mcm ii parte1

1. Parte

Diagramas de Equilbrio de Ligas

Binrias

____________________________________________Materiais para Construo Mecnica II 10/2/2009 Teoria

Faculdade de Tecnologia de Sorocaba 2 / 68

Diagrama de fases

Generalidades:

Diagramas de fases so representaes grficas das fases presentes no material, para diferentes temperaturas, presses e composies. Os diagramas de fases so construdos admitindo-se condies de equilbrio para serem utilizados pelos engenheiros e cientistas, cujos objetivos sero: compreender e prever o comportamento dos materiais. A partir dos diagramas de fases, possvel obter informaes importantes, tais como:

1. Em condies de resfriamento lento (equilbrio), as fases pre-sentes para diferentes composies e temperaturas.

2. Indica, em condies de equilbrio, a solubilidade no estado slido de um elemento (ou composto) em outro.

3. Indica a temperatura qual uma liga, resfriada em condies de equilbrio, inicia a solidificao, assim como o intervalo de temperaturas em que a solidificao ocorre.

4. Indica a temperatura qual as diferentes fases comeam a fundir.

Os diagramas de equilbrio so determinados em condies de resfriamento lento. Na maioria dos casos o equilbrio quase atingido, mas nunca completado.

Um exemplo familiar de duas fases de uma substancia pura em equilbrio, o copo de gua com cubos de gelo. Neste caso, a gua solida e gua lquida constituem duas fases distintas, que esto separadas por um limite ou fronteira de fase que a superfcie dos cubos de gelo.

Sistemas Binrios Isomorfos

Consideremos uma mistura ou liga de dois metais. Uma mistura de dois metais designada por liga binria e constitui um sistema com dois

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componentes, j que cada um dos elementos metlicos da liga considerado um componente distinto. Assim, o cobre puro constitui um sistema com um s componente, enquanto que uma liga de cobre e nquel constitui um sistema com dois componentes. Por vezes, um composto tambm considerado um componente numa liga. Por exemplo, os aos-carbono contendo principalmente ferro e carbeto de ferro so considerados sistemas com dois componentes. Em alguns sistemas metlicos binrios, os dois elementos so completamente solveis um no outro, quer no estado lquido, quer no estado slido. Nestes sistemas, existe apenas uma nica estrutura cristalina qualquer que seja a composio e, por esta razo, so designados sistemas isomorfos. Para que dois elementos tenham solubilidade total no estado slido, tm de verificar-se uma ou mais das seguintes condies, formuladas por Hume-Rothery, e conhecidas por regras de Hume-Rothery para a solubilidade no estado slido:

A estrutura cristalina dos dois elementos da soluo slida deve ser a mesma.

Os tamanhos dos tomos de cada um dos dois elementos no devem diferir mais do que 15%.

Os elementos no devem formar compostos, isto , as electronegatividades dos dois elementos no devem ser apreciavelmente diferentes.

Os elementos devem ter a mesma valncia.

Nem sempre todas as regras de Hume-Rothery so aplicveis a todos os pares de elementos que apresentam solubilidade total no estado slido. Um exemplo importante de um sistema binrio isomorfo o sistema cobre-nquel (Cu-Ni). Na fig.1.1, ser mostrado o diagrama de fases deste sistema, com a temperatura no eixo das ordenadas e a composio qumica, em porcentagem em peso ou porcentagem ponderal (% pond.), no eixo das abcissas. Este diagrama foi determinado presso atmosfrica, em resfriamento lento, ou seja em condies de equilbrio, e no se aplica a ligas resfriadas rapidamente no intervalo da temperatura de solidificao. O



diagrama de equilibrio para o sistema isomorfo formado por duas linhas principais, a linha superior chamada de linha liquidus, indicando a formao do primeiro solido e a linha inferior chamada de linha solidus, indicando o final do processo de solidificao. A regio acima da linha superior do diagrama, apresentar a fase totalmente liquida, corresponde regio de estabilidade da fase lquida, e a regio abaixo da linha inferior, designada por fase solida, representa a regio de estabilidade da fase slida. A rea entre as duas linhas representa uma regio bifsica, na qual coexistem as fases lquida e slida. Para localizar um ponto na regio monofsica do diagrama

de fases correspondente soluo slida , tem que se especificar a

temperatura e a composio da liga. Por exemplo, a temperatura 1050C e 20% Ni, especificar o ponto no diagrama de fases CuNi da fig.1.1. A esta temperatura e composio, a microestrutura da soluo slida idntica a do metal puro. Isto , utilizando o microscpio ptico, somente ser observado os limites de gro. Portanto, a liga uma soluo slida com 20% Ni em Cobre tendo resistncia mecnica e resistividade eltrica superiores as do cobre puro.



FIGURA 1.1- Diagrama de fases cobre-nquel. O cobre e o nquel tm solubilidade total no estado lquido e no estado slido. As solues slidas cobre-nquel fundem num intervalo de temperatura, em vez de

fundirem a uma determinada temperatura como, acontece no caso dos metais puros.

Na regio entre as linhas liquidus e solidus coexistem as fases lquida e slida. A quantidade de cada uma das fases presentes depende da temperatura e da composio qumica da liga. Consideremos uma liga com 53%Ni e 47%Cu a 1300C. Dado que, a 1300C, esta liga contm as fases: lquida e slida, nenhuma destas fases pode ter a composio mdia de 53% Ni e 47% Cu. A 1300C, as composies das fases lquida e slida podem ser determinadas, traando uma linha conjugada horizontal a esta temperatura entre as linhas liquidus e solidus e, em seguida, traando linhas verticais at ao eixo horizontal das composies. A 1300C, a composio da fase lquida (wL) 45%Ni e a composio da fase slida (wS) 58%Ni, conforme indicado pelos pontos de interseco das linhas verticais tracejadas com o eixo das composies. Os diagramas de equilbrio de fases de sistemas binrios em que os componentes so completamente solveis um no outro no estado slido, podem ser construdos a partir de um conjunto de curvas de resfriamento, conforme se mostra na fig. 1.2 para o sistema CuNi.



FIGURA 1.2- Construo do diagrama de equilbrio de fases CuNi, a partir de curvas de resfriamento tempo x Temperatura. (a) Curvas de resfriamento, (b) diagrama de equilbrio de fases.



As curvas de resfriamento para os metais puros apresentam, temperatura de solidificao, patamares horizontais, como aparece representado na fig. 1.2a pelos traos AB e CD para o cobre e o nquel puros. As curvas de resfriamento de solues slidas binrias apresentam variaes de declive nos pontos correspondentes s linhas liquidus e solidus, conforme se mostra na fig. 1.2a para as composies 80% Cu e 20% Ni, 50% Cu e 50% Ni e 20% Cu e 80% Ni. As variaes de declive em L1, L2 e L3 da fig. 1.2a, correspondem aos pontos L1, L2 e L3 da linha liquidus da fig. 1.2b. Do mesmo modo, as variaes de declive em S1,S2 e S3 da fig. 1.2a,correspondem aos pontos S1, S2 e S3 sobre a linha solidus da fig. 1.2b Pode ser obtido com maior preciso na construo do diagrama de fases CuNi, considerando mais curvas de resfriamento correspondentes a ligas com composies intermediarias.

REGRA DA ALAVANCA

Em qualquer regio bifsica de um diagrama de fases binrio, as porcentagens de cada uma das fases podem ser determinadas utilizando a regra da alavanca. Por exemplo, utilizando a regra da alavanca, pode ser determinadas as porcentagens ponderais das fases lquida e slida presentes numa liga com uma determinada composio e a uma determinada temperatura, na regio bifsica lquido mais slido do diagrama de fases cobre-nquel da fig. 1.1 e tambm em uma regio monofsica (100%S), calculando a frao volumtrica dos constituintes das fases analisadas.

Para deduzir as equaes correspondentes regra da alavanca, consideremos o diagrama binrio de equilbrio de fases, de dois elementos A e B que so completamente solveis um no outro, conforme se mostra na fig. 1.3. Designemos por x a composio da liga e por w0 a frao em peso de B em A na liga. Consideremos a temperatura T e tracemos, a esta temperatura, a linha conjugada entre as linhas liquidus e solidus (linha LS). A temperatura T, a liga x constituda por uma



Figura 1.3 Diagrama de equilbrio A-B de ligas binrias.

mistura de lquido, cuja frao ponderal de B wL, e de slido, cuja frao ponderal de B wS. Podem deduzir-se as equaes correspondentes `a regra da alavanca a partir de balanos mssicos. Uma das equaes para a deduo da regra da alavanca obtida a partir da soma da frao ponderal da fase lquida, XL, com a frao ponderal da fase slida, XS, soma essa que tem de ser igual a 1. Assim: XL+XS=1 XL=1 - XS Xs=1 - XL A segunda equao para a deduo da regra da alavanca obtida pelo balano mssico de B na liga como um todo e da soma de B nas duas fases. Consideremos 1 g de liga e faamos o seu balano mssico: Gramas de B na mistura bifsica = gramas de B na fase lquida + gramas de B na fase slida

( )( )

100%11 0wg = ( )( )

100%1 11

wXg + ( )( )

100%1 SS

wXg



Legenda: (1g) (1) = frao ponderal da mistura de fases

100%0w

= frao ponderal mdia de B na mistura de fases

(1g) (XL) = frao ponderal da fase lquida

100%Lw

= frao ponderal de B na fase lquida

(1g) (XS) = frao ponderal da fase slida

100%Sw

= frao ponderal de B na fase slida

Combinando: SSLL wXwXw +=0

SL XX =1

Obtem-se:

( ) SSLS wXwXw += 10

Reordenando: LLSSS wwwXwX = 0

Fraco ponderal de fase slida:

LS

LS

ww

wwX

=0

(1)

Do mesmo modo para a fase lquida:

LS

SL

ww

wwX

=0

(2)

As equaes (1) e (2) so as equaes da regra da alavanca. As equaes da regra da alavanca estabelecem que, numa mistura bifsica, para calcular a frao em peso de uma fase, devemos utilizar o segmento da linha conjugada no lado oposto da liga e que est mais afastado da fase cuja frao em peso se pretende determinar. O quociente entre esse segmento da linha conjugada a linha conjugada total d a frao em peso da fase. Assim, na Fig. 1.3, a frao em peso da fase lquida dada pelo quociente OS/LS e a frao em peso da



fase slida dada pelo quociente LO/LS. As fraes ponderais podem ser convertidas em percentagens ponderais

multiplicando por 100.

L O S

wL w0 wS

EXEMPLO DE DIAGRAMA DE EQUILIBRIO ISOMORFO

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SISTEMA EUTTICO PARA AS LIGAS BINRIAS CUJOS ELEMENTOS NO SE MISTURAM NA FASE SOLIDA.

Resfriamento da liga Euttica para o Sistema Bi-Cd (Composio da liga 39,7%Cd)

T1 (200C) 100%L ; L{39,7%Cd e 60,3%Bi}

T2(145,5C) Reao Euttica para a fase lquida L S (100%PE)

T3(100C) 100%S 100% PE

100%Bi liga 100%Cd

0 39,7 100 % Cd

100100

7,39100% xBi = 60,3%Bi

100100

7,39% xCd = 39,7%Cd

PE {39,7%Cd e 60,3%Bi}

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Resfriamento da Liga Hipoeuttica para o Sistema Cd-Bi ( Composio da liga 10%Cd)

T1 (300C) 100%L ; L{10%Cd e 90%Bi}

T2 (225C) L L + S ; L{10%Cd e 90%Bi} e S {100%Bi}

T3 (200C) L + S L{20%Cd e 80%Bi} e S {100%Bi}

100%S liga 100%L

0 10 20 %Cd

100020

1020% xS

= 50 % fase Slida

100020010% xL

= 58,6% fase Liquida

T3(145,5C) Reao Euttica para a fase lquida L S (Bi+PE)

T5(100C) 100%S Bi + PE

100%Bi liga 100%PE

0 10 39,7 %Cd

10007,39

107,39% xBi

= 75% da fase solida Bismuto (1)



10007,39

010% xPE

= 25% da fase slida produto euttico

Comparando com a liga euttica onde temos o 100%PE:

100 % PE - 39,7 %Cd - 60,3 %Bi 25%PE - x - x

Ento: 25% PE 9,9%Cd e 15,1%Bi (2)

Concluindo: Nesta fase solida foi encontrada: Somando (1) + (2)

100%S = 10%Cd + 90%Bi

Resfriamento da Liga Hipereuttica para o Sistema Cd-Bi ( Composio da liga 80%Cd)

T1 (300C) 100%L ; L{80%Cd e 20%Bi}

T2 (275C) L L + S ; L{80%Cd e 20%Bi} e S {100%Cd}

T3 (200C) L + S L{52%Cd e 48%Bi} e S {100%Cd}

100%L liga 100%S

52 80 100 %Cd



1005210080100% xL

= 41,6 % fase Liquida

100521005280% xS

= 58,6% fase Slida

T4(145,5C) Reao Euttica para a fase lquida L + S S ( PE+Cd)

T5(100C) 100%S PE + Cd

100%PE liga 100%Cd

39,7 80 100 %Cd

1007,39100

80100% xPE

= 33,2% da fase solida produto euttico

1007,391007,3980% xCd

= 66,8% da fase slida Cdmio (1)


100 % PE - 39,7 %Cd - 60,3 %Bi 33,2%PE - x - x

Ento: 33,2% PE 13,2%Cd e 20%Bi (2)

Concluindo: Nesta fase solida foi encontrada: Somando (1) + (2)

100%S = 80%Cd + 20%Bi



SISTEMA EUTTICO, CUJOS ELEMENTOS SE MISTURAM PARCIALMENTE NA FASE SLIDA

Resfriamento da liga Euttica (Composio da liga 60%Bi) T1 (200C) 100%L ; L{60%Bi e 40%Sn}

T2(138,5C) Reao Euttica para a fase lquida L S (100%PE)

T3(100C) 100%S 100% PE ( + )

100% liga 100%

11 60 98 % Bi

10011986098% xi

= 43,6%

10011981160% x

= 56,4%



Concluindo: Nesta fase solida foi encontrada: 100%S = 43,6% e 56,4%

T4(50C) 100%S 100% PE ( + )

100% liga 100%

4 60 99 % Bi

100499

6099% xi

= 41%

100499460% x

= 59% Concluindo: Nesta temperatura, a fase solida encontrada foi:

100%S = 41% e 59%

T5(Temp. Amb.) 100%S 100% PE ( + )

100% liga 100%

0 60 100 % Bi

100100

60100% xi = 40%

10010060% x= 60%

Concluindo: Nesta temperatura, a fase solida encontrada foi:

100%S = 40% e 60%



Resfriamento da liga Hipoeuttica (Composio da liga 30%Bi)

T1 (250C) 100%L ; L{30%Bi e 70%Sn}

T2 (175C) L L + S ; L{30%Bi e 70%Cd} e S {100% }

T3 (150C) L + S L{50%Cd e 50%Bi} e S {100% }

100%S liga 100%L

15 30 50 %Bi

10015503050% xS

= 57 % fase Solida

10015501530% xL

= 43% fase Lquida



T4(138,5C) Reao Euttica para a fase lquida L + S S (100% + PE)

T5(100C) 100%S + PE 100% liga 100% PE

11 30 60 % Bi

10011603060% xi

= 61,2% da fase slida (1)

10011601130% xPE

= 38,8%da fase solida PE


100 % PE - 43,6 % - 56,4 % 38,8%PE - x - x

Ento: 38,8% PE 17% e 21,8% (2)

Concluindo: Nesta temperatura, a fase solida encontrada foi: Somando (1) + (2)

100%S = 78,2% e 21,8%

T6(50C) 100%S + PE

100% liga 100% PE

4 30 60 % Bi

100460

3060% xi

= 54% da fase slida (1)

100460430% xPE

= 46%da fase solida PE


100 % PE - 41 % - 59 % 46%PE - x - x

Ento: 46% PE 18,8% e 27,2% (2)


100%S = 72,8% e 27,2%



T7(Temp. Amb.) 100%S + PE

100% liga 100% PE

0 30 60 % Bi

10060

3060% xi = 50% da fase slida (1)

1006030% xPE = 50%da fase solida PE


100 % PE - 40 % - 60 % 50%PE - x - x

Ento: 50% PE 20% e 30% (2)


100%S = 70% e 30%



Resfriamento da liga Hipereuttica (Composio da liga 75%Bi )

T1 (250C) 100%L ; L{75%Bi e 25%Sn}

T2 (200C) L L + S ; L{75%Bi e 25%Sn} e S {100% }

T3 (150C) L + S L{64%Bi e 36%Sn} e S {100% }

100%L liga 100%S

64 75 100 %Bi

1006410075100% xL

= 70 % fase Lquida

100641006475% xS

= 30% fase Solida

T4(138,5C) Reao Euttica para a fase lquida L + S S (PE+)

T5(100C) 100%S PE+



100%PE liga 100%

60 75 98 % Bi

10060987598% xPE

= 60,5% da fase slida PE

10060986075% x

= 39,5%da fase solida (1) Comparando com a liga euttica onde temos o 100%PE:

100 % PE - 43,6 % - 56,4 % 60,5%PE - x - x

Ento: 60,5% PE 26,3% e 34,2% (2)

Concluindo: Nesta temperatura a fase solida encontrada foi: Somando (1) + (2)

100%S = 26,3% e 73,7%

T6(50C) 100%S PE+ 100%PE liga 100%

60 75 99 % Bi

10060997599% xPE


10060996075% x


100 % PE - 41 % - 59 % 61,5%PE - x - x

Ento: 61,5% PE 25,2% e 36,3% (2)


100%S = 25,2% e 74,8%

T7(Temp. Amb.) 100%S PE+



100%PE liga 100%

60 75 100 % Bi

1006010075100% xPE


100601006075% x


100 % PE - 40 % - 60 % 62,5%PE - x - x

Ento: 62,5% PE 25% e 37,5% (2)


100%S = 25% e 75%



2.PARTE

AOS COMUNS

RESFRIADOS

LENTAMENTE



O SISTEMA FERRO-CARBONO

2.1 O ELEMENTO FERRO

O ferro apresenta as seguintes transformaes (Fig.2.1)

9

Figura 2.1 Mudanas de fase do ferro puro

Observa-se que o ferro slido, ao ser aquecido a partir da temperatura ambiente, muda a sua estrutura de cbica de corpo centrado (CCC) Fig. 2.2 e para cbica de face (CFC) Fig.2.3 a 911C. Continuando o aquecimento, a 1400C, o ferro muda novamente de estrutura, passando de CFC para CCC.



Figura 2.2 - Estrutura Cbica de Corpo Centrado

Figura 2.3 - Estrutura Cbica de Faces Centradas



Para se medir a densidade volumtrica da clula unitria, ou seja, a porcentagem do volume da clula que efetivamente ocupada pelos tomos, utiliza-se o fator de empacotamento (F.E.) :

F.E. = n Va / Vc

onde : n = nmero de tomos inteiros dentro da clula Va = nmero do tomo ( = 4/3 pi r3) Vc = nmero da clula (= a3 no caso de clulas cbicas).

Calculando-se o fator de empacotamento (FE) para estruturas cbicas encontra-se:

F.E CCC = 0,68 F.E CFC = 0,74 ou seja, na estrutura de corpo centrado 68% do volume ocupado por tomos, e na estrutura cbica de face centrada 74% do volume da mesma ocupado por tomos, sendo o restante vazio.

2.2. SOLUES SLIDAS DE FERRO

Quando dois metais se misturam para formar uma soluo slida, os tomos do soluto podem substituir uma frao dos tomos da matriz (soluo slida substitucional), ou se alojar nos espaos vazios da matriz (soluo slida intersticial).

Para que uma soluo slida substitucional seja formada, ser necessrio: Raio atmico deve ter uma diferena de no mximo 15%, caso contrrio

pode promover distores na rede e assim formao de nova fase. Estrutura cristalina mesma Eletronegatividade prximas Valncia mesma ou maior que a do hospedeiro



Para que uma soluo slida intersticial seja formada, ser necessrio:

Os tomos de impurezas ou os elementos de liga ocupam os espaos dos interstcios

Ocorre quando a impureza apresenta raio atmico bem menor que o hospedeiro

Como os materiais metlicos tem geralmente fator de empacotamento alto as posies intersticiais so relativamente pequenas

Geralmente, no mximo 10% de impurezas so incorporadas nos interstcios

Fe + C solubilidade mxima do C no Fe 2,05% a 1146 C (Fe CFC) O C tem raio atmico bastante pequeno se comparado com o Fe.

rC= 0,071 nm= 0,71 rFe= 0,129 nm= 1,29

O ferro apresenta vos octadricos e tetradricos em suas estruturas CCC e CFC (Fig. 2.4 e Fig.2.5).

Figura 2.4 Ferro (Ferro alfa CCC) Figura 2.5 Ferro (Ferro Gama CFC)

Para elementos de estrutura de cbica, como o ferro, as relaes entre o raio (r) do tomo que se alojaria num vo tetradrico ou octadrico e o raio (R) da matriz so apresentadas na Tabela 2.1:



Estrutura Relao rR

F.E

Octadrico Tetradrico CFC 0,414 0,225 0,74 CCC 0,154 0,291 0,68

Tabela 2.1 -Relaes entre o raio do tomo intersticial ( r ) e o raio do tomo de matrizes ( R ) com estrutura cbica.

Pela Tabela 2.1 observa-se que alm da estrutura CFC ser mais compacta que CCC, ela apresenta vos maiores. Antes de analisarmos o diagrama Fe-C, vamos comparar o tamanho do tomo de carbono com os interstcios da matriz de ferro (Tabela 2.2).

Ferro Carbono Intersticial Substitucional Temperatura C

Estrutura Raio Fe

0A

Raio do vo Octadrico

0A

Raio do vo Tetradrico

0A

15% do raio do Fe

0A

Raio do Carbono 0A

a 15 C

(grafite)

500 CCC 1,25 0,19 0,36 1,06-1,44

0,71

1000 CFC 1,29 0,53 0,29 1,10-1,48

Tabela 2.2 - Comparao entre o raio atmico do carbono e os vos da estrutura do ferro.

A anlise da Tabela 2.2 indica que : a) O carbono no forma soluo slida substitucional com o ferro . b) O raio atmico do carbono maior que o maior raio do vo octaedrico da estrutura CFC. c) O raio atmico do carbono muito maior que o maior raio do vo tetradrico da estrutura CCC do ferro ( 0 71, e 0,36 respectivamente), o que acarretar uma solubilidade quase nula do carbono no ferro (mxima de 0,02%C a 723C).

Figura 2.6 Soluo Slida Intersticial que o carbono forma com o Ferro.



2.3 DIAGRAMA FERRO - GRAFITA

A combinao do carbono e ferro, em equilbrio termodinmico, dar origem a diferentes fases para as diversas temperaturas avaliadas. Isto indicado no diagrama de equilbrio Fe-C (grafita) da Fig. 2.7. Este diagrama, construdo em escala logartmica para concentraes, indica que na temperatura ambiente os constituintes do sistema Fe-C seriam: ferrita ( ) e grafita.

Figura 2.7 Diagrama de Equilbrio F- grafita

2.4 DIAGRAMA FERRO - CEMENTITA

Na produo industrial do ao, os processos da solidificao e resfriamento so muito rpidos, para que o equilbrio termodinmico seja alcanado. Ocorre, ento, a formao de uma fase metaestvel a Fe3C (cementita ou carboneto de ferro) no lugar da grafita. Embora essa fase seja termodinamicamente metaestvel, em termos de aplicaes prticas considerada estvel, pois na temperatura ambiente, a difuso do carbono no ferro muito baixa ( Dc = 2,9 x 10 19 cm2/s), e



a transformao de cementita em grafita praticamente nula. O diagrama de fase (e no equilbrio, como erroneamente chamado) entre o ferro e a cementita mostrado na Fig. 2.8. As fases que aparecem no diagrama da Fig. 2.9 so descritas a seguir:

FERRITA () Soluo slida de carbono em ferro CCC, Fig. 2.8a, existente at a temperatura de 911C. Nesta faixa de temperatura, a solubilidade do carbono no ferro muito baixa, chegando ao mximo de 0,022% a 723C. Na temperatura ambiente, a solubilidade mxima do carbono no ferro de 0,008%. Assim, at 0,008% de carbono, o produto siderrgico seria chamado de ferro comercialmente puro.

AUSTENITA ()

Soluo slida de carbono em ferro CFC, Fig.2.8b, existindo entre as temperaturas de 911 e 1493C, e com solubilidade mxima de carbono no ferro de 2,05% a 1146C. O teor de carbono 2,05% adotado como separao terica entre os dois principais produtos siderrgicos: Aos - teores de carbono menores que 2,05% Ferros Fundidos - teores de carbono maiores que 2,05% Ferrita Austenita

Figura 8 Micoestruturas da: a) Ferrita b) austenita



Figura 2.9 Diagrama de fases Fe Fe3C campo dos aos.



FERRITA ()

Para pequenos teores de carbono, acima de 1400C, o ferro muda novamente para cbico de corpo centrado, dando origem ferrita , que uma soluo de carbono em ferro CCC, sendo estvel at 1536C, quando o ferro se liquefaz. Tendo o ferro uma estrutura CCC, a solubilidade do carbono baixa, atingindo um mximo de 0,09% a 1493C. Os nomes de ferrita e ferrita so usados para indicar a mesma soluo slida de carbono em ferro CCC, porm ocorrendo em diferentes faixas de temperatura. A solubilidade mxima de carbono na ferrita um pouco maior que na ferrita (0,09 e 0,02%, respectivamente), devido ao fato de que a ferrita ocorre em temperatura maiores, onde a agitao trmica da matriz de ferro tambm maior, favorecendo a maior dissoluo do carbono. Quando no houver referncia contrria, o termo ferrita, neste texto, subentender a ferrita

CEMENTITA ( Fe3C)

um carbeto de ferro com estrutura ortorrmbica e de alta dureza. A cementita d origem a um eutetide de extrema importncia no estudo dos aos, a perlita, que ser vista posteriormente, com mais detalhes.

2.5 PONTOS RELEVANTES DO DIAGRAMA FERRO-CEMENTITA

Existem vrias temperaturas e linhas de importncia prtica no diagrama de fase ferro-cementita.

LINHA A1 (A utilizao da letra "A" para designar estas linhas foi primeiramente utilizada pelo francs Le Chatelier, e indica a ocorrncia de uma parada (Arrt) durante a transformao.)

Indica a transformao + Fe3C.

LINHA A2



Transformao magntica do ferro CCC, ocorrendo a 769C (tambm chamada de temperatura CURIE da ferrita). Nesta temperatura o ferro muda de paramagntico para ferromagntico.

LINHA A3

Temperatura de transformao .

LINHA ACM

Temperatura de transformao Fe3C. LINHA A4

Temperatura de transformao .

LINHA LIQUIDUS

Acima desta linha, todo o ao est na forma lquida. A temperatura na qual o ao comea a solidificar abaixa com aumento do teor de carbono, partindo de um mximo a 1536C no ferro puro, at atingir 1146C na liga Fe - 4,30%C. O aspecto tecnolgico imediato que resulta desta observao que mais fcil fundir ferros fundidos do que aos, pois as temperaturas de fuso so menores.

LINHA SOLIDUS

Abaixo desta linha todo o material estar no estado slido. Na regio entre as linhas Liquidus e Solidus haver, no equilbrio, a coexistncia de fases slidas e lquidas.

2.6 EFEITOS DO RESFRIAMENTO E AQUECIMENTO NAS LINHAS DE TRANSFORMAO

No diagrama da Fig. 2.9, as transformaes limitadas pelas linhas A1, A2, ACM etc. so supostas de ocorrer no equilbrio. Nas condies industriais de processamento metalrgico, estas transformaes ocorrem fora do equilbrio termodinmico, e as linhas de transformaes para aquecimento e resfriamento apresentam-se defasadas ( Fig. 2.10). Para as condies de equilbrio utilizam-se as notaes : A1,A2 etc.



Para aquecimento, utiliza-se Ac1, Ac2 etc., pois a sigla vem do francs ( c = chauffage = aquecimento). Para o resfriamento, utiliza-se Ar1 , Ar2 etc., que vem de refroidissement.

Figura 2.10 Influncias do aqucimento e resfriamento nas linhas de Transformao

2.7 REAES INVARIANTES

Reaes invariantes so as que ocorrem com temperatura constante. As reaes invariantes encontradas no diagrama Fe-Fe3C para o campo dos aos so:

1. Reao Invariante Perittica: + L Austenita ()

Ponto Perittico: 0,3%C em 1493C. Produto Perittico: Austenita.

2. Reao Invariante Eutetide: Austenita () + Fe3C (Perlita)

Ponto Eutetide: 0,8%C em 723C. Produto Eutetide: Perlita.

Esta reao invariante ocorre a ~723 C com 0,8% C, o produto formado a perlita, que no uma fase, mas uma mistura de duas fases - ferrita e cementita - com uma estrutura lamelar caracterstica.



Figura 2.11: Resfriamento para as ligas com Carbono igual a 0,8%. Ligas Eutetides

Figura 2.12a. Cintica de formao da perlita.



Figura 2.12b: Representao da formao das lamelas da perlita

Um ao com 0,8% C chamado de eutetide. Aos com menos 0,8% C so chamados hipoeutetides (Fig. 2.13) e com mais de 0,8 % C so hipereutetides (Fig. 2.14).

Figura 2.13: Resfriamento para as ligas com Carbono inferior a 0,8%. Ligas Hipoeutetides



Figura 2.14: Resfriamento para as ligas com Carbono superior a 0,8%. Ligas Hipereutetides

Embora a perlita no seja uma fase, e sim um constituinte, possvel interpretar o diagrama de fase Ferro-Cementita de modo a prever sua ocorrncia e quantidade relativa na microestrutura. Assim, aos com menos de 0,8% C possuem ferrita e perlita em sua microestrutura; com 0,8% C, s perlita; e acima de 0,8% C, perlita e cementita. Isto, obviamente, se obtidos atravs de um resfriamento lento (dentro do forno, por exemplo). Se o resfriamento for mais rpido (em leo, em gua etc.), aparecero outras fases, metaestveis, e que no so previstas pelo diagrama Ferro-Cementita.

2.8 OBSERVAES DA MICROESTRUTRA

Para se observar as fases presentes no ao, sero necessrias realizar o polimento da amostra at que a mesma fique como espelho, seguindo-se um ataque com reagentes qumicos apropriado. Um dos reagentes qumicos mais empregados para aos carbono o NITAL, que consiste em uma mistura de 0,5 a 2% de cido ntrico em lcool etlico.



A amostra apenas polida e no atacada revela descontinuidades como trincas, poros, incluses etc. Na amostra atacada quimicamente consegue-se observar as fases e sua distribuio, o que permite avaliar aspectos estruturais de fabricao (regies afetadas pelo calor da soldagem, linhas de deformao ocorridas no forjamento) e caractersticas como segregaes etc. Possui ferrita e perlita na estrutura; a granulao da mesma fina ( gros pequenos); e ainda que o teor de carbono do ao deve ser de 0,2%. Ainda na Fig.2.15, observa-se que o ataque qumico revela o contorno de gro da ferrita, e diferencia, por colorao, a ferrita da perlita. Com o NITAL, a ferrita aparece branca e a perlita preta, que no significa que este ataque qumico tenha colorido de maneira distinta as duas fases, ou o contorno de gro da ferrita, mas sim que o reagente qumico ataca mais uma fase do que outra, produzindo diferenas de altura em relao superfcie, e com isto refletindo mais ou menos luz para a ocular do microscpio. No contorno de gro o processo semelhante: como os contornos de gro so regies mais desordenadas que as regies centrais dos mesmos, mais fcil para o cido remover os tomos do contorno, essa corroso qumica mais profunda no contorno de gro formar uma regio mais escura durante a observao no microscpio.

Deve-se notar que, com baixo aumento (100x), a perlita apresenta-se como uma massa escura homognea. Porm, utilizando-se ampliaes maiores, conseguimos notar que a mesma formada por lamelas alternadas de ferrita e cementita.

Figura 2.15 - Microestrutura de uma liga com ~o,2%C (matriz ferritica e pontos escuros de perlita).



Figura 2.16- Microestrutura de uma liga com ~o,45%C (matriz ferritica e pontos escuros de perlita)

Figura 2.17 - Microestrutura de uma liga com ~o,8%C (100% perlita).

Figura 2.18- Microestrutura de uma liga com ~o,95%C (perlita mais cementita)



2.9 DETERMINAO DA FRAO VOLUMTRICA DAS FASES

Quando um lingote de ao solidifica, observa-se pelo diagrama de fase que o mesmo sofre uma srie de transformaes, desde o estado lquido at a temperatura ambiente.

Analisando como exemplo, no resfriamento de uma liga Fe-0,25% c a partir do seu estado lquido (1600C), at a temperatura ambiente. Em duas ocasies a liga monofsica, ou seja, apresenta uma nica fase (no estado lquido e no campo austentico). Neste caso obvio que a amostra tem 100% lquido ou 100% (austenita). Existem situaes, entretanto, em que amostra se apresenta bifsica ( + L, L + , + , + P). Nestes casos podemos calcular a frao volumtrica de cada fase utilizando a regra da alavanca . Supondo que a liga apresente uma composio C0 (por ex. 0,25%C na liga Fe-C). na temperatura T1 a liga apresentar duas fases e , cujas fraes volumtricas so dadas por:

% *

% *

% %

=

=

+ =

C CC C

C CC C

0

0

100

100

100%

Desta mesma forma, para um ao hipoeutetide de composio C0, resfriado lentamente, a frao de ferrita livre (ou seja, somente os gros isolados de ferrita, sem levar em conta a ferrita presente na perlita) seria dada por:

100*8,0

1%

100*008,0*8,0

8,0%

0

0

=

=

Cou

C

L

L

e a quantidade de perlita seria dada por:



100*8,0

100*008,08,0008,0% 00 CCP

=

Assim, um ao com C0 = 0,2% apresentar aproximadamente 25% de perlita e 75% de ferrita . Um ao com 0,4% C apresentar, aproximadamente, 50% de perlita e 50% de ferrita. E um ao com 0,8 % C apresentar 100% de perlita e nenhuma ferrita.

Ento, se soubermos o teor de carbono do ao, podemos avaliar qual vai ser sua estrutura em termos de ferrita e perlita, desde que o mesmo seja resfriado lentamente. De maneira inversa, se avaliarmos atravs da microscpica seu teor de ferrita e perlita, poderemos estimar seu teor de carbono utilizando a equaes acima.

Por exemplo:

( )

%,

, %

P C

ou

C P

=

=

1000 8

0 8100

0

Assim, se microscopicamente observamos que ao tem 40% de perlita e 60% de ferrita, pela equao acima estimamos o seu teor de carbono em:

( )

CC

C

%3,0

%3,0100

408,0

0

0

=

2.10 EFEITO DA VELOCIDADE DE RESFRIAMENTO NA FRAO VOLUMTRICA DA FERRITA E PERLITA

O teor de carbono do ao carbono s pode ser avaliado em funo de suas reas de ferrita e perlita se o resfriamento for muito lento (no forno, por exemplo). Se o resfriamento for mais rpido, mesmo que a microestrutura seja ainda de



ferrita e perlita, a quantidade de ferrita ser menor que prevista pelo diagrama de fase, pois a perlita comea a se formar antes de finalizar a formao da ferrita, interrompendo o seu processo de crescimento ( Figs. 2.15;2.16; 2.17;2.18).

2.11 IMPUREZA DOS AOS

Alm dos elementos adicionados propositadamente na fabricao dos aos (elementos de liga), existem outros cuja introduo no ao decorrente do processo de fabricao. Entre eles pode-se citar: P, S, Mn, Si, Al, N, O e H. As influencias dos elementos de liga sobre o ponto eutetide e sobre o So (espaamento interlamelar) podem ser analisadas na Fig. 2.19., onde recebem as seguintes denominaes: Elementos gamagenicos: Abaixa a temperatura de A1 e diminui o teor de carbono do eutetide. Elementos alfagenicos: Aumenta a temperatura de A1 e diminui o teor de carbono do eutetide.

Fsforo O fsforo dissolve-se na ferrita, endurecendo-a, ocasionando fragilidade a frio. Isto significa baixa resistncia ao choque e baixa tenacidade, o que acentuado pelo aumento da porcentagem de carbono. Alm disto, um dos responsveis pelos fenmenos de fragilidade de revenido. Por isso o teor mximo deste elemento rigorosamente controlado nos aos e situa-se entre 0,005 e 0,1%, dependendo da qualidade desejada e da aplicao a que se destina o ao. Embora o fsforo apresente algumas vantagens, como aumento da resistncia ao desgaste e corroso, melhoria na usinabilidade dos aos de corte rpido e aumento na resistncia mecnica, seus aspectos prejudiciais nos aos predominam, sendo ele considerado como uma impureza.



Enxofre

Quando ocorre a formao de FeS, o enxofre torna os aos frgeis durante os processos de trabalho a quente. O mangans, combinado-se com o enxofre, forma o sulfeto (MnS) e elimina este problema, desde que a relao Mn/S e teor mximo de S sejam adequadamente controlados. Em aos de corte rpido adiciona-se enxofre para formar, sob efeito do trabalho a quente, incluses alongadas. Isso provoca o rompimento dos cavacos na usinagem, prolongando a vida da ferramenta de corte.

Silcio O silcio empregado durante a fabricao do ao como desoxidante. Alm disto, aumenta a resistncia da ferrita, sem sacrificar a ductilidade e a tenacidade, para porcentagens de at 1%. Na maioria dos aos, a porcentagem de silcio chega at 0,3% no mximo.

Mangans O mangans utilizado para controlar os efeitos negativos do enxofre, formando incluses de MnS, e como desoxidante. Para essas finalidades sua adio em geral menor que 1%. Para aos estruturais, teores de at 1,5% so usuais.

Alumnio um dos mais efetivos agentes desoxidantes utilizados na fabricao dos aos. Atravs da formao do nitreto de alumnio, permite o controle do tamanho de gro, porm necessrio um controle rigoroso em sua dosagem, dado que o excesso deste nitreto pode fragilizar o ao.

Estanho Sua presena se deve a chapas soldadas ou estanhadas na sucata, originando superfcies defeituosas e fragilidade no trabalho a quente. Nos aos



temperados e revenidos o estanho contribui para fragilidade de revenido. O estanho tem os mesmos efeitos prejudiciais que o fsforo.

Hidrognio Juntamente com o oxignio e nitrognio, o hidrognio contamina o ao durante sua elaborao. Causa fragilizao do ao. Pode ser eliminado atravs da desgaseificao.

Oxignio O oxignio tem elevada solubilidade no ao lquido e baixssima solubilidade no ao slido. Esta diferena de solubilidade pode conduzir precipitao de diferentes xidos durante a solidificao. Quando o CO formado durante a solidificao tem-se aos efervescentes ou semi-acalmados. Outros xidos (alumina, silicatos etc.) tero influncia como incluses no-metlicas.

Nitrognio Forma nitretos quando combinados com alumnio, vandio e cromo, conferindo ao ao uma elevada dureza e grande resistncia ao desgaste. Tambm dissolve-se na ferrita endurecendo-a e pode formar o nitreto de ferro, que tambm provoca o endurecimento por precipitao. Contribui para a ocorrncia de escoamento ntido, prejudicial para chapas para embutimento profundo.



Figura 2.19 Efeito dos elementos de liga sobre o eutetde e o espaamento inter lamelar (So).

2.12 CLASSIFICAO E SELEO DE AOS

AOS ESTRUTURAIS

Vergalhes para concreto

Os vergalhes para concreto armado so especificados segundo a norma NBR 7480, sendo designados CA xx, onde os dois algarismos representam o limite de escoamento mnimo, em Kgf/ mm2 ( ex.: CA-25, CA-50, etc.).



Pertencem duas classes: A- laminados a quente e B- encruados ( aminados a frio ou torcidos). importante notar que, enquanto os CAs da classe A quando soldados no apresentam enfraquecimento, os aos encruados podem recristalizar e sofrer transformaes, durante a soldagem, que reduzam seu limite de escoamento. Para concreto pretendido, a NBR 7482 designa os aos CO-xxx, onde os algarismos indicam o limite de ruptura em Kgf/ mm2, havendo 3 classes: A- laminados a quente, B- encruado e C- temperado. Novamente deve-se observar os possveis efeitos negativos da soldagem nas classes B e C. sempre recomendvel, entretanto, quando se deseja soldar vergalhes, obter a composio qumica do material, para verificar sua soldabilidade.

Chapas e Perfis Estruturais

Chapas e perfis so, em geral, fornecidos pelas grandes siderrgicas, ou fabricados ( no caso de perfis dobrados ou soldados) a partir de materiais desta procedncia. Perfis so especificados de acordo com as normas NBR 7007 ( aos para perfis laminados...), NBR 6109 ( cantoneiras de abas iguais) e NBR 6352 (cantoneiras de abas desiguais), entre outras. No caso de perfis e chapas laminados, as grandes siderrgicas os fornecem de diversas resistncias. importante ter-se em mente que plasticidade para conformao a frio uma propriedade que merece cuidados especiais. Sempre que se desejar ao estrutural para posteriores dobramentos, conveniente contactar o fornecedor, verificando especialmente a adequao do material operao desejada. importante especificar tambm o sentido do dobramento- longitudinal ou transversal - de vez que a anisotropia destes materiais bastante elevada, em decorrncia do prprio processo de elaborao. conveniente, em casos de dvida, conduzir-se testes. No caso de perfis fabricados(soldados ou dobrados), necessrio certificar-se da capacidade desejado, seus mtodos de inspeo, etc. Novamente, neste caso, necessrio que o projetista mantenha alerta seu bom senso. Em aplicaes de pouca importncia, onde o custo o fator dominante, no h sentido em se exigir inspeo das soldas, por exemplo.

AOS DE ALTA RESISTNCIA E BAIXA LIGA (ARBL)



A classificao de aos como de Alta resistncia e baixa liga bastante genrica e freqentemente, conduz mal entendidos. H uma superposio natural entre o conceito de aos ARBL e classificaes baseadas no emprego, isto , aos ARBL so empregados como aos estruturais, aos para embutimento, aos para tubulaes, vasos de presso, etc.

Alm disto, alguns destes aos tm sido agrupados em famlias em funo de alguma caractersticas comum, como: aos bi-fsicos (dualphase), aos de perlita-reduzida (reducerd-pearlite), aos laminados controladamente, aos spray-quenched,etc. Evidentemente, todas as classificaes ou agrupamentos so vlidos ou teis dentro de determinadas condies; importante , entretanto, no se deixar confundir pelas diversas nomenclaturas, pois assim como o prprio nome dado ao ao, elas no podem alterar suas propriedades e caractersticas. Estas decorrem, fundamentalmente, de sua composio qumica, processamento e, conseqentemente, estrutura (macro e micro), e no dependem da etiqueta que se coloca no produto. As ltimas dcadas viram grandes desenvolvimentos na tecnologia dos aos ARBL (ou HSLA, em ingls). estes desenvolvimentos foram baseados, em sua maioria, na compreenso da correlao entre propriedades e microestrutura. Historicamente, pontos notveis da evoluo destes aos, segundo Pickering, so: Inicialmente, o projeto de estruturas era baseado no limite de ruptura e o carbono era principal elemento de liga. Apesar do baixo custo, tenacidade e soldabilidade eram baixas. O advento da soldagem exigiu a reduo do teor de carbono. para manter a resistncia, o teor de mangans foi aumentado. Falhas catastrficas de estruturas soldadas levaram ao reconhecimento da importncia do controle da tenacidade. Ao mesmo tempo, os critrios de projetos passaram a dar mais importncia ao limite de escoamento. O teor de C foi reduzido ainda mais, mantendo-se o teor de Mn elevado. A importncia do tamanho de gro na resistncia e tenacidade foi reconhecida.



Aos de gro-fino (condies de AIN, por exemplo) foram desenvolvidos. As vantagens associadas as estas adies so obtidas na condio normalizada. Limites de escoamento da ordem de 300 Mpa e temperaturas de transio abaixo de 0C foram obtidos. Aumentos adicionais no limite de escoamento passaram a ser obtidos nos aos de gro-fino, atravs de endurecimento por precipitao ( Carbetos de vandio, nibio e titnio). Posteriormente, o reconhecimento da importncia do tamanho de gro na resistncia e na tenacidade levou pesquisa de meios de se obter gros cada vez mais finos. Um processo que permita obter, durante a laminao, austenita de gro fino e, eventualmente, encruada, favorece, naturalmente, a nucleao de ferrita no resfriamento e resulta em microestruturas de gro extremamente fino. Para se atingir estas condies, tratamentos termomecnicos em que deformaes significativas so realizadas a temperaturas inferiores temperatura de recristalizao do material, so necessrios. Devido baixa temperatura de recristalizao dos aos C-Mn, para estes aos isto s possvel com laminadores de alta potncia. Uma alternativa o uso de elementos microligantes, como o Nb que, dissolvido na austenita ou precipitados como carbonitretos, aumentam a temperatura de recristalizao, retardam o crescimento do gro austentico. Tais tratamentos termomecnicos permitem o aproveitamento mximo dos elementos de liga e (ou) micro liga e, corretamente empregados, conduzem a excelentes combinaes de propriedades mecnicas e tecnolgicas. Aos assim produzidos vm sendo extensivamente utilizados em diversas aplicaes, como tubulaes (oleodutos, gaseodutos) construo naval, vasos de presso, etc).

AOS PARA EMBUTIMENTO E ESTAMPAGEM

Estas operaes de conformao a frio podem variar grandemente em severidade, desde um dobramento com raio vrias vezes superior espessura da chapa at embutimentos complexos, com repuxamentos severos, como no caso diversas peas de carrocerias de automveis. Alm disto, dependendo do



acabamento desejado na pea, estrias e outros defeitos superficiais podem no ser aceitveis. Associa-se a estas operaes graus de severidade, enquanto as siderrgicas fornecem chapas em grupos de diferentes resistncias ao embutimento. Apesar de diversos testes para determinar o grau de estampabilidade serem aceitveis pelo material (Ex.: Testes de Copo: Olsen, Erichsen), bastante difcil correlacionar a severidade do teste com a severidade da operao. Em geral, a seleo pode ser baseada na experincia do projetista, seguida de testes visando determinar o material de custo mnimo capaz de aceitar a deformao do processo. Adicionalmente, o desenvolvimento de conceitos como o Diagrama Limite de Conformao vem permitindo uma anlise mais sistemtica destas operaes e uma melhor caracterizao do comportamento do material.

AOS PARA CONSTRUO MECNICA

Enquanto aos estruturais so normalmente fornecidos para atender a requisitos mecnicos ( com alguns limites de composio qumica com vistas a soldabilidade, por exemplo), aos para construo mecnica so usualmente fornecidos para atender faixas de composio qumica.

O SISTEMA ABNT

O sistema de classificao de aos empregados pela ABNT (NBR 6006) basicamente o mesmo usado pelo AISI ( American Iron and Steel Instute) e pela SAE (Society of Automotive Engineers). Nestes sistemas, os aos so divididos em grupos principais e, dentro destes grupos, em famlias de caractersticas semelhantes. Estas famlias so designadas por conjuntos de algarismos, em geral 4, da seguinte forma:

XX XX Famlia Teor de C em centsimos de

porcento (0,01%)



Assim, um ao 4340, formado da famlia 43, isto , com 1,8%Ni, 0,08%Cr, 0,25%Mo e com 40 centsimos de porcento de C, isto , 0,40%C. Alm dos algarismos, so empregadas letras na classificao, principalmente H, aps os algarismos, que indica temperabilidade assegurada e B entre dois grupos de dois algarismos que indica a presena de boro, para aumento da temperabilidade. Por exemplo, um ao 8620H um ao com resposta ao tratamento trmico mais consistente que o 8620, sendo que suas propriedades se situam na parte superior da faixa de dureza do 8620. Do mesmo modo, o ao 10B46, essencialmente um ao 1046 (ao carbono com 0,46%C) ao qual adiciona-se um mnimo de 5 ppm de boro, que melhora a temperabilidade. Nos casos dos aos inoxidveis e aos-ferramenta, os algarismos finais no representam o teor de carbono. Para aos inoxidveis (NBR 5601) da srie 3xx, a letra L aps os algarismos indica carbono extra-baixo, com melhores caractersticas de resistncia corroso. Os aos que so, comercialmente mais comuns. So exemplos tpicos : 8620, 8640, 4140, 4340, 1045, 3310, 9315, 52100, 304, 410, 420. claro que, ao projetar uma pea que requerer pequena quantidade de ao e ser fabricada com pouca freqncia, deve ser dada preferncia a um dos aos comercialmente mais comuns, pois so estes aos que se encontram, em geral, em estoque no produtor. Assim, as chances de se obter o material em curto prazo, por preo razovel, aumentaro bastante. Por outro lado, na especificao de um ao para peas a serem produzidas em srie, em grandes quantidades, conveniente selecionar o material realmente necessrio, evitando excessos (especificar aos com teores de elementos de liga superiores aos necessrios, por exemplo) que, certamente, aumentaro os custos da produo seriada. A partir de 1975, num esforo para estabelecer um sistema nico para a designao de metais e ligas, a ASTM e a SAE passaram a publicar o UNS (Unified Numbering System). Neste sistema ( ASTM E 527), um prefixo de uma letra seguido por cinco algarismos. A letra d uma indicao da famlia do metal ou liga indicado e os algarismos identificam a liga especfica.



Para os aos normalizados pela SAE, o UNS tentou manter o mesmo cdigo numrico, como mostrado na tabela 2.3.

Aos Aos de alta resistncia e baixa liga (ARBL)

Aos Ferramenta Aos rpidos Aos para trabalho a quente Aos indeformveis Aos resistentes ao choque Etc.

Aos Inoxidveis Martensticos Ferrticos Austenticos

Aos Carbono 10xx Ao Carbono 11xx Ao Carbono Ressulfurado ( corte fcil) 12xx Ao Carbono Ressulfurado e Refosforado ( corte

fcil)

Aos de Baixa Liga ( Construo Mecnica) 13xx Mn 1.75 23xx Ni 3.5 25xx Ni 5.0 31xx Ni 1.25 Cr 0.65 33xx Ni 3.50 Cr 1.55 40xx Mo 0.25 41xx Cr 0.50 ou 0.95, Mo 0.12 ou 0.20 43xx Ni 1.80, Cr 0.50 ou 0.80, Mo 0.25 46xx NI 1.55 ou 1.80, Mo 0.20 ou 0.25 47xx Ni 1.05, Cr 0.45, Mo 0.20 48xx Ni 3.50, Mo 0.20 50xx Cr 0.28 ou 0.40 51xx Cr 0.80 a 1.25 5xxx Cr 0.50 ou 1.00 ou 1.45, C 1.00 61xx Cr 0.80 ou 0.95, V 0.10 ou 0.15 min. 86xx Ni 0.55, Cr 0.50 ou 0.65, Mo 0.20 87xx Ni 0.55, Cr 0.50, Mo 0.25 92xx Mn 0.85, Si 2.00 93xx Ni 3.25, Cr 1.20, Mo 0.12 98xx Ni 1.00, Cr 0.80, Mo 0.25

Aos Inoxidveis ( Resistentes ao calor e corroso) 2xx Cr, Ni, Mn Austentico 3xx Cr, Ni Austentico 4xx Cr Ferrtico 4xx Cr Martenstico 5xx baixo cromo-resistente ao calor

Tabela 2.3 aos normalizados pela SAE



3 Parte

Ferro Fundido



FERROS FUNDIDOS

GENERALIDADES:

Introduo

Dentre as ligas ferro-carbono, os ferros fundidos constituem um grupo de ligas de importncia fundamental para indstria, no s devido as caractersticas inerentes ao prprio material, como tambm pelo fato de, mediante introduo de elementos de liga, aplicao de tratamentos trmicos adequados e pelo desenvolvimento do ferro fundido nodular, ter sido vivel ao seu emprego em aplicaes que, de certo modo, eram exclusivas dos aos. Assim sendo, o seu estudo fundamental para engenheiro mecnico e tecnlogo, ao qual se oferece mais uma opo no sentido da seleo de materiais metlicos para as diversas aplicaes industriais.

Definies

Pelo conhecimento do diagrama de equilbrio Fe-C, costuma-se definir ferro-fundido como ligas Fe-C cujo teor de carbono se situa acima de 2,05% aproximadamente. Face influncia do silcio nessa liga, sobretudo sob o ponto de vista de sua constituio estrutural, o ferro fundido normalmente considerado uma liga ternria Fe-C-Si, pois o silcio est freqentemente presente em teores superiores ao do prprio carbono. Por outro lado, em funo de sua constituio estrutural, o carbono est geralmente presente, em grande parcela, na forma livre. Ento ferro-fundido: a liga ferro-carbono-silcio, de teores de carbono geralmente acima de 2,05% em quantidade superior que ser retida em soluo slida na austenita, de modo a resultar carbono parcialmente livre, na forma de veios ou lamelas de grafita.

Componentes estruturais dos Ferros Fundidos

o mais importante a grafita em veios, cementita, Perlita, ferrita,



ledeburita: ocorre nos ferros fundidos brancos formado de pequenos glbulos de Perlita sobre um fundo de cementita.

steadita: constituinte de natureza euttica, compreendendo o Fe3P e carbeto de ferro. Ocorre quando a quantidade de fsforo presente superior a 0,15%. muito dura e frgil. Dentro da denominao geral de ferro fundido, podem ser distinguidos os

seguintes tipos de liga:

FERRO FUNDIDO BRANCO

Neste tipo de ferro fundido, o carbono apresenta na forma combinada de Fe3C, mostrando uma fratura clara. Apresenta alta dureza e alta resistncia ao desgaste e sua usinabilidade prejudicada, mesmo com os melhores materiais de corte. A composio qumica balanceada entre o C e Si alm da velocidade de resfriamento, lanando mo da coquilha ou seja derramar o metal lquido em moldes metlicos onde o metal resfria em condies tais ou com tal velocidade que praticamente toda a grafitizao eliminada e o carbono apresenta na forma combinada.

Efeito dos elementos de liga:

Nquel, Cromo, Molibdnio = aumentam a resistncia ao desgaste.

Cromo = em teores baixos corrige a composio do ferro fundido de 1 a 4% aumenta a dureza e a resistncia ao desgaste, estabilizando a cementita impedindo a formao da grafita; de 12 a 35% aumenta a resistncia a corroso e a oxidao altas temperatura aumentando a resistncia corroso.

Nquel = em teores de 4 a 5% aumenta a dureza apresentando uma microestrutura martenstica.



Molibdnio = endurece e melhora a tenacidade da matriz perltica, quando combinado com o Ni ou Cr confere matriz martenstica melhorando a resistncia abraso.

Cobre = abaixo de 4% diminui a profundidade de endurecimento.

Vandio = estabilizador do Carbeto.

Para resumir estes efeitos temos a fig. 3.1.

.



Figura 3.1 - Efeito comparativo de vrios elementos de liga que diminuem e aumentam a profundidade de coquilhamento

Diagrama Ferro-Carbono: O seu estudo realizado nas porcentagens acima de 2,05% de carbono como verificado no anexo 1 e tambm mostrado na figura Fig. 3.2.

Pela analise do diagrama acima, verificamos que em 4,3%C em 1146C, uma nova reao invariante ir ser encontrada. A reao a Euttica.

L S

Produto euttico = ledeburita Ponto euttico = 1146C com 4,3%C.

teor de carbono de 4,3% temperatura de 11460C: corresponde a liga euttica de mais baixo ponto de fuso, chamada de liga euttica.

ligas entre 2,05 e 4,3%C so chamadas de ligas hipoeutticas e acima de 4,3%C so chamadas de ligas hipereutticas.

Figura 3.2 Diagrama Fe-Fe3C acima de 2,05%C transformao para o ferro fundido Resfriamento de uma liga euttica:



Ao resfriar lentamente a liga euttica, no ponto C, a mesma se solidifica havendo austenita + Fe3C. Este Euttico conhecido por Ledeburita e constitudo de um fundo de cementita com aproximadamente 6,7%C e cristais de dendritas de austenita com 2,05%C. Continuando o resfriamento da liga, o teor de carbono da austenita diminui por acompanhar a inclinao da linha Acm. Ao atingir a temperatura de 7230 C com 0,8%C na linha A1, a austenita inicia a transformao em perlita. Abaixo de A1 a ledeburita ser constituda de um fundo de cementita com glbulos de perlita. Esta microestrutura representado na fig.3.3 .

Figura 3.3 - Aspecto microgrfico da ledeburita. Estrutura tpica de um ferro fundido euttico com 4,3%C. matriz de cementita com glbulos de cementita. Ataque pcrico com aumento de 530X

Resfriamento de uma liga hipoeuttica:

Ao resfria agora uma liga com 3,0%C, por exemplo, verificamos que acima da linha liquidus, a liga est totalmente na fase liquida. Ao atingir X1, os primeiros cristais precipitados so de austenita, cujo teor de carbono dado pela interseco da horizontal passando a partir de X1 at encontrar a linha solidus. Continuando o resfriamento ao atingir X2 a liga com 3,0%C apresenta em equilbrio duas fases a fase liquida e austenita que enriquece de carbono paulatinamente. Ao atingir a temperatura X3, esto em equilbrio a fase austentica com 2,0%C e a ledeburita com 4,3%C. Prosseguindo o resfriamento, a austenita isolada de um lado e a austenita da ledeburita de outro tero seu teor de carbono alterado para valores decrescentes, percorrendo a linha Acm at atingir A1 quando toda a austenita



inclusive a da ledeburita transforma em perlita. Da at a temperatura ambiente no haver mais transformaes, ento abaixo de 7230C a liga com 3,0%C ser constituda de cristais de perlita envolvidos por ledeburita. Sua micrografia mostrado na fig 3.4.

Figura 3.4 - Micrografia apresenta em um ferro fundido hipoeuttico. A estrutura apresenta dendritas de perlita, reas pontilhadas de ledeburita e algumas reas brancas de cementita. Ataque picral com aumento de 530X

Resfriamento de uma liga hipereuttica:

A liga estudada ser com 5,0%C, adotando o mesmo tipo de resfriamento, ter-se- entre as linhas liquidus e slidus, cristais de cementita de forma alongada, formados em primeiro lugar, e lquido, cuja composio percorre a linha liquidus , no sentido do ponto euttico. Ao atingir a temperatura de 11460C, dar-se- a solidificao total e as fases em equilibrio sero: cementita de um lado e ledeburita de outro. Entre as linhas solidus e A1, nada ocorre com a cementita, mas a austenita do euttico ter seu teor alterado percorrendo a linha Acm at atingir A1, quando ela passa a perlita. Assim abaixo de A1 a liga ser constituda de cristais alongados de cementita e um fundo de ledeburita. A microestrutura ser mostrado na fig. 3.5.



Figura 3.5 - Micrografia de um ferro fundido hipereuttico onde sua estrutura apresenta longos cristais de cementita sobre um fundo de ledeburita. Ataque pcrico com aumento de 150X.

As ligas apresentadas acima so tpicas de ferro fundido branco, pois no apresentam qualquer percentual de silcio. Tais ligas apresentam aplicaes restritas, face s propriedades desfavorveis para as aplicaes mais comuns.

FERRO FUNDIDO CINZENTO

Caractersticas: Fcil fuso e moldagem, boa resistncia mecnica, excelente usinabilidade, boa resistncia ao desgaste, etc.

Figura 3.6 Ferro fundido Cinzento. Ferrita, Perlita, grafita, steadita e incluses de sulfeto de mangans. Ataque Pcrico, 770x.

Composio:C = 2,00 - 4,00% Si = 1,00 - 3,00% Mn = 0,30 - 1,00% P = 0,10 - 1,00% S = 0,05 - 0,25%

Classificao dos ferros fundidos cinzentos: utiliza-se a tabela 3.1



NOMENCLATURA

No se faz pela composio qumica, mas sim pela resistncia ASTM A48 Classe 20, 30, ... A Classe determina a resistncia trao mnima, em 1000 psi

Classe Resist. mnima

trao (psi) (MPa)

20 20 000 138

25 25 000 172

30 30 000 207

35 35 000 241

40 40 000 276

45 45 000 310

50 50 000 344

55 55 000 380 60 60 000 414

Tabela 3.1 Nomenclatura do ferros fundidos cinzentos.

Diagramas de Equilbrio Fe-C-Si

O diagrama mostrado na fig. 3.2 de natureza metaestvel pois com o tempo pode ocorrer a decomposio da Fe3C em ferro e carbono este ltimo na forma de grafita. Esta decomposio acelerada pela presena do silcio. Por este motivo interessante conhecer o diagrama ternrio Fe-C-Si para 2,3%Si, 3,5%Si, 5,2%Si, e 7,9%Si. Os dois primeiros percentuais correspondem as ligas de maior uso prtico. Pela sua utilizao verifica-se que a maior alterao refere-se a composio do euttico, o qual diminui a medida que aumenta o teor de silcio. Ao mesmo tempo, a reao do euttico ocorre num intervalo de temperatura, ao contrrio do que acontece no diagrama Fe-C, onde tal reao ocorre a uma temperatura



constante. Sob o ponto de vista prtico a utilizao e interpretao destes fenmenos relativamente complexo.

Fatores que influenciam a estrutura do Ferro Fundido Cinzento:

So dois fatores que influenciam as microestruturas dos ferros fundidos:

1. COMPOSIO QUMICA:

Carbono: determina a quantidade de grafita a ser formada.

Silcio: elemento grafitizante, favorecendo a decomposio da Fe3C em ferro e grafita.

Mangans: efeito oposto ao silcio, estabiliza a Fe3C, contrabalanando a ao do Si; age tambm como nos aos com dessulfurante. Fsforo: estabilizador forte da Fe3C; sua principal ao na estrutura do material, porque forma com o ferro e carbono um composto de natureza euttica carboneto de ferro e fosfeto de ferro de aparncia branca e perfurada a steadita.

2. VELOCIDADE DE RESFRIAMENTO:

Esse fator relaciona a velocidade de resfriamento durante a solidificao dentro dos moldes e espessura das peas moldadas ou seja grandes sees apresentam baixas velocidades de resfriamento e sees finas velocidades rpidas. Em sees finas ou nas reas adjacentes ao molde, no h muito tempo para a decomposio da cementita de modo que, depende de outros fatores como o teor de carbono e o silcio podendo apresentar pouca ou nenhuma grafitizao tendendo a formar ferro fundido branco. Produz o que se chama de sees coquilhadas. Com as velocidades de resfriamentos lentos em sees espessas, ocorre uma aprecivel grafitizao, dependente sempre do teor do silcio. A estrutura ser



constituda de Perlita e grafita. Para resfriamento ainda mais lento e Si elevado, a cementita da Perlita poder ser parcialmente decomposta, originando em veios de grafita, Perlita e ferrita, apresentando baixa dureza e excelente usinabilidade. A velocidade de resfriamento influi tambm na forma, distribuio e tamanho dos veios de grafita. Velocidades altas produzem veios finos, com uma distribuio interdendrtica indesejvel. Velocidades mdias apresentam uma distribuio e tamanhos normais, velocidades muito lentas apresentam veios grosseiros de grafita

Propriedades dos ferros fundidos Cinzentos:

Resistncia Trao: Estas caractersticas dependem fundamentalmente da composio qumica, da velocidade de resfriamento a partir da temperatura de fuso at a temperatura ambiente. Ver tabela 3.2

Mdulo de Elasticidade: Nos ferros fundidos, no uma constante, o que significa que esses materiais no obedecem a lei de Hooke. O mdulo de elasticidade varia de 7500 a 15500 kgf/mm2, dependendo do limite de resistncia trao do material e do volume, forma e distribuio da grafita.

Dureza: Para durezas de at 500HB utiliza-se penetrador esfrico de 10mm com carga de 3000 kg e para limites superior a 500HB utiliza-se o mtodo HRC

Resistncia compresso: de 3 a 4,5 vezes superior ao da resistncia trao. Varia de 50 a 140 kgf/mm2.

Resistncia ao Desgaste: O fator principal est relacionado a presena da grafita livre que tende adicionar ao material caracteristicos lubrificantes, contribuindo para diminuir atrito entre as partes em contato e evitar o fenmeno de engripamento, o qual por sua vez, pelo calor desenvolvido, ocorrer uma soldagem localizada, arrancando partculas, tornando novamente em superfcies speras. Sob o ponto de vista de resistncia ao desgaste a matriz 100% perltica e grafita ( veios irregulares e desorientados ).



FERROS FUNDIDOS MALEVEIS:

O ferro fundido apresenta pouca ou nenhuma ductilidade, devido esta alta fragilidade, fica restrita a suas aplicaes. Como material alternativo, desenvolveu-se a partir do ferro fundido branco tratado por maleabilizao, adquiri-se ductilidade e torna-se mais tenaz, aliando-se boa resistncia trao, dureza, resistncia fadiga, resistncia ao desgaste e usinabilidade abrangendo ento importantes aplicaes industriais.

Figura 3.7 - Ferro Fundido Malevel com grafita iregular.

Processos de Maleabilizao um tratamento trmico ao qual se submetem os ferros fundidos, com carbono na forma primria de cementita e Perlita, que consiste em aquecimento prolongado, tempo e meio de modo a provocar transformao de parte ou totalidade de carbono combinado em grafita, ou eliminar completamente uma parte de carbono. Maleabilizao por descarbonetao: o aquecimento de um ferro fundido branco, em caixas fechadas, num meio oxidante constitudo de minrio de Fe; nessas condies o carbono de ferro fundido eliminado sob a forma de gs. O ciclo est representado na fig. 3.8



Figura 3.8 Representao esquemtica do ciclo de maleabilizao por descarbonetao.

A reao de descarbonetao d-se pelo CO2. De fato o oxignio aprisionado nas caixas onde so colocadas as peas a serem maleabilizadas, oxida o carbono da superfcie do metal produzindo uma mistura de CO e CO2. . O CO reage com o oxido produzindo mais CO2. A reao a seguinte: Fe2O3 + 3CO = 2 Fe + 3CO2 Este atua sobre o carbono do ferro fundido, segundo a reao C + CO2 = 2CO Com a oxidao, ocorre pois com a grafitizao; o carbono, na forma de grafita, tende a dissolver-se na austenita; contudo essa operao muito lenta.

Maleabilizao por grafitizao: Apresenta um aspecto escuro, cuja estrutura constituda de grafita em ndulos, sobre um fundo de ferrita. O ciclo est representado na fig.3.9



Figura 3.9 Representao esquemtica do ciclo de maleabilizao por grafitizao.

No primeiro estgio, so necessrias temperaturas elevadas, para acelerar as reaes de soluo, difuso e decomposio da cementita. Como a tendncia de descarbonetao das peas aumenta com a temperatura, esta no deve ultrapassar 9500C. No 20. estgio, a temperatura que depende da composio qumica do ferro fundido, deve ficar situada na faixa de 7600 - 6900 C. Nessa faixa, a austenita transforma em Perlita e esta por sua vez, pode decompor-se em grafita em ndulos e ferrita.

NOMENCLATURA

Faz-se pela ASTM A47, com 5 dgitos, correspondentes tenso de cedncia e extenso de rotura em traco

Exemplo: ASTM A47 Classe 32510 (ferro fundido malevel com tenso de cedncia mnima em traco de 32,5ksi e extenso de rotura de 10%)

Exemplo: ASTM A47 Classe 35018 (idem de 35,0ksi e extenso de rotura de 18%)

Caractersticas dos ferros fundidos maleveis A usinabilidade do ferro fundido malevel considerada a melhor. A resistncia corroso considerada muito boa, devido a camada superficial que se desenvolve durante a maleabilizao, constituda de ferrita ligada ao silcio. A



resistncia ao desgaste depende da dureza, de modo que os maleveis perliticos apresentam melhores condies de resistir ao de desgaste.

Aplicaes: A industrias mecnicas de materiais de construo, de veculos, tratores, materiais eltricos utilizam em grande escala, peas de ferro fundido malevel

FERRO FUNDIDO DCTEIS E NODULARES

Figura 3.10 Ferro fundido Nodular, grafita em ndulos regulares em matriz ferrtica.

O ferro fundido, dctil ou nodular caracteriza pela ductilidade, tenacidade e resistncia mecnica. A caracterstica mais importante o limite de escoamento, que mais elevado no ferro fundido nodular. A grafita do ferro fundido nodular apresenta-se na forma esferoidal, forma essa que no interrompe a continuidade da matriz tanto quanto a grafita em veio, resultando na sua melhor ductilidade e tenacidade. A grafita na forma esferoidal obtida pela adio de determinados elementos no metal fundido como magnsio, crio ou outros elementos de modo a produzir a forma da grafita desejada e contrabalanar os elementos prejudiciais como o antimnio, chumbo, titnio, telrio, bismuto, zircnio que interferem com o processo de nodulizao. O elemento nodulizante colocado no fundo da panela de vazamento e o metal fundido rapidamente derramado sobre a liga nodulizante.



NOMENCLATURA

Faz-se pela ASTM A536, em 5 classes: Classe 5 (60-40-18) Classe 4 (65-45-12) Classe 3 (80-55-06) Classe 2 (100-70-03) Classe 1 (120-90-02)

Os nmeros entre parentesis significam: 1 - resistncia mnima traco, em 1000psi 2 - tenso de cedncia mnima traco, 1000psi 3 - extenso de rotura em traco

MICROESTRUTURA: 3,5%C4,0 ; 1,8%Si3,0 Pequenas adioes de Mg e Ce Em vez de flocos formam-se ndulos A matriz ferrtica (veloc. baixa) ou perltica (veloc. moderada) Grafite em ndulos origina maior resistncia, ductilidade e tenacidade



ANEXOS

mcm ii parte1

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