CIÊNCIAS DOS MATERIAIS
Prof. Dr. André Carlos Silva
Universidade Federal de Catalão
Capítulo V
Ligas metálicas
Fotografia mostrando vários estágios na fabricação de uma lata de alumínio. A lata é formada a apartir de uma única folha de uma liga de alumínio. Operações de produção incluem desenho, formação da cúpula, limpeza, decoração, e formação do
pescoço e da flange.
1. INTRODUÇÃO
⚫ Ligas metálicas, em virtude de sua
composição, são às vezes grupadas em duas classes - ferrosas e não-ferrosas.
⚫ As ligas ferrosas são aquelas nas quais o
ferro é o principal constituinte e incluem aços
e ferros fundidos.
1. INTRODUÇÃO
⚫ Muitas vezes um problema de materiais é selecionar o material que tem a correta
combinação de características para uma aplicação específica.
⚫ Portanto, as pessoas envolvidas na tomada
de decisão deveriam ter algum conhecimento
das opções disponíveis.
1. INTRODUÇÃO
⚫ Esta apresentação (extremamente resumida) fornece uma visão geral de algumas ligas
metálicas comerciais, suas propriedades e
suas limitações.
2. LIGAS FERROSAS
⚫ As ligas ferrosas (das quais o ferro é o constituinte principal) são produzidas em maiores quantidades do que de qualquer outro de metal.
⚫ Elas são especialmente importantes como
materiais de construção de engenharia.
2. LIGAS FERROSAS
⚫ O seu uso largamente difundido é devido a três fatores:
⚫
Compostos contendo ferro existem em
quantidades abundantes na crosta terrestre;
⚫
O ferro metálico e aços podem ser produzidos
usando técnicas relativamente econômicas de
extração, de refino, de adição de elementos de
liga e de fabricação;
2. LIGAS FERROSAS
⚫ O seu uso largamente difundido é devido a três fatores:
⚫
Ligas ferrosas são extremamente versáteis, no
sentido de que elas podem ser elaboradas sob
medida para ter uma larga faixa de propriedades
mecânicas e físicas.
2. LIGAS FERROSAS
⚫ A principal desvantagem de muitas ligas ferrosas é sua susceptibilidade à corrosão.
⚫ Um esquema de classificação para as várias
ligas ferrosas é apresentado a seguir.
Ligas metálicas Ferrosas
Aço
Baixo carbono
Médio carbono
Alto carbono
Ferro fundido
Cinzento
Nodular
Branco
Maleável Grafita compacta
Não- ferrosas
Esquema de classificação para as várias ligas ferrosas
2.1. AÇOS
⚫ Aços são ligas de ferro-carbono que podem conter apreciáveis concentrações de outros elementos de liga (existem milhares de ligas que têm diferentes composições e/ou
tratamentos térmicos).
⚫ As propriedades mecânicas dos aços são sensíveis ao teor de carbono, que é
normalmente menor do que 1,0% em peso.
2.1. AÇOS
⚫ Alguns dos aços mais comuns são
classificados de acordo com a concentração de carbono, isto é, em tipos com baixo-
carbono, médio-carbono e alto-carbono.
⚫ Também existem sub-classes dentro de cada grupo de acordo com a concentração de
outros elementos de liga.
2.1. AÇOS
⚫ Aços-carbono comuns contém apenas
concentrações residuais de impurezas outras que não o carbono.
⚫ Para aços-liga, elementos de liga são intencionalmente adicionados em
concentrações específicas.
2.1.1. Aços Baixo-Carbono
⚫ De todos os diferentes tipos de aços, aqueles produzidos nas maiores quantidades caem
dentro da classificação baixo-carbono.
⚫ Estes geralmente contém menos que 0,25%
em peso de C e não respondem aos
tratamentos térmicos que para a formação de
martensita; o endurecimento é realizado por
um trabalho a frio (como será visto).
2.1.1. Aços Baixo-Carbono
⚫ A microestrutura deste tipo de aço consiste de ferrita e perlita.
⚫ Como uma conseqüência, estas ligas são relativamente macias e fracas, mas têm
grande ductilidade e tenacidade. Em adição,
elas são usináveis, soldáveis e, de todos os
aços, são os de produção mais barata.
Aço carbono com grão visível de grande maciês. Composto basicamente de ferrita
(grande quantidade) e de perlita (pequena quantidade) com cementita na estrutura
Aço carbono após tratamento térmico com grãos menores (impossível vê-los
individualmente). Estrutura básica do aço é de muita perlita com cementita na estrutura
e alguma ferrita.
2.1.1. Aços Baixo-Carbono
⚫ Suas aplicações típicas incluem
componentes do corpo de automóveis, formas estruturais (vigas I,cantoneiras de ferro em U e em L), e chapas que são
usadas em tubulações, edifícios, pontes e
latas de estranho.
2.1.1. Aços Baixo-Carbono
⚫ Eles tipicamente têm um limite de
escoamento de 40.000 psi (275 MPa),
resistência à tração entre 60.000 e 80.000
psi (415 e 550 Mpa) e uma ductilidade de
25% EL (EL = elongação).
2.1.1. Aços Baixo-Carbono
⚫ Outro grupo de aços de baixo carbono são os chamados aços de baixa-liga e alta
resistência mecânica (HSLA, em inglês).
⚫ Eles contém outros elementos de liga tais como cobre, vanádio, níquel e molibdênio, em concentrações combinadas de até 10%
em peso, o que confere ao aço maior
resistência mecânica do que os aços-
carbono de baixo-carbono.
2.1.1. Aços Baixo-Carbono
⚫ Muitos destes aços podem ser endurecidos por tratamento térmico, fornecendo
resistência à tração maior do que 70.000 psi (480 Mpa).
⚫ Estes aços são dúcteis, conformáveis e
usináveis.
2.1.1. Aços Baixo-Carbono
⚫ Em atmosferas normais, os aços HSLA são mais resistentes à corrosão do que os aços- carbono comuns, os quais foram substituídos pelos aços HSLA em muitas aplicações onde a resistência estrutural é crítica (por exemplo, pontes, torres, colunas de suporte em
edifícios de alta-elevação e vasos de
pressão).
2.1.1. Aços Baixo-Carbono
Composições de cinco aços-carbono de baixo-carbono, três aços de baixa-liga e
alta resistência mecânica.
2.1.1. Aços Baixo-Carbono
Características mecânicas de materiais laminados a quente e aplicações típicas para
vários aços-carbono de baixo-carbono e aços de baixa-liga e alta resistência mecânica.
2.1.1. Aços Baixo-Carbono
Aço HSLA com adição de vanádio.
2.1.2. Aços Médio-Carbono
⚫ Os aços médio-carbono têm concentrações de carbono entre 0,25 e 0,60% de C em
peso.
⚫ Estas ligas podem ser tratadas termicamente por austenitização, têmpera e, a seguir,
revenimento para melhorar suas
propriedades mecânicas.
2.1.2. Aços Médio-Carbono
⚫ Eles são muitas vezes utilizados na condição revenida, tendo microestruturas de
martensita revenida.
⚫ Revenido ou Revenimento é um tratamento térmico utilizado no aço para corrigir
inconvenientes decorrentes da têmpera, sendo, portanto, sempre aplicado
posteriormente a ela.
2.1.2. Aços Médio-Carbono
⚫
Os aços-carbono de médio-carbono têm baixas temperabilidades e só podem ser tratados
termicamente com sucesso em seções muito finas e com taxas de resfriamento muito grandes.
⚫
Adição de cromo, níquel e molibdênio melhora a capacidade destas ligas de serem tratadas
termicamente, dando origem a uma variedade de
combinações de resistência mecânica-ductilidade.
2.1.2. Aços Médio-Carbono
⚫
Estas ligas tratadas termicamente são mais fortes do que os aços de baixo-carbono, mas mediante um sacrifício da ductilidade e da tenacidade.
⚫
Aplicações incluem rodas de trens, trilhos de
ferrovia, engrenagens, eixos virabrequins e outras partes de máquinas e componentes estruturais de alta resistência mecânica requerendo uma
combinação de alta resistência mecânica,
resistência à abrasão e tenacidade.
2.1.2. Aços Médio-Carbono
⚫ A Sociedade dos Engenheiros
Automotivos (SAE), o Instituto Americano de Ferro e Aço (AISI) e a Sociedade
Americana para Teste e Materiais (ASTM) são responsáveis pela classificação e
especificação de aços bem como de outras
ligas.
2.1.2. Aços Médio-Carbono
⚫ A designação AISI/SAE para estes aços é um número de quatro dígitos, composto da seguinte forma:
⚫
Os dois primeiros dígitos indicam o teor dos elementos de liga;
⚫
Os dois últimos, a concentração de carbono.
2.1.2. Aços Médio-Carbono
⚫ Para aços-carbono comuns, os dois
primeiros dígitos são 1 e 0; aços-liga são
designados por outras combinações de dois dígitos iniciais (por exemplo, 13, 41, 43).
⚫ Os terceiro e quarto dígitos representam a porcentagem em peso de carbono
multiplicado por 100. Por exemplo, um aço
1060 é um aço-carbono comum contendo
0,60%C em peso.
2.1.2. Aços Médio-Carbono
⚫ As composições de vários destes aços
médio-carbono ligados estão apresentadas
na tabela a seguir.
a A concentração percentual de carbono, em peso vezes 100, é inserida no lugar
do “xx” pra cada aço específico.
b Exceto para ligas 13xx, concentração de manganês é menor que 1,00 wt%.
Exceto para ligas 12xx, concentração de fósforo é menor que 0,35 wt%.
Exceto para ligas 11xx e 12xx, concentração de enxofre é menor que 0,04 wt%.
Exceto para ligas 92xx, concentração de silício varia entre 0,15 e 0,35 wt%.
2.1.2. Aços Médio-Carbono
⚫ Um sistema unificado de numeração ("UNS", em inglês) é usado para indexação uniforme tanto de ligas ferrosas quanto de ligas não- ferrosas.
⚫ Cada número UNS consiste de um prefixo de
uma única letra seguido por um número de 5
dígitos.
2.1.2. Aços Médio-Carbono
⚫ A letra é indicativa da família de metais à qual uma liga pertence.
⚫ A designação UNS para estas ligas começa com um G, seguido pelo número AISI/SAE, o quinto dígito é zero. A tabela a seguir contém as características mecânicas e aplicações
típicas de vários destes aços, que foram
temperados e revenidos.
2.1.2. Aços Médio-Carbono
a Classificado como aço de alto-carbono.
2.1.3. Aços Alto-Carbono
⚫ Os aços alto-carbono, normalmente tendo teores de carbono entre 0,60 e 1,4% em peso são os mais duros, os mais fortes e ainda os menos dúcteis os aços-carbono.
⚫ Eles são quase sempre usados temperados
e revenidos e, como tal, são especialmente
resistentes à abrasão e capazes de manter
uma aresta cortante pontiaguda.
2.1.3. Aços Alto-Carbono
⚫ Os aços para ferramentas e matrizes são aços alto-carbono, usualmente contendo cromo, vanádio, tungstênio e molibdênio.
⚫ Estes elementos de liga se combinam com o carbono para formar compostos de carbeto (ou carboneto) muito duros e muito
resistentes ao desgaste (por exemplo, Cr 23 C 6
, V 4 C 3 e WC).
2.1.3. Aços Alto-Carbono
2.1.3. Aços Alto-Carbono
⚫ Estes aços são utilizados como ferramentas de corte e matrizes para transformação
mecânica e conformação de materiais, bem como em facas, navalhas, lâminas de serra, molas e fios de alta resistência mecânica.
⚫ Algumas composições de aços-ferramentas
e suas aplicações estão listadas na tabela a
seguir.
Designações, composições e aplicações para seis aços-ferramentas
a A balanço da composição é o ferro. Concentração de manganês entre 0,1 e 1,4
wt%, dependendo da liga; concentração de silício entre 0,2 e 1,2 wt%, dependendo
da liga.
2.1.4. Aços Inoxidáveis
⚫ Os aços inoxidáveis são altamente
resistentes à corrosão (enferrujamento) numa variedade de ambientes,
especialmente o atmosférico.
⚫ Seu elemento de liga predominante é o cromo; uma concentração de pelo menos
11% de Cr em peso é requerida para um aço
ser considerado inox.
2.1.4. Aços Inoxidáveis
⚫ A resistência à corrosão do aço também
pode ser melhorada pela adição de níquel e de molibdênio.
⚫ Aços inoxidáveis são divididos em três classes com base na fase predominante
constituinte da microestrutura: martensítico,
ferrítico ou austenítico.
2.1.4. Aços Inoxidáveis
⚫ Uma larga faixa de propriedades mecânicas combinadas com excelente resistência à
corrosão torna os aços inoxidáveis muito versáteis em sua aplicabilidade.
⚫ A tabela a seguir lista vários aços
inoxidáveis, por classe, juntamente com sua
composição, propriedades mecânicas típicas
e aplicações.
2.1.4. Aços Inoxidáveis
⚫ Também incluído na tabela há um aço
inoxidável de resistência mecânica ultra-alta (17-7 PH) que é usualmente forte e
resistente à corrosão.
2.1.4. Aços Inoxidáveis
⚫ Aços inoxidáveis martensíticos são capazes de ser térmicamente tratados de tal maneira que a martensita é o microconstituinte
principal.
⚫ Para aços inoxidáveis austeníticos, o campo da fase austenita (ou γ) é estendido até à
temperatura ambiente.
2.1.4. Aços Inoxidáveis
⚫ Aços inoxidáveis ferríticos são compostos pela fase ferrita-α (CCC).
⚫ Aços inoxidáveis austeníticos e ferríticos são endurecidos e fortalecidos por meio de
trabalho a frio, isso porque eles não são
susceptíveis a tratamento térmico.
2.1.4. Aços Inoxidáveis
⚫ Os aços inoxidáveis austeníticos são os mais resistentes à corrosão por causa dos altos
teores de cromo e também das adições de níquel, sendo estes tipos de aço os
produzidos nas maiores quantidades.
⚫ Tanto os aços inoxidáveis martensíticos
quanto os aços inoxidáveis ferríticos são
magnéticos, já o aço inoxidável austenítico
não é.
2.1.4. Aços Inoxidáveis
⚫
Alguns aços inoxidáveis são freqüentemente
usados a elevadas temperaturas e em ambientes severos porque eles resistem à oxidação e mantém sua integridade mecânica sob tais condições; o
limite superior de temperatura em atmosferas oxidantes é cerca de 1.000º C (1.800 ºF).
⚫
Equipamentos empregando estes aços incluem turbinas a gás, caldeiras de vapor de alta
temperatura, fornos de tratamento térmico,
aeronaves, mísseis e unidades de geração de
energia nuclear.
2.1.4. Aços Inoxidáveis
⚫ Fortalecimento deste tipo de aço é realizado
por tratamentos térmicos de endurecimento
por precipitação.
2.2. Ferro fundido
⚫ Genericamente, os ferros fundidos são uma classe de ligas ferrosas com teores de
carbono acima de 2,1% em peso.
⚫ Na prática, entretanto, muitos ferros fundidos
contém entre 3,0 e 4,5% de C em peso e, em
adição, outros elementos de liga.
2.2. Ferro fundido
⚫ Um re-exame do diagrama de fases ferro- carboneto de ferro revela que ligas dentro desta faixa de composição se tornam
completamente líquidas em temperaturas entre aproximadamente 1.150 e 1.300 ºC
(2.100 e 2.350º F), que é consideravelmente
inferior àquela de fusão dos aços.
2.2. Ferro fundido
⚫ Assim eles podem ser facilmente fundidos e são susceptíveis à fundição.
⚫ Além disso, alguns ferros fundidos são
frágeis e a fundição é a técnica de fabricação
mais conveniente.
2.2. Ferro fundido
⚫ Para a maioria dos ferros-fundidos, o carbono existe como grafita e tanto a
microestrutura quanto o comportamento mecânico dependem da composição e do tratamento térmico.
⚫ Os tipos mais comuns de ferros fundidos
são: cinzento, nodular, branco, maleável e
grafita compacta.
2.2.1. Ferro fundido cinzento
⚫ Os teores de carbono e de silício de ferros fundidos cinzentos variam entre 2,5 e 4,0%
em peso e entre 1,0 e 3,0% em peso, respectivamente.
⚫ Para a maioria destes ferros fundidos, a
grafita existe na forma de flocos (similares
aos flocos de milho), que são normalmente
circundados por uma matriz de ferrita-α ou
de perlita.
2.2.1. Ferro fundido cinzento
⚫ A microestrutura de um ferro fundido
cinzento típico é mostrada na figura a seguir.
⚫ Por causa destes flocos de grafita, uma
superfície fraturada toma uma aparência
cinza, donde provem o seu nome.
Fotomicrografias óticas de vários ferros fundidos
(a) Ferro fundido cinzento: os flocos escuros de grafita estão embutidos numa matriz de ferrita-α. 500x.
(b) Ferro fundido nodular (dúctil): os nódulos escuros de grafita estão circundados
por uma matriz de ferrita-α. 200x.
Fotomicrografias óticas de vários ferros fundidos
(c) Ferro fundido branco: as regiões claras de cementita estão circundadas por perlita, que tem uma estrutura em camadas de ferrita-cementita. 400x.
(d) Ferro fundido maleável: rosetas (carbono de revenimento) escuras de grafita
numa matriz de ferrita-α. 150x.
Fotomicrografias óticas de vários ferros fundidos
(e) Ferro fundido grafita compacta: partículas de grafita escura com formato de
vermes embebidas em uma matriz de ferrita-α. 100x.
2.2.1. Ferro fundido cinzento
⚫ Mecanicamente o ferro fundido cinzento é comparativamente franco e frágil à tração como conseqüência da sua microestrutura.
⚫ As pontas dos flocos de grafita são
pontiagudas e dirigidas e podem servir como
pontos de concentração de tensão quando
uma tensão externa de tração for aplicada.
2.2.1. Ferro fundido cinzento
⚫ Já a resistência mecânica e ductilidade destes são muito maiores para cargas de compressão.
⚫ Ferros fundidos cinzentos têm algumas
características desejáveis e, de fato, são
utilizados extensivamente.
2.2.1. Ferro fundido cinzento
⚫ Eles são muito eficientes no amortecimento de energia vibracional; isto é representado na figura a seguir, que compara as
capacidades relativas de amortecimento do aço e do ferro fundido cinzento.
⚫ Estruturas basais para máquinas e
equipamentos pesados que são expostos a
vibrações são freqüentemente construídas
deste material.
2.2.1. Ferro fundido cinzento
Comparação das capacidades relativas de amortecimento de vibração
do (a) aço e (b) ferro fundido cinzento.
2.2.1. Ferro fundido cinzento
⚫ Em adição, ferros fundidos cinzentos exibem uma alta resistência ao desgaste.
⚫ No estado líquido eles têm uma alta fluidez à temperatura de fundição, que permite a
fundição de peças tendo formas intrincadas,
sendo a contração de fundição normalmente
baixa.
2.2.1. Ferro fundido cinzento
⚫ Finalmente, e talvez o mais importante,
ferros fundidos cinzentos são os mais
baratos dos materiais metálicos.
Anilha da marca Jaguar de 3kg fabricada em ferro fundido cinzento
2.2.2. Ferro fundido dúctil
⚫ A adição de uma pequena quantidade de magnésio e/ou cério no ferro fundido
cinzento antes da fundição produz uma
microestrutura e conjunto de propriedades mecânicas distintamente diferentes.
⚫ A grafita ainda se forma, mas como nódulos
ou partículas esféricas em vez de flocos.
2.2.2. Ferro fundido dúctil
⚫ A liga resultante é chamada ferro fundido
nodular (ou também chamado ferro fundido dúctil), sendo sua microestrutura típica
mostrada na figura a seguir.
⚫ A fase matriz que circunda estas partículas é de perlita ou de ferrita, dependendo do
tratamento térmico.
2.2.2. Ferro fundido dúctil
⚫ Para uma peça no estado bruto de fundição ela é normalmente uma perlita.
⚫ Entretanto, um tratamento térmico durante
várias horas a cerca de 700ºC (1.300ºF)
fornecerá uma matriz de ferrita.
Ferro fundido nodular (dúctil): os nódulos escuros de grafita estão circundados por
uma matriz de ferrita-α. 200x.
2.2.2. Ferro fundido dúctil
⚫ As peças fundidas são mais fortes e muito mais dúcteis do que no caso de ferros
fundidos cinzentos.
⚫ De fato, o ferro fundido dúctil tem
características mecânicas que se aproximam
do aço.
2.2.2. Ferro fundido dúctil
⚫ Por exemplo, ferro fundido dúctil ferrítico tem resistência à tração variando entre 55.000 e 70.000 psi (380 e 480 Mpa) e ductilidades (como porcentagem de elongação) de 10 a 20%.
⚫ Aplicações típicas deste material incluem válvulas, corpos da bomba, eixos
virabrequins, engrenagens e outros
componentes automotivos e de máquinas.
2.2.3. Ferro fundido branco
⚫ Para ferros fundidos de baixo teor de silício (< 1,0% de Si em peso) e altas taxas de
resfriamento, a maioria do carbono existe como cementita em vez de grafita.
⚫ Uma superfície de fratura desta liga tem uma aparência branca e assim é denominado
ferro fundido branco.
2.2.3. Ferro fundido branco
⚫
Uma fotomicrografia ótica mostrando a microestrutura de ferro fundido branco é apresentada na figura a seguir.
⚫
Seções espessas podem ter apenas uma camada superficial de ferro fundido branco que foi arrefecida (resfriamento brusco e profundo) durante o
processo de fundição; ferros fundidos cinzentos se
formam nas regiões interior, que se resfriam mais
lentamente.
Ferro fundido branco: as regiões claras de cementita estão circundadas por
perlita, que tem uma estrutura em camadas de ferrita-cementita. 400x.
2.2.3. Ferro fundido branco
⚫
Como conseqüência da grande quantidade da fase cementita, o ferro fundido branco é extremamente duro, mas também muito frágil, ao ponto de ser virtualmente não-usinável.
⚫
Seu uso está limitado a aplicações que necessitam de uma superfície muito dura e resistente ao
desgaste e sem um alto grau de ductilidade, por
exemplo como rolos em moinho de rolos.
2.2.4. Ferro maleável
⚫ Geralmente o ferro fundido branco é usado como um intermediário na produção de um outro ferro fundido, o ferro fundido
maleável.
2.2.4. Ferro maleável
⚫ O aquecimento de ferro fundido branco até temperaturas entre 800 e 900ºC (1.470 e
1.650ºF) durante um prolongado período de tempo à temperatura do tratamento e numa atmosfera neutra (para prevenir a oxidação) causa a decomposição da cementita,
formando grafita, que existe na forma de cachos ou rosetas circundadas por uma
matriz de ferrita ou de perlita, dependendo da
taxa de resfriamento.
2.2.4. Ferro maleável
⚫ Uma fotomicrografia de um ferro fundido maleável é apresentada a seguir.
⚫ A microestrutura é similar àquela de um ferro
fundido nodular, o que explica a resistência
mecânica relativamente alta e a apreciável
ductilidade (ou maleabilidade).
Ferro fundido maleável: rosetas (carbono de revenimento) escuras de grafita
numa matriz de ferrita-α. 150x.
2.2.4. Ferro maleável
⚫ Aplicações deste aço incluem hastes de conexão, engrenagens de transmissão e
caixa diferencial para industria automotiva e também flanges, conexões de tubos e partes de válvulas para linha férrea, marinha e
outros serviços pesados.
2.2.5. Ferro fundido grafita compacta
⚫ Uma adição recente à família dos ferros fundidos é o ferro fundido de grafita
compacta (ou CGI).
⚫ Como nos ferros fundidos cinza, dúcteis e maleáveis, o carbono existe como grafita, sendo sua formação promovida pela
presença de sílica.
2.2.5. Ferro fundido grafita compacta
⚫ A concentração de sílica para este ferro fundido se situa entre 1,7 e 3,0 wt%,
considerando que a concentração de carbono está entre 3,1 e 4,0 wt%.
⚫ A microestrutura da grafita nas ligas CGI
possuem a forma de vermes (ou forma
vermicular), como mostrado na figura a
seguir.
Ferro fundido grafita compacta: partículas de grafita escura com formato de vermes
embebidas em uma matriz de ferrita-α. 100x.
2.2.5. Ferro fundido grafita compacta
⚫ Em comparação com outros ferros fundidos, as características desejáveis do CGI incluem:
⚫
Alta condutividade térmica;
⚫
Melhor resistência ao choque térmico (isto é, fraturas resultantes de mudanças bruscas de temperaturas);
⚫
Menor oxidação à temperaturas elevadas.
2.2.5. Ferro fundido grafita compacta
⚫ Ferros fundidos de grafita compacta estão começando a serem usados em importantes aplicações, que incluem: blocos de motores a diesel, coletores de exaustores, caixas de
câmbio, discos de freios para trens de alta
velocidade e volantes.
3. LIGAS NÃO-FERROSAS
⚫ Aços e outras ligas ferrosas são consumidas em grandes quantidades porque possuem
uma larga faixa de propriedades mecânicas, podem ser fabricadas com relativa facilidade e são economicamente viáveis.
⚫ Entretanto, elas possuem algumas
limitações, tais como:
3. LIGAS NÃO-FERROSAS
⚫
Massa específica relativamente alta;
⚫
Comparativamente baixa condutividade elétrica e
⚫
Inerente susceptibilidade à corrosão em alguns
ambientes comuns.
3. LIGAS NÃO-FERROSAS
⚫ Assim, para muitas aplicações, é vantajoso (ou mesmo necessário) o uso de outras ligas tendo uma combinação mais apropriada de propriedades.
⚫ Os sistemas de ligas são classificados quer
de acordo com o metal base quer de acordo
com alguma característica específica que um
grupo de ligas compartilham.
3.1. Cobre e suas ligas
⚫ Cobre e as ligas à base de cobre, possuindo uma combinação desejável de propriedades físicas, têm sido utilizado em várias
aplicações desde a antigüidade.
⚫ Um cobre não ligado é tão macio e dúctil que é difícil de usinar, tendo uma capacidade
quase ilimitada de ser trabalhado a frio.
3.1. Cobre e suas ligas
⚫ Além disso, o cobre é altamente resistente à corrosão em diversos ambientes incluindo o ambiente atmosférico, a água do mar e
alguns produtos químicos industriais.
⚫ As propriedades mecânicas e de resistência
à corrosão do cobre podem ser melhoradas
por elementos de liga.
3.1. Cobre e suas ligas
⚫ Muitas ligas de cobre não podem ser endurecidas ou fortalecidas por
procedimentos de tratamento térmico, conseqüentemente, trabalho a frio e o
estabelecimento de soluções sólidas por
adição de elementos devem ser utilizados
para melhorar tais propriedades mecânicas.
3.1. Cobre e suas ligas
⚫ As ligas de cobre mais comuns são os latões para os quais o elemento de liga
predominante é o zinco (impureza substitucional).
⚫ Como pode ser observado no diagrama de fase cobre-zinco, a fase α é estável para
concentrações de aproximadamente 35% de
Zn em peso.
O diagrama de fase cobre-zinco
3.1. Cobre e suas ligas
⚫ Esta fase tem uma estrutura cristalina CFC e os latões α são relativamente macios e
facilmente trabalhados a frio.
⚫ Ligas de latão tendo um maior teor de zinco contém as fases tanto α quanto β' à
temperatura ambiente.
3.1. Cobre e suas ligas
⚫ A fase β' tem uma estrutura cristalina CCC e é mais dura e mais forte do que a fase α.
⚫ Conseqüentemente, ligas α + β' são
geralmente trabalhadas a quente.
3.1. Cobre e suas ligas
⚫ Alguns dos latões comuns são latões
amarelos, navais e de cartucho, metal de
"muntz" e metal de douração.
⚫ As composições, propriedades e usos típicos de várias destas ligas estão listadas na
tabela abaixo.
3.1. Cobre e suas ligas
⚫ Alguns dos usos comuns para ligas de latão incluem jóias de vestuário, caixas de
cartuchos, radiadores de automóvel,
instrumentos musicais e moedas.
3.1. Cobre e suas ligas
⚫ Os bronzes são ligas de cobre e vários outros elementos, incluindo estanho,
alumínio, silício e níquel.
⚫ Estas ligas são mais fortes do que os latões, e possuem um alto grau de resistência à
corrosão.
3.1. Cobre e suas ligas
⚫ Geralmente elas são utilizadas quando é
necessária a resistência a tração em adição
à resistência à corrosão.
Espelho de bronze com 2.200 anos de idade da dinastia Han
3.1. Cobre e suas ligas
⚫ Uma geração recente de ligas de cobre de alta resistência são cobres de berílio.
⚫ Elas possuem uma destacável combinação de propriedades de resistências à tração tão altas quanto 200.000 psi (1.400 MPa),
excelentes propriedades elétricas e
resistência à corrosão.
3.1. Cobre e suas ligas
⚫ Elas podem ser fundidas, trabalhadas a quente, ou trabalhadas a frio.
⚫ Altas resistências mecânicas são atingidas por tratamentos de endurecimento por
precipitação.
3.1. Cobre e suas ligas
⚫ Estas ligas são caras por causa das adições de berílio, que variam entre 1,0 e 2,5% em peso.
⚫ Aplicações incluem mancais e buchas do
elementos de aterrissagem de aviões a jato,
molas, instrumentos cirúrgicos e dentais.
3.2. Alumínio e suas ligas
⚫
Alumínio e suas ligas são caracterizados por uma massa específica relativamente baixa (2,7 g/cm
3quando comparada com 7,9 g/cm
3para o aço), altas condutividades elétrica e térmica e uma alta
resistência à corrosão em alguns ambientes, incluindo o ambiente atmosférico.
⚫
Muitas destas ligas são facilmente conformadas em
virtude da alta ductilidade, isto é evidenciado pela
fina folha da lâmina de alumínio em que o material
relativamente puro pode ser laminado.
3.2. Alumínio e suas ligas
⚫ Uma vez que o alumínio tem uma estrutura CFC, sua ductilidade é retida mesmo em muito baixas temperaturas.
⚫ A limitação principal do alumínio é o seu
baixo ponto de fusão 660 ºC (1.220 ºF), que
restringe a temperatura máxima na qual este
pode ser usado.
3.2. Alumínio e suas ligas
⚫ Algumas das aplicações mais comuns de ligas de alumínio incluem partes estruturais de aeronaves, latas de refrigerantes,
carroceria de ônibus e partes automotivas (blocos de motor, pistões e tubos de
distribuição).
⚫ A composição, propriedades e aplicações de várias ligas trabalhas mecanicamente e
fundidas estão contidas na tabela a seguir.
3.3. Magnésio e suas ligas
⚫ Talvez a característica mais destacada do magnésio seja a sua massa específica (1,7 g/cm 3 ), que é a mais baixa de todos os
metais estruturais.
⚫ Portanto suas ligas são usadas onde o peso é uma consideração importante (por
exemplo, em componentes de aeronaves).
3.3. Magnésio e suas ligas
⚫ O magnésio tem uma estrutura cristalina HC, é relativamente macio e tem um baixo
módulo elástico, 6,5.10 6 psi (45 GPa).
⚫ À temperatura ambiente o magnésio e suas ligas são difíceis de deformar; de fato,
apenas pequenos graus de trabalho a frio
podem ser impostos sem recozimento.
3.3. Magnésio e suas ligas
⚫ Conseqüentemente, a maioria das
fabricações é feita por fundição ou por
trabalho a quente a temperaturas entre 200 e 350ºC (400 a 650ºF).
⚫ O magnésio, tal como o alumínio, tem um
baixo ponto de fusão (651ºC ou 1204ºF).
3.3. Magnésio e suas ligas
⚫ Quimicamente, o magnésio e suas ligas são relativamente instáveis e especialmente
susceptíveis à corrosão em ambientes marinhos.
⚫ Por outro lado, as resistências à corrosão e oxidação são relativamente boas na
atmosfera normal.
3.3. Magnésio e suas ligas
⚫ Pós finos de magnésio entram em ignição facilmente quando aquecidos ao ar;
conseqüentemente, cuidados deveriam ser
tomados quando se estiver manuseando-o
neste estado.
3.3. Magnésio e suas ligas
⚫ Estas ligas são também classificadas como fundidas ou como trabalhadas
mecanicamente e algumas delas são termicamente tratáveis.
⚫ Alumínio, zinco, manganês e algumas terras
raras são os principais elementos de liga.
3.3. Magnésio e suas ligas
⚫ Os elementos químicos denominados como terras raras são: Lantânio, Cério,
Praseodímio, Neodímio, Promécio, Samário, Európio, Gadolínio, Térbio, Disprósio,
Hólmio, Érbio, Túlio, Itérbio, Lutécio,
Escândio e Ítrio.
3.3. Magnésio e suas ligas
3.3. Magnésio e suas ligas
⚫ A tabela a seguir lista várias ligas de magnésio comuns, suas composições, propriedades e aplicações.
⚫ Estas ligas são usadas em aplicações de
aeronaves e mísseis, bem como bagagem e
rodas de automóveis.
Composições, propriedades mecânicas e aplicações típicas para seis
ligas de magnésio comuns
3.3. Magnésio e suas ligas
Suspensão Proshock E100R
Monobloco em magnésio
Haste em liga de alumínio de ultra-alta resistência com anodização dura
Peso: 1830 g
Preço: R$ 479,00
3.4. Titânio e suas ligas
⚫ Titânio e suas ligas são materiais de engenharia relativamente novos que
possuem uma extraordinária combinação de propriedades.
⚫ O metal puro tem baixa massa específica (4,5 g/cm 3 ), alto ponto de fusão (1668ºC ou 3035ºF) e um módulo de elásticidade de
15,5.10 6 psi (107 GPa).
3.4. Titânio e suas ligas
⚫ Ligas de titânio são extremamente fortes;
resistência à tração à temperatura ambiente são tão altas quanto 200.000 psi (1,4 GPa) são atingíveis, fornecendo destacáveis
resistências mecânicas específicas.
⚫ Além disso, as ligas são altamente dúcteis e
facilmente forjadas e usinadas.
3.4. Titânio e suas ligas
⚫ A maior limitação do titânio é a sua
reatividade química com outros materiais a elevadas temperaturas.
⚫ Esta propriedade obrigou o desenvolvimento de técnicas não convencionais de refino,
fusão e fundição; conseqüentemente, ligas
de titânio são caras.
3.4. Titânio e suas ligas
⚫ A pesar desta reatividade à alta temperatura, a resistência à corrosão de ligas de titânio às temperaturas normais é alta; elas são
virtualmente imunes aos ambientes
atmosférico, marinho e uma variedade de ambientes industriais.
⚫ Elas são comumente utilizadas em estruturas de aeronaves, veículos espaciais e nas
indústrias de petróleo e química.
SR-71 Blackbird
F117 Nighthawk stealth
3.4. Titânio e suas ligas
⚫ A tabela a seguir apresenta várias ligas de
titânio com suas propriedades e aplicações
típicas.
3.4. Titânio e suas ligas
3.5. Metais refratários
⚫ Metais que têm temperaturas de fusão
extremamente altas são classificados como metais refratários.
⚫ Incluídos neste grupo estão o nióbio (Nb), o
molibdênio (Mo), o tungstênio (W) e o tântalo
(Ta).
3.5. Metais refratários
⚫
As temperaturas de fusão variam de 2468ºC (4474ºF) para o nióbio até 3410ºC (6170ºF), a
temperatura de fusão mais alta de qualquer metal, para o tungstênio.
⚫
A ligação interatômica destes metais é
extremamente forte, o que explica as altas
temperaturas de fusão, e, em adição, grandes
módulos elásticos, altas resistências mecânicas e
altas durezas, tanto à temperatura ambiente quanto
à elevadas temperaturas.
3.5. Metais refratários
⚫ As aplicações destes metais são variadas.
Por exemplo, tântalo e molibdênio são
ligados com aço inoxidável para melhorar sua resistência à corrosão.
⚫ Ligas de molibdênio são utilizadas para
matrizes de extrusão e partes estruturais em
veículos espaciais.
3.5. Metais refratários
⚫ Filamentos de lâmpadas incandescentes, tubos de raio-X e eletrodos de soldagem empregam ligas de tungstênio.
⚫ Tântalo é imune ao ataque químico por virtualmente todos os ambientes à
temperaturas inferiores a 150ºC e é
freqüentemente usado em aplicações que requerem um tal material resistente à
corrosão.
3.6. Superligas
⚫ As superligas têm superlativas combinações de propriedades.
⚫ A maioria delas é usada em componentes de turbinas de aeronaves, que devem suportar exposição aos ambientes severamente
oxidantes e altas temperaturas para
razoáveis períodos de tempo.
3.6. Superligas
⚫ Integridade mecânica sob estas condições é crítica; neste sentido, densidade é uma
importante consideração porque as tensões centrífugas são diminuídas em membros
rotativos quando a densidade é reduzida.
⚫ Estes materiais são classificados de acordo
com o metal predominante na liga, que pode
ser cobalto, níquel ou ferro.
3.6. Superligas
⚫ Outros elementos de liga incluem os metais refratários (Nb, Mo, W, Ta), cromo e titânio.
⚫ Em adição a aplicações para turbinas, estas
ligas são utilizadas em reatores nucleares e
equipamentos petroquímicos.
⚫ Ocasionalmente, quem dita se um material é adequado para uma aplicação é a facilidade da produção na forma desejada e o custo
envolvido.
⚫ Técnicas de fabricação de metais são os
métodos pelos quais metais e suas ligas são conformados ou manufaturados em produtos úteis.
4. Fabricação de ligas
metálicas
⚫ Elas são precedidas por refino, por adição de elementos de liga e às vezes por processos de tratamento térmico que produzem ligas com as características desejadas.
4. Fabricação de ligas
metálicas
Fabricação de metais
Conformação
Forjamento
Laminação
Extrusão
Estiramento
Fundição
em areia
em matriz
de investimento
espuma perdida
continua
Diversas
Metalurgia do pó
Soldagem
Esquema de classificação de técnicas de fabricação de metais
⚫ Operações de conformação são aquelas nas quais a forma de uma peça de metal é
mudada por deformação plástica.
⚫ Naturalmente, a deformação deve ser induzida por força ou tensão externa, a
magnitude da qual devendo exceder o limite de escoamento do material.
4.1. Conformação
4.1. Conformação
⚫ Muitos materiais metálicos são
especialmente susceptíveis a estes procedimentos, sendo pelo menos
moderadamente dúcteis e capazes de
alguma deformação permanente sem o
surgimento de trincas ou fraturas.
4.1. Conformação
⚫ Quando a deformação é realizada em uma temperatura acima daquela na qual ocorre recristalização, o processo é denominado trabalho a quente, do contrário é
denominado trabalho a frio.
Deformação de metal durante (a) forjamento, (b)
laminação, (c) extrusão e (d) estampagem.
⚫ É realizado por martelamento sobre uma única peça de metal.
⚫ Uma força é aplicada sobre duas metades de uma matriz tendo a forma acabada, de tal
forma o metal é deformado na cavidade entre as duas referidas metades de matriz.
4.1.1. Forjamento
⚫ Peças forjadas têm estruturas de grão que se destacam e a melhor combinação de
propriedades mecânicas.
⚫ Chaves de boca, rodas de trens e
virabrequins de automotivos são artigos típicos conformados usando esta técnica.
4.1.1. Forjamento
⚫ É o processo de deformação mais amplamente utilizado.
⚫ Consiste em passar uma peça de metal entre dois rolos.
⚫ Uma redução na espessura resulta das
tensões compressivas exercidas pelos rolos.
4.1.2. Laminação
⚫ A laminação a frio pode ser usada na
produção de chapa, tira e lâmina com alta qualidade de acabamento superficial.
⚫ Formas circulares bem como vigas em I e trilhos de ferrovia são fabricados usando rolos ranhurados.
4.1.2. Laminação
⚫ Uma barra de metal é forçada através de um orifício numa matriz por uma força
compressiva que é aplicada a um êmbolo percutor; a peça extrusada que emerge tem a forma desejada e uma área de seção reta reduzida.
4.1.3. Extrusão
⚫ Produtos de extrusão incluem hastes e tubulações que têm geometrias de seção reta bastante complicadas, tubulação sem costura pode também ser extrusada.
4.1.3. Extrusão
⚫ É o puxamento de uma peça de metal através de uma matriz que tem um furo
cônico por meio de uma força de tração que é aplicada no lado da saída.
⚫ Resulta em uma redução da seção reta, com um correspondente aumento em
comprimento.
4.1.4. Estiramento
⚫ A operação total de estiramento pode
consistir de um número de matrizes numa seqüência em serie.
⚫ Hastes, fios e tubulações são comumente fabricados desta maneira.
4.1.4. Estiramento
⚫ É um processo de fabricação no qual um metal inteiramente liquefeito é vazado na
cavidade de um molde de forma desejada e quando este se solidifica assume a forma do molde, mas experimenta alguma contração.
4.2. Fundição
⚫ Técnicas de fundição são empregadas quando:
⚫
A forma acabada é tão grande ou complicada que qualquer outro método seria impraticável;
⚫
Qualidade e resistência não são considerações importantes (isto é, é aceito que a inevitável
existência de defeitos internos e uma estrutura de grão menos desejável conduz a características mecânicas pobres);
4.2. Fundição
⚫ Técnicas de fundição são empregadas quando:
⚫
Uma liga em particular é de ductilidade tão baixa que a conformação por trabalho seria difícil;
⚫
