissolve-se na ferrita; alguma quantidade pode formar carbonetos e e entrar usualmente na cementita formando (Fe, Mn)3C

35. Elementos de liga Materiais para Construção Mecânica Distribuição dos elementos de liga em aços ligados Cr – tem maior tendência em formar carbonetos do que o ferro; distribui-se entre as fases ferrita e carbonetos depende da quantidade de carbono e ausência de elementos formadores de carbonetos como Ti e Nb W e Mo – combinam-se com o carbono, formando carbonetos se quantidade de carbono for suficiente e se não estiverem presentes elementos como Ti e Nb

36. Elementos de liga Materiais para Construção Mecânica Distribuição dos elementos de liga em aços ligados

37. Elementos de liga Materiais para Construção Mecânica Efeito dos elementos de liga na temperatura eutetóide dos aços Elementos de liga podem provocar aumento ou diminuição da temperatura eutetóide do diagrama Fe-C Mn e Ni – biaxam a temperatura – elementos estabilizadores da austenita W, Mo e Ti – aumentam a temperatura – reduzem o domínio austenítico

38. Elementos de liga Materiais para Construção Mecânica Efeito dos elementos de liga na temperatura eutetóide dos aços Efeito de 6% de manganês na porção eutetóide de um diagrama de fases Fe - Fe3C

39. Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis Corrosão – ataque gradual e contínuo de um metal pelo meio circunvizinho que pode ser atmosfera mais ou menos contaminada das cidades atmosferas contaminadas de cloretos em regiões próximas ao mar meio químico qualquer, líquido ou gasoso É uma tendência à reversão a formas mais estáveis como se encontram na natureza (minérios) Praticamente todos os ambientes são corrosivos, em maior ou menor grau: - água - solo - gases - solos Efeitos da corrosão - má aparência - altos custos de operação e manutenção - colapso de peças ou instalações - perdas de produtos de explosão

40. Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis

41. Aços inoxidáveis Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis Velocidade de corrosão típicas em diversos aços em águas tropicais

42. Aços inoxidáveis Materiais para Construção Mecânica Guia de prevenção de corrosão de aços-carbono em alguns ambientes

43. Aços inoxidáveis Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis Passividade dos aços-cromo expostos durante 10 anos a uma atmosfera industrial

44. Aços inoxidáveis Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis Efeito do cromo na resistência dos aços à oxidação a altas temperaturas – Curva: penetração da oxidação em cubos de ½” aquecidos durante 48h a 1000ºC ao ar.

45. Aços inoxidáveis Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis Efeito do teor de carbono sobre a corrosão de aço inoxidável 18-8 tratado termicamente de modo a produzir a máxima precipitação de carbonetos

46. Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis • Corrosão nas ligas ferrosas – maior importância • Passividade – propriedade típica de certos metais e ligas em permanecerem inalterados no meio circunvizinho • Admite-se que é resultado da formação de uma camada de óxido quando o metal é exposto ao meio agressivo • Pode-se tornar um aço passivo com a adição de elementos, principalmente o Cr • camada de óxido de cromo de espessura inferior a 0,02m confere res. à corrosão • aços tornados passivos pela adição Cr – aços inoxidáveis

47. Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis • PASSIVIDADE depende: • Composição química • Condições de oxidação • Susceptibilidade à corrosão localizada (pitting) • Susceptibiliade à corrosão intergranular Composição química: Cr – elemento mais importante 10% para atingir a passividade 20% a 30% - passividade completa Ni – melhora a resistência à corrosão em soluções neutras de cloretos ou ácidos pouco oxidantes - melhora propriedades mecânicas - teores mínimos: 6% a 7%

48. Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis Composição química: Cu, Mo, Si – conferem resistência à temperaturas elevadas Ti, Nb – para evitar corrosão intergranular Condições de oxidação A velocidade de ataque depende da capacidade oxidante do meio - meios oxidantes – tornam a liga passiva - meios redutores – destroem a liga Aços inoxidáveis: suportam bem o HNO3 são atacados pelo HCl e HF

49. Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis Susceptibilidade à corrosão localizada (pitting): São sujeitos a corrosão em pontos que, uma vez iniciada, progride em profundidade, chegando a causar orifícios que podem perfurar o metal - causada pelo íon Cl- - aço inoxidável – atacado por HCl, cloretos (Fe, Cu, metais alcalinos, metais alcalinos terrosos) ou até atmosfera salina Proteção: - adição de Mo - bom acabamento superficial - passivação em HNO3 – 20% à quente - tratamenro térmico correto

50. Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis Susceptibilidade à corrosão intergranular: - aços inoxidáveis austeníticos – aquecidos entre 400ºC a 900ºC, (mesmo por segundos): podem apresentar precipitação de carbonetos de Cr nas regiões do contorno de grão - regiões adjacentes – empobrecidas em Cr – sensitizado - material sensitizado – sujeito à corrosão intergranular Proteção: - Reaquecimento a 950-1150ºC c/ resfriamento rápido – redissolução dos carbonetos - Teor de C inferior a 0,03% (torna-se ineficaz na formação dos carbonetos) - Aços estabilizados com Ti ou Nb – maior afinidade com o C Provoca a desintegração total da peça após exposição em solução corrosiva