CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Prof. Almir Turazi, Dr.Eng.
2017/2 almir.turazi@ifsc.edu.br- Ligas Metálicas Ferrosas
ENGENHARIA ELÉTRICA 2
aFase
Ligas Metálicas
Não ferrosas
Aço Ferro Fundido
Ferrosas
Cinzento Nodular Branco Maleável Ao carbono
Baixa liga Alta liga Liga
Alumínio Cobre Estanho Titânio Níquel etc...
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Muitos dos utensílios e equipamentos que são utilizados pelo homem foram produzidos a partir do ferro.
No entanto, raramente estes objetos são fabricados a partir do ferro puro.
LIGAS METÁLICAS FERROSAS LIGAS METÁLICAS FERROSAS
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Na realidade o homem utiliza ligas ferrosas e as principais delas são o aço e o ferro fundido que são ligas formadas por ferro e carbono.
Estas ligas estão prontas na natureza?
Como são produzidas estas ligas?
Como é feito o beneficiamento do minério de
ferro até se produzir o aço?
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O Ferro não se apresenta naturalmente na forma de metal.
Algumas exceções ocorrem em alguns meteoritos.
LIGAS METÁLICAS FERROSAS
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O Ferro é extraído de minérios encontrados na natureza.
LIGAS METÁLICAS FERROSAS
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Os minérios de Ferro são, então, processados em indústrias para produzir o Ferro Gusa.
Estas indústrias são chamadas de Siderúrgicas.
LIGAS METÁLICAS FERROSAS
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Nas sociedades industriais, o ferro gusa é tão importante que o seu consumo aparente per capita (relação entre produção de aço e população absoluta) serve como elemento de comparação do nível de desenvolvimento econômico entre países.
LIGAS METÁLICAS FERROSAS
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RÚSSIA EUA JAPÃO ALEMANHA
CANADÁ BÉLGICA
ITÁLIA FRANÇA REINO UNIDO
POLÔNIA
ESPANHA
BRASIL
500 kg / habit / ano
450 kg / habit / ano
300 kg / habit / ano
100 kg / habit / ano
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Muito do minério de ferro das jazidas brasileiras está sendo processado e consumido no exterior.
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O processo siderúrgico é baseado na interação entre minério e monóxido de carbono, produzido pela combustão do carvão.
O alto forno constitui o principal aparelho utilizado neste processo atualmente.
LIGAS METÁLICAS FERROSAS
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Produção primitiva do ferro
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HISTÓRICO DA PRODUÇÃO DE FERRO
• Hititas (aprox. 3.000 a.c.):
-fogueira em buraco na terra.
-Minerais ricos em óxido de Fe gerando pedras maleáveis.
-utilizadas para a fabricação de armas.
-mantiveram em segredo por muito tempo.
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HISTÓRICO DA PRODUÇÃO DE FERRO
•Queda do império Hitita (aprox. 1.200 a.C.):
-os ferreiros dispersaram-se e já entre os gregos a produção de ferro favoreceu o desenvolvimento de novas técnicas e ferramentas.
-o “ferro bom” como era conhecido a liga ferrosa da época possuía um elevado teor de impurezas.
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HISTÓRICO DA PRODUÇÃO DE FERRO
•A partir de 1.200 a.c.:
-o produto obtido possuía relativa facilidade de se moldar e podia ser trabalhado por martelamento a temperaturas relativamente elevadas.
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HISTÓRICO DA PRODUÇÃO DE FERRO
•A partir de 1.200 a.c.:
-processos eram de “redução direta”, sem que se formasse ferro inteiramente líquido;
-de fato, as temperaturas alcançadas não eram
suficientes para liquefazer (fundir) o metal, o
qual se apresentava no estado pastoso,
misturado com as impurezas do minério.
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HISTÓRICO DA PRODUÇÃO DE FERRO
•Até o século XV:
-pequenas variações na forma de se obter e trabalhar as ligas ferrosas foram realizadas.
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HISTÓRICO DA PRODUÇÃO DE FERRO
•1450:
-se desenvolveu o alto-forno.
-No fim da Idade Média, o comércio de ferro e aço estava plenamente difundido, e diferentes tecnologias coexistiam, tanto para a extração como para a obtenção de ferro gusa que é usado como matéria base para a produção de aço.
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HISTÓRICO DA PRODUÇÃO DE FERRO
•1500 - Perfil de construção do alto forno próximo ao dos atuais;
•1619 - Primeiro emprego do coque como carvão metalúrgico;
•1800 - Primeiro emprego do ar aquecido no alto forno.
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Alto Forno
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Alto Forno
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As matérias-primas são processadas e levadas ao alto-forno onde são dispostas alternadamente e, em seguida, aquecidas pelo sopro de ar quente realizado pelas ventaneiras.
O oxigênio do ar reage com o coque formando calor e gases que reduzem o minério de ferro.
Depois de completado o processo, faz-se o vazamento do ferro gusa e da escória.
PROCESSO SIDERÚRGICO
V
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A partir do desenvolvimento do alto-forno e da utilização de carvão mineral para a redução do minério, a metalurgia ferrosa se desenvolveu rapidamente.
Nos dias atuais, um alto-forno pode produzir 13.000 toneladas de ferro gusa por dia, tem vida útil, em média, próxima a 15 anos, alta produtividade e baixo consumo de combustível.
HISTÓRICO DA PRODUÇÃO DE FERRO
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No Brasil, o grande passo para a consolidação da indústria siderúrgica nacional, baseada em carvão coque, foi dado durante o governo Getúlio Vargas, com a instituição em 4 de março de 1940 da
“Comissão Executiva do Plano Siderúrgico Nacional”, resultando na fundação da CSN (Companhia Siderúrgica Nacional) em janeiro de 1941. A usina foi construída em Volta Redonda (RJ) e inaugurada em outubro de 1946.
HISTÓRICO DA PRODUÇÃO DE FERRO
PROCESSO SIDERÚRGICO
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PROCESSO SIDERÚRGICO
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PROCESSO SIDERÚRGICO
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ALTO FORNO
Matérias Primas - Minério de ferro;
- Carvão mineral;
- Calcário (fundente).
Além de outros insumos e utilidades que podem ser empregados .
(ex. minério de manganês, desoxidantes, sucatas,
entre outros)
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MATÉRIAS PRIMAS
1- Minério de ferro
- Constitui a matéria-prima essencial, pois dele se extrai o ferro.
- Os minérios de ferro mais importantes são os magnetíticos (Fe3O4) e hematíticos (Fe2O3). Este último é o mais importante devido aos altos teores de Fe e baixos teores de impurezas.
- A grande ocorrência de ferro na crosta terrestre (Brasil, África do Sul, Austrália, China, Índia, entre outros) permite a sua exploração sem receios de exaustão.
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-Minério de ferro
A mineração produz minérios de ferro de diversos tamanhos.
Operações para beneficiamento são geralmente realizadas tais como:
- britamento - concetração - peneiramento - classificação
- mistura - aglomeração
- moagem
MATÉRIAS PRIMAS
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-Minério de ferro
O minério de ferro deve ser adicionado ao alto- forno com uma granulometria (tamanho do minério granulado) adequada para que se tenha uma ótima eficiência no processo de redução do minério.
MATÉRIAS PRIMAS
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Aspectos de granulometria
a) Permeabilidade – necessidade de fluxo de gases resultantes da queima do coque passando livremente através da matéria-prima.
A granulometria não pode ser muito pequena, caso contrário o gás redutor passará com dificuldade, diminuindo a eficiência do processo.
MATÉRIAS PRIMAS
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Aspectos de granulometria
b) Velocidade de reação – As reações que ocorrem entre o gás redutor e o minério (assim como a da queima do coque) dependem da área específica (área/volume). Então quanto menor o tamanho da partícula mais fácil é ocorrerem as reações (queima e redução).
MATÉRIAS PRIMAS
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Aspectos de granulometria
c) Fluidização – é a propriedade de uma dada partícula sólida de se manter em suspensão num fluido. É função do tamanho de partícula e deve ser considerada para a determinação da faixa de tamanhos ideais a serem inseridas no alto-forno.
MATÉRIAS PRIMAS
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Aspectos de granulometria
d) Transmissão térmica – Quanto maior a partícula mais difícil é equilibrar a temperatura entre superfície e núcleo desta.
MATÉRIAS PRIMAS
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-Minério de ferro
Da moagem e peneiramento do minério adquirem- se os granulados com a granulometria adequada para a utilização (tipicamente de 6 a 40 mm).
No entanto, os finos de minério (partículas com tamanho inferior àquela adequada) podem ser reaproveitados no processo de aglomeração.
MATÉRIAS PRIMAS
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-Processos de aglomeração:
-Sinterização -Pelotização -Briquetagem -Nodulização
MATÉRIAS PRIMAS
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- Sinterização
Consiste em aglomerar, por fusão incipiente, uma mistura de finos.
A carga é colocada em grelhas que se movem a uma determinada velocidade. O calor necessário (1300 a 1500 ºC) é fornecido pela combustão do carvão (coque ou carvão vegetal) contido na carga com o oxigênio do ar. A combustão localizada provoca uma fusão parcial da carga na região mais quente. O resultado é um material uniforme e poroso, denominado “sinter”.
MATÉRIAS PRIMAS
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- Pelotização
Consiste na aglomeração de finos da ordem de 5 a 18 mm de diâmetro. Esta operação é realizada pelo rolamento em discos ou tambores rotativos. O princípio está em gerar continuamente uma quantidade de núcleos que devem crescer (como ocorre com a bola de neve) até o tamanho desejado.
As pelotas assim obtidas são denominadas “verdes” ou
“cruas” e necessitam apresentar resistência suficiente para o manuseio.
MATÉRIAS PRIMAS
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2- Carvão Coque
O carvão que é adicionado ao alto-forno também deve ser beneficiado. Isto porque, o carvão mineral possui uma significativa quantidade de material volátil.
A extração do material volátil do carvão (chamada de destilação) deve ser realizada para que estes materiais voláteis não interfiram no processo siderúrgico, fazendo com que se tenha uma matéria-prima de maior qualidade.
MATÉRIAS PRIMAS
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2- Carvão Coque
O resultado da destilação do carvão mineral é denominado de coque. O processo de destilação é realizado em temperaturas de, aproximadamente, 1000 ºC na ausência de ar.
O coque deve apresentar alta resistência mecânica para evitar a degradação dentro do forno, assim como conter alto teor de carbono (carbono fixo), apresentar baixa reatividade e baixo teor de enxofre (<1%).
MATÉRIAS PRIMAS
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2- Carvão Coque
O processo de destilação do carvão mineral é conhecido como coqueifação. Os insumos produzidos por este processo (gases, vapores condensáveis, benzol, alcatrão, entre outros) são comercializados pelas indústrias siderúrgicas. O gás de coqueira é um importante insumo para própria usina siderúrgica, usado para o aquecimento de ar.
MATÉRIAS PRIMAS
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2- Carvão Coque
A adição de coque no alto-forno é realizada por três motivos principais:
a) Fornecer calor necessário ao processo;
b) Produzir e “regenerar” os gases redutores;
c) Carburar o ferro gusa.
MATÉRIAS PRIMAS
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3- Fundentes
Fundentes são os materiais adicionados á carga para a formação da escória (aglomerado de impurezas), durante a fusão/redução em alto-forno.
As impurezas possuem alto ponto de fusão e são de difícil separação. Os fundentes então, se combinam com as impurezas (ganga) do minério de ferro e com as cinzas do carvão e formam uma solução com menor ponto de fusão.
O fundente mais comumente usado nas indústrias siderúrgicas brasileiras é o calcário (CaCO3 ).
MATÉRIAS PRIMAS
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-Após o processo de redução e obtenção do ferro gusa em altos fornos, o mesmo é levado à aciaria através de carros torpedos onde são depositados no conversor para que o ferro gusa seja refinado.
-Do conversor temos o aço praticamente pronto, bastando apenas fazer correções de composição ou adicionar outros elementos de liga em um equipamento chamado forno panela.
ACIARIA
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Conversor - Processo LD
Consiste em transformar o ferro gusa em aço.
Outros materiais são adicionados ao conversor. As matérias- primas utilizadas são basicamente ferro gusa, sucata de aço, fundentes e oxigênio.
Os fundentes têm a função de se combinar com o silício, manganês, fósforo e enxofre, ainda presente em elevada quantidade.
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Conversor - Processo LD
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Conversor - Processo LD
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-Após a obtenção do aço derretido, este é vazado no equipamento que efetua o lingotamento contínuo. Neste local, o aço adquire forma (tarugo, bloco ou placa).
-Os lingotes obtidos nestes processos são considerados produtos intermediários, podendo ser vendidos nesta forma ou ainda processados pela própria usina (laminação) tendo-se então diversos tipos de produtos acabados.
PROCESSO SIDERÚRGICO
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LINGOTAMENTO CONTÍNUO
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LAMINAÇÃO
V
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LIGAS Ferro Carbono
AÇOS E FERROS FUNDIDOS
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Apesar de levarem o nome de dois elementos químicos, na prática as mesmas não são ligas
binárias, sempre se tem a presença de elementos químicos secundários oriundos da
forma de obtenção desses materiais ou adicionados propositalmente para melhorar
as propriedades mecânicas.
AÇOS
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Características e Propriedades dos aços:
- Cor acinzentada;
- Densidade = 7,8 g/cm 3 ;
- Temperatura de fusão entre 1250 a 1450 ºC;
-Dutibilidade, tenacidade, elasticidade, resistência mecânica;
- Soldabilidade, temperabilidade, usinabilidade, forjabilidade.
AÇOS
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O principal elemento de liga é o carbono. A variação no teor desse elemento altera as propriedades mecânicas.
teor de carbono dureza e a resistência a tração
teor de carbono resiliência e a ductilidade
AÇOS
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Classificação:
- Aço carbono
- Aço liga - Baixa Liga: < 5% elementos de liga - Alta Liga: > 5% elementos de liga
- Baixo Carbono: 0,008 a 0,3 % C - Médio Carbono: 0,3 a 0,5% C - Alto Carbono: > 0,5% C
AÇOS
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- Os dois primeiros algarismos informam o tipo de aço (ou elementos de liga).
- Os dois últimos algarismos equivalem ao percentual aproximado de carbono multiplicado por 100.
Ex: - Aço ABNT 1020 = aço carbono com 0,2% de carbono em sua composição, sendo o restante ferro e impurezas.
- Aço ABNT 4340 = aço baixa liga, com níquel entre 1,65 e 2%, cromo com 0,4 a 0,9%, molibdênio com 0,2 a 0,3% e carbono em torno de 0,4%.
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Liga composta somente de ferro e carbono
Além do carbono, é possível encontrar outros tipos de elementos químicos, são eles: manganês, silício, enxofre e fósforo.
Estes elementos, no entanto, não são considerados elementos de liga, pois não foram adicionados propositadamente. Logo, estes elementos químicos são considerados impurezas.
AÇO CARBONO
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O aço carbono é muito popular na indústria metal- mecânica. Isto porque esta liga pode alterar suas propriedades consideravelmente apenas com a variação do percentual de carbono.
A variação do percentual de carbono aliada aos tratamentos térmicos permite que esta liga tenha uma ampla faixa de propriedades mecânicas e tecnológicas a um custo relativamente competitivo.
AÇO CARBONO
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Todos os materiais tem suas propriedades relacionadas com a sua microestrutura.
A microestrutura está relacionada com a forma de como os diversos constituintes do material estão organizados dentro do mesmo. É uma “impressão digital” do material.
Como a microestrutura apresenta morfologia é possível visualizá-la e identificá-la. Este procedimento é realizado mediante preparação
metalográfica da peça e análise em microscópio.
62A microestrutura básica do aço é formada por Ferrita e Perlita.
Ex. Aço ABNT 1020 - microscópio ótico:
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Ferrita: grãos claros formados por uma única fase composta por ferro e carbono em solução sólida intersticial. Neste caso o carbono está presente com um teor máximo de 0,008%.
Cementita: é um carboneto de ferro cuja fórmula química é Fe3C. Neste caso, a cementita é composta de ferro com 6,67% de carbono.
Perlita: composta por duas fases. Placas alternadas de Ferrita e Cementita.
AÇO CARBONO
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Os grãos de ferrita, por terem um teor de carbono muito baixo, são mais moles e dúcteis, já os grãos escuros (perlita) são mais duros e resistentes.
Quanto maior o teor de carbono da liga, maior a quantidade de grãos escuros, ou seja maior a quantidade de perlita.
Quanto maior a quantidade de perlita mais duro e resistente (resistente à tração) é o aço.
AÇO CARBONO
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A resistência mecânica dos materiais é influenciada pela sua microestrutura.
O material se torna mais duro ou mais resistente à deformação se houverem barreiras para movimentação das discordâncias.
AÇO CARBONO
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Contornos de grãos são barreiras para a movimentação de discordâncias.
Logo, o material se torna mais duro quanto menor o tamanho dos grãos, pois teremos uma quantidade maior de contornos de grãos.
AÇO CARBONO
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A perlita também é uma barreira para a movimentação de discordâncias. Placas alternadas de ferrita e cementita. A discordância a vê como uma seqüência de “muros” a serem transpostos.
Quanto maior a quantidade de perlita mais duro e resistente se torna o material.
Isto ocorre até percentuais em torno de 1,0% de carbono. A partir daí,
notamos que temos cementita no contorno de grão. Como a cementita é
uma cerâmica (Fe3C) esta pode formar uma rede contínua ligando todos
os contornos. Neste caso, pode ocorrer uma fragilização do material. Por
este motivo, não encontramos com freqüência aços com teores de
carbono superiores a 1,0%.
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BAIXA LIGA
Elementos de liga são adicionados para melhorar as propriedades mecânicas dos mesmos. Estes elementos podem permanecer em solução sólida (sem muito efeito) ou precipitar como partículas de segunda fase (grandes aumentos de resistência).
Alguns elementos de liga em solução alteram a temperabilidade dos aços. Assim, apesar destes aços não adquirirem grande melhora das propriedades quando adicionados em solução sólida, estes o adquirem após um tratamento de têmpera.
AÇO LIGADOS
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BAIXA LIGA
Elementos que normalmente são acrescentados aos aços:
Alumínio (Al) Chumbo (Pb) Cobre (Cu) Cromo (Cr) Enxofre (S) Fósforo (P) Manganês (Mn) Molibdênio (Mo) Níquel (Ni) Silício (Si) Tungstênio (W) Vanádio (V)
AÇO LIGADOS
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BAIXA LIGA
Quando o elemento de liga adicionado for um formador de carboneto (ou nitreto, ou boreto, etc.), este não ficará dissolvido na estrutura cristalina, ou seja, não ficará em solução sólida.
Neste caso, dizemos que os carbonetos se precipitam na matriz. Estes precipitados podem ter vários tipos de forma. O próprio ferro forma carbonetos e precipita (Fe3C - cementita).
AÇO LIGADOS
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BAIXA LIGA
Se os elementos de liga formam carbonetos, ocorre um endurecimento direto mais significativo que aquele observado para os elementos que entram em solução sólida.
Isto porque estes precipitados funcionam como barreiras para a movimentação de discordâncias.
Alguns elementos como o V, Ti, Nb, entre outros, tendem a se precipitar como carbonetos a entrarem em solução sólida.
AÇO LIGADOS
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BAIXA LIGA
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BAIXA LIGA
Alguns ELEMENTOS aumentam a temperabilidade, outros a resistência ao desgaste.
Para se aumentar a temperabilidade é preferível que o elemento de liga permaneça em solução.
Para se aumentar a resistência ao desgaste o ideal é ter carbonetos (materiais cerâmicos) que possuem maior resistência ao desgaste. Alguns elementos conferem ao aço maior resistência à corrosão, outros melhoram a usinabilidade.
AÇO LIGADOS
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BAIXA LIGA
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ALUMÍNIO (Al)
É usado em pequenas proporções, como desoxidante e agente de controle do crescimento dos grãos.
ELEMENTOS DE LIGA
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CHUMBO (Pb)
Não se liga ao aço mas, quando adicionado, distribui-se na estrutura em forma de partículas microscópicas, o que resulta em maior facilidade de usinagem. Entretanto, devido ao baixo ponto de fusão (cerca de 327°C), aços com chumbo não devem ser usados em temperaturas acima de 250°C.
ELEMENTOS DE LIGA
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COBALTO (Co)
Aumenta a dureza do aço sob altas temperaturas.
ELEMENTOS DE LIGA
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COBRE (Cu)
Melhora a resistência à corrosão por agentes atmosféricos, se usado em teores de 0,2 a 0,5%.
ELEMENTOS DE LIGA
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CROMO (Cr)
Melhora a resistência à corrosão, aumenta a resistência à tração (em média, 80 Mpa para cada 1% de cromo), aumenta a resistência à alta temperatura e ao desgaste.
ELEMENTOS DE LIGA
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FÓSFORO (P)
É considerado um elemento prejudicial. Torna o aço frágil, efeito que se acentua com o aumento do teor de carbono.
Pode aumentar a dureza e a resistência mecânica, além de melhorar a usinabilidade quando adicionado com enxofre.
ELEMENTOS DE LIGA
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MANGANÊS (Mn)
Em média, para cada 1% de manganês, a resistência à tração aumenta 100 MPa.
Para aços temperáveis, aumenta a dureza após o processo de têmpera.
ELEMENTOS DE LIGA
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MOLIBDÊNIO (Mo)
Melhora a resistência a altas temperaturas, a resistência ao desgaste e a dureza após a têmpera. Para aços inoxidáveis, melhora a resistência à corrosão.
ELEMENTOS DE LIGA
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NÍQUEL (Ni)
Em média, para cada 1% de níquel, a resistência à tração aumenta 40 Mpa.
Com 36% de Ni, o aço tem o menor coeficiente de dilatação térmica e é usado em instrumentos de medição.
ELEMENTOS DE LIGA
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SILÍCIO (Si)
É um agente desoxidante na produção do aço. Aumenta a resistência à corrosão e a resistência à tração, mas prejudica a soldagem. Aumenta a resistividade elétrica do aço e, por isso, aços com silício são amplamente usados em núcleos magnéticos (motores, transformadores, etc)
ELEMENTOS DE LIGA
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TUNGSTÊNIO (W)
Aumenta a resistência à tração em altas temperaturas. Forma carbonetos bastante duros e é usado em aços para ferramentas (aços rápidos)
ELEMENTOS DE LIGA
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VANÁDIO (V)
Refina a estrutura do aço, impedindo o crescimento dos grãos. Forma carbonetos duros e estáveis e é usado em aços para ferramentas para aumentar a capacidade de corte e dureza em altas temperaturas.
ELEMENTOS DE LIGA
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ALTA LIGA
Possuem um teor maior de elemento de liga.
São usados principalmente em casos que se necessite de maior resistência ao desgaste (carbonetos), maior resistência à corrosão (aços inoxidáveis) e maior resistência a altas temperaturas, mantendo a sua resistência mecânica.
Em temperaturas elevadas, a utilização de aço carbono é impraticável, pois nestas temperaturas o aço oxida muito rapidamente.
AÇOS LIGADOS
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ALTA LIGA – Aços Ferramenta
Para conferir maior resistência ao desgaste pode-se adicionar grande quantidade de elementos de liga para formar muitos carbonetos. Estes aços são também conhecidos como aços ferramenta.
AÇOS LIGADOS
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ALTA LIGA – Aços Inoxidáveis Aços com excelente resistência à corrosão.
Para ser um aço inoxidável este deve ter no mínimo 12% de cromo em solução sólida. O cromo forma uma camada protetora constituída de óxidos. Estes óxidos são aderentes, transparentes e impermeáveis. Ele envolve toda a superfície do aço impedindo o acesso do oxigênio (e demais agentes químicos), evitando consequentemente a oxidação.
AÇOS LIGADOS
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ALTA LIGA – Aços Inoxidáveis
Existem muitas variedades de tipos de aços inoxidáveis. Estes variam conforme o teor de carbono, cromo e demais elementos de liga.
Geralmente são agrupados segundo a sua estrutura cristalina.
AÇOS LIGADOS
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ALTA LIGA – Aços Inoxidáveis
-Aços inoxidáveis ferríticos – apresenta estrutura ferrítica (CCC) em qualquer temperatura. É ferromagnético e não endurecível por têmpera;
-Aços inoxidáveis martensíticos – apresenta capacidade de adquirir microestrutura martensítica por têmpera, sendo este também ferromagnético;
- Aços inoxidáveis austeníticos – apresenta estrutura
austenítica (CFC) em qualquer temperatura. Este aço é
paramagnético e não endurecível por têmpera.
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ALTA LIGA – Aços Inoxidáveis
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Também são ligas metálicas a base de Fe e C.
São chamados assim, pois possuem temperatura de fusão menor que a dos aços. Esta característica facilita a produção de produtos de ferro fundido a partir do processo de fabricação conhecido como Fundição.
Os ferros fundidos são ligas relativamente baratas e possuem uma melhor fluidez que os aços.
FERROS FUNDIDOS
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LIGAS Ferro Carbono
AÇOS E FERROS FUNDIDOS
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Ferrita: grãos claros formados por uma única fase composta por ferro e carbono em solução sólida intersticial. Neste caso o carbono está presente com um teor máximo de 0,008%.
Cementita: é um carboneto de ferro cuja fórmula química é Fe3C. Neste caso, a cementita é composta de ferro com 6,67% de carbono.
Perlita: composta por duas fases. Placas alternadas de Ferrita e Cementita.
FASES - Fe+C
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Também são fabricados a partir do ferro-gusa.
No ferro fundido o carbono está presente com teores entre 2,11 e 6,67%.
Como conseqüência são mais duros do que o aço. Além disso, forma-se grafite em sua estrutura, o que os tornam mais frágeis. Portanto, não é possível forjá-los, estirá-los, laminá-los ou vergá-los em qualquer temperatura.
FERROS FUNDIDOS
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A transformação do gusa acontece em dois tipos de fornos:
-Forno elétrico -Forno cubilô
No forno elétrico, o processo é semelhante ao de produção do aço.
FERROS FUNDIDOS
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O forno cubilô trabalha com ferro-gusa sólido, sucata de aço, calcário (para separar as impurezas), ferro-silício, ferromanganês e coque (combustível).
Funciona sob o princípio da contra-corrente (como o alto-forno), ou seja, a carga metálica e o coque descem e os gases sobem.
FERROS FUNDIDOS
100 Forno Cubilô
101
Além de Fe e C, o silício (Si) está presente em teores até superiores ao do próprio carbono.
Portanto, os ferros fundidos podem ser considerados como uma liga ternária Fe-Si-C.
O carbono presente nestas ligas pode se encontrar como:
-Ferrita: em solução sólida com o ferro (até 0,008%);
-Cementita: composto de ferro e carbono – Fe3C;
- Grafita: carbono puro.
FERROS FUNDIDOS
102
Existem ainda os ferros fundidos ligados, onde são adicionados outros elementos de liga (como Cr, Mo, Ti, entre outros) para melhorar suas propriedades.
Dependendo do teor de silício e da velocidade de resfriamento, tem-se o favorecimento da formação de grafita ou cementita. A grafita pode se apresentar em diferentes microestruturas. O mesmo ocorre com a cementita.
FERROS FUNDIDOS
103
- O limite de solubilidade do carbono na ferrita é 0,008%.
- Os ferros fundidos possuem teores de 2,11 a 6,67%.
Logo, uma grande quantidade de carbono está presente fora da estrutura cristalina do ferro.
Como é possível imaginar, quanto maior a quantidade de carbono na liga maior será a quantidade de grafita ou cementita no material.
FERROS FUNDIDOS
104
O silício tem, dentre outros efeitos, o de decompor a cementita (Fe3C) em ferro e carbono livre, (ou seja, ferro e grafita). Assim, podemos intuir que quanto maior o carbono e quanto maior o silício teremos grande quantidade de grafita livre na liga.
Porém dois fatores ainda devem ser considerados:
1) Adição de Manganês tem ação no sentido contrário ao Si. Ele estabiliza a perlita.
2) A velocidade de resfriamento tem grande influência
na modificação da microestrutura
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A velocidade de resfriamento está intimamente ligada ao tipo de molde utilizado (molde de areia ou metálico).
Se utilizado molde de areia o resfriamento é relativamente lento e se metálico o contrário.
Temos que considerar também a seção transversal da peça (tamanho da peça). O núcleo de peças maiores tende a resfriar mais lentamente que as de peças menores.
Resfriamentos mais rápidos geram menor quantidade de grafita, por exemplo.
FERROS FUNDIDOS
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Dependendo do tipo de microestrutura os ferros fundidos podem ser classificados em quatro grupos principais.
- Ferro fundido cinzento;
- Ferro fundido branco;
- Ferro fundido nodular;
- Ferro fundido maleável.
FERROS FUNDIDOS
107 108
Formado com presença significativa de Si e com resfriamento lento.
Tem este nome, pois sua fratura tem aspecto acinzentado, devido à presença da grafita na microestrutura.
Possui elevada fluidez (no estado líquido) o que permite produzir peças com geometria complexa.
FERRO FUNDIDO CINZENTO
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Possui boa usinabilidade, baixo atrito devido à presença da grafita (lubrificante sólido), boa resistência à compressão, mas péssima resistência à tração, má soldabilidade e baixo custo.
Este é o tipo de ferro fundido mais utilizado (cerca de 75%), sendo aplicado geralmente em fundição de blocos de motor, grandes engrenagens, máquinas agrícolas, tubulações, carcaças e suporte de máquinas (amortecimento de vibrações), entre outros.
FERRO FUNDIDO CINZENTO
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FERRO FUNDIDO BRANCO
Se o resfriamento é rápido, não há tempo para ocorrer a decomposição da cementita, de modo que, dependendo do teor de carbono e silício, pouca ou nenhuma grafitização ocorre.
Neste caso, forma-se uma microestrutura rica em cementita (Fe3C). O material com esta microestrutura é chamado de Ferro Fundido Branco.
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Assim como o ferro fundido cinzento, o ferro fundido branco tem este nome devido ao aspecto da fratura deste material que tem uma tonalidade mais clara e brilhosa, pois neste caso não se tem a grafita na microestrutura.
Esta liga possui ótima resistência à compressão e ao desgaste (devido à cementita). É extremamente frágil, e possui péssima usinabilidade e soldabilidade. No entanto, é uma liga de baixo custo.
FERRO FUNDIDO BRANCO
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Aplicações:
-produção de peças que necessitem de resistência ao atrito e compressão (barramento de torno, por exemplo)
-fabricação de esferas de moinhos e rolos de laminação Devido à necessidade de elevada taxa de resfriamento esta liga não pode ser aplicada em peças de grandes dimensões.
FERRO FUNDIDO BRANCO
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FERRO FUNDIDO NODULAR
Obtido de forma similar ao ferro fundido cinzento.
Os constituintes presentes são também bastante similares, ou seja, o carbono está presente na forma de grafita.
O que ocorre é que no momento da solidificação são adicionados ao banho líquido o que chamamos de inoculantes. Estes são responsáveis por nuclear a grafita, fazendo com que a mesma se apresente com uma morfologia nodular.
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-Possui alta resistência mecânica, tenacidade e ductilidade (diferentemente do ferro fundido cinzento).
-Possui boa usinabilidade e fluidez no estado líquido, e bom comportamento ao atrito (devido à grafita).
- A soldabilidade é melhorada em relação ao cinzento, mas apesar de ainda barato, possui custo maior que a do ferro fundido cinzento.
-É aplicado principalmente na confecção de engrenagens e pinhões, juntas universais, virabrequins, cames, válvulas, entre outros.
FERRO FUNDIDO NODULAR
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FERRO FUNDIDO MALEÁVEL
Obtido a partir do ferro fundido branco através de um tratamento térmico, chamado de Tratamento térmico de maleabilização.
Neste tratamento térmico, a cementita (Fe3C) presente no ferro fundido branco é transformada em grafita na forma de “rosetas”.
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