Universidade da Beira Interior - AEROUBI - Base de Dados

Aula 7

UBI Abílio Silva Dep. Electromecânica

Universidade da Beira Interior

Departamento de Engenharia Electromecânica

Curso: Engenharia Electromecânica

Engenharia Aeronáutica

Unidade Curricular: Ciência dos Materiais

Sumário:

Aplicações e Processamento

Processamento de ferro e aço. Aços carbono. Diagramas de fases

Ferro-carbono. Tratamentos térmicos.

Taxionomia dos Metais Ligas Metálicas

Steels

Ferrosas Não Ferrosas

Cast Irons Cu Al Mg Ti

<1.4wt%C 3-4.5 wt%C

Aços <1.4 % C

Ferros Fundidos 2.5-4.0 % C

Fe 3 C

cementite

1600

1400

1200

1000

800

600

400 0 1 2 3 4 5 6 6.7

L

g

austenite

g +L

g +Fe3C a

ferrite a +Fe3C

L+Fe3C

d

(Fe) wt% C

Eutectica

Eutectoide 0.78

4.30

727°C

1148°C

T(°C) microestrutura: ferrite, grafite cementite

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Produção do ferro e aço

Principais minérios de ferro:

- magnetites (±72%Fe; Fe3O4)

- hematites (±70%Fe; Fe2O3)

- limonites (±48%Fe; 2FeO3.3H2O)

- siderites

- pirites (FeS2)

Ferro é um metal maleável, tenaz, de coloração cinza prateado apresentando

propriedades magnéticas; é ferromagnético à temperatura ambiente.

Principais factores para o sucesso do ferro:

-minério abundante

-extracção fácil

-boas e variadas propriedades mecânicas

-económico


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http://pt.wikipedia.org/wiki/Imagem:Pyrite.mass.750pix.jpg

http://pt.wikipedia.org/wiki/Imagem:HematiteUSGOV.jpg

Produção do ferro e aço


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Ferro Primário

••Fontes de FerroFontes de Ferro

5mm<Pelotas<18mm 5mm<Pelotas<18mm 5mm<Sinter<50mm 5mm<Sinter<50mm 6mm< Minério <40mm granulado

6mm< Minério <40mm granulado


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6

Alto Forno


A matéria prima precisa 6 a 8 horas para alcançar o fundo do forno (cadinho) na

forma do produto final de metal fundido (gusa) e escória líquida (mistura de

óxidos não reduzidos). Estes produtos líquidos são vazados em intervalos

regulares de tempo.

Os produtos do alto forno são a gusa (que segue para o processo de refino do

aço), a escória (matéria-prima para a indústria de cimento), gases de topo e

material particulado.

Uma vez iniciada a campanha de um alto forno ele será operado continuamente

de 4 a 10 anos com paradas curtas para manutenções planeadas.

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Refinamento do aço

minério de ferro

coque cal

3CO + Fe2O3 2Fe +3CO2

C + O2 CO2

CO2 + C 2CO

CaCO3 CaO+CO2 CaO + SiO2 + Al2O3 escória

purificação

redução de minério em ferro

geração de calor

ferro fundido

Alto Forno

ar

camadas de

coque e minério

de ferro

gás

escória

revestimento

refractário


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Alto Forno

Minério

Coque

Zona

Granular

Zona

de Amolecimento

e Fusão

Zona

de Coque Ativa

Camada

em Amolecimento

e Fusão

Zona

de Combustão

Cadinho

Zona de

Gotejamento

Zona

de Coque

Estagnado


A produção do aço líquido dá-se através da oxidação

controlada das impurezas presentes no gusa (em líquido) e

na sucata.

Este processo é denominado refinamento do aço e é realizado

em uma instalação conhecida como “aciaria”.

O refinamento do aço normalmente é realizado pelos

seguintes processos:

- Aciaria a oxigênio – Conversor LD

(carga predominantemente líquida).

- Aciaria elétrica – Forno elétrico (arco) – FEA

(carga predominantemente sólida).

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Conversor


Responsável por cerca 60% (540 milhões ton/ano) da

produção de aço líquido mundial, a tecnologia continua a

ser a mais importante rota para a produção de aço,

particularmente, chapas de aço de alta qualidade.

Processo industrial teve início em 1952, quando o

oxigênio tornou-se industrialmente barato. A partir daí o

crescimento foi explosivo.

Permite elaborar uma enorme gama de de tipos de aços,

desde o baixo carbono aos média-liga.

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As seguintes operações podem ser executadas:

- Homogeneização do calor;

- Ajuste da composição;

- Ajuste da temperatura do aço;

- Desoxidação – remoção do oxigênio residual do aço e cria condições

termodinâmicas para a adição de elementos de liga (os desoxidantes mais

comuns são ferro-ligas, escolhidos em função do aço a ser fabricado (FeMn,

FeSiMn) e Alumínio.

- Desulfuração com escória sintética ou injeção de pós;

- Desfosforação

Forno de Panela


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11

É uma operação que tem como objetivo a remoção de gases residuais do aço

(hidrogênio, nitrogênio e oxigênio) e auxilia na remoção de inclusões.

Na siderurgia, a desgaseificação é processada de duas maneiras:

- Desgaseificação à vacuo

- Desgaseificação com sopro de argon

Desgaseificação


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Toda a etapa de refinamento do aço dá-se no estado líquido. Posteriormente é

necessário solidificá-lo de forma adequada.

O lingotamento do aço pode ser realizado de três formas:

DIRECTO: o aço é vazado diretamente na lingoteira;

INDIRECTO: o aço é vazado num conduto vertical penetrando na lingoteira pela

sua base;

CONTÍNUO: o aço é vazado continuamente para um molde arrefecido a água.

Lingotamento


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O lingotamento contínuo é um processo pelo qual o aço fundido é solidificado

em um produto semi-acabado, tarugo, perfis ou placas para subseqüente

laminação.

Antes da introdução do lingotamento contínuo, nos anos 50, o aço era vazado

em moldes estacionário (lingoteiras).

Lingotamento Contínuo

Exemplos de seções

possíveis no

lingotamento

contínuo (mm)


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Conformação A grande importância dos metais na tecnologia moderna deve-se, em grande parte, à

facilidade com que eles podem ser produzidos nas mais variadas formas, para atender a

diferentes usos.

Os processos de fabricação de peças a partir dos metais no estado sólido podem ser

classificados em:

- Conformação Mecânica: volume e massa são conservados;

- Remoção Metálica ou Usinagem: retira-se material para se obter a forma desejada;


Extrusão: Processo no qual um bloco de metal tem reduzida sua seção transversal pela

aplicação de pressões elevadas, forçando-o a escoar através do orifício de uma matriz.

Trefilação: Processo que consiste em puxar o metal através de uma matriz, por meio de uma

força de tração a ele aplicada na saída dessa mesma matriz.

Forjamento: Processo de transformação de metais por prensagem ou martelamento (é a mais

antiga forma de conformação existente).

Laminação: Processo de deformação plástica no qual o metal tem sua forma alterada ao

passar entre rolos e rotação. É o de maior uso em função de sua alta produtividade e precisão

dimensional. Pode ser a quente ou a frio.

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Dobramento

Forjamento

Laminação

Trefilação

Embutimento

Profundo Estiramento

Matriz

Corte

ExtrusãoExtrusão

Tipos de Conformação


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Lingotamento e Laminação


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Diagrama Ferro-Carbono (Fe-C)

• 2 pontos

importantes:

-Eutectoide (B):

g a + Fe3C

-Eutectico (A):

L g + Fe3C

Fe

3C

(ce

me

ntite

)

1600

1400

1200

1000

800

600

400 0 1 2 3 4 5 6 6.7

L

g

(austenite)

g +L

g +Fe3C

a +Fe3C

L+Fe3C

d

(Fe) Co, wt% C

1148°C

T(°C)

a 727°C = T eutectoide

A

S R

4.30

Aço EutectoideAço Eutectoide: Perlite = camadas alternadas de a e Fe3C

120 mm

g g

g g

R S

0.76

eu

tecto

ide

B

Fe3C (cementite-dura)

a (ferrite-dúctil)


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Aço Hipoeutectoide

Fe

3C

(ce

me

ntite

)

1600

1400

1200

1000

800

600

400 0 1 2 3 4 5 6 6.7

L

g

(austenite)

g +L

g + Fe3C

a + Fe3C

L+Fe3C

d

(Fe) Co , wt% C

1148°C

T(°C)

a 727°C

C0

0.7

6

ferrite proeutectoide perlite

100 mm Aço Hipoeutectoide

R S

a

w a = S /( R + S )

w Fe3

C

= (1- w a )

w perlite = w g perlite

r s

w a = s /( r + s )

w g = (1- w a )

g

g g

g a

a a

g g g g

g g

g g


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Aço Hipereutectoide

Fe

3C

(ce

me

ntite

)

1600

1400

1200

1000

800

600

400 0 1 2 3 4 5 6 6.7

L

g

(austenite)

g +L

g +Fe3C

a +Fe3C

L+Fe3C

d

(Fe) Co , wt%C

1148°C

T(°C)

a

0.7

6

Co

proeutectoide Fe3C

60 mm Aço Hipereutectoide

perlite

R S

w a = S /( R + S )

w Fe3C = (1- w a )

w perlite = w g perlite

s r

w Fe3C = r /( r + s )

w g =(1- w Fe3C )

Fe3C

g g

g g

g g g g

g g g g


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Influência de elementos de adição nos AÇOS

• Teutectoide variações: • Ceutectoide variações:

T E

ute

cto

ide

(

°C)

wt. % dos elementos

Ti

Ni

Mo Si

W

Cr

Mn

wt. % dos elementos C

eute

cto

ide

(w

t%C

)

Ni

Ti

Cr

Si Mn

W Mo


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a) Recozimento

b) Têmpera

Tratamentos Térmicos

c)

c) Têmpera +

Revenido

tempo (s) 10 10

3 10

5 10

-1

400

600

800

T(°C) Austenite (estável)

200

P

B

TE A

A

M + A

M + A

0%

50%

90%

a) b)

A – austenite

B – bainite

P - perlite

Depois duma têmpera é usual fazer-se

um revenido para aliviar os efeitos

demasiados acentuados duma

têmpera

Recozimento – arrefecimento lento

Têmpera – arrefecimento rápido

Martensite

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Recozimento: Aquecimento à TRecoz, depois arrefecimento lento

Tratamentos térmicos em Metais

Tipos de Recozimento

• Recozimento:

Efeito negativo no trabalho a frio por (recuperação/ recristalização)

• Recoz. Alívio de Tensões tensões causadas por:

-deformação plástica -arrefecimento não uniforme -transformação

de fases

• Normalização (aços): Aço com grãos grandes Depois da normalização Obtém-se grãos pequenos.

• Recoz. Total (aços): Faz alguns aços macios, Boa deformação por aquec obter g , depois arref. cont.

p/ obter perlite grossa.

• Esferoidite (aços): Faz aços muito macios, com boa maquinagem. Aquec. pouco abaixo TE & manter por

15-25 h.

Aula 7

Exemplo: Temperabilidade dos Aços

• capacidade de formar martensite

• ensaio de medida da temperabilidade (ensaio de Jominy).

• Dureza versus distância do topo do arrefecimento.

Água 24°C

provete (aquec. até g)

orifício

Teste de Dureza

Dure

za

Distância desde topo arrefecido

Aula 7

A taxa de arrefecimento varia com a posição.

Exemplo: A Dureza depende da “Posição”

D

ure

za

20

40

60

0 1 2 3

600

400

200 A M

0.1 1 10 100 1000

T(°C)

M(start)

Tempo (s)

0

0%

100%

M(finish)

Aula 7

O carbono é o elemento principal, porém contêm outros elementos, dependendo do

seu conteúdo em carbono são classificados em:

Aço baixo em carbono: Contém menos de 0.25% de carbono (peso). São mais frágeis

porém dúcteis. São utilizados em veículos, tubos, elementos estruturais e outros. Existem

os aços de alta resistência com baixa liga de carbono, contêm outros elementos até uns

10% em peso; apresentam uma maior resistência mecânica e podem ser trabalhados

facilmente.

Aço médio em carbono: Entre 0.25% e 0.6% de carbono (peso). Para melhorar suas

propriedades são tratados termicamente. São mais resistentes que os aços baixo em

carbono, porém menos dúcteis, sendo empregados em peças de engenharia que requerem

uma alta resistência mecânica e também suportar desgaste.

Aço alto em carbono: Entre 0.60% e 1.4% de carbono (peso). São os mais resistentes,

porém são os menos dúcteis. È frequente a adição de outros elementos para que formem

carbonetos, por exemplo, o carboneto de tungsténio (adição de tunsténio/ volfrâmio).

Estes carbonetos são muito duros, resultando em aços utilizados principalmente para a

fabricação de ferramentas.

Diferentes tipos de aço carbono Aula 7

Nomenclatura AISI & SAE (American Iron and Steel Institute; Society Automotive Engineering)

10xx Aços Carbono simples onde xx é a percentagem de carbono (% C)

exemplo: aço 1060 – aço carbono simples com 0.60% C

Aços de Baixa Liga – Nomenclatura Aula 7

Exercícios

1. Para se obter ferro é necessário inserir o minério de ferro no alto forno e atingir

temperaturas elevadas. Faça um esquema onde identifique os reagentes

necessários introduzir no alto-forno e os respectivos produtos.

2. O aço é um produto derivado do ferro obtido à saída do conversor. Explique

sucintamente o procedimento de purificação do ferro gusa e obtenção do aço.

3. Num diagrama Ferro carbono identifique as fases sólidas e as reacções

invariantes presentes.

4. Descreva a diferença microestrutural entre um aço com 0,2% de Carbono e

um aço de 0,9% de Carbono. Quais as consequências para as propriedades do

aço essa diferença de teor de carbono. Apresente exemplos de aplicações.

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CONSULTE OS LINKS:

http://www.eef.org.uk/uksteel/steel/about+the+industry/making+steel/diagrams/production_of_molten_steel.htm

http://www.youtube.com/watch_popup?v=K81RJQ-ko3U#t=215

http://www.youtube.com/watch?v=6xnKmt_gsLs&feature=PlayList&p=1772A48AC4706C80&index=0

http://www.metsoc.org/virtualtour/processes/steel.asp

http://www.youtube.com/watch?v=ijWwfcw0FOo&feature=PlayList&p=1772A48AC4706C80&index=12


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