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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAISAula 06: Ligas de Aço e Ferro Fundido

Prof: Iran AragãoProf: Iran Aragão

PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS

Aula 06: LIGAS DE AÇO E FERRO FUNDIDO

OBJETIVO DA AULA

Ao final desta aula, você deverá:1.Conhecer as ligas comerciais de Aço e Ferro Fundido utilizados na industria em geral.



É importante saber que aço e ferro não são a mesma coisa. As propriedades mecânicas propriedades mecânicas e estruturas cristalinasestruturas cristalinas são diferentes e devem ser bem conhecidas, a fim de que possam ser utilizadas industrialmente de forma correta. Essa diferença é dada pela quantidade de carbono existente na composição.

INTRODUÇÃO



Aços: possuem de 0,008 a 2,11% C. Ferro fundido: possuem teores de carbono de 2,11 < %C ≤ 6,7.

INTRODUÇÃO



O ferro é obtido pelo aquecimento, em alto forno, dos minérios de ferro, fazendo com que os óxidos se liguem ao carbono. Os principais minérios de ferro são: Hematita e Hematita e MagnetitaMagnetita.

LIGAS DE AÇO E FERRO FUNDIDO



• Vejamos o que entra e o que sai no alto forno:


Matérias primas. Calcáreo (CaCO3) Coque (fonte de calor) Minério Ar

Produtos: Gases Gusa (ferro, carbono etc) Escória (oxidação das diversas impurezas)



As principais impurezasimpurezas que a gusa contém são o silício, enxofre, fósforo e manganês.

O carbono dá ao ferro tanto mais dureza quanto maior for o seu teor, por outro lado, baixa-lhe o ponto de fusão e a maleabilidade. Aumenta também a sua tenacidade e a sua aptidão para a tempera, mas torna-o menos soldável e pouco resistente.




O silício (0.75-3.5%) endurece a fundição, torna o ferro mais macio e compacto, diminui a diminui a maleabilidade e a forjabilidademaleabilidade e a forjabilidade. O enxofre (2 a 3%) é uma das impurezas mais prejudiciais, reduz-lhe a resistência, a forjabilidade e torna-o menos soldável. Sob a forma de sulfureto de ferro é absorvido pela gusa e como sulfureto de cálcio é absorvido pela escória. Deixa o aço quebradiço.




O fósforo também torna o ferro quebradiço, diminui a sua tenacidade e aumenta a fluidezdiminui a sua tenacidade e aumenta a fluidez. É facilmente reduzido à sua forma elementar e absorvido pelo ferro, o seu teor não pode ser regulado nas condições redutoras do alto forno e aparece totalmente na gusa. O manganês aumenta a dureza e a resistênciaaumenta a dureza e a resistência, mas dificulta a maleabilidadedificulta a maleabilidade. Favorece a separação do enxofre da massa fluida.




LIGAS DE AÇO E FERRO FUNDIDOAlotropia do Ferro Puro

Temperatura Formas do Ferro

Tamb – 912ºC Ferrita (α – Fe, CCC)

912ºC – 1385ºC Austenita ( – Fe, CFC)1385ºC – 1538ºC Delta Ferrita (δ – Fe,

CCC)



LIGAS DE AÇO E FERRO FUNDIDOAlotropia do Ferro Puro

ALOTROPIA:Fenômeno que consiste em um elemento poder cristalizar-se em

diferentes formas

cristalinas.



Ferrita Máximo de carbono na liga igual a 0.02% a uma temperatura de 727°C Baixas dureza e resistência à tração (300MPa, valor estimado) Características magnéticas




Austenita não-magnética boa resistência existente acima da temperatura critica de 723°C estrutura cúbica de faces centradas percentagem de carbono variável entre 0.8% a 723°C e 2.08% a 1148°C




Perlita estrutura tetragonal de corpo centrado propriedades intermédias entre a ferrita e a cementita (700MPa , valor estimado) a perlita desenvolve-se no arrefecimento lento do aço presente nos aços recozidos (aquecimento acima da zona crítica e arrefecimento lento)




Cementita F3C máximo teor de carbono 6,67% elevadas resistência (2000MPa , valor

estimado) e dureza Baixa ductilidade




LIGAS DE AÇO E FERRO FUNDIDOFormas comerciais do aço

Para os diferentes usos industriais, o aço é encontrado no comércio na forma de vergalhões, perfilados, chapas, tubos e fios.

Vergalhões - são barras laminadas barras laminadas em diversos perfis, sem tratamento posterior à laminação.




• Formas comerciais do aço– Perfilados - São vergalhões laminados em perfis vergalhões laminados em perfis

especiaisespeciais tais como: L (cantoneira), U, T, I (duplo T), Z.



Classificação dos materiais metálicos ferrosos: Puro Gusa Fundido e suas ligas

LIGAS DE FERRO FUNDIDO



Tipos de ferro fundido (liga ternária): Fe, C e Si Ferro fundido cinzento Ferro fundido branco Ferro fundido nodular Ferro fundido maleável

LIGAS DE FERRO FUNDIDO



Microestrutura dos Ferros Fundidos (fofos) é controlada:

Pela composição química Pelo processo de fabricação

FERROS FUNDIDOS



Efeitos dos elementos de liga

• Composição química é um dos fatores mais importantes para determinar a estrutura dos fofos;

• A forma do carbono: cementita ou grafita;• Carbono, Carbono, silício, manganês, fósforo e enxofre;

FERROS FUNDIDOS



FERROS FUNDIDOS

• Carbono – é o elemento de liga básico; determina obviamente, a quantidade de grafita que pode se formar;

• Silício – É o elemento grafitizante por excelência, ou seja, favorece a decomposição do carboneto de ferro; sua presença, independentemente do teor de carbono, pode fazer o Fofo tender de fofo cinzento para branco;




FERROS FUNDIDOS

• Enxofre – nos teores normais, não tem ação significativa.




Propriedades

• Baixo custo;• Ponto de fusão mais baixo que o aço;• Boa fluidez;• Versatilidade de propriedades e aplicações.

FERROS FUNDIDOS



Alta velocidade de resfriamento

• Corresponde as seções mais finas e ao contato com as paredes dos moldes, originam-se as chamadas seções coquilhadas, em que houve pouca, ou nenhuma decomposição da cementita. Esse fato leva ao aparecimento do Fofo Branco.

FERROS FUNDIDOS



Baixas velocidades de resfriamento

• Nas seções espessas dá-se tempo suficiente para a decomposição da cementita, ocorrendo então a grafitização: um ferro fundido nessas condições apresentara fratura escura, devido a presença de carbono livre, e corresponderá ao ferro fundido cinzento, ao contrário do anterior, cuja fratura será branca pela quase total ausência de grafita.

FERROS FUNDIDOS



Resumidamente

• Os dois fatores mais importantes, sob o ponto de vista da estrutura do ferro fundido, são: o teor de silício e a velocidade de resfriamento.

FERROS FUNDIDOS



Fatores que favorecem formação da Cementita

Baixo teor de Si Resfriamento rápido Seções finas Adição de : Ti, V, Cr, Mn, Mo

FERROS FUNDIDOS



Classificação dos Fofos quanto ao tipo de liga

TIPO FOFOs C Si Mn S PBranco 1,8-3,6 0,5-1,9 0,25-0,80 0,06-0,20 0,06-

0,18Maleável 2,0-2,6 1,1-1,6 0,20-1,0 0,04-0,18 0,18

mãx.Cinzento 2,5-4,0 1,0-3,0 0,25-1,0 0,02-0,25 0,05-1,0Nodular/Dúctil

3,0-4,0 1,8-2,8 0,10-1,0 0,03 máx. 0,10 máx.

Grafita Compactada

2,5-4,0 1,0-3,0 0,20-1,00 0,01-0,03 0,01-0,10

Faixa de composição de ferros fundidos típicos comuns:

FERROS FUNDIDOS



Ferro fundido cinzentoEntre os ferros fundidos, o cinzento é o mais comum, devido às suas características como baixo custo (em geral é fabricado a partir de sucata); elevada usinabilidade, devida à presença de grafita livre em sua microestrutura; Alta fluidez na fundição, permitindo a fundição de peças com paredes finas e complexas; e facilidade de fabricação, já que não exige equipamentos complexos para controle de fusão e solidificação.


http://pt.wikipedia.org/wiki/Grafite

http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Microestrutura&action=edit&redlink=1

http://pt.wikipedia.org/wiki/Fus%C3%A3o

http://pt.wikipedia.org/wiki/Solidifica%C3%A7%C3%A3o



Ferro fundido cinzentoEste tipo de material é utilizado em larga escala pela indústria de máquinas e equipamentos, indústria automobilística, ferroviária, naval e outras. A presença de veios de grafita em sua microestrutura proporciona diversas características que tornam do ferro fundido cinzento quase que insubstituível na fabricação de carcaças de motores e bases de equipamentos.




Ferro fundido cinzentoA grafite, entrecortando a matriz metálica, absorve vibrações, facilita a usinagem e confere ao ferro fundido uma melhor estabilidade dimensional.Existem diversas classes de ferro fundido cinzento, com diferentes tipos, tamanhos e quantidades de grafite e diferentes tipos de matriz metálica (variações nos teores de perlita e ferrita). Podem ser submetidos a tratamentos térmicos para endurecimento localizado, porém, em geral, são utilizados nos estados normalizado ou recozido.


http://pt.wikipedia.org/wiki/Usinagem

http://pt.wikipedia.org/wiki/Perlita

http://pt.wikipedia.org/wiki/Ferrita

http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Tratamento_t%C3%A9rmico&action=edit&redlink=1



• É caracterizado pelos fatores que É caracterizado pelos fatores que favorecem a formação da grafitafavorecem a formação da grafita

A fratura é de cor cinzenta É barato É o mais usado É de boa resistência Mecânica (até 40

Kgf/mm2), ao desgaste e elevada dureza É de fácil usinagem e difícil soldagem É obtido pelo resfriamento lento É de fácil fusão Elevado coeficiente de amortecimento

FERRO FUNDIDO CINZENTOFERROS FUNDIDOS



Aplicações• Anéis de pistão, produtos sanitários, tampas de poços

de inspeção, tubos, conexões, carcaças de compressores, rotores, pistões hidráulicos, engrenagens, eixos de comandos de válvulas, virabrequins, etc

FERRO FUNDIDO CINZENTO

FERROS FUNDIDOS

http://www.google.com.br/imgres?imgurl=http://conexaosaneamento.com/produtos/ferro/Img_TuboK7.gif&imgrefurl=http://conexaosaneamento.com/produto-ferro-fundido.php&usg=__3JxqhX7Re1WnIGUGd-3JiaQxvNQ=&h=60&w=100&sz=4&hl=pt-BR&start=31&itbs=1&tbnid=dgATik4HW15x0M:&tbnh=49&tbnw=82&prev=/images%3Fq%3Dtubo%2Bferro%2Bfundido%26start%3D20%26hl%3Dpt-BR%26sa%3DN%26gbv%3D2%26ndsp%3D20%26tbs%3Disch:1

http://www.google.com.br/imgres?imgurl=http://www.reconditec.com.br/images/RotorHidropulper.jpg&imgrefurl=http://www.reconditec.com.br/catalog.html&usg=__00i2ovI5-6lltOUDbKRqwZZ7P4o=&h=360&w=360&sz=19&hl=pt-BR&start=32&itbs=1&tbnid=ovBo6KTE-AOX3M:&tbnh=121&tbnw=121&prev=/images%3Fq%3Drotor%2Bferro%2Bfundido%26start%3D20%26hl%3Dpt-BR%26sa%3DN%26gbv%3D2%26ndsp%3D20%26tbs%3Disch:1



Composição típica

• C 2,5-4%• Si 1-3% • Mn 0,4 -1%

Alto teor de Si melhora· Resistência à corrosão· Fluidez




Estrutura típica• Grafita lamelar

devido ao C livre na matriz de ferrita, perlita ou outra estrutura proveniente da austenita.




•Recozimento para alívio de tensões ou para facilitar a usinagem (obtendo matriz ferrítica)

•Têmpera e revenido para obtenção de martensita (maior dureza)

•Tratamentos térmicos atuam apenas na matriz obtenção de grafita em veios é irreversível

Tratamentos térmicosFERRO FUNDIDO CINZENTO

FERROS FUNDIDOS



(em kpsi)

FERROS FUNDIDOS



Ferro Fundido BrancoMenos comum que o ferro fundido cinzento, o branco é utilizado em peças em que se necessite elevada elevada resistência a abrasãoresistência a abrasão. Este tipo de ferro fundido não possui grafita não possui grafita livre em sua microestrutura. Neste caso todo o carbono todo o carbono encontra-se combinado com o ferro na forma de cementitana forma de cementita, resultando em elevada dureza e elevada resistência a abrasão. Praticamente não pode ser usinado.




Ferro Fundido BrancoA peça deve ser fundida diretamente em suas formas finais ou muito próximo delas, a fim de que possa ser usinada por processos de abrasão com pouca remoção de material. É utilizado na fabricação de equipamentos para a moagem de minérios, pás de escavadeiras e outros componentes similares.


http://pt.wikipedia.org/wiki/Abras%C3%A3o



Ferro Fundido Branco• Alta veloc. resfriamento Carbono solidifica sob a forma de cementita;

• A extrema dureza e fragilidade da cementita caracterizam este fofo;




Para condições normais de solidificação

Material Ductíl100 < HB < 240

Material Duro240 < HB < 300

Material Muito Duro300 < HB < 450

Material Hiper Duro450 < HB < 550

FERROS FUNDIDOS



PROPRIEDADES

•Grande resist. à compressão e ao desgaste (cementita)

•Extremamente frágil•Não pode ser usinado•Soldagem impossível•Baixo custo

APLICAÇÕES

•Principal aplicação é a produção de ferro fundido maleável

•Peças sujeitas a elevada compressão e atrito

•Esferas de moinhos e rolos de laminadores

•Elevada taxa de resfriamento necessária limita o tamanho das peças.

FERRO FUNDIDO BRANCOFERROS FUNDIDOS



Ferro fundido nodularO ferro fundido nodular é uma classe de ferro fundido, onde o carbono (grafita) permanece livre na matriz metálica, porém em forma esferoidal. Este formato da grafite faz com que a ductilidade seja superior, conferindo ao material características que o aproximam do aço. A presença das esferas ou nódulos de grafite mantém as características de boa usinabilidade e razoável estabilidade dimensional. Seu custo é ligeiramente maior quando comparado ao ferro fundido cinzento.




Ferro fundido nodularO ferro fundido nodular é utilizado na indústria para a confecção de peças que necessitem de maior resistência a impacto em relação aos ferros fundidos cinzentos.




CARACTERÍSTICAS•3,5 %C 4,0 ; 1,8 %Si 3,0

Carbono livre na forma esferoidal Devido

Ao tratamento feito no estado líquido

Inoculação da liga Fe-Mg-Si (+ comum)

•Em vez de flocos de C formam-se nódulos•A matriz é ferrítica (veloc. baixa) ou perlítica (veloc. moderada)

FERRO FUNDIDO DUCTIL (ou nodular, ou esferoidal)

FERROS FUNDIDOS



PROPRIEDADES•Alta resistência, tenacidade e ductilidade•Excelente usinabilidade•Possibilidade de deformação a quente•Grande resistência ao desgaste, compressão, tração, escoamento e a corrosão

•Fluidez boa•Soldabilidade melhorada•Baixo custo (superior ao ff cinzento)


FERROS FUNDIDOS



APLICAÇÕES• Válvulas, carcaça de bombas, virabrequins, engrenagens, pinhões, cilindros e outros componentes de máquinas e automóveis.


FERROS FUNDIDOS



TRATAMENTOS TÉRMICOS

•Recozimento para alívio de tensões ou para melhorar a ductilidade

•Têmpera e revenido•Tratamentos térmicos atuam apenas na matriz => obtenção de grafita em nódulos é irreversível


FERROS FUNDIDOS



FERRO FUNDIDO DUCTIL OU NODULARFERROS FUNDIDOS



Ferro fundido maleável Obtido por tratamento térmico em altas temperaturas por longos tempos (tratamento de maleabilização) a partir de um ferro fundido branco Propriedades mecânicas dos maleáveis: Ficam entre as do nodular e do cinzento com alta resistência mecânica e fluidez no estado líquido, média ductilidade (para um fofo que possui em geral muito baixa ductilidade) e resiliência, boa resistência à compressão.




DUREZA BRINELL: 300 RC: 30

A alta taxa de resfriamentonecessária para produzir inicialmentea estrutura do fofo branco restringe otamanho e a espessura das peças defofo maleável (menores de 4,5 Kg).

FERRO FUNDIDO MALEÁVELFERROS FUNDIDOS



PROPRIEDADES•Variando a taxa de resfriamento, pode obter-se um largo espectro de propriedades

•Boa resistência à corrosão•Boa usinabilidade e fluidez•Propriedades similares ao ff dúctil•Alta resistência, tenacidade e ductilidade

Tem

pera

tura

Tempo

cementite grafite

MartensitePerliteFerrite

FERRO FUNDIDO MALEÁVELFERROS FUNDIDOS



APLICAÇÕES

•Aplicação similares ao ff dúctil•Peças sujeitas a alta temperatura•Elementos de ligação•Juntas universais•Pequenas ferramentas

FERRO FUNDIDO MALEÁVEL

FERROS FUNDIDOS



Processo de maleabilização:Tratamento térmico ao qual se submete certos ferros fundidos brancos com carbono na forma primária de ferrita e cementita e que consiste num aquecimento prolongado, em condições de temperatura, tempo e meio controladas, de modo a provocar transformação de parte do carbono combinado em grafita.

FERRO FUNDIDO MALEÁVEL

FERROS FUNDIDOS



Até a próxima aula!

Bom Estudo!

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