AÇOS AO CARBONO E BAIXA LIGA
Annelise ZeemannPaulo Roberto Emygdio
TECMETAL2010
ALUMÍNIO NÍQUELCOBRETITÂNIO
LIGAS NÃO FERROSAS
FERROS FUNDIDOS
AO CARBONOsem elementos de liga estruturais ou de construção mecânica
BAIXA LIGAsomatório dos elementos de liga < 5%
ALTA LIGAsomatório dos elementos de liga > 8%RESISTENTES• à corrosão (INOXIDÁVEIS)• ao calor • ao desgaste
AÇOS
• austeníticos • ferríticos• martensíticos• duplex
METAIS E LIGAS DE APLICAÇÃO COMERCIAL
LIGAS FERROSAS
NÃO METAIS
CERÂMICOSPOLÍMEROS
COMPÓSITOS
Diagrama Fe-C mostrando o campo dos aços até 2% C
exemplo de FABRICAÇÃO DE AÇO
com redução e refino
NOS PRODUTOS SIDERÚRGICOS NÃO É O FERRO PURO QUE SE OBTEM, E SIM O FERRO COM CARBONO (POIS A REDUÇÃO É FEITA COM COQUE), ALÉM DAS IMPUREZAS QUE FICAM APRISIONADAS E DE ALGUNS OUTROS ELEMENTOS ADICIONADOS PROPOSITADAMENTE.
PRODUTOS SIDERÚRGICOS PLANOS E NÃO PLANOS
PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO MECÂNICAA QUENTEApresentam estrutura uniforme e sem tensões internas devido aos processos de recristalização em alta temperatura.
A FRIOApresentam estrutura endurecida por encruamento .
temperatura de recristalização
SEM COSTURA
MANNESMANN
COM COSTURA
CONFAB
estrutura cristalina
inclusões
linhas de deformação
precipitados coerentes
vazios
discordâncias
em 1 mm 2 existem centenas de grãos
átomo substitucional
átomo intersticialprecipitados incoerentes
precipitados em contornos de grão
CARACTERÍSTICAS MICROESTRUTURAIS
OS FATORES QUE AFETAM A MICROESTRUTURADOS MATERIAIS METÁLICOS SÃO:
• COMPOSIÇÃO QUÍMICA
• PROCESSO DE FABRICAÇÃO
• PROCESSAMENTO MECÂNICO (CONFORMAÇÃO) E TEMPERATURAS DE PROCESSAMENTO
• A QUENTE
• A FRIO
• TRATAMENTOS TÉRMICOS
• CICLOS DE AQUECIMENTO E DE RESFRIAMENTO
PROPRIEDADES
FERRITA
estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC)a (0,286nm na temperatura ambiente)Número de átomos: 2
estrutura cristalina cúbica de face centrada (CFC)a (0,356nm, valor médio)Número de átomos: 4
AUSTENITA
FERRITA
LÍQUIDO
reduzindo a temperatura T
1538C
1394C
912C
EQUILÍBRIO
LÍQUIDO
FERRITA 1538C
1394C
AUSTENITA
912C
FERRITA
TEMPERATURA
FERRO PURO
PARA O FERRO PURO PODE-SE TER IDÉIA DAS TRASFORMAÇÕES DE FASE EM FUNÇÃO DAS TEMPERATURAS CONFORME APRESENTADO AO LADO. SERIA UMA FORMA DE MOSTRAR AS FASES PARA UM ÚNICO ELEMENTO, O FERRO
fusão solidificação
transformação alotrópicaCFC CCC
transformação alotrópicaCCC CFC
EQUILÍBRIO
estrutura cúbica de face centrada (CFC Fe)a (0,356nm, valor médio)74% empacotamento / Número de átomos: 4
estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC Fe)a (0,286nm na temperatura ambiente) 68% empacotamento / Número de átomos: 2
ESTRUTURA CRISTALINA
direção mais densa [111]plano mais denso {110}
direções mais densas [110] [011] e [101]plano mais denso {111}
y
y
x
x
z
z
família
diagonais da face [101] [011] [110] paa qualquer estrutura cúbica
AÇOS AO CARBONOsem elementos de liga
São utilizados os aços ao carbono comum quando não são exigidas propriedades específicas (alta resistência, alta tenacidade, resistência à corrosão), ou seja quando se deseja um material de baixo custo para uma aplicação que não tem requisitos.
Por exemplo uma chapa de aço de baixo carbono para aplicação em uma estrutura pintada (sem requisito de resistência à corrosão atmosférica), na temperatura ambiente (sem requisitos de tenacidade), submetida a um baixo carregamento (sem requisitos de resistência mecânica). Neste caso o único requisito é de ter boa soldabilidade (pois as estruturas precisam ser fabricadas por soldagem) e isto pode ser obtido apenas controlando o teor de carbono.
BAIXO CARBONO (até ~ 0,25%) - aço “doce” tipo SAE 1020MÉDIO CARBONO (0,30 a 0,50%) - tipo SAE 1045 por exemploALTO CARBONO (até o eutetóide, pois acima da composição eutetóide o aço sem elementos de liga fica frágil) – tipo SAE 1060
AÇO AO CARBONO
Fe + CImpurezas P, SElementos desoxidantes e dessulfurantes Mn (até 1%), Si, Al, que minimizam efeitos de impurezas
AÇO BAIXA LIGA
Adição de elementos de liga (somatório até 5%) que conferem propriedades de resistência mecânica, tenacidade, ou outra (resistência ao calor, resistência àcorrosão atmosférica).Mn – aumenta um pouco a temperabilidadeCr, Ni, Mo, V – aumenta muito a temperabilidadeCr, Mo – estabiliza a estrutura a quente V, Nb, Ti – auxilia o tratamento termo-mecânicoCr, Cu – resistência à corrosão atmosférica ...
SOLUÇÃO SÓLIDA INTERSTICIAL SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONAL
Em um aço os átomos de outros elementos que não o ferro (solvente) são chamados de soluto e podem entrar em solução sólida intersticial (C, N, B, H) ou substitucional (todos os outros elementos), ou podem não entrar em solução sólida caso haja uma saturação (dependendo de sua solubilidade).
COMPOSIÇÃO QUÍMICA x SOLUBILIDADE
CARBONOModifica as fases que se formam nos aços (é um elemento gamageno, que tende a estabilizar a fase gama) e influencia o equilíbrio entre as fases e suas temperaturas de formação.
Forma SOLUÇÃO SÓLIDA INTERSTICIAL na rede de ferro e tem solubilidade diferente na ferrita (máxima de 0,023%) e na austenita (máxima de 2,11%), sendo que a solubilidade varia com a temperatura.
Quando ultrapassa o limite de solubilidade PRECIPITA na forma de carboneto de ferro conhecido como cementita (Fe3C).
EQUILÍBRIO
LÍQUIDO
FERRITA 1538C
1394C
AUSTENITA
912C
FERRITA
TEMPERATURA
FERRO
O carbono reduz a temperatura de fusão e estabiliza a fase gama, o que significa que a medida que se aumenta o teor de carbono em uma liga ferro-carbono as temperaturas de transformação se alteram aumentando o campo da austenita.
fusão solidificação
transformação alotrópicaCFC CCC
transformação alotrópicaCCC CFC
% CEQUILÍBRIO
fusão solidificação
% CFERRO
transformação alotrópicaCFC CCC
transformação alotrópicaCCC CFC
como o carbono altera as temperaturas de transformação ...
EQUILÍBRIO
LIGA Fe-C
DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO
O simples aumento do teor de carbono (em aços normalizados, por exemplo) aumenta pouco a tensão limite de escoamento ...
EFEITO DO TEOR DE CARBONO NOS AÇOS AO CARBONO COMUM (RESFRIAMENTO “LENTO”)
... mas reduz muito a tenacidade (reduzindo a energia no patamar superior e aumentando a temperatura de transição), não sendo usual projetar estruturas e equipamentos de mais alta resistência em aços de alto teor de carbono, principalmente se for um componente a ser soldado .
clivagem
microcavidades
São utilizados os aços baixa liga quando se deseja alta resistência mecânica, alta tenacidade, resistência a temperaturas moderadas (alta ou baixas) ou resistência à corrosão atmosférica.
Por exemplo uma estrutura de uma plataforma que precisa ser mais leve ou que vai operar em temperatura mais baixa,
ARBL (alta resistência e baixa liga, tipo estrutural SAR 60)TRATAMENTO TERMOMECÂNICO (microligados, tipo X80)TRATADOS TERMICAMENTE temperados e revenidos(baixo C tipo HY 80 e médio C, tipo 4140) PARA TEMPERATURAS ALTAS (Cr-Mo)PARA BAIXAS TEMPERATURAS (A 333)
AÇOS BAIXA LIGAsomatório dos elementos de liga < 5%
RESISTÊNCIA MECÂNICA E TENACIDADEmicroestrutura: composição química e processamento
REFINO DE GRÃO
FERRÍTICO-PERLÍTICOnormalizado ou laminado
0,5% C - até 50 Ksi
MARTENSÍTICOtemperado e revenido
f (%C, %EL, T) 60Ksi a 140 Ksi
4130 - 75Ksi6150
FERRÍTICObaixo C (0,15%) - até 30Ksi
FERRÍTICO-PERLÍTICOnormalizado ou laminado
0,3% C - até 45 Ksi
FERRÍTICO-PERLÍTICOtratamento termo-mecânico
0,1% C - até 80 Ksi
X-80
aumento de resistência mecânica boa tenacidade
TÊMPERA E REVENIMENTO
MECANISMOS DE ENDURECIMENTO
ENCRUAMENTO
SOLUÇÃO SÓLIDA
FORMAÇÃO DE SEGUNDAS FASES
ENDURECIMENTO POR PRECIPITAÇÃO
FORMAÇÃO DE MARTENSITA
REFINO DE GRÃO
processamento mecânico - perfis, chapas finas
TRATAMENTOS TÉRMICOSem materiais que apresentem
elementos de liga que favoreçam a temperabilidade
e/ou o endurecimentotratamentos siderúrgicos, térmicos ou
termomecânicos em materiais que apresentem elementos de liga específicos
AUMENTO DA RESISTÊNCIA EM AÇOS
ASTM A 500
menos comuns
dual phaseASTM A 182
ASTM A 517
API 5L,5CT
RecristalizaçãoTr – temperatura de recristalizaçãoTemperatura de transformação alotrópica
Transformação alotrópica
deformação a quente
deformação a frio
REFINO DE GRÃO POR TRATAMENTO TERMOMECÂNICO
Estrutura formada fora do equilíbrio, que corresponde a uma solução sólida supersaturada de carbono em ferro alfa, ocorrida durante a transformação da austenita.Estrutura tetragonal de corpo centrado em ligas Fe-C.
MARTENSITA
FORA DO EQUILÍBRIO
1000x
ferrita-perlita (dureza 200 HB) esferoidita (dureza 160 HB)
martensita (dureza 500 HB)martensita revenida(dureza 200 HB)
TRATAMENTOS TÉRMICOS
UM AÇO COM 0,5% CARBONOAO SER RESFRIADO COM DIFERENTES TAXAS DE RESFRIAMENTO (E COM OU SEM REAQUECIMENTO), PODE APRESENTAR AS MORFOLOGIAS AO LADO, ONDE CADA UMA DAS MORFOLOGIAS ÉRESPONSÁVEL POR UMA PROPRIEDADE DIFERENTE
FORA DO EQUILÍBRIO
Os ELEMENTOS DE LIGA
modificam a temperabilidade,
que é a profundidade de endurecimento,
mas a dureza da martensita é dada
pelo teor de carbono.
O gráfico mostra a influência do
teor de carbono na dureza do aço,
dependendo da estrutura formada
CURVA DE RESFRIAMENTO, OU TTT, OU C, OU S
FORA DO EQUILÍBRIO
ENSAIO JOMINY
Nem todo TRATAMENTO TÉRMICO tem a finalidade de conferir propriedades especiais. A NORMALIZAÇÃO por exemplo, que é um tratamento onde o aço é levado a temperatura de austenitização e resfriado ao ar, tem como finalidade restaurar propriedades e pode ser utilizado para refinar a estrutura, caso ela seja grosseira (fundidos).
TRATAMENTO DE TÊMPERA E REVENIMENTO
A formação de martensita em uma profundidade abaixo da superfície depende, além da temperabilidade do material, da VELOCIDADE DE RESFRIAMENTO, que é função da troca de calor no meio de resfriamento, dependente da MASSA DA PEÇA e da SEVERIDADE DO MEIO.
MARTÊMPERA AUSTÊMPERA
Os tratamentos ISOTÉRMICOS buscam minimizar problemas de tensões que ocorrem devido às transformações muito rápidas. Em geral são realizados em fornos de banho de sal.
INFLUÊNCIA DO TEOR DE CARBONO E DA TEMPERATURA DE REAQUECIMENTO (REVENIMENTO) PARA AÇOS TEMPERADOS
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