Apostila Tecnologia dos Materiais

Apostila

de

Tecnologia Dos Materiais

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Sumário

Cap. 1 – Introdução ---Pág 4 Cap. 2 – Estruturas Cristalinas ---Pág 5 Cúbica de Corpo Centrado (CCC) ---Pág 5 Cúbica de Face Centrada (CFC) ---Pág 6 Hexagonal Compacta (HC) ---Pág 6 Defeitos Cristalinos ---Pág 6 Cap. 3 – Quatro Grandes Grupos ---Pág 7 Os Metais---Pág 7 Os Cerâmicos ---Pág 8 Os Polímeros ---Pág 8 Os compósitos ---Pág 9 Cap. 4 – As propriedades dos Materiais ---Pág 9

Propriedades Mecânicas---Pág 9 Propriedades Térmicas ---Pág 10

Propriedades elétricas ---Pág 10 Cap. 5 – Ligas Metálicas---Pág 11

Impurezas ---Pág 11 Ligas Ferrosas--- Pág 11 Aços ---Pág 12 Ferro Fundido ---Pág 12 Ferro Fundido Branco ---Pág 13 Ferro Fundido Maleável ---Pág 14 Ferro Fundido Cinzento ---Pág 14 Ferro Fundido Nodular---ág 15 Ligas Não ferrosas---Pág 16 Cap. 5 - Produções do aço e do ferro fundido---Pág 16 Sinterização---Pág 17

Pelotização---Pág 17 Alto-Forno---Pág 19 Reações Químicas que acontecem no alto-forno---Pág 20 Fornos Conversores ---Pág 22 Conversor Bessemer ---Pág 23 Conversor Thomas ---Pág 24 Conversor L.D. ---Pág 25 Vantagens e Desvantagens dos Conversores – Pág 26 Fornos Elétricos ---Pág 25 Forno A Arco Elétrico ---Pág 26 Fornos A Indução ---Pág 27 Vantagens e Desvantagens Dos Fornos Elétricos ---Pág 27

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Tecnologia Dos Materiais

1- Ligações atômicas

No passado um Grego chamado Demócrito sugeriu que toda matéria era composta por pequenas partículas, e a essas partículas deu o nome de átomo. O significado dessa palavra é “indivisível”, pois na época ele achava que os átomos eram indivisíveis. Hoje sabemos que isso não é verdade, pois os átomos são compostos por partículas ainda menores como os elétrons, os prótons, os nêutrons e outras que não serão de muita utilidade para nós, por isso nos focaremos nessas três. Hoje em dia temos a tabela periódica que reúne todos os elementos conhecidos pelo homem e os agrupa por propriedades físicas e químicas (mecânica, elétricas e magnéticas) semelhantes.

A teoria atômica diz que no átomo, existem no núcleo os prótons(positivos), os nêutrons(neutros), e girando em volta do núcleo temos os elétrons(negativos). Os rodeiam o núcleo em camadas onde cada camada consegue comportar certo número de elétrons, a ultima camada, chamada de camada de valência, é de suma importância pois ela dita se o elemento é ou não estável. Para ser estável o elemento precisa ter em sua ultima camada geralmente, 8 elétrons, todavia, isso não acontece na maioria das vezes e os átomos precisam fazer certas combinações (cedendo, recebendo ou compartilhando elétrons) para atingir esse valor. Essas combinações são chamadas de ligações.

Quando os átomos compartilham elétrons, chamada ligação covalente, nenhum dos átomos consegue obter o elétron permanentemente, ao invés disto cada um fica um tempo com o elétrons, é o caso da água.

Quando um átomo cede, e outro recebe permanentemente um elétron, essa ligação é chamada de ligação iônica. É o caso do NaCl, cloreto de sódio (sal de Cozinha).

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Existe também um terceiro tipo de ligação, a chamada ligação metálica. Nesse tipo de ligação os elétrons da camada de valência não pertencem a um átomo em específico, mas sim a todos os átomos. Esses elétrons formam uma nuvem de elétrons ( negativa) formam varias ligações com os núcleos dos átomos fazendo com que haja uma ligação que os mantem unidos.

2- Estruturas Cristalinas

Se nós pudéssemos olhar um microscópio muito potente a ponto de podermos enxergar os átomos, veríamos que eles se organizam de forma muito padronizada, essa organização geralmente se repete por todo o material e é denominada estrutura cristalina, essa estrutura acontece nas três dimensões. Elementos metálicos ( ferro, alumínio, cobre) e cerâmicos ( argila, vidro, cimento) apresentam esse tipo de estrutura.

As estruturas cristalinas são nomeadas a partir da forma com a qual elas organizam os átomos. Dentro das estruturas cristalinas, temos o menor padrão de repetição, chamado de célula unitária. Dentre as células unitárias mais utilizadas por nós durante o curso podemos destacar:

 Cúbica de Corpo Centrado – CCC  Cúbica de face Centrada – CFC  Hexagonal Compacta – HC

Cúbica de Corpo Centrado - CCC

Essa célula apresenta um padrão cúbico tendo um átomo em cada vértice do cubo e um no seu centro.

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Cúbica de Face Centrada - CFC

Essa célula apresenta estrutura cúbica com a anterior, mas possui além de um átomo em cada vértice, um átomo em cada face do cubo.

Hexagonal Compacta –CFC

Essa célula possui estrutura hexagonal onde possui um átomo em cada vértice e três átomos no corpo da estrutura.

Defeitos Cristalinos

Imagine que uma determinada amostra precise passar por um processo de laminação, laminação é um processo onde uma grossa barra de metal (lingote) é passado por dois rolos (cilindros laminadores) a fim de transformar essa barra em uma chapa. Nas estruturas cristalinas temos as células unitárias, por mais que haja pouco espaço entre os átomos nessas células, os espaços existem. Quando os metais são deformados por processo mecânicos como a laminação, as camadas de

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átomos formam planos de átomos formados pelas células unitárias que deslizam uns sobre os outros, isso faz com que o material se deforme. Esses planos são denominados de planos cristalinos.

Como as células cúbicas possuem mais planos cristalinos do que a célula hexagonal compacta, essas são mais fáceis de serem deformadas.

Quase todos os materiais possuem defeitos cristalinos, por exemplo, o contorno de grão, esse defeito é causado geralmente por processos de fabricação e seu motivo é devido ao fato de quando um material vai se resfriando, ele vai formando várias redes cristalinas em pontos diferentes, quando essas redes se encontram, elas na maioria das vezes estão em posições diferentes fazendo com que as redes cristalinas não consigam sem ligar perfeitamente.

3 – Quatro Grandes Grupos

Existem mais de 5000 tipos diferentes de materiais conhecidos pelo homem, tendo isso, surgiu a necessidade de classifica-los. Podemos classificar os materiais em cinco grandes classes

 Metais

 Cerâmicos

 Polímeros

 Compósitos

Os Metais.

Os metais possuem características únicas que os diferenciam das demais substâncias, dentre essas propriedades podemos citar:

 Brilho característico. Quando polidos, os elétrons localizados nas superfícies dos metais recebem a luz e a refletem (não absorvem).

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 São bons condutores de eletricidade e de calor. Esse fato é justificado pelo seu tipo de ligações atômicas. Como os metais possuem ligações metálicas, os elétrons ficam livres para se mover podendo transmitir tanto eletricidade como o calor.

 Ductibilidade. Se aplicarmos determinadas pressões nas superfícies dos metais, nós podemos molda-los para que eles fiquem em formato de fios e chapas.

 Possuem alto ponto de fusão. Logo por esse motivo, eles são geralmente sólidos a temperaturas ambientes e em boa parte das temperaturas de trabalho.

Os Cerâmicos.

São compostos químicos envolvendo materiais não metálicos. As variedades de propriedades físicas e químicas permitem que os materiais cerâmicos sejam utilizados em diversas áreas como por exemplo: louças, materiais refratários, abrasivos, e até mesmo em componentes aeroespaciais.

Dentre as características desses materiais podemos citar:

 Alta fragilidade.

 Alta dureza.

 Estrutura cristalina complexa.

 Bom isolante térmico e elétrico. Isso é explicado pelo fato de não haver elétrons livres nas ligações dos materiais cerâmicos (ligações covalentes).

Os Polímeros.

Os polímeros são macromoléculas em que existe um padrão de repetição, uma unidade de repetição. Essa unidade é chamada de monômero. O significado do nome vem do grego poli = muitos e mero = partes. Os polímeros são demasiadamente importantes para a sociedade visto que eles estão por toda a parte. Por exemplo: sacolas plásticas, garrafas PET, canos para água, panelas antiaderentes, e etc.

Os polímeros são divididos em três categoriais:

 Termoplásticos – É o tipo mais encontrado no mercado, pode ser refundido, ou seja, ele pode ser reciclável. Ex: Embalagens PET

 Termorrígidos – São rígidos e quebráveis, não se refundem (não podem ser reciclados). Ex: Poliéster (material utilizado em caixas d’água, piscinas e outros).

 Elastômeros – possuem características intermediárias entre os termoplásticos e os termorrígidos. Ex: Borracha

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Os Compósitos.

Os materiais compósitos são conhecidos por obterem uma mistura de propriedades de ao menos dois tipos de materiais (metais e polímeros, polímeros e cerâmicos, metais e cerâmicos e etc), com isso é possível obter por exemplo um material com a leveza de um polímero com a resistência a tração de um metal.

Dentre exemplos de materiais compósitos podemos citar: o Kevlar, Varas (esporte de salto em altura), partes de automóveis (fibra de carbono) e etc.

4 - As Propriedades Dos Materiais

Os materiais possuem diferentes propriedades como, por exemplo: dureza, plasticidade, resistência térmica, resistência elétrica, elasticidade e etc. Para podermos conhecer as propriedades de cada tipo de material, é necessário primeiro saber que os materiais são divididos em duas grandes classes: os metálicos e os não metálicos.

Os materiais metálicos possuem propriedades como a plasticidade (conseguem se deforma sem sofrerem fratura), são ótimos condutores de calor e eletricidade ( essas explicáveis por suas ligações atômicas).

Já os materiais não metálicos possuem como propriedades a dureza, são maus condutores de eletricidade e calor.

As propriedades dos materiais podem ser classificadas em três grupos:

 Propriedades Mecânicas

 Propriedades Elétricas

 Propriedades Térmicas

Propriedades Mecânicas

As propriedades mecânicas são as mais importantes para se levar em conta qual material será escolhido para cada tipo de trabalho. As propriedades mecânicas são ligadas a maior ou menor capacidade de um material responder, resistir, ou transmitir esforços que lhe são aplicados. Dentre essas propriedades podemos citar:

 resistência a tração e compressão (essa propriedade está ligado as forças de ligação dos átomos que compõem a peça)

 Elasticidade e Plasticidade. A elasticidade é a capacidade que um material tem de voltar ao sua forma original depois de ter sofrido determinado esforço

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(borracha). Já a plasticidade é a capacidade de um material não voltar a seu formato inicial depois de aplicada uma força. (prensagem). A plasticidade pode se apresentar em um material como a maleabilidade.

 Dureza e maleabilidade. A dureza é a propriedade que relaciona a resistência que determinado material apresenta a penetração e deformação permanente por outro material. Todo material que é duro é frágil. (ex: Vidro)

Propriedades Térmicas

As propriedades térmicas são as que determinam o comportamento do material quando há variação de temperatura.

 Dilatação Térmica – é a propriedade que relaciona o quanto que um material se dilata por determinada variação de temperatura. (essa propriedade é importantíssima quando se vai construir determinadas estruturas como, por exemplo, pontes de concreto)

 Ponto de ebulição – É o ponto (temperatura e pressão) em que as substâncias passam do estado líquido para o estado gasoso. Ex: a água entra em ebulição a temperatura de 100ºC a pressão de 1 atm.

 Ponto de Fusão – é o ponto (temperatura e pressão) que as substâncias passam do estado sólido para o estado líquido. Ex: a água entra em fusão a temperatura de 0ºC a pressão de 1 atm.

 Condutividade Térmica – é a capacidade de um material tem de conduzir calor ( exemplos: os metais são bons condutores de calor e os cerâmicos são maus condutores).

Propriedades Elétricas

As propriedades elétricas são as propriedades que relacionam a passagem de elétrons por materiais.

 Condutividade elétrica – é a capacidade de um material conduzir corrente elétrica ( isso explica o motivo de os fios de eletricidade usarem metais para transmitir a corrente elétrica como por exemplo o cobre).

 Resitividade – é a resistência que um material oferece a passagem de elétrons ( materiais cerâmicos são maus condutores de eletricidade, por isso são muitas vezes utilizados como isolantes elétricos).

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5 – Ligas Metálicas

Ligas metálicas são materiais com propriedades metálicas que contém dois ou mais elementos, onde pelo menos um deles é um metal. Apesar da grande variedade de metais existentes, a sua maioria não é empregada em seu estado puro, mas sim em ligas com propriedades alteradas em relação ao material original. Isso visa entre outras coisas: diminuir os custos de produção, e modificar as propriedades mecânicas dessas ligas.

É importante citar que as ligas possuem propriedades do seu elemento puro, dentre algumas propriedades que podem ser alteradas podemos citar: aumento ou diminuição do ponto de fusão, aumento ou redução da dureza, da resistência mecânica e etc.

Alguns exemplos de ligas metálicas:

 Aço – constituído por Ferro e carbono. O teor de carbono deve variar de 0,008% a até 2,1%

 Aço inoxidável – Ferro, Carbono, Cromo e Níquel.

 Ouro de joias – constituído geralmente por 75% de Ouro e 25% de Cobre ou Prata. O único ouro puro é o 24K.

 Bronze – Constituído por Estanho e Cobre.

 Latão –constituído por Cobre e Zinco.

Impurezas.

Os Metais possuem inúmeras características que os tornam importantes sobre o ponto de vista da aplicação industrial. Os processos metalúrgicos geralmente produzem os metais com um teor de substâncias estranhas que variam de 0,01% até 2,0%. Essas substâncias geralmente são muito difíceis de serem removidas durante a fabricação e podem alterar muito ou pouco as propriedades dos metais.

Ligas Ferrosas.

As ligas ferrosas são aquelas que possuem como principal constituinte o ferro, essas ligas são extremamente versáteis no sentido em que elas podem ser adaptadas para possuir uma ampla variedade de propriedades mecânicas e físicas. A grande desvantagem dessas ligas é que elas são muito suscetíveis a corrosão .

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Os Aços.

Os aços são ligas ferro carbono que podem conter concentrações apreciáveis de outros elementos de liga. Suas propriedades mecânicas são sensíveis ao seu teor de carbono, ou seja, as propriedades mecânicas variam de acordo com a variação do teor de carbono presente no aço. Os Aços podem ser classificados em três grupos de acordo com o seu teor de carbono:

 Aços com baixo teor de carbono – são ligas que geralmente contém menos que 0,25% de carbono e como consequências disto, essas ligas são maleáveis e possuem baixa dureza e baixa resistência a tração e compreensão. Aplicações típicas desse tipo de aço podem ser citadas: componentes de carcaças de automóveis, chapas usadas em tubulações e etc.

 Aços com médio teor de carbono – Esses aços possuem teor de carbono que variam de aproximadamente 0,25% até 0,60% de carbono. As maiores aplicações para essa liga podem ser: rodas de trem, engrenagens, eixos virabrequim e outras. Esse tipo de aço é usado em peças que necessitem de uma alta resistência a abrasão aliada a uma boa maleabilidade.

 Aços com alto teor de carbono – esses aços possuem um teor de carbono entre 0,6% e 2,1%. Esses aços são mais duros, e consequentemente mais frágeis, são pouco dúcteis. Geralmente esses aços são utilizados como ferramenta de corte, para a fabricação de facas, laminas de serra e etc.

O Ferro Fundido.

Conforme visto anteriormente. O ferro fundido que é uma liga Fe – C, que contém um teor de carbono que varia entre 2,1% e 6,6% além de elementos residuais.

Os ferros fundidos constituem na atualidade, uma parcela considerável dos materiais utilizados em construção mecânica pois alia vantagens de um custo relativamente baixo e propriedades mecânicas razoáveis.

Processos De Grafitização.

O carboneto de ferro (Fe3C) que aparentemente existe em equilíbrio estável na liga Fe-C está na verdade sujeito a um equilíbrio metaestável, e tende a se dissociar, ao longo de um intervalo de tempo bastante grande, segundo a reação:

Fe

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C 3Fe + C

Esse carbono formado recebe o nome de grafita, tais processos de dissociação do carboneto de ferro são conhecidos como grafitização e geralmente são

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acelerados com o aquecimento da liga. Se houver presença de silício, ele atuará como um catalizador e também irá acelerar a reação. Existem quatro tipos de ferro fundido:

 Ferro Fundido Branco.

 Ferro Fundido Maleável.

 Ferro Fundido Cinzento.

 Ferro Fundido Nodular.

Ferro Fundido Branco.

Define-se o ferro fundido branco sendo uma liga Fe-C com um teor de carbono variando entre 2,1% e 3,0% e esse carbono está distribuído totalmente no aço na forma de carboneto de ferro. Como o ferro fundido branco tem um teor de carbono e de silício relativamente baixos, ele é pouco sujeito a grafitização o que faz com que haja uma coloração clara em sua fratura. Isso da origem a seu nome. Por conta desses fatores, o ferro fundido branco é muito duro e pouco dúctil.

Devido a sua alta dureza, esse tipo de ferro fundido possui muito poucas aplicações na engenharia.

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Ferro fundido Maleável.

Conforme dito anteriormente, quando se aquece uma liga Fe-C, ela se dissocia mais intensamente. Então para melhorarmos as propriedades do ferro fundido branco, podemos aquecer o mesmo a uma temperatura acima de 870

°

C e manter a essa temperatura pelo tempo necessário até que o carbono se dissocie do carboneto de ferro. O tratamento citado acima é chamado de maleabilização e o ferro fundido obtido desse tratamento é mais maleável do que o ferro fundido branco. O ferro fundido maleável é muito utilizado em áreas como: tubulações, máquinas operatrizes (torno, plainas, fresadoras, furadeiras e etc.), equipamento naval, equipamentos ferroviários e etc.

Ferro fundido Cinzento.

É o tipo de ferro fundido utilizado em maior escala na engenharia. Define-se o ferro fundido como sendo uma liga de Fe-C com um teor de carbono variando entre 3% e 4,5% e um teor de silício suficientemente alto para que haja a grafitização desse carbono.

Assim sendo, o carbono grafitizado se precipita da solução liga, tomando a forma de flocos de grafita, isso faz com que o ferro fundido cinzento tenha uma coloração acinzentada em sua fratura e por isso recebe esse nome.

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O ferro fundido cinzento é muito utilizado na indústria pois possui excelentes qualidades, por exemplo:

 Baixo custo.

 Ponto de fusão relativamente baixo (em torno de 1200

°

C).

 Excelente Fluidez (facilita a fundição).

 Boa Usinabilidade.

 Alta dureza.

Essas propriedades podem ser alteradas pela adição de elementos de liga ao ferro fundido. As principais aplicações desse ferro fundido são bases de máquinas pesadas, tubulações, blocos de motores, bombas, bigornas, peças com geometria complexas e etc.

Ferro Fundido Nodular.

Quando se adiciona ao ferro fundido alguns elementos especiais, chamados de inoculantes, tais como o magnésio, e o cromo, a grafita passa a se precipitar em formato de nódulos, de geometria aproximadamente esférica. Essa liga assim produzida recebe o nome de ferro fundido nodular.

A vantagem do ferro fundido nodular sobre o ferro fundido cinzento é que esse possui uma maior ductilidade.

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Ligas Não-ferrosas.

São ligas que não possuem o ferro como principal constituinte. São exemplos:

 Ligas de cobre – O cobre quando está em seu estado puro é muito mole e dúctil, isso o torna difícil de ser usinado. A liga de cobre mais comum é o latão onde o zinco é adicionado em concentrações aproximadas de 35%. Com esse teor de zinco adicionado, a liga de latão consegue se tornar um pouco mais dura ao ponto de poder ser usinada.

 Ligas de bronze – São ligas de cobre com estanho podendo ter também alumínio, silício e níquel em sua composição. Essas ligas tem uma resistência mecânica maior dos que os Latões, porém possuem um elevado nível de resistência a corrosão.

 Ligas de magnésio – É caracterizada pela baixa densidade do magnésio, que é a mais baixa de todos os metais estruturais. Dessa forma suas ligas são usadas onde ser leve é considerado importante como por exemplo na construção de componentes para aeronaves.

6 – Produções do Aço e Ferro fundido

Primeiramente é necessário saber qual é a diferença entre ferro fundido e aço. Ambas são ligas ferro carbono, o que as difere é que o aço é uma liga ferro carbono com uma porcentagem de carbono que varia de 0,008% até 2,1% de carbono. Já o ferro fundido possui uma porcentagem de carbono que varia de 2,1% até 4,0% de carbono.

O problema na produção do aço e ferro fundido começa já na extração, pois o ferro não é encontrado puro na natureza como é o caso do ouro. O ferro necessita passar por alguns processos para que nós podermos utiliza-lo.

Quando um mineral contém uma quantidade de metal que compensa economicamente sua exploração, ele recebe o nome de minério. O lugar onde os minérios são encontrados em abundância é chamado de jazidas. Na natureza, o máximo que conseguimos é encontrar o ferro em minérios na forma de óxidos como, por exemplo, a hematita (Fe2O3). Logo é necessário processar esse minério para iniciar a produção dos nossas ligas ferrosas, pois não é possível usar o minério em sua forma bruta na produção de nossas ligas.

A principal função da preparação do minério é fazer com que ele seja adequado para ser utilizado no alto-forno. Pois para o alto-forno é necessário que os “pedaços” de minério tenham um tamanho médio, nem muito pequeno e nem muito grande. No Brasil, por exemplo, grande parte do minério produzido tem tamanho

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menor do que 10 mm, todavia para o alto-forno é necessário que os minérios tenham um tamanho variando entre 10 mm e 30 mm. Para isso existem os processos de sinterização e pelotização.

Sinterização

Na sinterização são obtidos blocos feitos de minério de ferro, carvão moído, água e calcário. Tudo é misturado até formar um aglomerado e esse aglomerado é colocado em uma esteira onde passa por um forno onde a temperatura fica entre 1000ºC e 1300ºC. Quando essa temperatura é atingida, o ferro do minério começa a derreter superficialmente e começam a se grudar com os outros “ingredientes” da mistura formando um grande bloco poroso, depois esse bloco poroso é quebrado em pedaços menores chamados Sínter.

Pelotização.

Na pelotização, o minério de ferro é moído bem fino e depois umedecido a fim de formar um aglomerado, esse aglomerado é colocado em um moinho no formato de tambor que é girado fazendo com que esse aglomerado vai se juntando no formato de pelotas, dai que vem o nome pelotização. Depois desse processo as pelotas são

submetidas a um forno para sua secagem e endurecimento, pois se não fosse feito isso elas seriam moles de mais para serem transportadas.

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Depois de fazer o beneficiamento do minério de ferro (pelotização e sinterização). Leva-se o minério de ferro até o alto-forno, só que esse não é o único ingrediente para o aço e/ou ferro fundido serem feitos. Também é necessário colocar alguns outros ingredientes como, por exemplo: fundentes, desoxidantes, desfosforizantes (materiais que ajudam a reduzir as impurezas do nosso aço ou ferro fundido)e os combustíveis. O material resultante do alto forno é o ferro gusa, então precisamos colocar todos os ingredientes no alto-forno para retirar nosso ferro gusa.

O fundente é o material que ajuda o minério de ferro fundir, ou seja, passar do estado sólido para o estado líquido. Utiliza-se o calcário como fundente.

Para eliminar as impurezas inicialmente também utilizamos um fundente, a cal, ela por sua vez tem a função de ajudar a tornar líquida a escória do ferro gusa. Também é utilizado como eliminador de impurezas o minério de manganês, esse tem a função de diminuir os efeitos nocivos do enxofre (torna o aço mais frágil). O minério de manganês também atua como desoxidante, ou seja, ele elimina parte do oxigênio que contamina o aço.

Os combustíveis que são utilizados no alto-forno necessitam ter um alto poder calorífero, ou seja, eles necessitam gerar uma grande quantidade de calor e não podem contaminar o aço. São utilizados dois tipos de combustíveis, o carvão vegetal e o mineral.

O carvão vegetal possui um alto grau de pureza e por isso é considerado um combustível de alta qualidade, todavia esse combustível tem duas grandes desvantagens, a primeira é a consequência ambiental do uso do carvão vegetal que gera um grande desmatamento. A segunda desvantagem é o fato de que o carvão

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vegetal baixa resistência a compreensão, isso se torna uma coisa ruim já que ele tem que suportar um peso muito grande gerado pela coluna de ingredientes que vão ao alto-forno para a produção do ferro gusa.

O carvão mineral produz o coque que também é um combustível que pode ser usado no alto-forno, esse além de ter um alto poder calorífero, também possui uma grande resistência à compreensão.

Além de terem a função de cederem calor ao minério, os combustíveis também tem a importante função de atuarem como redutores, ou seja, diminuir a quantidade de oxigênio que existe no minério.

O Alto-forno

O alto-forno é uma grande estrutura com uma carcaça protetora de aço e revestido internamente por tijolos refratários (material cerâmico que resiste a altas temperaturas). O alto forno possui três partes:

 O cadinho

 Rampa

 Cuba

O cadinho é o local onde o gusa líquido é depositado juntamente com a escória (impurezas que necessitam ser separadas dos gusa). Como a escória é menos densa que o ferro gusa ela flutua, e como os dois não se misturam, é possível separa-los facilmente por meio de dois furos em alturas diferentes no cadinho.

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O furo de corrida é por onde sair o ferro gusa, esse é em um nível abaixo do furo de escória que é por onde sai as escórias resultantes do alto-forno.

Na rampa é onde acontece a combustão e a fusão. Para facilitar essas ações, entre a rampa e cadinho existem vários furos que são distribuídos uniformemente onde ficam as ventaneiras que sopram o ar pré-aquecido sobre pressão.

A cuba é a maior parte do alto-forno, ela ocupa mais de dois terços do tamanho do alto-forno. Nela são colocados intercaladamente a carga ( minério de ferro, carvão e os fundentes(cal e calcário)).

Um fato interessante sobre o alto-forno é que ele não para, ele funciona 24hrs por dia, 7 dias por semana. Isso aliais é fundamental para a manutenção da estrutura do alto-forno. O alto-forno da CSN (companhia siderúrgica nacional) funcionou initerruptamente por mais de 46 anos.

Reações químicas que acontecem no alto-forno

Quando a carga, ou seja, o minério de ferro, o carvão e os fundentes são colocados no alto-forno, algumas reações acontecem.

Inicialmente os óxidos sofrem redução, ou seja o oxigênio é eliminado do minério de ferro ( lembre-se que o minério de ferro utilizado em boa parte do mundo é a hematita (Fe3O2) ou seja, precisa-se retirar esse oxigênio para ficarmos somente

com o ferro.).

Isso acontece pois o carbono do carvão quando é queimado sai do alto-forno na forma de CO e CO2.

Depois disso a ganga se funde, ou seja, as impurezas do minério de ferro se derretem.Então o gusa se funde e logo após esse sofre carbonetação, ou seja, carbono é incorporado ao ferro líquido (esse carbono é proveniente do carvão).

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Após isso algumas impurezas são reduzidas e incorporadas ao gusa. Por causa dessa movimentação, três zonas aparecem dentro do alto-forno:

 A zona onde acontece o pré-aquecimento da carga e a redução (eliminação do oxigênio e dos óxidos de ferro).(zona de fusão)

 Zona de Fusão dos materiais. (zona de gotejamento)

 Zona de combustão que alimenta as duas primeiras.

A escória é uma massa formada pela reação dos fundentes com algumas

impurezas existentes no minério. Ela pode ser utilizada para fabricação de fertilizantes. Conforme o coque vai queimando, a carga vai descendo ocupando os espaços vazios deixados pelo gusa líquido que sai pelo furo de corrida. Logo se alimentado constantemente, o alto-forno funciona sem interrupções.

Ao sair do alto-forno, o gusa, com um teor de carbono entre 3,0% e 4,5% pode seguir dois caminhos: o primeiro é ir para a fundição para ser utilizado para fabricação de peças de ferro fundido, ou então pode ir para as aciarias para continuar os

processos para transformá-lo em aço. Lembrando que o aço é uma liga ferro carbono com o teor de carbono variando entre 0,008% e 2,0%, logo será necessário retirar o excesso do teor de carbono presente no gusa.

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Fornos Conversores

Quando o aço sai do alto-forno, ele está com um percentual demasiadamente grande de carbono além de ter várias impurezas normais como fósforo, enxofre, silício e manganês. Por causa disso, o gusa é extremamente duro e consequentemente quebradiço o que o torno inapto para ser colocado em serviço na grande maioria das vezes. Logo foi necessário fazer com que houvesse uma forma em que fosse possível diminuir o teor de carbono no gusa, que extraísse ou pelo menos diminuísse as impurezas e que ao mesmo tempo fosse comercialmente aceitável.

Logo foi necessário que houvesse um processo de oxidação para que se pudesse diminuir o teor de carbono no aço e ao mesmo tempo reduzir as impurezas. A ideia encontrada para realizar esse processo foi de injetar ar diretamente no gusa liquido, essa ideia foi apresentada por dois cientistas simultaneamente, Henry Bessemer, inglês, e o americano William Kelly em 1847. Esse processo também permitiu que fosse possível produzir aços em grandes quantidades.

Esses fornos que funcionam injetando ar diretamente no gusa líquido são chamados de conversores. Existem vários tipos de conversores, três são os mais comuns. Eles são;

 Conversor Bessemer.

 Conversor Thomas.

 Conversor LD (Linz Donawitz).

Conversor Bessemer

O conversor Bessemer recebeu esse nome que veio de seu inventor, Henry Bessemer, ele é constituído de chapas de aço, soldadas e rebitadas. Na parte interna de sua carcaça, ele é todo revestido de um material cerâmico refratário. Um grande ponto positivo do conversor Bessemer é seu formato. Ele possui um formato é

parecido com o de uma pêra. Esse formato permite o basculamento do conversor, isso é, ele é montado sobre eixos que permitem que o mesmo seja colocado na posição horizontal para que ele seja carregado com o gusa ou para que ele descarregue o aço, e também permite que ele fique na posição vertical (posição de trabalho).

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Uma coisa interessante sobre os conversores é que eles não precisam de combustível, e mesmo assim atinge temperaturas em torno de 1600°C. Alta tempertatura é atingida e mantida pelo fato de que as reações que ali acontecem (quando o ar entra em contato com o gusa líquido) serem exotérmicas, ou seja, elas liberam calor quando acontecem. Esse calor que produz essa temperatura.

Nas reações que acontecem no alto forno, o oxigênio se combina com o ferro do gusa, formando óxido de ferro que por sua vez se combina com o carbono ,

manganêz e silício eliminando as impurezas na forma de escória e de gás carbônico. O ciclo dura em torno de vinte minutos. o aço resultante desse processo tem a seguinte composição: 0,10% (ou menos) de carbono, 0,005% de silício, 0,50% de manganês, 0,08% de fósforo e 0,25% de enxofre.

Conversor Thomas

O conversor Thomas é bastante semelhante ao conversor Bessemer, a

diferença é que o conversor Thomas possui um revestimento refratário diferente. No Thomas, o material refratário é a dolomita que resiste ao ataque da escória a base de cal e por isso permite trabalhar com gusa com alto teor de fosfóro.

As reações que acontecem nesse conversor são as mesmas que acontecem no conversor Bessemer, ou seja, eliminação de impurezas e diminuição do teor de carbono.

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O conversor Thomas tem duas desvantagens: ele não elimina o enxofre do gusa e o revestimento do forno é atacado pelo silício, ou seja, o gusa que é utilizado nos conversores Thomas necessitam ter um baixo teor de silício.

Conversor L.D

O conversor L.D recebe esse nome do seu inventor, Linz Donawitz, também usa o princípio de injeção de oxigênio. A grande diferença é que o oxigênio puro é injetado sob pressão sob a superfície do gusa líquido. A injeção é feita pela parte de cima do conversor.

Esse tipo de conversor é constituído de uma carcaça cilíndrica de aço resistente ao calor, revestido internamente por materiais refratários de dolomita ou magnesita. A injeção do oxigênio é feita por meio de uma lança metálica composta de vários tubos de aço. O jato de oxigênio é dirigido para a superfície do gusa líquido e essa região de contato é chamada de zona de impacto.

Na zona de impacto, a reação é extremamente intensa o que faz com que a temperatura possa chegar de 2500°C a 3000°C. Isso provoca uma grande agitação no gusa, isso aumenta a área de contato do gusa com o oxigênio o que acelera as reações de oxidação. Nesse tipo de conversor, há pouquíssima contaminação de nitrogênio pois o oxigênio injetado é puro. O fato de os aços terem pouca contaminação com nitrogênio faz com que o aço seja bom para soldagem já que o nitrogênio causa defeitos na solda.

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Vantagens e Desvantagens Dos Conversores

O uso de conversores tem diversas vantagens, como por exemplo:

 Alta capacidade de produção.

 Dimensões relativamente pequenas.

 Simplicidade de operação.

 Fato de o calor não ser gerado pela queima de combustível. Todavia também há algumas desvantagens. Exemplo:

 Impossibilidade de se trabalhar com sucata.

 Perda do metal por queima.

 Dificuldade de se controlar o teor de carbono.

 Presença de considerável de gazes e óxidos de ferro que necessitam ser removidos durante o vazamento (operação de descarga do conversor).

Fornos Elétricos.

Existem outras formas de se produzir aço além do processo descrito

anteriormente. É possível, por exemplo, fabricar aço a partir de sucata, se não fosse isso, não existiriam os ferros-velhos. Nos fornos elétricos acontecem a transformação de sucata em aço novo e onde também é possível trabalhar com o ferro gusa. Isso acontece em um processo que transforma energia elétrica em energia térmica de modo que possa haver a fusão do gusa e da sucata para poder transformá-los em aços novos.

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Esse processo ocorre em condições rigorosas e bem controladas de temperatura e oxidação do metal líquido. Nos fornos elétricos também é possível colocar elementos de liga que melhoram as propriedades do aço. Por conta desses fatores, a produção de aço através de fornos elétricos produzem os aços de melhores qualidades.

Os fornos elétricos podem ser de dois tipos:

 Forno a arco elétrico.

 Forno a indução.

Forno A Arco Elétrico

.

O forno a arco elétrico é constituído basicamente de chapas grossas de aço soldadas ou rebitadas de modo a criar um recipiente cilíndrico e internamente por material refratário. Os eletrodos ficam na parte de cima da estrutura.

Durante o processo, algumas reações acontecem: oxidação, onde as impurezas e o carbono se oxidam, a desoxidação, ou seja, a retirada de óxidos com a ajuda de agentes desoxidantes, e a dessulfuração que é a retirada do enxofre. Esse processo permite o controle preciso do teor de carbono presente no aço.

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Forno Por Indução

O forno por indução também processa sucata.O conjunto é formado por um motor de acionamento, uma bateria de condensadores e uma câmara de

aquecimento. Essa câmara é basculante e possui uma bobina na sua parte externa. A parte interior é feita de material refratário.

No seu funcionamento, vão sendo colocados dentro do forno pedaços de aços que preferencialmente devem ser de boa qualidade e a medida que a temperatura vai subindo, esse material vai se tornando líquido. Depois da completa fusão, são

adicionados elementos de liga como por exemplo: alumínio, silício e cálcio que tem a função de retirar os óxidos do metal.

Vantagens e Desvantagens dos fornos elétricos:

 Flexibilidade de operação.

 Temperaturas mais altas.

 Controle mais rigoroso da composição química do aço.

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As Desvantagens Dos Fornos Elétricos São:

 Alto custo operacional

7.0 – Tratamentos Térmicos

De maneira geral, fazer um tratamento térmico consiste em aquecer uma peça de metal e depois resfria-la até que ela atinja outras propriedades mecânicas (dureza, ductilidade, resistência a tração e etc.) diferentes das que a peça tinha originalmente.

Os passos para se fazer um tratamento térmico são:

 Colocar a peça em um forno com a temperatura previamente estabelecida.

 Manter essa peça no forno por um tempo determinado.

 Retirar essa peça e resfria-la de forma adequada ao tratamento desejado.

Um tratamento térmico pode ser utilizado para endurecer uma peça, para deixa-la mais maleável, mas resistente a tração e compreensão, entre várias outras características. Então precisamos definir quais fatores são importantes para saber quais as propriedades que a peça terá quando sair do tratamento térmico.

O tratamento térmico depende de três fatores:

 Temperatura de aquecimento.

 Velocidade de resfriamento.

 Composição química do material.

O tratamento térmico é importantíssimo na indústria, pois muitas vezes necessita-se modificar as propriedades dos materiais para que os tornem mais adequados a sua utilização. Por exemplo, para se fazer uma peça que tenha uma alta dureza é necessário que modifiquemos as propriedades da peça para podermos usina-la mais facilmente ou seja, é necessário que a deixemos menos dura. Depois que a peça for usinada e já estiver no formato exato que iremos necessitar, podemos fazer um novo tratamento térmico para que a peça tenha sua dureza aumentada.

Só que como dizemos anteriormente, o tratamento térmico depende de três fatores, dentre eles está à composição química do aço, logo é necessário que nós saibamos sobre esse tópico.

7.1 - Constituintes do aço.

Examinaremos duas amostras de aço para entender qual é o motivo das suas diferentes propriedades mecânicas. Primeiramente tomaremos uma amostra com baixo teor de carbono, esse sendo menor que 0,1% e outra amostra com o teor de carbono em torno de 0,5%.

Para podermos visualizar as diferenças, iremos analisar duas amostras de uma análise metalográfica, essa análise consiste em olhar uma amostra de aço bem polida em um microscópio para que possa ser visto suas estruturas.

Iniciaremos analisando uma amostra de aço com baixo teor de carbono ( em torno de 0,1% de C) . Podemos ver que essa amostra apresenta uma quantidade de grãos claros muito maior que a quantidade de grãos escuros.

Já na amostra com um teor médio de carbono, podemos perceber que o número de áreas escuras está bem maior do que na primeira análise.

Logo podemos deduzir que as áreas escuras são os grãos que contém um maior teor de carbono e os grãos claros são os que contêm um menor teor de carbono, logo em uma análise metalográfica que contém um número de áreas escuras grandes terá um teor de carbono maior e consequentemente será mais dura do que uma peça onde a análise metalográfica mostras que a peça contém mais áreas claras .As áreas claras recebem o nome de Ferrita, já as escuras recebem o nome de Perlita.

A ferrita apresenta uma célula unitária cúbica de corpo centrado (CCC), Essa possui seus átomos muito próximos uns dos outros fazendo com que haja pouco espaço disponível para os átomos de carbono. Isso faz com que as estruturas cristalinas formadas por essa célula unitária consigam comportar no máximo 0,025% de carbono.

Se Ampliarmos muitas vezes os grãos de perlita, vermos que eles na verdade são compostos laminas muito pequenas e essas laminas também possuem áreas claras e escuras.

A cementita é constituída por 12 átomos de ferro e quatro átomos de carbono, essa grande quantidade de carbono faz com que essa estrutura tenha um elevado grau de dureza, ela um carboneto de ferro, e é uma das responsáveis pela dureza do aço. Sua fórmula química é representada por Fe3C.

A perlita é formada por laminas alternadas de ferrita e cementita. Aquecimento Do Aço.

Até o momento nós estudamos como é a estrutura dos aços a temperatura ambiente, todavia, quando nós aumentamos a temperatura do aço, sua estrutura também se modifica.

Exemplificaremos as modificações das estruturas do aço com um aço com 0,4% de carbono.

 Até a temperatura de 300ºC, a estrutura do aço permanece a mesma da temperatura ambiente, ou seja, ferrita (grãos claros) e perlita (grãos escuros).

 Quando o aço chega a temperatura de 760 ºC, a estrutura do aço começa a se transformar, pois a perlita começa a se transformar em

austenita.

 A temperatura de 850 ºC toda a estrutura do aço se transforma em

A austenita que é a estrutura que se forma no aço quando o mesmo está sujeito a altas temperaturas. Essa encontra-se acima da zona crítica, na chamada zona de ausenitização. A austenita apresenta uma estrutura cristalina composta por células unitárias cúbicas de face centrada (CFC) apresentando uma menor resistência mecânica e uma boa tenacidade.

O gráfico abaixo mostra a variação das estruturas em um intervalo de temperaturas, onde a perlita e a ferrita se transformam em austenita, essas região é chamada de zona crítica, que é onde as estruturas CCC começam a se transformar em CFC.

7.2 - Resfriamento Do Aço.

Na temperatura de 850 ºC, um aço com 0,4% de carbono apresenta um único constituinte, a austenita. Podemos utilizar o gráfico anterior para sabermos qual será a estrutura do aço quando o resfriarmos a temperatura ambiente.

No resfriamento desse aço:

 Na temperatura de 850 ºC, toda a estrutura do aço será austenita.

 Na temperatura de 760 ºC, uma parte da austenita desaparece dando lugar a ferrita, logo irá permanecer na estrutura a ferrita e a austenita.

 A temperatura de 700 ºC, toda a austenita irá desaparecer e essa ultima

ambiente, a estrutura do aço ficará com ferrita e perlita como era inicialmente antes do aquecimento.

Observação: TODO o processo de resfriamento descrito acima é válido SOMENTE para resfriamento lento, ou seja, quando se retira a peça do forno e a mesma é deixada resfriar a temperatura ambiente.

7.3 - Diagrama Ferro-Carbono

Descrição das principais linhas e regiões do diagrama.

 Eixo X (escala horizontal) – representa o teor de carbono contido no aço.

 Eixo Y (escala vertical) – representa a temperatura.

 Linha A3 – representa a passagem da estrutura CCC para a estrutura CFC.

 Fe3C – Fórmula do Carboneto de ferro.

 Letras Gregas: γ (gama) – Símbolo da Austenita. α (alfa) - Símbulo da Ferrita.

7.4 - Alívio De Tensões.

É normal pensar que tratamentos térmicos são sempre realizados ao final do processo de fabricação de uma peça, todavia isso nem sempre é uma verdade. Algumas vezes podemos realizar algum tratamento térmico durante o processo de fabricação corrigindo problemas das estruturas metálicas e reduzir as tensões internas da peça.

Por exemplo, a diferença de velocidade de resfriamento em regiões de uma peça faz com que além de haver contornos de grão, também faz com que esses grãos tenham tamanhos diferentes, e isso provoca tensões na estrutura do aço.

Também existem as tensões resultantes de processos de fabricação a frio (temperatura ambiente). Quando se prensa uma peça, os grãos da mesma são comprimidos. Isso faz com que os grãos que estavam mais ou menos estabilizados (organizados) passem a ficar deformados. Isso acontece, por exemplo, quando uma peça sofre marteladas, ou sofre uma deformação de uma prensa.

Na laminação, no forjamento, ou em outros processos de deformação a frio, os grãos deformados não têm as mesmas propriedades mecânicas dos grãos originais.

7.5 - Recozimento Subcrítico.

Nesse tratamento a peça é aquecida em um forno a uma temperatura abaixo da zona crítica, algo entre 570ºC e 670ºC (para aços). Sendo como diz o nome, um tratamento subcrítico, a perlita e a ferrita não chegam a se transformar em austenita, ou seja, o recozimento subcrítico consegue diminuir as tensões sem alterar a estrutura do material. A partir de um tempo que gira em torno de 3 horas, a o forno onde a peça foi aquecida é desligado, e a peça é deixada esfriar dentro do forno (ou seja, um resfriamento bem lento).

7.6 - Normalização.

Em temperaturas bem elevadas (bem acima da zona crítica) os grãos de austenita crescem absorvendo os grãos vizinhos menos estáveis. E quanto maior for a temperatura, mais rápido esses grãos irão crescer. Outra forma de fazer esse processo é deixar o aço a uma temperatura pouco acima da zona crítica (por volta de 780ºC) durante um intervalo de tempo relativamente grande.

No resfriamento, os grãos de austenita se transformam em ferrita e perlita, e o tamanho dos grãos de ferrita e perlita dependem em parte do tamanho dos grãos de austenita.

Uma granulação grosseira, ou seja, com os grãos grandes de mais deixa o material quebradiço, e o deixa mais suscetível a trincas, pois essas se propagam melhor em grãos maiores, já os grãos mais finos (menores) apresentam melhores propriedades mecânicas.

O tratamento da normalização consiste em refinar (ou seja, diminuir) os grãos de modo que os mesmos fiquem em um tamanho melhor.

Nesse processo, a peça é levada ao forno a uma temperatura que varia de 750ºC até 950ºC, ou seja, acima da zona crítica. O material se transforma em austenita. Depois de um intervalo de tempo que varia entre uma e três horas, a peça é retirada do forno e deixada resfriar sobre uma bancada a temperatura ambiente. Ao final a peça apresenta grãos finos, mais padronizados (de forma homogênea).

7.7 - Recozimento Pleno.

Quando uma peça sai de seu processo de fabricação inicial (fundição, prensagem, laminação, forjamento e etc.) ela ainda precisa passar por outros processos como, por exemplo, a usinagem, todavia por muitas vezes ela ainda não está pronta para o processo de usinagem, muitas vezes, por exemplo, ela está muito dura, logo é necessário fazer um processo para que sua dureza seja diminuída e o matérial seja mais fácil de ser usinado.

Por meio do recozimento, é possível deixar a peça menos dura, mais dúctil, e também controlar o tamanho do grão. Também são eliminadas as irregularidades de tratamentos térmicos ou mecânicos sofridos anteriormente.

O tratamento consiste em aquecer a peça acima da zona critica, de depois de certo tempo, o forno é desligado e a peça é deixada resfriando dentro do próprio forno.

7.8 - Endurecimento Do Aço.

Houve um grande avanço da sociedade em relação ao conhecimento sobre o endurecimento do aço, esse é essencial para a sociedade, por exemplo: na construção de dentes de engrenagens, brocas, molas de carro, ferramentas de corte em geral, todas essas peças necessitam ser construídas de um aço que tenha um elevado grau de dureza, todavia também é necessário usina-las, então não é viável criar um aço que já tenha uma elevada dureza. Logo podemos realizar um tratamento térmico para amolecer esse aço, mas depois de usinada, a nossa peça necessita de ter de volta seu

elevado grau de dureza, logo precisamos realizar um tratamento térmico que resulte em um aumento de dureza em nosso aço.

7.9 - Têmpera.

A têmpera é um tratamento térmico destinado a obtenção de dureza, uma têmpera bem feita garante longa vida ao material, pois ele se torna mais duro, logo o mesmo se desgasta menos e também se deforma menos.

O processo consiste em aquecer o aço a uma temperatura acima da zona crítica pelo tempo necessário até que toda estrutura desse aço se transforme em austenita. Para aços esse temperatura varia entre 750ºC e 900ºC. O que difere esse tratamento dos outros é a forma de resfriamento. Na têmpera, o resfriamento é brusco, a peça quando retirada do forno é colocada diretamente dentro de um recipiente com água para que a velocidade de resfriamento seja muito grande. Como a peça é mergulhada na água, a peça passa de uma temperatura de aproximadamente 850ºC para 20ºC em um curto período de tempo.

Quando a austenita é resfriada muito rapidamente, não há tempo para se formar ferrita ou perlita (cementita + ferrita), forma-se então um novo constituinte chamado de martensita.

O que acontece é que quando aquecemos o aço a temperaturas acima da zona crítica, o carbono da cementita (Fe3C) se dissolve em austenita, todavia esse mesmo carbono não consegue se dissolver em ferrita. Isso acontece pelo fato de que a austenita (CFC) tem mais espaços vazios do que a ferrita (CCC), logo tem mais espaços vazios para o carbono se acomodar na austenita do que na ferrita, isso faz com que a austenita consiga dissolver uma quantidade maior de carbono do que a ferrita.

Quando acontece o resfriamento rápido, o excesso de carbono pertencente à austenita não consegue sair a tempo da austenita e acaba preso dentro dessa estrutura (CFC). Dessa forma, quando a peça chega a temperatura ambiente, os átomos de carbono provocam uma considerável deformação na célula unitária da ferrita, e isso faz com que essa estrutura (ferrita) modifique sua célula unitária fazendo com que a mesma consiga suportar um teor maior de carbono. Se essa estrutura consegue suportar um teor maior de carbono, essa estrutura será mais dura e menos dúctil que a ferrita que só consegue dissolver baixos teores de carbono.

7.10 - Cuidados no Resfriamento.

Um resfriamento brusco pode provocar alguns malefícios a peças de aço como trincas e rupturas. Isso acontece, pois a peça sofre um grande choque térmico, todavia esse resfriamento brusco é essencial para o surgimento da martensita, logo, dependendo do teor de carbono do aço, pode ser usar outros métodos menos bruscos para se fazer o resfriamento do aço como por exemplo, resfriar o aço com óleo, ou com jatos de ar.

7.11 - Revenimento.

O tratamento térmico da têmpera provoca mudanças muito profundas no material, a têmpera provoca uma grande dureza, e cria muitas tensões internas no material, além de deixar o material com valores de resistência ao impacto e alongamento muito baixos. Isso tudo faz com que um aço fique inadequado ao trabalho.

O revenimento tem a função de diminuir a dureza excessiva causada pela têmpera além também de diminuir ou eliminar as tensões internas. Portanto, o revenimento é um tratamento térmico realizado sempre posteriormente a têmpera.

O revenimento é realizado colocando-se a peça em um forno com a temperatura abaixo da zona crítica e o deixando no forno por volta de três horas, após esse tempo, a peça é retirada do forno e deixada resfriar a temperatura ambiente.

No revenimento a temperatura do forno pode variar entre 100ºC e 700ºC (ambas abaixo da zona crítica). A redução final da peça irá depender da temperatura de realização do revenimento, o gráfico da variação da temperatura de realização do revenimento com a dureza final da peça está demostrada abaixo:

7.12 - Austêmpera.

Esse é o tratamento térmico indicado para aços com alta temperabilidade, ou seja, aços que contenham um alto teor de carbono. A Austêmpera é feita da seguinte maneira:

 A peça é aquecida a uma temperatura acima da zona crítica até que toda sua estrutura se transforme em austenita. (posição 1).

 Em seguida a peça é retirada desse forno que está em uma temperatura acima da zona crítica e é colocada em um outro forno que está em uma temperatura que varia de 260ºC a 440ºC (Posição 2).

 A peça permanece nessa temperatura (a do forno 2) até que sejam cortadas as duas curvas (posição 3) . Quando a peça permanece no forno a essa temperatura e por esse período de tempo, ocorre a transformação da austenita em bainita.

 Por fim, a peça é deixada resfriar ao ar livre. (posição 4).

A bainita, composto formado no tratamento da Austêmpera, possui uma

8.0 - Tratamentos Termoquímicos.

Muitas peças utilizadas na indústria possuem uma vida útil muito curta, isso pode acontecer por essa peça se desgastar demais. Esse fato pode ser justificado por a peça não ter um teor de carbono suficiente em sua superfície.

No capitulo anterior, vimos que os tratamentos térmicos (têmpera,

revenimento, recozimento e etc.) não alteram a composição química dos aços. Um aço que inicia um tratamento térmico com 0,2% de carbono termina o tratamento com os mesmos 0,2% de carbono. O objetivo desse tratamento é aumentar a dureza, e a resistência ao desgaste da superfície do material mantendo seu núcleo com ductilidade e tenacidade.

8.1.0 – Cementação.

A cementação conste em colocar a peça numa em um ambiente com muito carbono para que esse carbono possa ser incorporado à superfície da peça. É indicado para aços com teores de carbono de no máximo 0,25%. A cementação faz com que o teor de carbono da superfície da peça possa atingir valores de até 1,0%.

Existem três tipos de tratamento termoquímico por cementação:

 Cementação Sólida

 Cementação Gasosa

 Cementação líquida

8.1.1 – Cementação Sólida.

A peça é colocada em uma caixa juntamente com algumas substâncias sólidas ricas em carbono como por exemplo: carvão, coque, carbonato de cálcio. Em seguida, a peça é levada ao forno a uma temperatura em torno de 930°C durante o tempo suficiente para chegar à espessura desejada. O tempo de permanência no forno pode varia entre uma e trinta horas com a camada cementada variando de 0,3mm até 2,0mm.

A espessura da camada cementada depende do tempo de permanência no forno como mostra o gráfico ao lado

8.1.2 – Cementação Gasosa

É o processo mais eficiente pois esse permite que haja uma com contato mais uniforme com a peça e também é o processo de cementação que gasta menos energia. utiliza-se gás propano (gás de cozinha) ou gás natural como fonte de carbono. A temperatura do processo varia entre 850°C e 950°C. após a cementação gasosa, a peça é temperada em óleo.

8.1.3 – Cementação Líquida.

São utilizados sais fundidos ricos em carbono (principalmente a base de cianeto e de carbono. A temperatura varia entre 930°C e 950°C. Nessa temperatura, os sais derretem se tornando líquido, isso acontece pois a temperatura de fusão desses sais é por volta de 650°C.

8.2.0 – Nitretação.

Algumas peças trabalham em atrito constante e muitas vezes sob uma temperatura relativamente alta como é o caso das camisas de cilindro dos motores de automóveis. Por isso é importante que a peça adquira uma resistência para que ela possa trabalhar sem que haja ruptura ou trincas. Um tratamento que da essa resistência a uma peça é chamado de nitretação que é a incorporação de nitrogênio a peça.

A nitretação é indicada para peças que necessitem obter uma superfície mais dura, e com uma maior resistência a fadiga, ao desgaste, ao calor e à corrosão. Os aços que melhor se adequam a esse tratamento são os chamados nitralloy steels, que são aços que contém cromo, molibdênio, alumínio e um pouco de níquel.

Em geral, a nitretação é feita após a têmpera e o revenimento, isso faz com que as peças nitretadas não necessitem passar por nenhum outro tratamento térmico o que ocasiona uma diminuição do risco de haver empenamento ou distorção na peça.

Existem dois tipos de nitretação:

 Nitretação à Gás

 Nitretação em Banho de Sal

8.2.1 - Nitretação à Gás.

Na nitretação à gás, a peça é colocada em um ambiente onde há amônia (NH3) e a nesse ambiente (um forno) a temperatura fica entre 500ºC e 530ºC. Nessa temperatura, acontece a dissociação da amônia fazendo com que o nitrogênio se

separe do hidrogênio e se adere a peça formando uma camada de até 0,8mm. A superfície metálica passa a ser constituída de nitretos de ferro, cromo, molibdênio e níquel. Como os nitretos possuem elevada dureza, quando a superfície da peça passa a ser composta por esses nitretos, a mesma adquire uma dureza maior.

Esse processo é muito longo, ele dura entre quarenta e noventa horas.

8.2.2 – Nitretação em banho de sal.

Esse processo é realizado em meio líquido onde a peça é mergulhada em um banho de sais fundidos que são fontes de nitrogênio. Esse processo é bem mais rápido que a nitretação gasosa, esse processo dura entre duas e três horas a uma temperatura variando entre 500ºC e 580ºC.

8.3.0 – Carbonitretação.

O processo consiste em adicionar carbono e nitrogênio à superfície da peça. O processo pode ser feito tanto por banho de sais líquidos quanto por atmosfera controlada, ou seja, a gás. A peça ao fim do processo atinge dureza e resistência ao desgaste em sua superfície.

A temperatura varia entre 705ºC e 900ºC com uma duração de duas horas. A camada carbonitretada ao fim do processo pode ter uma espessura variando entre 0,07mm e 0,7mm. Geralmente a Carbonitretação é utilizada em peças de pequeno porte como, por exemplo: carburadores, relógios e aparelhos domésticos.

9.0 - Revisão de Matemática e Física.

Antes de iniciarmos o conteúdo sobre ensaios, é necessário que relembrarmos algumas coisas básicas sobre matemática e física. Por exemplo, para convertermos algumas unidades métricas, tempos uma tabela que nos auxilia muito nesse processo.

Para usar a tabela, basta adicionar o nosso número que queremos converter na coluna da unidade de medida original, começando a escrever o número da direita para a esquerda, no caso de serem medidas lineares, adicionamos somente um número em cada coluna.

Se quisermos, por exemplo, converter 10 mm para m, basta usar a tabela verificar que o resultado é 0,01 m. Da mesma forma, caso quisermos descobrir quanto que são 0,5m em mm, basta usar a tabela e vermos que o resultado vale 500mm.

Para o caso de quisermos converter medidas quadráticas, (medidas de área), utilizamos a mesma tabela, todavia, ao invés de colocarmos um número por coluna, colocamos dois números por coluna.

Também é necessário que saibamos calcular áreas de superfícies.

Caso 1: Superfícies Quadradas.

Para calcular a área de superfícies quadradas basta usar a seguinte fórmula: a=L*L onde L é o comprimento (lado do quadrado).

Exemplo: Calcular a área de um quadrado de 2 cm de lado. Resolução: A=L*L = 2*2 = 4

Caso 2 – Superfícies Circulares.

Nesse caso podemos utilizar duas fórmulas: ou

Onde é uma constante que vale 3,14, r é o raio da circunferência e D é o Diâmetro da circunferência (o raio é a metade do valor do diâmetro).

Exemplo: Calcule a área de uma superfície circular com 10 mm de diâmetro. Podemos fazer de duas formas: a primeira é usando a equação do diâmetro: Fica assim:

Também podemos fazer o cálculo usando a equação do raio, sabemos que o diâmetro é 10 mm, logo o raio é 5 mm.

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10.0 – Ensaios.

Consideramos inadmissível que um produto que um produto de grande importância apresente algum defeito como, por exemplo, as asas de um avião. Logo não é possível “testar” se uma asa de um avião está de acordo com o uso colocando-a em um teste real. Daí vem a ideia dos ensaios. Os ensaios servem para analisarmos, em amostras, algumas propriedades de um material que será utilizado na fabricação de uma peça para ver se o mesmo está hábil para esse uso.

10.1 – Tipos de Esforços.

Os materiais sempre estão sujeitos a esforços. Podemos notar isso no nosso dia a dia, por exemplo, quando crianças brincam de cabo de guerra, ou uma dona de casa que torce um pano. Temos então que simular esses esforços nos ensaios que realizaremos. Veja alguns esforços existentes.

10.2 – Local De Realização Dos Ensaios.

Os ensaios podem ser realizados dentro de um laboratório específico para isso com um ambiente controlado e utilizando máquinas especiais para isso que nos informam resultados muito precisos.

A máquina utilizada para isso pode ser a máquina universal que consegue realizar vários tipos de ensaios como o de tração e o de compressão.

Existem também alguns ensaios que podem ser realizados na própria oficia, esses não possuem uma precisão muito acurada, mas podem ajudar a comparar durezas de materiais com rapidez. São esses:

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 Ensaio por análise de centelha.

O ensaio por lima é realizado analisando o cavaco que saio ao limarmos o material. Se material solta muito cavaco em comparação a outro que solta pouco cavaco, o que solta pouco cavaco é mais duro do que o que solta muito cavaco.

O ensaio por análise de centelha funciona com o mesmo princípio, mas nesse é analisado a quantidade de centelha que sai do material quando o mesmo é atritado contra o esmeril. Se uma peça solta muita centelha comparado à outra, essa é a menos dura.

10.3 – Propriedades dos Materiais.

Todos os campos da tecnologia, especialmente aqueles referentes à construção e máquinas e estruturas, estão intimamente ligados aos materiais e às suas propriedades.

Podemos dividir as propriedades dos materiais em dois grupos:

 Propriedades físicas.

 Propriedades Químicas.

Se colocarmos água fervente num copo descartável de plástico, o plástico amolece e muda sua forma. Mesmo mole, o plástico continua com sua composição química inalterada. A propriedade de sofrer deformação sem sofrer mudança na composição química é uma propriedade física.

Por outro lado, se deixarmos uma barra de aço-carbono (ferro + carbono) exposta ao tempo, observaremos a formação de ferrugem (óxido de ferro: ferro+ oxigênio). O aço-carbono, em contato com o ar, sofre corrosão, com mudança na sua composição química. A resistência à corrosão é uma propriedade química.

Por outro lado, se deixarmos uma barra de aço-carbono (ferro + carbono) exposta ao tempo, observaremos a formação de ferrugem (óxido de ferro: ferro + oxigênio). O aço-carbono, em contato com o ar, sofre corrosão, com mudança na sua composição química. A resistência à corrosão é uma propriedade química.

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Quando você solta o pedal da embreagem do carro, ele volta à posição de origem graças à elasticidade da mola ligada ao sistema acionador do pedal.

A elasticidade é um exemplo de propriedade mecânica. Pode ser definida como a capacidade que um material tem de retornar à sua forma e dimensões originais quando cessa o esforço que o deformava.

A estampagem de uma chapa de aço para fabricação de um capô de automóvel, por exemplo, só é possível em materiais que apresentem plasticidade suficiente. Plasticidade é a capacidade que um material tem de apresentar deformação permanente apreciável, sem se romper.

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10.5 – Tipos de Ensaios Mecânicos.

Existem vários tipos de ensaios mecânicos, esses podem ser classificados em duas categorias:

 Ensaios Destrutivos.

 Ensaios Não Destrutivos.

Os ensaios destrutivos são aqueles que deixam marcas na peça ou no corpo de prova depois que os mesmos são executados. Ele impossibilitam que o material seja utilizado novamente.

Existem vários tipos de ensaios destrutivos:

 Tração  Compressão  Cisalhamento  Flexão  Torção  Dureza  Fluência  Fadiga  Impacto

Já os ensaios não destrutivos não danificam as peças ou corpos de prova. Eles permitem que as peças analisadas possam ser utilizadas posteriormente. Isso é de grande importância pois permite que testemos alguns tipos de peças que já estejam em uso a algum tempo e caso essas não apresentem imperfeições, elas podem ser colocadas em uso novamente.

Existem também vários tipos de ensaios não destrutivos:

 Visual  Líquido penetrante  Partículas magnéticas  Ultrassom  Radiografia industrial

11.0 – Ensaios de Tração.

Os cabos que sustentam os elevadores estão sempre sujeitos a esforços de tração. E esses necessitam ser de um diâmetro tal que consigam suportar o peso das