Aços Ligados (Aço Inoxidável e Aço Ferramenta)

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Aços Ligados

(Aço Inoxidável e Aço Ferramenta)

Universidade de São Paulo

Escola de Engenharia de São Carlos

Departamento de Engenharia de Materiais

Profa. Dra. Lauralice Canale

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Classificação Geral

das Ligas Ferrosas

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Classificação dos Aços

Aços e ligas especiais têm sido classificados de diferentes maneiras. São métodos usuais de classificação:

(1)Classificação baseada em característica do

aço ou liga. Ex. prop. mecânicas,

composição química etc...

(2) Classificação baseada no emprego do aço ou liga. Ex. aços para ferramentas, para construção mecânica etc..

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Classificação dos Aços e

Principais Utilizações

 Aços estruturais : vergalhões, barras

(aplic. estáticas), chapas e perfis p/

aplicações estruturais

 Aços alta resistência e baixa liga

(ARBL) : aços p/ tubulações, vasos de

pressão etc...

 Aços para embutimento e

estampagem: várias peças de carroceria

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Classificação dos Aços e

Principais Utilizações

Aços para cementação: aços de baixo carbono e baixo elementos de liga (engrenagem, eixos, etc..)

 Aços mola (médio a alto carbono):

Confecção de molas.

 Aços Ferramenta: Ferramentas de corte, usinagem etc...

 Aços inoxidáveis (alta liga): Tubos,

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Aços Inoxidáveis

 Os aços inoxidáveis são aços que

resistem à oxidação e corrosão, motivados pela ação de agentes atmosféricos e dos agentes químicos

 Para isto, possuem um elevado teor de

cromo em sua composição (acima de 12%)

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Aços Inoxidáveis

•

O cromo tem a propriedade de

formar, na presença de oxigênio

um

filme

de

óxido

com

excepcional

resistência

aos

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Filme de óxido

Aço Inoxidável Fe Cr Fe Cr _{Fe Cr} _{Fe Cr}

O

2

O

2

O

2

O

2

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Filme de óxido

 O filme de óxido formado é invisível, contínuo

e sua espessura é inferior a dois centésimos de micron

 Tanto a espessura do filme como seu teor de

cromo aumentam à medida que se melhora o polimento superficial, portanto deve se formar sobre uma superfície metálica limpa

 Se o filme for rompido, instantaneamente se

restaura o processo de corrosão se o aço estiver em meio oxidante

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Corrosão

 A corrosão dos metais resulta da ação

do oxigênio sobre os metais com ou sem intervenção do calor

 Sem ação do calor, a película de óxido

formada impede o contato do oxigênio com o metal impedindo o processo

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Corrosão

 Entretanto ao se aumentar a temperatura o

processo de oxidação se intensifica e os átomos de oxigênio passam pela película de óxido e atacam o metal

 Em certas condições há também o

desprendimento da película deixando o metal exposto ao oxigênio

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Influência dos elementos de liga

 Cromo: elemento de maior influência na

resistência à corrosão, pois é ele que forma a película de óxido que protege o metal. Utilizado na faixa de 12% a 30%

 Níquel: melhora a resistência à corrosão,

melhora as propriedades mecânicas como ductilidade e soldabilidade. Utilizado de 6% a 7%

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Influência dos elementos de liga

 Carbono: diminui ligeiramente a

corrosão quando no estado dissolvido, pode causar completa desintegração quando precipitados na forma de carbonetos em contornos de grãos (sensitização)

 Molibdênio: aumenta a passividade e a

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Influência dos elementos de liga

 Titânio e nióbio:evitam o

empobrecimento de cromo, evitando assim a sensitização

 Silício: melhora a resistência à oxidação

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Tipos de Aços Inoxidáveis

 Basicamente, os aços inoxidáveis podem ser

divididos em:

 Ferríticos: Liga Fe-Cr

 Martensíticos: Liga Fe-Cr-C  Austeníticos: Liga Fe-Ni-Cr

 Existem ainda os aços que possuem duas

fases, denominados Aços Duplex

• O carbono desempenha papel importante pois localiza um aço de alto cromo em ferrítico ou martensítico

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Tipos de aços inoxidáveis

 É necessário conhecer também a tendência

de cada elemento no sentido de promover a estabilização da austenita (gamagênica) ou ferrita (alfagênica)

 Ex: o cromo é alfagênico enquanto que o Ni é

gamagênico.

 Existe uma competição entre essas duas

tendências uma vez que outros elementos de liga são adicionados e que nos dá uma idéia de qual estrutura irá se formar a temperatura ambiente

(17)

•

Crequivalent=(Cr)+2(Si)+1,5(Mo)+5(V)+5,5(Al) +1,75(Nb)+1,5(Ti)+ 0.75(W)

•

Ni equivalente

=(NI)+(Co)+0,5(Mn)+0,3(Cu)+25(N)+30(C)

Influência dos elementos de

liga

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(19)

Aços Inoxidáveis Ferríticos

•

São ligas de alto cromo (12 a 30%) e baixo

carbono (abaixo de 0,2%) e estrutura ferrítica em todas as temperaturas inferiores ao ponto de fusão

•

Não endurecem significativamente por

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Aços Inoxidáveis Ferríticos

•

São relativamente baratos porque não

contém níquel

•

Boa resistência ao calor e corrosão

•

Como o carbono é baixo, desloca a curva

CCT esq., portanto após têmpera tem-se ferrita e não martensita

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Aços inoxidáveis Ferríticos

•

Um inconveniente dos aços

inoxidáveis ferríticos é a presença da fase σ para teores de Cr mais elevados. Se observarmos o diagrama Fe-Cr podemos notar que a fase σ,

excepcionalmente dura e frágil

aparece para teores de 42% a 48% de Cr

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Aços inoxidáveis Ferríticos

•

A desvantagem da presença da fase σ

reside no fato que afeta as propriedades mecânicas, reduzindo a ductilidade e tenacidade

(23)

Aços inoxidáveis Ferríticos

•

É possível dissolvê-la por meio de

aquecimento acima de 900o _C _e

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Composição Química

(Inóx Ferrítico)

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(27)

Aços Inoxidáveis Martensíticos

•

Neste grupo, a faixa de cromo é de 11,5

a 18% . O teor de carbono varia de 0,2 a 1,2 %. Essas composições, durante o

aquecimento interceptam o campo

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Aços Inoxidáveis Martensíticos

•

São temperáveis e na condição temperado e

revenido apresentam elevadas propriedades mecânicas

•

Entre as principais aplicações incluem-se

cutelaria, instrumentos cirúrgicos, peças para válvulas e bombas, peças para turbinas a vapor

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Aços Inoxidáveis Martensíticos

•

O revenido, nos aços inoxidáveis

martensíticos, é essencial para recuperar a tenacidade após a têmpera

•

Deve-se controlar a temperatura do

revenido rigorosamente pois

aquecimentos na faixa de 450 a 550o_C

tem efeito negativo sobre a tenacidade e a resistência à corrosão

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Aços Inoxidáveis Martensíticos

•

No revenido, a precipitação de

carbonetos, que ocorre a partir da martensita supersaturada de C, diminui em muito o teor de Cr na solução. Isto porque esses carbonetos precipitados são ricos em cromo e o aço perde em resistência à corrosão

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(34)

Aços inoxidáveis Austeníticos

•

São aços com baixo teor de carbono (0,03 a

0,08% de C normalmente, podendo em alguns casos chegar a 0,25% de C) com elevados teores de elementos gamagênicos

•

O elemento gamagânico mais utilizado é o Ni

que aparece na faixa de 7 a 25 %. O Ni estabiliza a austenita que se forma à elevadas temperaturas de maneira que no resfriamento esta estrutura é retida

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Aços inoxidáveis Austeníticos

•

Não são endurecíveis por tratamento

térmico e não são magnéticos

•

Apresentam ainda elevada ductilidade

(adequados à fabricação por

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Aços inoxidáveis Austeníticos

•

São conhecidos pela sua excelente resistência à

corrosão em muitos meios agressivos. Dos três grupos são os que apresentam melhor resistência à corrosão

•

Outros elementos de liga como molibdênio,

titânio e nióbio podem ser adicionados para melhorar a resistência à corrosão e minimizar a corrosão intergranular pela estabilização de carbonetos

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Aços inoxidáveis Austeníticos

• O aumento de dureza é obtido por encruamento (Martensita induzida por deformação). Eles combinam baixo limite de escoamento com alta resistência à tração e bom alongamento

• Com baixos níveis e velocidades de deformação a transformação de fases pode seguir à sequência γ→ε→α’ (Krup et al, 2010) e com elevados níveis de deformação, à sequência γ→α’ como sugerida por Talonen et al (2004), Lichtenfeld et al (2006) e Dash et al (1963). A energia de falha de empilhamento (EFE) é um importante parâmetro que influencia na formação e na quantidade de martensita ε e α’, especificamente a EFE intrínseca (BRACKE et al, 2006). Tem sido relatado que a martensita ε pode se formar com EFE intrínseca menor que 20mJ/m2 e a martensita α’ nucleia em materiais com EFE em torno de 20mJ/m2 (Krupp et al, 2010; Hausild et al, 2010).

CARACTERIZAÇÃO DA MARTENSITA INDUZIDA POR DEFORMAÇÃO EM UM AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO METAESTÁVEL, AISI 304, COM ALTO TEOR DE COBRE

Leonidas Cayo Mamani Gilapa, leonidas@ifsc.edu.br1

Carlos Augusto Silva de Oliveira, carlosa@emc.ufsc.br2

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Propriedades Mecânicas

Estabilizado para soldagem; reservatórios de transporte de produtos químicos. 45 276 655 Recozido 18Cr; 10Ni; Cb (Nb) = 10x Cmin. 347 Estabilizado para soldagem; equipamento de processamento 45 241 621 Recozido 18Cr; 10Ni; Ti = 5x %Cmin. 321

Baixo carbono para soldagem; reservatórios químicos 55 269 559 Recozido 19Cr; 10Ni; 0,03C 304L Equipamento de processamento químico e de alimentos. 55 290 580 Recozido 19Cr; 10Ni 304

Liga de elevada taxa de encruamento; aplicações estruturais 60 276 759 Recozido 17Cr; 7Ni 301 Aplicações típicas Alongamento (%) Tensão escoamento a Resistência à Tração (Mpa) Estado Composição Química Designação da liga

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Resistência à corrosão

•

Os aços inoxidáveis austeníticos são os

mais resistentes à corrosão em meios ambientes de atmosfera industrial e meios ácidos

•

Os aços inoxidáveis martensíticos são os

mais suscetíveis à corrosão e só são utilizados em condições ambientais não severas

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Aplicação Especial - Biomateriais

Aço inoxidável austenítico (316 L)

Composição básica : 18% de cromo, 8% níquel,3% de molibdênio Baixo teor de carbono (evita a sensitização)

Resistência a corrosão superior em relação aos outros aços

mesmo em meio agressivo como o fisiológico ( óxido de cromo e presença de molibdênio )

Biocompatibilidade( película de óxido impede a corrosão e a liberação de detritos metálicos que podem ocasionar reações teciduais)

Material mais utilizado para confecção de dispositivos ortopédicos

ASTM F 138 and 139 (special type of 316L for medical applications), and ISO 5832-9

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Prótese de Ombro

Parcial: Substituição somente do componente umeral

Indicação: fraturas graves, necrose da cabeça umeral Total: Substituição do

componente umeral e da cavidade glenóide

Indicação: trauma com lesão da glenóide, artrite e tumores

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Prótese de Quadril

•Total: São substituídos tanto o componente

femural como acetabular

•Indicação: processos

degenerativos como osteoartrose,

processsos reumáticos, fraturas

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Prótese de Quadril

•Parcial: Apenas o componente femural é colocado preservando-se

o acetábulo do paciente que deve ser obrigatoriamente normal

•Indicação:

Fraturas do colo do fêmur em

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Prótese de Joelho

Total: Todos os componentes do joelho são substituídos Parcial: É substituído apenas um componente do joelho Aplicação: processos degenerativos

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Aços inoxidáveis Duplex

•

São ligas bifásicas baseadas no sistema

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Aços inoxidáveis Duplex

•

Estes aços possuem, aproximadamente,

a mesma proporção das fases ferrita e austenita e são caracterizados pelo seu baixo teor de carbono (<0,03%) e por

adições de molibdênio,nitrogênio,

tungstênio e cobre.

•

Os teores típicos de cromo e níquel

variam entre 20 e 30% e 5 e 8%,

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Aços Inoxidáveis - Sensitização

•

Os contornos de grãos são regiões de

mais alta energia e por isso, sítios de precipitação de segundas fases

•

Quando aços inoxidáveis austeníticos

(304 ou 316) são aquecidos na faixa de

425o_{C a 815}o_{C ou resfriados lentamente}

nessa temperatura pode ocorrer

precipitação de carbonetos de cromo nos contornos de grãos

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Aços Inoxidáveis - Sensitização

•

A precipitação do carboneto Cr₂₃C₆ rico

em cromo remove este elemento da matriz. A região da austenita ao redor dos precipitados fica empobrecida em cromo e suscetível à corrosão

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Aços inoxidáveis -Sensitização

•

A sensitização nos aços inoxidáveis

austeníticos pode ocorrer no resfriamento lento após solubilização ou forjamento; alívio de tensões na faixa de precipitação de carbonetos ou na soldagem

Quando a sensitização ocorre durante a soldagem, permite posteriormente corrosão localizada na zona afetada pelo calor, na faixa

que permaneceu por mais tempo na

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Prevenção da Sensitização



Dissolução dos carbonetos : pelo aumento da

difusão de Cr através de estágio a

temperaturas elevadas (1040 a 1150o _{C) com}

resfriamento rápido posterior



Redução do teor de carbono (ELC) :E(extra)

L(low) C (carbon): para valores inferiores a 0,03% e nesta situação há pouco carbono disponível para formar carbonetos de cromo

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Prevenção da Sensitização



Adição de estabilizadores (Ti, Nb, etc):

formam carbonetos desses elementos que tem maior afinidade pelo carbono que o cromo.

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Aços Ferramenta

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REGRAS GERAIS

•Resistência ao desgaste varia diretamente com teor

de carbono (carbonetos)

• Resistência ao impacto decresce com aumento do

teor de carbono.

•Elementos formadores de carbonetos aumentam

resistência desgaste e diminuem resistência ao impacto

•VC 131- Villares: DIN X 210 CrW 12; Wnr 1.2436; AISI D6; ABNT D6; •VC 130- Villares: D3

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REGRAS GERAIS

•Todos os elementos (*) contribuem para

aumento da temperabilidade

•Dureza a quente aumenta com teor de

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Requisitos de cada ferramenta

Ferramentas de conformação a quente e a frio:

1)Resistência ao desgaste 2)Resistência ao impacto

1)Dureza a quente (trabalho a quente)

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Requisitos de cada ferramenta

Ferramentas para corte por cisalhamento:

1)Alta resistência ao impacto

1)Alta resistência ao desgaste (manter gume cortante)

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Ferramentas para moldes:

1) Resistência ao desgaste abrasivo 1)Fadiga térmica

1)Bom acabamento

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Requisitos de cada

ferramenta

 Ferramentas de corte por usinagem:

 1)Dureza a quente

 1)Resistência ao desgaste  2)Resistência ao impacto

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Tratamentos térmicos: cuidados Austenitização (pré-aquecimentos) Resfriamento: trincas e distorções

Austenita retida: variação dimensional Revenido: múltiplos (variação

dimensional)

endurecimento secundário (dureza à quente)

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Variações dimensionais durante o revenido STAGE (ºC) METALLURGICAL REACTIONS EXPANSION (E) CONTRACTION (C) 1 0 - 200 Precipitation of ε – carbide. Loss of tetragonality C 2 200 - 300 Decomposition of retained austenite E 3 230 - 350 ε-carbides decompose to cementite C 4 350 - 700 Precipitation of alloy carbides. Grain coarsening

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Modificações de Volume

 Devido às transformações que ocorrem nos aços no tratamento de revenido,

estes apresentam geralmente uma contração

 Observa-se após a têmpera que os aços sofrem uma contração com exceção

daqueles que possuem austenita retida que apresentam um pico de dilatação pela

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Aços para ferramentas

Aços-rápido: desenvolvidos para aplicações de usinagem em elevadas velocidades

Aços para trabalho a quente:desenvolvidos para utilização em operações de

punçonamento, cisalhamento e forjamento de metais em altas temperaturas sob condições de calor, pressão e abrasão.

Aços para deformação a frio: desenvolvidos para aplicações que não envolvam

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Aços para ferramentas

 Aços para trabalho a quente:

desenvolvidos para utilização em operações de cisalhamento e forjamento de metais em altas temperaturas sob condições de calor,

pressão e abrasão.

 Possuem como principal elemento de liga

cromo, podendo conter ainda vanádio, tungstênio e molibdênio

 O teor de carbono e de elementos de liga é

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Aços para ferramentas

 São identificados como aço H, no sistema

de classificação.



 São divididos em três sub-grupos:  ao cromo (H11 à H19)

 ao tungstênio (H21 à H26)  ao molibdênio (H42 à H43).

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Aços para ferramentas

 · Aços para deformação a frio: por não

conter os elementos de liga necessários

para possuir resistência a quente,

estes aços se restringem a aplicações que não envolvam aquecimentos repetidos ou prolongados em faixas de temperatura de 205 a 260ºC.

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Aços para ferramentas

São divididos em três grupos:

 aços temperáveis ao ar (grupo A)

 aços alto-carbono e alto-cromo (grupo D)

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Aços para ferramentas

Aços-rápido: aplicações de usinagem em elevadas velocidades.

 É um material tenaz, de elevada resistência

ao desgaste e elevada dureza a quente (se comparado com os aços carbono usados para ferramentas), podendo ser utilizados até temperaturas de corte da ordem de

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Aços para ferramentas

Existem duas classificações que são:

 ao molibdênio (grupo M)  ao tungstênio: (grupo T).

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77

ENDURECIMENTO

SECUNDÁRIO

Aços alta liga revenidos na faixa entre 500-600°C ocorre aumento de dureza devido a

precipitação de carbonetos de liga e transformação da austenita retida em martensita.

Este fenômeno ocorre em aços ligados ao: Mo;V;W;Ti e Cr a precipitação de carbonetos destes elementos ocorre via difusão

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78

Curva de

revenimento

do aço H13

Endurecimento secundário Pico de endurecimento

secundário que gera aumento de

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79 2 Microestrutura constituída de martensita revenida e carbonetos complexos Microestrutura constituída de martensita e carbonetos complexos

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