Materiais Metálicos
Ligas ferrosas
Ferros fundidos e aços inoxidáveis
Ferros fundidos
Ligas de Fe – C: teores de C > 2,14% em peso (acima da
solubilidade de C na austenita).
Na prática, os ferros fundidos possuem teores de C entre
3,0 e 4,5% em peso, além de outros elementos de liga.
Origem do nome - pontos de fusão baixos em relação aos
aços - interessantes do ponto de vista de fundição.
Algumas dessas ligas são muito frágeis – indicados os
processos de fundição.
A cementita é uma fase metaestável e, sob certas
Ferros fundidos
Diagrama de equilíbrio Fe – C
A principal transformação no diagrama de equilíbrio,
Ferros fundidos
A tendência de decomposição da cementita é controlada
pela composição e taxa de resfriamento.
A grafitização é promovida pela adição de Si (teores acima
de 1% em peso e por taxas de resfriamento lentas).
Principais famílias de ferros fundidos
Existem várias classificações dos ferros fundidos, conforme,
principalmente, a fase em que o carbono se encontra (Fe3C ou grafita) e a morfologia das fases presentes.
Ferros fundidos cinzentos
Nos ferros fundidos
cinzentos, o teor de C varia de 2,5 a 4% em peso e o de Si de 1 a 3%.
Outros elementos como P,
Al, Ni, Cu e Ti apresentam efeito grafitizante.
Nos ferros fundidos cinzentos
a grafita se encontra na
forma de veios, rodeada por uma matriz de ferrita ou
perlita.
O nome ferro fundido cinzento
se origina do aspecto da superfície de fratura destas ligas, que se apresenta
acinzentada devido aos veios de grafita existentes na
Ferros fundidos cinzentos
Morfologia dos veios de
grafita
A ASM e a AFS classificam
Ferros fundidos cinzentos: propriedades
mecânicas e aplicações
Os ferros fundidos cinzentos são
relativamente fracos e frágeis em ensaios de tração, devido as suas microestruturas.
Os veios de grafita - pontas
agudas - concentradores de tensões - favorecem a
nucleação e propagação de trincas.
A resistência mecânica e a
ductilidade são muito maiores sob compressão.
Os ferros fundidos cinzentos
apresentam alta capacidade de amortecer de vibrações e alta resistência ao desgaste.
Apresentam alta fluidez a
temperatura de fundição.
São uma das classes de ligas de
Ferros fundidos cinzentos: propriedades
mecânicas e aplicações
Ferro fundido nodular (ou dúctil)
A microestrutura nodular é produzida adicionando-se pequenas
quantidade de Mg e /ou Ce no ferro fundido cinzento, antes da fundição.
Mudam da morfologia da grafita de veios para nódulos.
A matriz pode ser perlítica ou grafítica, dependendo das condições de
processamento (taxas de resfriamento e tratamentos térmicos).
Os fundidos são mais resistentes e dúcteis que os produzidos com ferro
fundido cinzento.
As propriedade mecânicas se aproximam das propriedades dos aços.
Ferros fundidos nodulares: resistência a tração entre 380 e 480 MPa e
percentual de alongamento de 10 a 20%.
Aplicações típicas: válvulas, corpos de bombas, engrenagens,
Ferro fundido branco
Nestes, a cementita não se decompõe em ferrita +
grafita.
Eles se caracterizam por serem duros e frágeis.
Suas superfícies de fratura, ao contrário dos ferros
fundidos cinzentos, tem aparência branca.
A retenção da cementita → altas taxas de resfriamento e
baixos teores de Si.
Fundidos de dimensões maiores podem formar ferro
fundido branco até uma determinada superfície da peça
fundida → ferros fundidos coquilhados → a espessura da
camada onde o ferro fundido branco se forma é
denominada profundidade de coquilhamento → mantido
um núcleo dúctil de ferro fundido cinzento e uma camada
externa dura rica em cementita.
Ferro fundido branco
O teor de Si na liga é o fator preponderante
para o controle da profundidade de
coquilhamento, porém outros fatores
influenciam fortemente nessa questão, tais
como:
Temperatura de vazamento
Temperatura da “coquilha”
Espessura da peça na seção coquilhada
Espessura da coquilha
Tempo durante o qual o metal fica em contato
com a coquilha.
Ferro fundido branco
Efeito de elementos de liga na profundidade de
coquilhamento
Ferro fundido branco
Microestrutura do ferro fundido branco
Regiões claras de cementita rodeadas por perlita (lamelas de
Aços Inoxidáveis
Introdução
Nestes aços, são adicionados elementos de liga ao ferro
visando aumentar a sua resistência a corrosão.
A resistência a corrosão é aumentada devido a formação
de uma camada de óxido protetora, chamada camada passivada.
Esta camada deve apresentar boa aderência e baixa
permeabilidade aos elementos corrosivos.
Por exemplo, adicionando Cr ao ferro, a promove-se a
formação de um filme fino de Cr2O3 (camada passivada), inibindo a corrosão do restante do material. Por exemplo, adicionando Cr ao ferro, a promove-se a formação de um filme fino de Cr2O3 (camada passivada), inibindo a
Aços Inoxidáveis
Introdução
Com adição de cerca de 12% de cromo, a aço adquire boa
resistência a corrosão atmosférica, sendo esta quantidade de cromo popularmente considerada a mínima para que o aço seja denominado inoxidável.
O principal elemento de liga nos aços inoxidáveis é o cromo. O Cr tende a fechar o loop da fase γ e promove a formação
de ferrita δ em altas temperaturas.
Quando Cr e Ni são adicionados ao Fe, a cinética de
transformação γ → α é retardada, facilitando a obtenção de austenita a temperatura ambiente.
Aços Inoxidáveis
Famílias de aços inoxidáveis
São geralmente classificados conforme a fase
predominante na microestrutura.
Aços Inoxidáveis
Diagrama Fe – Cr
O loop de γ está restrito a até
13% de Cr.
Entre 12 e 13% de Cr, coexistem
as fases γ e α.
Como a ferrita pode existir,
dependendo da composição, da
temperatura ambiente até a
fusão de forma contínua, esta
ferrita é geralmente citada como
“ferrita delta”.
Aços Inoxidáveis
Efeito do C no diagrama
Fe – Cr (0,005% peso C)
Efeitos da adição de C:
Aumento do loop γ para maiores
teores de C.
Alargamento do campo bifásico
(α + γ) para teores superiores a 0,3% peso C.
Para 18% Cr: o aço é totalmente
ferrítico acima de 0,04% C e não pode ser transformado. Entre 0,08 e 0,22% C, transformação parcial é possível levando a uma estrutura (α + γ). E para teores acima de 0,4% C o aço pode ter estrutura totalmente austenítica, se resfriado rapidamente a partir da região do loop γ.
Aços Inoxidáveis
Efeito do C no diagrama
Fe – Cr (0,4% peso C)
Efeitos da adição de C:
Introdução de carbetos na
estrutura do aço, onde M representa uma mistura de átomos metálicos.
A formação de carbeto
exerce forte influência na resistência a corrosão dos aços.
Aços inoxidáveis
Efeito do C numa liga 18 Cr
– 8 Ni
Se Ni é adicionado a uma liga
Fe – 18Cr, o campo da fase γ é expandida.
Com 8% em peso de Ni, a fase γ
se torna estável a temperatura ambiente (aço inoxidável
austenítico).
Teores acima de 18% Cr
aumentam a resistência a
corrosão mas teores maiores de Ni são então necessários para estabilização da austenita a temperatura ambiente.
Por exemplo, para 25% de Cr, é
necessário 15% de Ni para estabilizar a austenita a temperatura ambiente.
Aços inoxidáveis austeníticos
Os aços inoxidáveis austeníticos são aqueles em que a
austenita é estável a temperatura ambiente (teor de Ni ≥ 8%).
Estes aços usualmente contém de 18 a 30% em peso de Cr, 8
Aços inoxidáveis austeníticos
Falha na retenção completa da
austenita é indicada pela formação de martensita.
Austenita estável → Ms abaixo da
temperatura ambiente.
Para composição 18% Cr – 8% Ni,
a fase M23C6 se forma abaixo de 900º C.
Aquecendo a 1100 – 1150º C e
resfriando rapidamente →
austenita livre de precipitados.
Reaquecido a 550 – 750º C →
precipitação de M23C6 preferencial em contornos de grãos.
Efeitos prejudiciais da precipitação
do M23C6 nas propriedades mecânicas e resistência a corrosão.
Aços inoxidáveis austeníticos
Mn estabiliza a austenita e pode substituir
parcialmente o Ni (de forma menos efetiva).
C e N são fortes estabilizadores da austenita,
mas o N tem menor tendência a provocar
corrosão intergranular que o C.
A representação dos efeitos de diversos
elementos de liga nos aços inoxidáveis com
Ni e Cr através dos diagramas de Schaeffler
(muito utilizados em soldagem).
Aços inoxidáveis austeníticos
Cr equivalente – determinado empiricamente
para os principais elementos estabilizadores de
ferrita:
Ni equivalente – determinado para os
estabilizadores de austenita:
Aços inoxidáveis austeníticos
Aços inoxidáveis ferríticos
Nestes aços, é dispensada a utilização do elemento de liga Ni,
que estabiliza a austenita. Isto representa uma vantagem do ponto de vista econômico.
Teores de Cr tipicamente entre 18 e 30%.
Os aços ferríticos, especialmente com autos teores de Cr,
apresentam excelente resistências a corrosão em diversos
Aços inoxidáveis ferríticos
Em comparação aos aços inoxidáveis
austeníticos, os ferríticos apresentam valores
mais altos de tensão de escoamento.
Como desvantagens, os aços inoxidáveis
ferríticos apresentam tendência a fragilização,
o que se deve em parte a presença dos
intersticiais.
Com teores de 25% em peso de Cr, os aços se
tornam frágeis a temperatura ambiente se o teor
de C excede 0,03% em peso.
Aços inoxidáveis ferríticos
A ausência de mudança de
fase nestes aços torna mais difícil o refino de grão ferrítico em tratamentos a altas
temperaturas, como por exemplo a soldagem,
resultando em microestruturas com grãos excessivamente grandes.
A adição de elementos de liga
em quantidade adequadas,
tais como Ti, Nb e Zr tendem a precipitar nitretos, carbetos e carbo-nitretos em altas
temperaturas, controlando o tamanho de grão ferrítico.
Aços Inoxidáveis Duplex
(austeno-ferríticos)
Possuem maiores resistências mecânicas que a dos
aços inoxidáveis austeníticos, devido:
Estrutura bifásica
A formação da estrutura bifásica usualmente acarreta em
refino de grão.
Resistentes ao trincamento a quente (na solidificação). Presença de ferrita δ diminui a resistência a corrosão,
exceto no caso de corrosão sob tensão transgranular (ferrita δ é imune a este tipo de corrosão).
Quando submetidos a determinados tratamentos
termomecânicos (a temperaturas entre 900 e 1000º C), é possível obter-se estruturas muito refinadas, que exibem comportamento super-plástico.
Aços Inoxidáveis Duplex
(austeno-ferríticos)
A estrutura bifásica é obtida através de um
adequado balanço entre elementos de liga
estabilizadores de fase α e de fase γ.
