UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO
DEPARTAMENTO CAMPUS CARAÚBAS
CURSO BACHARELADO EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA
ALLISSON MORAIS DE OLIVEIRA
UM ESTUDO DA INFLUÊNCIA DO TEOR DE CARBONO SOBRE
PROPRIEDADES DE TRAÇÃO DE LIGAS DE AÇO
CARAÚBAS / RN 2018
ALLISSON MORAIS DE OLIVEIRA
UM ESTUDO DA INFLUENCIA DO TEOR DE CARBONO SOBRE PROPRIEDADES DE TRAÇÃO DE LIGAS DE AÇO
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao Curso Bacharelado em ciência e tecnologia da Universidade Federal Rural do Semiárido, aos cumprimentos das exigências legais como requisito parcial á obtenção do título de Bacharelado em Ciência e tecnologia.
Orientador: Dr. Ricardo Neves Bedoya
CARAÚBAS / RN 2018
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T231e Oliveira, Allisson Morais de.
Um estudo da influência do teor de carbono sobre propriedades de tração de ligas de aço / Allisson Morais de Oliveira.
- 2018. 43 f. : il.
Orientador: Ricardo Bedoya Neves.
Monografia (graduação) - Universidade Federal Rural do Semi-árido, Curso de Ciência e Tecnologia, 2018.
1. Fabricação do aço. 2. Aço liga. 3. Aço carbono. 4. Teores de carbono. 5. Influência do carbono. I. Neves, Ricardo Bedoya, orient. II. Título.
O serviço de Geração Automática de Ficha Catalográfica para Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC´s) foi desenvolvido pelo Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação da Universidade de São Paulo (USP) e gentilmente cedido para o Sistema de Bibliotecas da Universidade Federal Rural do Semi-Árido (SISBI-UFERSA), sendo customizado pela Superintendência de Tecnologia da Informação e Comunicação (SUTIC) sob orientação dos bibliotecários da instituição para ser adaptado às necessidades dos alunos dos Cursos de Graduação e Programas de Pós-Graduação da Universidade.
Dedico esse trabalho aos meus pais, que estiveram em continuam sempre presente em todos os momentos de minha vida. Sem o incentivo, dedicação e apoio que me deram, seria impossível seguir adianta. Esta pequena vitória é apenas a primeira de muitas que iremos conquistar juntos.
AGRADECMENTOS
A todos os professores da Universidade Federal Rural do semiárido (UFERSA) que colaboraram e construíram bases sólidas no meu desenvolvimento e aprendizado para meu crescimento profissional. Seus nomes são inesquecíveis e por isso, dedico minha profunda admiração e respeito a todos.
A todos aqueles que acreditaram na realização deste trabalho e deram forças e estímulo para que eu pudesse dar prosseguimento a esta pesquisa para que tivéssemos sucesso. Em especial, ao meu orientador, Dr.ª Ricardo Neves Bedoya, e aos meus colegas do dia-a-dia.
RESUMO
O estudo do aço carbono comum se faz necessário para que se possa entender melhor suas limitações e características, sabendo que o processo de fabricação como também a influência dos teores de carbono são essenciais na determinação de propriedades do aço carbono, será estudado cada processo e o passo a passo de sua fabricação, e qual a influência dos teores de carbono na resistência mecânica à tração como também na dureza. Realização do ensaio de tração, analise e construção do diagrama tensão-deformação.
PALAVRAS-CHAVES: Fabricação do aço, propriedades mecânicas, teores de
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Aspecto da ligação metálica...16
Figura 2: Derivados do minério de ferro...18
Figura 3: Processo de Sinterização...19
Figura 4: Processo de Pelotização...20
Figura 5: Alto-Forno...21
Figura 6: Conversor Bessemer...22
Figura 7: Conversor LD...23
Figura 8: Forno a arco elétrico...24
Figura 9: Forno de indução...25
Figura 10: Formação das soluções solidas...26
Figura 11: Diagrama ferrita-cementita...30
Figura 12: Analise do aço 1036 no diagrama ferro-carbono...36
LISTA DE TABELAS
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
CSN Companhia Siderúrgica Nacional FEM Fábrica de Estruturas Metálicas SA Siderurgia Brasileira
AFP Aços Finos Piratini
Cofavi Companhia Ferro e Aço de Vitória
Cosim Companhia Siderúrgica de Mogi das Cruzes CSN Companhia Siderúrgica Nacional
Cosipa Companhia Siderúrgica Paulista CST Companhia Siderúrgica de Tubarão Usiba Usina Siderúrgica da Bahia
SMJ Siderúrgica Mendes Júnior Açominas Aço Minas Gerais
SAE Society of automotive Engineers
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO...12
1.1 OBJETIVOS...13
1.2 METODOLOGIA...13
2. LIGAS DE AÇO...14
2.1 BREVE HISTÓRICO DO AÇO NO BRASIL...14
2.2 DEFINIÇÕES...15
2.3 ESTUDO DOS MATERIAIS...16
3 FABRICAÇÃO DO AÇO LIGA...18
3.1 FERRO FUNDIDO E O AÇO...18
3.2 SINTERIZAÇÃO E PELOTIZAÇÃO...19
3.3 ALTO-FORNO...20
3.4 TRANSFORMAÇÃO DO GUSA EM AÇO...22
3.5 ELEMENTOS DE LIGA...25
3.6 IMPUREZAS...27
3.7 RESISTÊNCIA MECÂNICA...29
3.8 AÇO LIGA...29
4. DIAGRAMA DE FASE FERRITA-CEMENTITA...30
4.1 DIAGRAMA FERRO-CARBONO...30
5. INFLUENCIA DO TEOR DE CARBONO...32
5.1 PROPRIEDADES...32
5.2 ESTUDO DOS AÇOS-AO-CARBONO...34
5.3 PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS AÇOS-CARBONO...35
6 RESULTADOS E DISCUSSÕES...36
6.1 ANALISE DO DIAGRAMA FERRO CARBONO PARA O AÇO 1036...36
6.2 DIAGRAMA TENSÃO-DEFORMAÇÃO...38
7 CONSIDERAÇÕES FINAIS...40
8 RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS...41
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1. INTRODUÇÃO
O aço é um material de suma importância na engenharia, e para que seja utilizado adequadamente para cada fim, se faz necessário conhecer seus principais tipos, sua composição, suas vantagens e limitações, qual a sua história, seu processo de industrialização, processo de acabamento, como são definidos seus teores e outras características importantes (IMIANOWSKY, 2017).
O aço em si é um material simples de ser encontrado em meio a sociedade, pois basicamente é utilizado com muitas finalidades. E sabendo que há uma tendência de se produzir materiais com propriedades melhores nos dias atuais, o processo de fabricação do aço não é diferente, pois devido a condições severas apresentadas ao aço a cada dia, tem-se estudado suas aplicações e os efeitos ocorridos nas suas propriedades provenientes de tais condições, assim seu processo de fabricação tem chamado a atenção para o estudo de seu aperfeiçoamento e melhoramento (IMIANOWSKY, 2017).
Exemplo disso está em um determinado aço que sujeito a alguma conformação mecânica, o mesmo altera suas características, fazendo com que suas grãos se alonguem ou se fragmentem em grãos menores, mudando a propriedade mecânica do material e consequentemente o desempenho do material em relação a sua aplicação, podendo causar prejuízos quando for utilizado em alguma situação que necessite de um ótimo rendimento.
As propriedades mecânicas dos aços-carbono são afetadas quando ocorre alguns fatores, como principais são: a composição química e a microestrutura. A composição é quem define os limites da resistência mecânica, como característica a resistência a tração, a dureza, ductilidade, tenacidade e etc. E a microestrutura depende da composição química do material para ser definida. A também outros fatores que influência nessas propriedades, como o estado ou condição do aço visto na fabricação: a ser fundido, trabalhado a quente ou a frio, o tamanho de grão, a velocidade de esfriamento e outros (CHIAVERINI, 1998).
O aço-carbono é muito importante no ramo da engenharia e também na indústria, sendo que o mesmo tem algumas limitações. Sabe-se que os estados de utilização desses materiais são o fundido e o trabalhado. Logo, o aço fundido tem na sua formação um tratamento térmico de recozimento ou normalização para alivio das tensões originadas na solidificação e pata homogeneização da microestrutura. Já no
13 caso do aço trabalhado, tem-se como caminho o forjamento, laminação, estiramento, trefilação e outros (CHIAVERINI, 1998).
Ao decorrer do trabalho, será observado que o teor de carbono é o principal fator na influência da dureza e na resistência mecânica do aço.
1.1 OBJETIVOS
Tem-se como objetivo geral a caracterização do comportamento mecânico das ligas do aço-carbono por meio de um estudo em função do teor de carbono na liga e sua microestrutura.
1.2 METODOLOGIA
Metodologia utilizada foi por meio de experimento pratico em laboratório e levantamento de referência bibliográfica a respeito do tema proposto, onde teve como fonte a internet, artigos, livros e o acervo da biblioteca do campus.
Uso da máquina universal de ensaio para realização do experimento de tração e construção do diagrama tensão-deformação.
O método de análise será por comparação entre as literaturas consultadas.
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2. LIGAS DE AÇO
2.1 BREVE HISTÓRICO DO AÇO NO BRASIL
Quando ocorreu a criação da Companhia Siderúrgica Belgo Mineira, na década de 1920, a indústria siderúrgica brasileira começa a crescer, mas até a inauguração da Companhia Siderúrgica Nacional - CSN, em 1941, a produção de aço no Brasil ainda tinha suas restrições (IMIANOWSKY, 2017).
Com a criação da Fábrica de Estruturas Metálicas - FEM, em 1953, pertencente à CSN, ocorreu a difusão da tecnologia da construção em aço no Brasil, tendo construído importantes edifícios de andares múltiplos em estrutura metálica, tais como: o Edifício Avenida Central, em 1957, de Henrique Mindlin, o Brasília Palace Hotel, em 1958, e o Palácio do Desenvolvimento, em 1973, ambos de Oscar Niemeyer, em Brasília (IMIANOWSKY, 2017).
Até a metade da década de 60, com grande quantidade de obras do governo no brasil, quase toda a produção siderúrgica nacional era consumida internamente. Foi, nesse período, que o parque industrial brasileiro, mas se expandiu. Essa expansão foi suficiente para que, em 1966, o Brasil fosse considerado o maior produtor de aço da América Latina. A implantação do I Plano Siderúrgico Nacional, em 1969, fez a siderurgia evoluir ainda mais, através de empreendimentos de origem estatal e privada (IMIANOWSKY, 2017).
O estabelecimento definitivo da indústria brasileira de base se dá, a partir da década de 70, a partir do crescimento da demanda de aços planos. É criada, então, pelo governo federal, em 1973, a Siderurgia Brasileira S.A. (Siderbrás), empresa holding estatal, integrando a Aços Finos Piratini (AFP), a Companhia Ferro e Aço de Vitória (Cofavi), a Companhia Siderúrgica de Mogi das Cruzes (Cosim), a Companhia Siderúrgica Nacional (CSN), a Companhia Siderúrgica Paulista (Cosipa), a Companhia Siderúrgica de Tubarão (CST), a Usina Siderúrgica da Bahia - Usiba, uma empresa coligada, a Mendes Júnior - SMJ, e a Aço Minas Gerais (Açominas), construída exclusivamente com tecnologia nacional (IMIANOWSKY, 2017).
A privatização do setor siderúrgico brasileiro, a partir da década de 1990, ocasionou uma modernização do setor, um forte crescimento e a diversificação da produção. O Brasil possui atualmente uma significativa indústria de insumos de aço para a construção civil. Mas somente em 2008, o setor da construção civil tornou-se
15 o maior consumidor de produtos siderúrgicos, com 30% de participação do consumo total. Com relação à produção nacional de aço, na última década a produção brasileira ficou estagnada entre 33 e 35 milhões de toneladas/ano e a participação do Brasil na produção mundial de aço bruto caiu de 3% para 2,1% (IMIANOWSKY, 2017).
2.2 DEFINIÇÕES
Pode-se firmar que o aço é relativamente uma liga de natureza complexa, visto que teoricamente os aços comerciais não são binários, pois mesmo sendo composto de ferro e carbono, sempre há outros elementos secundário presentes devido aos processos de fabricação. Logo, tem-se como definição: "aço é a liga ferro-carbono contendo geralmente 0,008% até aproximadamente 2,11% de carbono, além de certos elementos residuais, resultante dos processos de fabricação" (CHIAVERINI, 1998).
Para IMIANOWSKY, (2017), o "aço é o produto siderúrgico obtido por via líquida através da fusão do ferro como componente básico e acrescentado o carbono com um teor em até 2 % resultando em uma liga Ferro-Carbono. São encontrados nessa liga também níquel, volfrâmio, manganês, cromo, fósforo, enxofre entre outros elementos e resíduos resultantes do processo de fabricação." (IMIANOWSKY, 2017).
Scheid, (2010), apresenta os aços carbono conforme a classificação do SAE J403 / Agosto 1995, onde são definidos os aços simplesmente ao carbono, onde há uma fração que indica o teor de carbono presente em peso no aço; os aços carbono para estruturas e soldagem, onde há uma representação para apresentar o teor de carbono, sendo que, são aços que apresentam teor de enxofre mais baixo a fim de gerar uma menor fração volumétrica de inclusões de sulfetos; aços carbono ressulfurados ou de usinagem fácil, onde também há uma representação para demonstrar o teor ao carbono e o teor de enxofre mais elevado em relação as aços anteriores; aços carbono ressulfurados e refosforados, nesse caso os teores de enxofre e fosforo são mais elevados em relação aos aços apresentados anteriormente; aços carbono alto manganês, e por último, são aços simplesmente ao carbono com alto nível de manganês (SCHEID, 2010)
16 2.3 ESTUDO DOS MATERIAIS
A muitos anos atrás um grego por nome de “Demócrito” deduziu que toda matéria é composta por pequenas partículas, nas quais conhecemos por átomos (do grego: a=não, tomo=divisão, traduzido como “algo que não pode ser cortado”), visto como algo indivisível por ser uma partícula muito pequena. Os átomos são compostos por partículas, as quais são os prótons, elétrons e os neutros. Onde os átomos têm um núcleo formado por prótons carregados positivamente e nêutrons estáveis que não influenciam nas propriedades do sistema, e os nêutrons carregados negativamente giram em torno do núcleo (ATKINS, 2006).
A uma tendência dos átomos de doarem, receberem ou compartilharem elétrons frequentemente para que possam ficar estáveis. Quando há esse compartilhamento, ocorre a ligação covalente. Quando os átomos doam elétrons, tem-se a ligação iônica. E outra ligação é a metálica, onde os elétrons se movem livremente pela estrutura metálica, formando uma nuvem eletrônica, onde os íons positivos e a nuvem eletrônica negativa originam as forças de atração que ligam os átomos de metal entre si (ATKINS, 2006).
Figura 1 - Aspecto da ligação metálica.
(FONTE: ATKINS, 2006)
Hoje em dia sabe-se que tudo é composto por átomos, assim os mesmos que determinam as propriedades de um material, como os aços, alumínios,
17 plásticos, madeiras e outros. A partir do estudo dessas partículas, descobrimos o porquê que alguns materiais são mais frágeis que outros e como tais se comportam em aplicações diversas que são impostas (ATKINS, 2006).
As forças de atração atômica são as responsáveis por manter os átomos dos metais unidos. As partículas de uma substância sólida são muito organizadas, devido a essas forças de atração atômica onde unem os átomos, formando assim uma estrutura cristalina, e de acordo com a última, fica mais fácil ou mais difícil a deformação de um determinado material. Outras propriedades como a resistência mecânica ou ductilidade serão analisadas afim posteriormente (GRANDINI, 2006).
Sabendo que cada característica dos materiais é importante para um determinado uso na indústria, é de suma importância o estudo das propriedades dos materiais. Os materiais são divididos em dois grupos, os metálicos (ferrosos e não ferrosos) e os não metálicos (naturais e sintéticos). (PERY, 2000).
Como estamos analisando os materiais metálicos, vamos esclarecer algumas ideias sobre suas propriedades. Os metais apresentam uma característica denominada de “plasticidade”, onde os materiais podem ser deformados, sem se quebrar. Os metais também são ótimos como condutores de calor e eletricidade, assim os mesmos têm uma boa condutibilidade térmica e elétrica, propriedades essas que são inexistentes para a maioria dos materiais não metálicos (PERY, 2000).
Há dois grupos de propriedades do materiais: as físicas e as químicas. Dentre as características das propriedades físicas, o qual iremos priorizar, a determinação do comportamento na fabricação é uma das principais. A propriedades físicas ainda se dividem em três vertentes: propriedades mecânicas, térmicas e elétricas. Nosso foco será as propriedades mecânicas, que podem ser encontradas quando o material é sujeito a esforços mecânicos. Um exemplo de propriedade mecânica seria a resistência mecânica, que é a propriedade que permite ao metal resistir esforços, como tração e compressão. Outras propriedades mecânicas são a elasticidade, que é a capacidade que o material tem de se deformar quando submetido a um esforço e depois voltar a forma original quando o esforço é encerrado, um exemplo seria o aço usado na fabricação de molas; a plasticidade, que é a capacidade que o material tem de se deformar quando submetido a um esforço e depois não voltar a forma original quando o esforço é encerado, assim o material pode ser moldado na forma preferível; a dureza que é a resistência do
18 material à penetração e a deformação plástica permanente; a fragilidade é a baixa resistência ao choque e a densidade é a quantidade de matéria em um material dentro do mesmo espaço. As propriedades térmicas estão ligadas ao ponto de fusão, ponto de ebulição, dilatação térmica, condutividade térmica, condutividade elétrica e a resistividade (PERY, 2000).
3. FABRICAÇÃO DO AÇO LIGA
3.1 FERRO FUNDIDO E O AÇO
O ferro puro é difícil de se processar, pois a alguns anos antes de cristo foram inventado os primeiros fornos de redução direta, antecedente estes da tecnologia no processamento do ferro fundido, que com o desenvolvimento do alto-forno e o descobrimento do processo de diminuição do carbono do ferro gusa, foi possível produzir o ferro fundido e o aço (PERY, 2000).
E qual seria a principal diferença entre ferro fundido e o aço? Para um material metálico ser ferroso, ele tem que ter o ferro como principal elemento na sua composição e quando sua quantidade de carbono presente chega a ser entre 2,0% a 4,5%, se tem o ferro fundido e quando essa quantidade é inferior a 2,0%, se tem o aço (PERY, 2000).
Figura 2 – Derivados do minério de ferro.
19 Alguns metais são puros na natureza, como o ouro, e outros são misturados com outros elementos sobre a forma de minérios. Para o processamento no alto-forno o minério não pode ser formado por pequenos grãos, e quando houver essa situação terá que passar por técnicas chamadas de sinterização e pelotização (PERY, 2000).
3.2 SINTERIZAÇÃO E PELOTIZAÇÃO
Na sinterização, são misturadas partes de minério, calcário e coque (Um tipo de combustível). Onde são alimentadas em uma esteira metálica, formando camadas, que ao passar pelo forno de ignição, são elevadas as temperaturas para que possível seja a combustão do coque. A partir do forno uma grande quantidade de ar é passada por essa mistura, ocasionando a queima de todo combustível, essa queima gera uma quantidade de calor suficiente para aglomerar os finos de minério, formando blocos de sínter, daí o nome do processo de sinterização. Esses blocos de sínter são quebrados, resfriados, peneirados e enviados para outro forno (PERY, 2000).
Figura 3 – Processo de Sinterização
(FONTE: PERY, 2000)
No processo de pelotização, o minério é moído até ficar bem fino, depois é umedecido para formar o aglomerado. Essa mistura vai para um tambor, onde gira
20 até formar umas pelotas, daí o nome de pelotização. Essas pelotas vão para uma secagem, e depois para a queima, onde ficam resistentes (PERY, 2000).
Figura 4 - Processo de Pelotização
(FONTE: PERY, 2000)
Esses dois processos beneficiam o minério, que depois são enviados para o forno e transformados em “ferro gusa”, que é a matéria prima do aço e do ferro-fundido. O ferro gusa é um material duro e que se quebra com facilidade, é uma liga de ferro-carbono com quantidades pequenas de silício, manganês, fosforo e enxofre (PERY, 2000).
3.3 ALTO-FORNO
A partir do século XIV se teve início o processo de fundição e a invenção do alto-forno, onde foi essencial no aumento da produtividade do ferro como também contribuiu na introdução de novos processos de produção, tais como a trefilação e a laminação. Por meio do processo de “insuflar ar”, os homens conseguiram elevar temperaturas a níveis altíssimos, colaborando a ocorrência da absorção do carbono ao ferro que saia do forno na fase liquida. O processo de fundição ocorria quando o ferro saia na fase liquida do forno e depois que endurecido era derretido novamente e vazado em molde (PERY, 2000).
A laminação e a trefilação são processos que consistem na conformação mecânica dos metais para obtenção de perfis, chapas e outros (PERY, 2000).
Naquela época esse tipo de produção gerava problemas ecológicos. Pois para o funcionamento desses fornos era necessário o uso de carvão de lenha, assim muitas florestas e matas eram degradadas e destruídas, como a madeira é algo finito, com o tempo ficou mais difícil seu uso. Na Inglaterra no início do sec. XVIII foi descoberto o “coque”, o coque é um combustível sólido feito através da destilação
21 do carvão mineral. Com o coque ficou mais fácil alimentar o alto-forno para a produção do ferro gusa (PERY, 2000).
Nos dias atuais os altos-fornos podem chegar a 35m de altura e se encontram em grandes complexos industriais chamados “usinas siderúrgicas”. O alto-forno é o principal equipamento para a produção metalúrgica do ferro, construído por tijolos e uma “carcaça” protetora de aço, os tijolos que forram o forno por dentro são refratários, ou seja, aguentam grandes temperaturas (PERY, 2000).
Um alto-forno tem três zonas fundamentais, como descrito na figura 4, o fundo é chamado de cadinho, a segunda zona de rampa e a seção superior de cuba. O gusa é depositado no cadinho, onde as impurezas são separados do metal. Na rampa ocorre a combustão e a fusão, o ar que é soprado sobre pressão, facilita esses processos. Na cuba são adicionadas as cargas de minério de ferro, carvão e calcário. A cuba ocupa em média 2/3 da altura de um alto-forno. Quimicamente, o processo no alto-forno funciona da seguinte maneira, quando o minério de ferro, o coque e os fundentes são introduzidos na parte superior da rampa, os óxidos de ferro sofrem redução, logo, o oxigênio é eliminado do minério de ferro, o carbono é incorporado ao ferro liquido, as impurezas do minério se derretem e o gusa se funde (PERY, 2000).
Figura 5 – Alto-Forno
22 3.4 TRANSFORMAÇÃO DO GUSA EM AÇO
A oxidação é fundamental para transformar o gusa em aço. A oxidação é a combinação do metal e das suas impurezas com o oxigênio. O ferro gusa tem grandes quantidades de carbono e impurezas normais, como silício, enxofre, fosforo e manganês. Quando o oxigênio entra em contato com o metal, a concentração de tais impurezas diminui, assim o material fica mais resistente e mais dúctil (PERY, 2000).
A produção do aço com injeção de ar ou oxigênio acontecem em fornos especiais, chamados de conversores, são eles: conversor Bessemer, conversor thomas e conversor LD (Linz-Donawitz). (PERY, 2000).
No Conversor Bessemer o ar sobre pressão entra pelo fundo, sendo em formato de pera, possibilitando que o mesmo seja basculante, ou seja, ele é montado sobre um eixo que o possibilita virar na horizontal para o carregamento do gusa e volte a vertical para produção do aço, como mostra a figura 5. Outra característica do conversor Bessemer é que o mesmo não precisa de combustível, pois as altas temperaturas são conseguidas através de reações químicas, onde o oxigênio do ar injetado no gusa liquido combina com o ferro formando o oxido de ferro, o oxido de ferro por sua vez combina com o silício, manganês e com o carbono, eliminando assim essas impurezas. Esse processo dura em média 20 minutos (PERY, 2000).
Figura 6 – Conversor Bessemer
23 No caso do conversor thomas, esse também é basculante e usa ar no processo, sendo que diferente do Bessemer, ele tem revestimento que aceita um alto teor de fosforo no ferro gusa. Esse revestimento também tem por finalidade resiste bem a ataques de escorias a base de cal. A desvantagem desse conversor é que ele não elimina o enxofre e o refratário a base de dolomita também é atacado pelo silício. Assim, para o conversor thomas, o ferro gusa tem que ter baixo teor de silício (PERY, 2000).
O conversor LD também funciona a base de injeção de oxigênio no gusa liquido, diferentemente dos anteriores, o oxigênio é injetado pela parte superior do mecanismo. Esse conversor tem uma carcaça de aço revestida com material refratário e há uma lança metálica feita de tubos de aço e bocal de cobre, essa lança tem por finalidade injetar oxigênio puro na superfície do gusa liquido, a temperatura na zona de impacto pode chegar a 3 mil graus Celsius, essa alta temperatura acelera as reações de oxidações do gusa. O conversor LD tem alta capacidade de produção, fácil operação e não usa combustível no seu sistema (PERY, 2000).
Figura 7 – Conversor LD
24 Os conversores têm algumas desvantagens, como: Perda de metal na queima, formação de óxidos de ferro e gases e não transformam sucata (PERY, 2000).
Em relação a transformação de sucata em aço, pode ser realizado com fornos elétricos, onde a energia elétrica se transforma em energia térmica, assim ocorre a fusão do gusa com a sucata. Logo, para tal feito ocorre em condições controladas de temperatura e oxidação do metal liquido. E esse processo com sucata e adição de elementos de liga em fornos elétricos, gera um aço de alta qualidade. Há dois tipos básicos de fornos elétricos, o forno a arco elétrico e o forno de indução (PERY, 2000).
O forno a arco elétrico tem uma carcaça de aço com chapas bem grossas e um fundo abaulado. Este forno tem revestimento interno de material refratário, na abóboda ficam os eletrodos, que junto com a carga metálica formam o arco elétrico. A carga do forno a arco elétrico é basicamente sucata e fundente a base de cal, durante o processo acontecem algumas reações químicas, tais como: a oxidação, desoxidação e a dessulfuração (PERY, 2000).
Figura 8 – Forno a arco elétrico.
25 O forno de indução é composto de um gerador com motor de acionamento, baterias de condensadores e uma câmara de aquecimento. A câmera de aquecimento é basculante, a bobina de indução fica na parte externa e o cadinho é feito de massa refratária socada na câmara. A sucata se funde pelo calor proveniente da própria carga. Após a fusão se completar, quando a temperatura desejada for alcançada, é adicionado cálcio, silício e alumínio, que são os desoxidantes do processo (PERY, 2000).
Figura 9 – Forno de indução
(FONTE: URRUTIA, 2012)
Algumas vantagens dos fornos elétricos: operação flexível, temperaturas altas, controle rigoroso da composição química, melhor aproveitamento térmico e não há os problemas da combustão. E as desvantagens são: Alto custo operacional e baixa capacidade de produção (PERY, 2000).
3.5 ELEMENTOS DE LIGA
Com o avanço da tecnologia, a produção de aço tornou-se nos dias atuais muito sofisticada. Logo, essa tecnologia aplicada a produção de ligas é possível desenvolver aços especiais, como os utilizados em aviões, foguetes, carros e outros.
Nas ligas, os elementos são dissolvidos um dentro do outro como se fossem um só. Ligas metálicas são soluções sólidas, assim são uma mistura completa dos átomos de dois metais, que acontece durante a fusão, quando os mesmos estão em estado líquido. E essa mistura completa segue firme mesmo depois que o metal passa para o estado sólido (PADILHA, 2000).
26 As soluções sólidas de metais são formadas de duas maneiras: Pela substituição do elemento do metal base pelo átomo de outro elemento ou por um outro átomo bem pequeno que entra nos espaços vazios dos átomos de metal base (PADILHA, 2000).
Regra de Hume-Rothery Rules para ligas (Átomos misturados em uma rede). Há quatro características analisadas empiricamente sobre soluções solidas substitucionais, que são: tamanho do átomo, estrutura do cristal, eletronegatividade e valência. (CANALE, 2017)
1 - O tamanho do átomo ou regra de 15%, diz que se a diferença em tamanho entre os átomos de soluto e solvente for maior do que mais ou menos 15%, as distorções da rede serão tão grandes que a solução sólida não será favorecida.
2 - Sobre a estrutura do cristal, para uma boa solubilidade, as estruturas dos cristais dos metais devem ser as mesmas.
3 - Na eletronegatividade, a sua variação quando for aproximadamente à zero, favorecerá assim a solução sólida.
4 - As valências dos dois elementos não devem diferir de mais de uma unidade (PADILHA, 2000)
Figura 10 – Formação das soluções solidas
(FONTE: PAVANATI, 2010)
O tamanho dos átomos dos dois metais deve ser semelhante, como também as propriedades eletroquímicas.
No caso do átomo pequeno, tem-se como exemplo o aço carbono como um tipo de solução sólida, na qual é uma liga de ferro com pequenas quantidades de carbono de no máximo 2%. Dentro do aço o carbono se junta com o ferro e forma
27 um composto chamado de carboneto de ferro, sendo uma substancia muito dura e responsável pela dureza do aço, aumentando assim sua resistência mecânica. Essa liga de ferro e carbono é muito utilizada na indústria mecânica, sendo importante na construção de maquinas, equipamentos, estruturas e veículos (PERY, 2000).
Logo, por meio da adição de elementos de liga, é possível causar melhoramento em algumas propriedades, como diminuição ou aumento do ponto de fusão, aumento da dureza, aumento da resistência mecânica, melhoramento da soldabilidade, da corrosão e outros (PERY, 2000).
3.6 IMPUREZAS
Na fabricação de produtos siderúrgicos é notável que além do carbono como elemento liga, tem-se também uma variação de impurezas de natureza metálica ou não, os quais se originam de reações entre as matérias primas empregadas ou de outras reações decorrentes do processo (CHIAVERINI, 1998).
Tais impurezas normais, já citadas antes, são: O enxofre, o manganês, o silício, o alumínio e o fosforo. Boa parte dessas impurezas apresentadas reagem entre si ou com outros elementos não metálicos, como o nitrogênio e o oxigênio, assim formam as inclusões não-metálicas, formações essas que se mostram no final do processo de desoxidação dos aços (CHIAVERINI, 1998).
Visto que ao decorrer do tempo até os dias atuais há uma tendência de se produzir materiais com propriedades melhores, no processo de fabricação do aço não é diferente, pois devido a condições severas apresentadas ao aço a cada dia que se trabalha e se exige, tem-se estudado suas aplicações e os efeitos ocorridos nas suas propriedades provenientes de tais condições, assim seu processo de fabricação tem chamado a atenção para o estudo de seu aperfeiçoamento e melhoramento (CHIAVERINI, 1998).
E no processo de fabricação, o fosforo é dito como uma impureza exclusivamente nociva, visto que o mesmo se tem uma fragilidade a frio que confere aos aços, mais especificamente nos aços duros, de alto carbono e quando seu teor ultrapassa certos limites. Assim há especificações rigorosas para tais impurezas, como mostrado abaixo porcentagens máximas admissíveis e suas aplicações (CHIAVERINI, 1998).
28 Trilhos → 0,04%
eixos → 0,05%
estruturas de pontes → 0,06%
estrutura de construções e barras de concreto armado → 0,10% O fosforo é caracterizado com 0,04% no máximo para aços-ligas e em 0,025% em outros casos. O fosforo não tem facilidade de formar carbonetos, mas o mesmo dissolve-se na ferrita, ajudando no endurecimento e aumentando o tamanho de grão do material, acarretando assim a fragilidade a frio, caracterizando a baixa resistência ao choque ou baixa tenacidade (CHIAVERINI, 1998).
Tal influencia é de tamanha importância quanto a dada ao teor de carbono no aço. Sendo que o fosforo também demonstra alguns pontos positivos, pois o mesmo aumenta a resistência a tração decorrente do aumento da dureza do aço, logo tal fenômeno é beneficente aos aços de baixo carbono devido a terem um efeito nocivo menor, como também outros elementos, como o cobre, níquel e cromo em baixos teores. O fosforo também tem como ponto positivo o melhoramento a resistência a corrosão e a usinabilidade dos aços (CHIAVERINI, 1998).
Quanto aos outros elementos, enxofre, manganês, silício e alumínio, tais são os principais responsáveis pela formação das inclusões não-metálicas. Varias são essas inclusões, como: a alumina, silicatos e o sulfetos. A ação de todas essas impurezas deve ser conhecida, para que se possa controlar integralmente o resultado da fabricação do aço (CHIAVERINI, 1998).
O manganês é a impureza encontrada em maior quantidade no aço, chegando a 1,65% da sua composição. Muito útil na desoxidação do metal liquido e importante no aumento da forjabilidade do aço, no melhoramento da temperabilidade, na resistência ao choque e no limite elástico (CHIAVERINI, 1998).
O alumínio, também usado na desoxidação do metal liquido, é muito útil para diminuir desprendimento de gases que agitam o aço no momento da solidificação (CHIAVERINI, 1998).
O teor de enxofre deve ser de no máximo de 0,05%, pois o mesmo pode se combinar com o ferro e formar o sulfeto de ferro, com ele o aço se quebra facilmente ao ser laminado, vergado ou forjado. Assim, muitas vezes é misturado o manganês ao ferro para que possível seja a combinação com o enxofre e não com o ferro, manganês com ferro gera sulfeto de manganês (CHIAVERINI, 1998).
29 O silício é acrescentando ao metal liquido para ajudar na desoxidação, presente no teor de ate 0,6% no aço, e não exerce grande influencia nas suas propriedades. Também utilizado para evitar a formação de bolhas no lingote (lingote é o metal fundido no formato de grandes barras) (CHIAVERINI, 1998).
3.7 RESISTÊNCIA MECÂNICA
Além dessas composições químicas apresentadas anteriormente, há também as inclusões não-metálicas, que são formadas por alumínio, enxofre, silício e manganês. Várias são essas inclusões não-metálicas, como por exemplo: a alumina, os silicatos, os sulfetos e outros. E essas impurezas devem ser conhecidas, como também suas ações para que se possa controlar os resultados da fabricação do aço (CHIAVERINI, 1998).
Todo esse esforço e tecnologia serve para melhorar a resistência mecânica do metal, como também os principais processos da fabricação do aço apresentados, pois servem para melhorar o material em si (CHIAVERINI, 1998).
Três são os processos básicos para o melhoramento da resistência mecânica do metal: A fabricação por conformação mecânica (prensagem e laminação), tratamento térmico (aquecimento e resfriamento sob condições controladas) e adição do elemento de liga (CHIAVERINI, 1998).
3.8 AÇO LIGA
Todo aço tem algum tipo de mistura. Quando a quantidade de elementos presentes no aço é muito maior que a encontrada no aço carbono comum, tem-se o chamado aço liga. E quando a adição de elementos ajuda ao aço a melhorar suas propriedades mecânicas, também se tem um aço liga (CHIAVERINI, 1998).
Tais propriedades serão: o aumento a dureza e a resistência mecânica, diminuir o peso de modo a reduzir a inercia de uma parte em movimento ou reduzir a carga-morta em um veiculo ou numa estrutura, conferir resistência à corrosão, aumentar a resistência ao calor, aumentar a resistência ao desgaste, aumentar a capacidade de corte, melhorar as propriedades elétricas e mecânicas (CHIAVERINI, 1998).
O aço liga é considerado de baixa liga se tiver até 5% em peso de elementos de adição, enquanto que o aço de liga especial deve ter sempre mais de 5% de elementos de liga (CHIAVERINI, 1998).
30 Os elementos de liga mais adicionados são: O níquel, o manganês, o cobre, o cobalto, o cromo, o silício, o tungstênio, o molibdênio e o vanádio. Para se obter o aço liga pode-se adicionar mais de um desses elementos descritos, sendo que cada um desses provocam um resultado diferente no aço (CHIAVERINI, 1998).
4. DIAGRAMA DE FASES FERRITA-CEMENTITA
4.1 DIAGRAMA FERRO-CARBONO
Na figura 10 está representada o diagrama ferrita-cementita, na qual descreve as transformações que o material sofre de acordo com a temperatura e a composição do mesmo (LIMA, 2005).
Quando as transformações têm tempo de ocorrer, apresentam-se algumas fases, como mostrado no diagrama abaixo, no qual tem-se um resfriamento lento e tais fases mostradas são soluções sólidas, como a ferrita alfa, austenita, ferrita delta e cementita (LIMA, 2005).
FIGURA 11 – Diagrama ferrita-cementita
31 A ferrita alfa (α) ou simplesmente “ferrita”, é constituída de ferro CCC com uma porcentagem mínima de carbono em solução sólida e solubilidade baixa, onde a última em temperatura ambiente é de 0,008% com máxima de 0,0218% a 727°C. A ferrita é presente somente até à uma temperatura de 912°C (LIMA, 2005).
Na austenita (у) a constituição é de ferro CFC, também como no item anterior, é presente na composição o carbono em solução sólida. Na questão da solubilidade do carbono no ferro CFC, tem-se uma porcentagem limite de 2,11% a temperatura de 1148°C, logo bem superior a ferrita (LIMA, 2005).
Já a ferrita delta (δ) também é constituída de ferro CCC e carbono em solução sólida como a ferrita alfa, a mesma é presente entre as temperaturas de 1349 a 1538°C. Logo, como ocorre em uma temperatura consideravelmente alta, a solubilidade do carbono também é mais alta, chegando a 0,09% a 1493°C. (LIMA)
A cementita é um carboneto de ferro de formula Fe3C, com estrutura
ortorrômbica e característica de dureza elevada e tenacidade baixa (LIMA, 2005). A Reação austenita (ferrita+cementita), é onde ocorre a transformação de uma fase sólida em duas fases sólidas, denominada como reação eutetóide, e que no diagrama é apresentada a 0,77% de C. Reação essa em que a austenita se transforma em ferrita e cementita em fases estáveis à temperatura ambiente. A presença dessa reação dar-se origem a três tipos diferentes de aço, de acordo com o teor de carbono (LIMA, 2005).
▪ Hipoeutetóides, teor de carbono < 0,77%; ▪ Eutetóides, teor de carbono = 0,77%; ▪ Hipereutetóides, teor de carbono > 0,77%.
A perlita é uma mistura de duas fases e uma estrutura que se apresenta no sistema ferro-carbono, onde é formada por lâminas de ferrita e cementita (LIMA, 2005).
Os aços descritos quando resfriados lentamente a partir do campo austenítico, apresentam diferentes microestruturas, aços esses formados por:
▪ Hipoeutetóides, formados por ferrita e perlita; ▪ Eutetóides, formados por perlita;
▪ Hipereutetóides, formados por perlita e cementita.
Martensita e bainita são constituintes não previstos pelo diagrama no processo de transformação da austenita em ferrita e cementita, onde exige um certo tempo para acontecer e que se faz necessário uma difusão dos átomos de carbono.
32 Constituintes esses formados a partir de resfriamentos bruscos em que não a tempo para formação de fases estáveis (LIMA, 2005).
A martensita é formada pelo tratamento térmico de têmpera, acarretando uma elevada dureza ao aço. Sendo uma fase gerada pelo resfriamento brusco da austenita. Onde não há tempo para difusão do carbono para fora da estrutura do ferro, havendo então cisalhamento que dá origem a tensões internas que tornam a martensita uma fase dura, resistente e de baixa tenacidade. Quanto maior o teor do carbono, maior a dureza obtida (LIMA, 2005).
A bainita é formada pela precipitação de carbonetos muito afins na ferrita. São dois os tipos de bainita: a superior e a inferior. A superior é formada por ripas de ferrita com precipitação de cementita no contorno das ripas. Já a inferior é formada por agulhas de ferrita com precipitação de cementita no seu interior, na forma fileiras que formam ângulos de 60° com o eixo das agulhas de bainita, a sua formação exige resfriamento mais brusco que o necessário para a superior. A bainita é menos dura que a martensita, sendo muito mais dura que a ferrita e a perlita. A bainita há uma tenacidade mais elevada do que a martensita, não exigindo revenimento (LIMA, 2005).
5. INFLUENCIA DO TEOR DE CARBONO
Ao analisar as propriedades dos compostos estudados no tópico anterior, observou-se que a ferrita é uma fase mais mole, mais dúctil e com menor resistência mecânica que a cementita. E que quanto maior o teor de carbono, maior a quantidade de cementita, assim maiores a resistência mecânica e a dureza do aço. Logo, com teores de carbonos mais altos, perde-se em ductilidade e tenacidade e ajuda na obtenção da martensita de maior dureza (LIMA, 2005).
5.1 PROPRIEDADES
Abaixo será apresentado um pouco sobre as características do carbono e qual sua influência no aço. Como por exemplo sua definição em baixo carbono, médio carbono e alto carbono, definido logo em seguida.
Baixo carbono: possui baixa resistência e dureza e alta tenacidade e ductilidade. É usinável e soldável, além de apresentar baixo custo de produção. Geralmente, este tipo de aço não é tratado termicamente (PAVANATI, 2010).
33 Médio carbono: possui maior resistência e dureza e menor tenacidade e ductilidade do que o baixo carbono. Apresentam quantidade de carbono suficiente para receber tratamento térmico de têmpera e revenimento, embora o tratamento, para ser efetivo, exija taxas de resfriamento elevadas e em seções finas (PAVANATI, 2010).
Alto carbono: é o de maior resistência e dureza. Porém, apresentam menor ductilidade entre os aços carbono. Geralmente, são utilizados temperados ou revenidos, possuindo propriedades de manutenção de um bom fio de corte (PAVANATI, 2010).
Os aços são classificados também em Grau, Tipo e Classe, por meio de letra, número, símbolo ou nome. O Grau identifica a faixa de composição química do produto. O Tipo se refere ao processo de desoxidação utilizado, enquanto a Classe descreve outros atributos, como nível de resistência e acabamento superficial. O sistema de classificação mais adotado na prática é o SAE-AISI ou o da ABNT. Nele, os aços são classificados por meio de 4 números.
O primeiro número representa os elementos de liga presente no aço. O segundo número representa o teor desses elementos de liga.
O terceiro e quarto número representa o teor de carbono multiplicado por 100.
O aço carbono utiliza o grupo 1xxx, e é classificado da seguinte forma: 10xx : Aço carbono comum (Mn : 1,00% máx.)
11xx : Ressulfurado (fácil usinagem, alto teor de S)
12xx : Ressulfurado e Refosforizado (fácil usinagem, alto teor de P e S) 15xx : Aço carbono comum (Mn : 1,00 a 1,65%)
Os dois últimos algarismos fazem referência a porcentagem de carbono. Exemplo: O aço 1020 é um aço comum com porcentagem de 0,20% de carbono na sua composição.
Outros exemplos de aços-ao-carbono: ABNT 1008 0,08%C, em peso ABNT 1010 0,10%C, em peso ABNT 1020 0,20%C, em peso ABNT 1030 0,30%C, em peso ABNT 1045 0,45%C, em peso ABNT 1060 0,60%C, em peso
34 ABNT 1085 0,84%C, em peso
ABNT 1095 0,95%C, em peso
Enquanto a sua classificação, em base a propriedades comuns, tem-se os grupos:
I - Composição;
II - Processo de acabamento; III - Forma do produto acabado;
No processo de composição há como exemplo os próprios aços-carbono e os aços-ligas, no processo de acabamento faz referência aos aços laminados a quente ou a frio, e por último o processo na forma de produto acabado tem-se os perfis estruturais (CHIAVERINI, 1998).
5.2 ESTUDO DOS AÇOS-AO-CARBONO
Como visto anteriormente, os principais aços-ao-carbono são: ABNT 1008, ABNT 1010, ABNT 1020, ABNT 1030, ABNT 1045, ABNT 1060, ABNT 1085 e ABNT 1095. Iremos analisar especificamente cada um e suas principais características quanto a sua resistência a tração.
O aço 1008 é um aço comum com porcentagem de 0,08% de carbono na sua composição, visto que há uma baixa concentração, assim possui uma baixa resistência mecânica e dureza. A sua composição é em torno de 0,30 a 0,50% de manganês, no máximo 0,10% de carbono, 0,050% de enxofre, 0,030% de fosforo e o restante é formado de ferro (GERDAL, 2013).
O aço 1010 é um aço comum com porcentagem de 0,10% de carbono, também de baixa concentração como o aço 1008, logo possui baixa resistência mecânica. Sua composição química é em torno de 0,30 a 0,60% de manganês, 0,08 a 0,13% de carbono, 0,050% de enxofre, 0,030% de fosforo e o restante é formado por ferro (GERDAL, 2013).
O aço 1020 com porcentagem de 0,20% de carbono em sua composição é um dos aços mais comuns e utilizados, decorrendo de excelente relação em custo-benefício. Suas aplicações são desde engrenagens, eixos, virabrequins, pinos guia, anéis de engrenagem, colunas, catracas, capas, tubos, a muitos outros. Sua composição química é em torno de 0,30 a 0,60% de manganês, 0,18 a 0,23% de carbono, 0,050% de enxofre, 0,030% de fosforo e o restante de sua composição é formada de ferro (GERDAL, 2013).
35 O aço 1030 é um aço com médio teor de carbono, decorrendo de boa resistência mecânica. Sua composição química é em torno de 0,60 a 0,90% de manganês, 0,28 a 0,34% de carbono, 0,050% de enxofre, 0,030% de fosforo e o restante de sua composição é formada de ferro (GERDAL, 2013).
O aço 1045 é um aço carbono com médio teor de carbono, decorrendo de boa resistência mecânica de dureza devido a sua composição química. Muito utilizado em componentes estruturais e de maquinas, virabrequim, eixos, engrenagens e outros. Sua composição química é em torno de 0,60 a 0,90% de manganês, 0,43 a 0,50% de carbono, 0,050% de enxofre, 0,030% de fosforo e o restante de sua composição é formada de ferro (GERDAL, 2013).
O aço 1060 é um aço com alto teor de carbono em sua composição, decorrente de alta resistência mecânica. Muitos utilizado na fabricação de ferramentas e eixos. Sua composição química é em torno de 0,60 a 0,90% de manganês, 0,55 a 0,66% de carbono, 0,050% de enxofre, 0,030% de fosforo e o restante de sua composição é formada de ferro (GERDAL, 2013).
O aço 1086 é um aço com alto teor de carbono em sua composição, decorrente de alta resistência mecânica. Sua composição química é em torno de 0,30 a 0,50% de manganês, 0,80 a 0,93% de carbono, 0,050% de enxofre, 0,030% de fosforo e o restante de sua composição é formada de ferro (GERDAL, 2013).
O aço 1095 é um aço com alto teor de carbono em sua composição, decorrente de alta resistência mecânica e dureza, sendo que muito frágil no que diz respeito a metalurgia. Muitos utilizado em molas, limas, facas e em outros itens de cutelaria. Sua composição química é em torno de 0,30 a 0,50% de manganês, 0,90 a 1,03% de carbono, 0,050% de enxofre, 0,030% de fosforo e o restante de sua composição é formada de ferro (GERDAL, 2013).
5.3 PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS AÇOS-CARBONO
Há dois fatores que afetam as propriedades dos aços-carbono, e elas são a composição química e a microestrutura (CHIAVERINI, 1998).
Em relação a composição química, para aços em condições que há uma transformação completa da austenita, ocorre frequentemente quando os aços são esfriados, o elemento predominante nesse caso é o carbono, onde, o quanto mas se aumenta o percentual do mesmo, melhor a propriedade em relação a resistência mecânica (CHIAVERINI, 1998).
36 Em relação a microestrutura, essa está ligada diretamente a composição química, pois sabe-se que os componentes presentes são a ferrita e perlita, ou perlita e cementita, ou somente a perlita, conforme seja os aços hipoeutetóide, hipereutetóide ou eutetóide (CHIAVERINI, 1998).
6. RESULTADOS E DISCUSSÕES
6.1 ANALISE DO DIAGRAMA FERRO-CARBONO PARA O AÇO 1036.
No diagrama ferro-carbono, ao analisarmos a microestrutura do aço com 0,36%, obteremos como resultado:
FIGURA 12 – Analise do aço 1036 no diagrama ferro-carbono
37
No intervalo de 0 °C à 730°C, aproximadamente, tem-se a fase Ferrita Alfa + cementita. Observamos que a microestrutura I representa essa fase no ponto onde a temperatura é igual a 350 °C. Possamos calcular a proporção de cada composição pela regra da alavanca, onde teremos:
Ferrita Alfa = 𝐶𝑓−𝐶 𝐶𝑓−𝐶𝑖 𝐶𝑓 = 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑜𝑠𝑖çã𝑜 𝐹𝑖𝑛𝑎𝑙 𝐶 = 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑜𝑠𝑖çã𝑜 𝑒𝑚 𝑎𝑛𝑎𝑙𝑖𝑠𝑒 𝐶𝑖 = 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑜𝑠𝑖çã𝑜 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 Ferrita Alfa = 6,7−0,36
6,7−0,008 = 0,9473 Logo, será 94,7% de ferrita alfa e
5,3% de austenita para o ponto à 350 °C.
Já de 730°C à 800°C, aproximadamente, ocorre a fase Ferrita Alfa + austenita. Ao escolhermos 750°C, pela regra da alavanca, teremos:
Ferrita Alfa = 0,6−0,36
0,6−0,01 = 0,4067 Logo, será 40,7% de ferrita alfa e
59,3% de austenita para o ponto à 750 °C, como mostrado na microestrutura II. Agora para o intervalo de 800°C à 1480°C, aproximadamente, tem-se a fase de Austenita. Onde são representações pelas microestruturas III e IV. Para a microestrutura IV temos 100% de austenita, já para a microestrutura III, pela regra da alavanca, teremos no ponto à 830 °C:
Ferrita Alfa + Austenita = 0,9−0,36
0,9−0,27 = 0,8571 Logo, será 85,7% de
ferrita alfa + Austenita e 14,3% de austenita + Camentita para o ponto à 830 °C. Entre 1480 °C e 1500 °C está representado pela microestrutura VII a fase Austenita + Líquido. E 1500 °C à 1530 °C, aproximadamente, está representado pela microestrutura VI a fase ferrita beta + liquido. Após a temperatura de 1530 °C teremos somente liquido, como mostrado na microestrutura V.
38 6.2 DIAGRAMA-TENSÃO DEFORMAÇÃO
Para melhor entendimento do comportamento do aço com relação ao seu teor de carbono, foi realizado um experimento de ensaio de tração com os seguintes aços: 1020, 1036 e 1045.
Figura 13 - Diagrama tensão-Deformação
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 T e n ca o (MPa ) Deformaçao Especifica (mm/mm) aço 1020 aço 1036 aço 1045 (FONTE: OS AUTORES)
Pode-se analisar ao observar o diagrama tensão-deformação que o teor de carbono no material influencia diretamente na resistência do mesmo. Visto que ao compararmos o aço 1020 e o 1036, é nítido que a deformação do 1020 é bem maior que a do 1036, onde o ultimo por ter uma porcentagem de carbono maior, será mais resistente e consequentemente mais dúctil, assim ocorrerá sua ruptura em uma deformação menor comparada ao 1020 que já é mais mole. Já o 1045 tem uma deformação bem menor, onde o mesmo é bem mais resistente e menos dúctil que os anteriores. Tabela 1 mostra tais dados, onde:
Deformação do aço 1020: 0,361 mm/mm Deformação do aço 1036: 0,304 mm/mm Deformação do aço 1045: 0,227 mm/mm
39 Já em relação a tração, o 1036 precisará de uma força maior do que o 1020 para que sua ruptura ocorra. E o 1045 precisará de uma força muito maior como mostrada no gráfico. Tabela 1 mostra tais dados, onde:
Tensão máxima do aço 1020: 458,89 MPa Tensão máxima do aço 1036: 460,77 MPa
Tabela 1: Resultados PARAMETROS\MATERIAL 1020 1036 1045 σp 321,94 347,71 - σe 298,64 318,90 - σe0,2% - - - σmax 458,89 460,77 - σrup 318,62 303,13 - εp 0,043 0,047 0,079 εe 0,046 0,056 - εe0,2% - - 0,005 εrup 0,361 0,304 0,227
40
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS
O aço muito utilizado na indústria é a liga ferro-carbono, onde varia de 0,008% até 2,11% como visto no diagrama ferrita-cementita.
Observou-se que ao decorrer de analises de parâmetros, muitos são os fatores que alteram as características do ferro-carbono.
Quanto a suas partículas, foi possível analisar que a força de atração atômica é a responsável por manter os átomos dos metais unidos e que também ao formar uma estrutura cristalina, facilita a verificação do por que alguns materiais são mais frágeis que outros.
Na fabricação do aço liga é onde ocorre a transformação do gusa em aço. E que a concentração de impurezas ajuda quanto a resistência e ductilidade do material. No processo de fabricação é onde ocorre também o controle da composição química, assim havendo a administração de quanto é de carbono em cada liga.
O diagrama ferrita-cementita mostra que quanto maior a porcentagem de carbono, maior sua dureza e menor sua ductilidade, características essas decorrentes da cementita e da ferrita. Como pode-se ver também ao analisar o diagrama tensão—deformação.
41
8. RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Para trabalhos a ser desenvolvidos no future, as seguintes ações são recomendadas:
• Buscar estudos sobre o aço carbono, tais como as suas propriedades mecânicas;
• Realizar a pratica de tração;
• Desenvolver o diagrama tensão-deformação para os aços utilizado no experimento;
• Analisar os resultados obtidos de acordo com o conhecimento adquirido no trabalho.
42
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