61 3 MATERIAIS FERROSOS 3.1 Considerações

Transcrição

Materiais de Construção Mecânica
3
MATERIAIS FERROSOS
3.1
Considerações iniciais
Materiais Ferrosos
Ligas ferrosas são aquelas onde o ferro é o constituinte principal. Essas ligas são
produzidas em maior quantidade do que qualquer outro tipo de metal, e nelas estão incluídos
os aços carbono comuns, os aços-ferramentas, os aços inoxidáveis e os ferros fundidos.
O ferro não é encontrado puro na natureza. Geralmente, esse metal apresenta-se
combinado com outros elementos formando vários compostos, como a hematita (Fe2O3),
magnetita (Fe3O4), limonita (FeO[OH]), siderita (FeCO3), pirita (FeS2) e limenita (FeTiO3),
sendo os mais importantes os dois primeiros. Esses compostos recebem o nome de minério de
ferro, e são extraídos do subsolo (Figura 1-a) ou encontrados expostos formando verdadeiras
montanhas.
Resumidamente, o ferro é obtido dos seus minérios da seguinte forma:
− Para retirar as impurezas, do minério, este é lavado, fragmentado em pedaços menores
(triturado) e, em seguida, transportados para a usina siderúrgica1.
− Na usina siderúrgica, o minério é derretido em um forno especial que recebe a denominação
de alto forno (Figura 1-c), no qual, já bastante aquecido, o minério é depositado em
camadas sucessivas, intercaladas com coque2 e fundente3.
− Estando o alto forno carregado, injeta-se ar em seu interior por meio de um dispositivo
especial (Figura 1-d). O ar injetado ajuda a queima do carvão coque, que ao atingir altas
temperaturas derrete o minério.
− O ferro derretido deposita-se no fundo do alto forno, e a este ferro dá-se o nome de ferro
gusa ou simplesmente gusa ou ferro de primeira fusão (Figura 1-e); as impurezas ou
escórias, por serem mais leves que o ferro gusa, flutua sobre este.
− Posteriormente, através de duas aberturas especiais, localizadas em alturas diferentes, retirase a escória e, em seguida, o ferro-gusa que é despejado em panelas chamadas cadinhos
(Figura 1-f).
1
Siderurgia: ramo da metalurgia que se dedica à fabricação e tratamento do aço. A metalurgia é o conjunto de
técnicas que o homem desenvolveu com o decorrer do tempo que lhe permitiu extrair e manipular metais e gerar
ligas metálicas.
2
Coque: tipo de combustível obtido pelo processo de “coqueificação”; esse processo consiste, em princípio, no
aquecimento a altas temperaturas, em câmaras hermeticamente (exceto para saída de gases) fechadas, do carvão
mineral.
3
Fundentes: substâncias que são misturadas com o minério e o combustível, que funde e dissolve as impurezas
ou combina-se com elas no forno, formando um composto fusível à temperatura de trabalho.
UFPA – ITEC – Faculdade de Engenharia Mecânica
Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes
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Materiais Ferrosos
− O ferro-gusa derretido é transportado no cadinho e despejado em formas denominadas
lingoteiras. Uma vez solidificado e resfriado, o ferro-gusa é retirado da lingoteira,
recebendo o nome de lingote de ferro gusa (Figura 1-g).
− Os lingotes são armazenados para receberem novos tratamentos, pois nesta forma o ferro é
usado apenas na confecção de peças que não passarão por processos de usinagem.
− A etapa seguinte do processo é o refino. O ferro gusa é levado para a aciaria, ainda em
estado líquido, para ser transformado em aço, mediante queima de impurezas e adições. O
refino do aço se faz em fornos a oxigênio ou elétricos.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
Figura 1- Esquema ilustrativo da produção de ferro-gusa (Adaptada de SENAI, 1996).
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Materiais Ferrosos
O amplo uso das ligas à base de ferro deve-se a três fatores principais (CALLISTER,
2002):
− Os compostos que contém ferro ainda existem em grande quantidade no interior da crosta
terrestre;
− O ferro metálico e as ligas de aço podem ser produzidos usando-se técnicas de extração,
beneficiamento, formação de ligas e fabricação relativamente econômicas;
− As ligas ferrosas são extremamente versáteis, no sentido de que elas podem ser adaptadas
para possuir uma ampla variedade de propriedades mecânicas e físicas.
A grande desvantagem de muitas ligas ferrosas é o fato de apresentarem suscetibilidade
à corrosão.
As ligas ferrosas podem ser divididas em dois grupos principais: os aços e os ferros
fundidos.
A Figura 3.2 mostra um esquema classificatório para as várias ligas ferrosas.
3.2
Aços
Uma definição mais geral do aço é aquela que trata esse material como liga ferro-
carbono de baixo teor de carbono, contendo ainda impurezas e, em determinados casos, outros
elementos adicionados como liga (PEDRAZA et al., 1979).
Outra definição coloca os aços como ligas ferro-carbono que podem conter
concentrações apreciáveis de outros elementos de liga (CALLISTER, 2002). Em função
disso, visando uma definição melhor, podem ser considerados dois tipos fundamentais de aço:
os aços-carbono comuns e os aços-liga.
Os aços-carbono comuns contêm, geralmente, 0,008% até aproximadamente 2,11% em
peso de carbono, além de pequenas concentrações de certos elementos residuais resultantes
dos processos de fabricação. A concentração de 0,008% em peso corresponde à máxima
solubilidade do carbono no ferro à temperatura ambiente, e a concentração de 2,11% em peso
corresponde à máxima quantidade de carbono que se dissolve no ferro, e ocorre a 1148ºC.
Os aços-liga contêm, além do ferro e do carbono, outros elementos de liga ou
apresentam elementos residuais em teores acima dos que são considerados normais; ou seja,
mais elementos de liga são adicionados intencionalmente ao aço, em concentrações
específicas.
O limite superior de 2,11% em peso (normalmente aproximado para 2,0%) é alterado
pela presença de elementos de liga ou de elementos residuais em teores superiores aos
observados nos aços-carbono comuns.
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Materiais Ferrosos
Figura 3.2 – Um esquema de classificação para ligas ferrosas (CALLISTER, 2002).
3.2.1 Considerações sobre o Diagrama de equilíbrio Fe-C
Para o conhecimento adequado das ligas ferro-carbono é imprescindível o estudo do
diagrama de equilíbrio dessas ligas.
A Figura 3.3 mostra o diagrama da liga binária Fe-C, para teores de carbono até 6,67%.
Este diagrama é geralmente apresentado somente até o teor de 6,67% de carbono por
dois motivos. O primeiro, é que este elemento forma com o ferro o composto Fe3C que
contém 6,67% de carbono e que é um constituinte de grande importância nas ligas ferrocarbono. O segundo motivo é o fato de pouco ou nada se conhecer dessas ligas acima desse
teor.
Como a extremidade direita do diagrama Fe-C corresponde a 6,67% de carbono, que é a
composição do carboneto de ferro Fe3C, este diagrama é, de fato, um diagrama Fe-Fe3C.
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Materiais Ferrosos
Figura 3.3 – Diagrama Fe-Fe3C (ASKELAND & PHULÉ, 2003).
Na verdade, não se trata a rigor de um diagrama de equilíbrio estável, pois se assim
fosse não deveria ocorrer qualquer mudança de fase com o tempo. Verificou-se, entretanto,
que mesmo em ligas Fe-C relativamente puras (isto é, com baixos teores de elementos
residuais), mantidas durante anos a temperaturas elevadas (da ordem de 700ºC), o Fe3C pode
se decompor em ferro e carbono, este último na forma de grafita (CHIAVERINI, 2002).
Rigorosamente, portanto, o diagrama mostrado na Figura 3.3 deve ser considerado de
equilíbrio metaestável, uma vez que, sendo a grafita mais estável que o carboneto de ferro
(Fe3C), o diagrama estável será descrito pelo diagrama ferro-grafita.
No caso dos aços, no entanto, é o carboneto de ferro que se forma ordinariamente e, por
essa razão, é o diagrama Fe-Fe3C que se utiliza para prever as mudanças de fase nas ligas FeC submetidas a variações de temperatura.
O diagrama Fe-Fe3C corresponde apenas à liga binária Fe-C; entretanto, os aços
comerciais não são ligas binárias, pois também contêm elementos residuais oriundos dos
processos de fabricação, tais como fósforo, enxofre, silício e manganês, que em teores
normais pouco afetam o diagrama.
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3.2.1.1 Fases presentes no diagrama Fe-Fe3C
Observa-se no diagrama a existência de quatro fases: as soluções sólidas α, γ e δ e o
composto intermetálico Fe3C. Essas fases serão estudadas a seguir.
a) Fase α
Denominada ferrita, esta fase é uma solução sólida intersticial de carbono em ferro α,
apresentando, portanto, estrutura CCC.
A solubilidade do carbono na ferrita é muito baixa, pois apenas alguns átomos de
carbono poderão ocupar os sítios da estrutura CCC do ferro.
A Figura 3.4 mostra as dimensões relativas dos átomos de carbono e dos sítios
intersticiais tetraédricos do ferro CCC. O átomo de carbono tem um raio aparente de 0,0710
nm, enquanto que o raio do interstício para acomodá-lo é de apenas 0,0361 nm4; a presença de
um átomo de carbono na rede da ferrita, portanto, implica em forte deformação na estrutura.
Figura 3.4 – Dimensões do sítio intersticial tetraédrico e do átomo de carbono na estrutura da
ferrita.
O resultado global é que a rede, na vizinhança do átomo intersticial, estará tão
intensamente deformada que a introdução de outro átomo de carbono somente será possível a
uma longa distância do primeiro. Isto resulta na solubilidade extremamente baixa do carbono
na ferrita, a saber:
- Solubilidade de 0,008% em peso a temperatura ambiente, ou seja, um átomo de carbono
para 108 átomos de ferro, aproximadamente; o que é equivalente a uma separação média de
cerca de 100 átomos de ferro entre átomos intersticiais.
4
Valores calculados a partir das considerações de ASKELAND & PHULÉ, 2003
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Materiais Ferrosos
- Solubilidade de 0,0218% em peso (solubilidade máxima) a temperatura de 727ºC, ou seja,
cerca de um átomo de carbono para 103 átomos de ferro; o que é equivalente a uma
separação média de 10 átomos de ferro entre átomos intersticiais.
Em função dessa baixa solubilidade de carbono, a ferrita é a mais macia e dúctil das
fases mostradas no diagrama Fe-C. À temperatura ambiente apresenta limite de resistência na
ordem de 340 MPa (35 kgf/mm2), alongamento de 70% e dureza Brinell entre 50 e 100. É
ferromagnética a temperaturas inferiores a 760ºC.
b) Fase γ
Denominada austenita, esta fase é uma solução sólida intersticial de carbono em ferro γ,
em que os átomos de carbono ocupam sítios octaédricos da rede do ferro com estrutura CFC.
A Figura 3.5 mostra as dimensões relativas dos átomos de carbono e dos sítios
intersticiais do ferro γ.
x
x
x
0,3571 nm
x
x → Sítios tetraédricos (raio intersticial = 0,0522 nm)
Figura 3.5 – Dimensões do sítio intersticial tetraédrico na estrutura da austenita.
Os sítios intersticiais do ferro γ são maiores que os da ferrita; em conseqüência, a
solubilidade do carbono será muito mais elevada na austenita do que na ferrita. Mesmo assim,
o espaço vazio em cada sítio é insuficiente para acomodar o soluto sem que haja deformação
da rede. Isto limita a solubilidade a um máximo de apenas 2,11% em peso de carbono ou
8,7% em átomo, na temperatura de 1146ºC.
Como a solubilidade de carbono na austenita é bem maior do que na ferrita, as suas
propriedades mecânicas, que dependem do teor de carbono, terão uma maior variação. Esta
fase é geralmente macia e dúctil, embora menos que a ferrita; é tenaz, tem limite de
resistência entre 686 e 980 MPa (70 a 100 kgf/mm2) e é não-magnética.
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Materiais Ferrosos
c) Fase δ
Às vezes chamada ferrita-δ, esta fase é semelhante à fase α.
A solubilidade do carbono na mesma é pequena, mas consideravelmente maior que na
fase α, devido à temperatura elevada, e atinge 0,10% em peso de carbono a 1492ºC.
d) Carboneto de ferro (Fe3C)
Denominada cementita, essa fase é um composto intermetálico.
A composição da cementita corresponde à fórmula Fe3C, pois o reticulado cristalino
contém átomos de ferro e de carbono na proporção de 3 para 1.
Apresenta uma estrutura cristalina ortorrômbica com doze átomos de ferro e quatro
átomos de carbono por célula unitária5, o que corresponde a um teor de carbono de 6,67% em
peso. Os parâmetros da célula unitária são: a = 0,4514 nm; b = 0,5080 nm e c = 0,6734 nm.
A Figura 3.6 mostra o arranjo espacial dessa fase.
Figura 3.6 – Estrutura ortorrômbica da cementita; as esferas vermelhas representam os átomos
de ferro, e as esferas amarelas os átomos de carbono (PUKASIEWICZ, 2003).
Cada átomo de carbono está envolvido por seis átomos de ferro posicionados nos
vértices de um prisma triangular levemente distorcido; a distância entre os átomos de ferro e
de carbono varia de 0,1970 a 0,2060 nm.
A cementita é uma fase extremamente dura (aproximadamente 650 HB), frágil, e tem
um limite de resistência superior a 1960 MPa (cerca de 200 kgf/mm2); além disso, é
ferromagnética em temperaturas abaixo de 210ºC.
5
Esta estrutura é equivalente a um átomo de carbono envolvido por seis átomos de ferro posicionados
nos vértices de um prisma triangular levemente distorcido.
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Materiais Ferrosos
3.2.1.1 Reações invariantes no diagrama Fe-Fe3C
Observa-se no diagrama a existência de três reações invariantes: uma reação eutetóide,
uma peritética e uma eutética. As duas primeiras ocorrem na região do diagrama
correspondente aos aços, e a terceira encontra-se na região dos ferros fundidos, e será melhor
analisada somente quando do estudo dessas ligas.
a) A reação eutetóide
No diagrama Fe-C, o ponto que divide os aços e os ferros fundidos é o teor de 2,11%C,
correspondente à composição máxima da austenita. Na região do diagrama correspondente
aos aços, observam-se as seguintes linhas de transformação:
• Linha A3 - representa as temperaturas nas quais a ferrita começa a se formar no
resfriamento;
• Linha Acm - corresponde às temperaturas nas quais a cementita começa a se formar no
resfriamento;
• Linha A1 - representa a temperatura eutetóide, na qual ocorre a formação da perlita.
• Linha A4 - representa as temperaturas nas quais a austenita começa a se formar no
resfriamento.
A temperatura eutetóide para as ligas ferro-carbono é 727ºC, e a composição eutetóide
corresponde a 0,77% em peso de carbono (~ 0,80%C), conforme indica a Figura 3.7.
Figura 3.7 – Região eutetóide do diagrama Fe3C e microestrutura esquemática do aço
eutetóide (Adaptada de CALLISTER, 2002).
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Materiais Ferrosos
A reação eutetóide do sistema Fe-C envolve a formação simultânea de ferrita e
cementita a partir da austenita com composição eutetóide, conforme ilustra a Figura 3.8.
γ0,77%C
resfriamento
α0,025%C + Fe3C6,67%C
Figura 3.8 – Mostra a reação eutetóide, bem como o esquema de transformação da austenita
(Adaptada de CALLISTER, 2002).
Como se formam simultaneamente, a ferrita e a cementita estão intimamente
misturadas. Essa mistura é caracteristicamente lamelar e a microestrutura resultante é
denominada perlita, a qual é muito importante na tecnologia do ferro e do aço, pois pode ser
formada em quase todos os aços por meio de tratamentos térmicos adequados.
A microestrutura da perlita consiste de uma matriz de ferrita em que se encontram
regularmente distribuídas placas de cementita, conforme pode ser visto na Figura 3.9. O
arranjo dessas fases em condições próximas ao equilíbrio apresenta proporções definidas:
87,5% de ferrita e 12,5% de cementita.
Figura 3.9 - Perlita com aumento de 1500 x. Mistura lamelar de ferrita (matriz clara) e
cementita (mais escura) (Adaptada de VAN VLACK, 1970).
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Materiais Ferrosos
A perlita, portanto, não é uma fase, mas uma mistura específica de duas fases, formada
pela transformação da austenita de composição eutetóide em ferrita e cementita. É, contudo,
um constituinte, pois apresenta um aspecto característico ao microscópio e pode ser
distinguida claramente em uma estrutura composta de vários constituintes.
Essa distinção é importante, pois pode se obter a formação de ferrita e cementita
também por outras reações; entretanto, a microestrutura resultante não será lamelar e,
conseqüentemente, as propriedades do material serão diferentes.
Como a perlita resulta da austenita de composição eutetóide, a quantidade presente da
mesma é igual à da austenita eutetóide transformada.
As propriedades mecânicas da perlita são intermediárias entre a ferrita (mole e dúctil) e
a cementita (dura e frágil).
Com relação à reação eutetóide, os aços resfriados lentamente podem ser divididos em
três categorias:
• Aços hipoeutetóides – contendo < 0,80%C;
• Aços eutetóide – contendo 0,80%C;
• Aços hipereutetóide – contendo > 0,80%C
Aços eutetóides
Nesses aços, após a formação da austenita, uma única reação se passará no estado
sólido: a transformação eutetóide da austenita em perlita. Assim, quando resfriado lentamente,
um aço contendo aproximadamente 0,80%C apresentará à temperatura ambiente uma
estrutura inteiramente perlítica (Figura 3.7).
A Figura 3.10 mostra a microestrutura de um aço eutetóide.
Figura 3.10 – Microestruturas contendo somente perlita (PUKASIEWICZ, 2003).
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Materiais Ferrosos
Aços hipoeutetóides
No caso dos aços hipoeutetóides, a evolução estrutural está ilustrada na Figura 3.11.
Figura 3.11 – Representação esquemática das mudanças microestruturais durante o
resfriamento lento de um aço hipoeutetóide (CALLISTER, 2002).
No ponto c o aço apresenta uma única fase, a austenita. Durante o resfriamento lento, a
sua transformação se inicia quanto é atingida a linha solidus OM (linha A3) em que começa a
precipitação de ferrita. Nesse caso, quando a liga atinge a temperatura eutetóide (Te = 727ºC),
correspondente ao ponto e, estará formada pela mistura de duas fases: a austenita e a ferrita.
Os grãos de austenita, contendo agora cerca de 0,80%C, estarão envolvidos pelos grãos
de ferrita produzidos ao longo do resfriamento (ferrita pró-eutetóide). A austenita sofrerá,
então, a decomposição eutetóide, transformando-se em perlita, enquanto a ferrita já presente
não sofrerá modificação (ponto f).
O resfriamento subseqüente até a temperatura ambiente não produzirá mudanças
visíveis na microestrutura (a única mudança ocorrerá na composição da ferrita).
O aço hipoeutetóide apresentará à temperatura ambiente uma estrutura composta de dois
constituintes: grãos de ferrita (mais clara) e nódulos de perlita (mais escura) (Figura 3.12).
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Materiais Ferrosos
(a)
(b)
Figura 3.12 – Microestrutura de vários aços hipoeutetóides: (a) ~ 0,20%C e (b) ~ 0,45%C
(PUKASIEWICZ, 2003).
Aços hipereutetóides
Durante o resfriamento lento de um aço hipereutetóide ocorrerá a precipitação de
cementita previamente à reação perlítica (cementita pró-eutetóide), conforme está ilustrado na
Figura 3.13.
No ponto g a liga se apresenta no estado austenítico. Quando se atinge o a temperatura
solvus começa a precipitação de cementita, que se desenvolve até a temperatura eutetóide.
Quando essa temperatura é atingida, a liga é composta da mistura de austenita, com
aproximadamente 0,80%C, e cementita. Ocorre então a decomposição eutetóide da austenita
em perlita.
A microestrutura do aço hipereutetóide lentamente resfriado consistirá, assim, à
temperatura ambiente, de dois constituintes: cementita e perlita.
Devido à pequena quantidade de cementita presente nesses aços, a microestrutura
mostra um aspecto característico, onde cada região perlítica está envolvida por uma fina rede
de cementita.
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Materiais Ferrosos
Figura 3.13 – Representação esquemática das mudanças microestruturais durante o
resfriamento lento de um aço hipereutetóide (CALLISTER, 2002).
b)
A reação peritética
A transformação peritética, que concerne a solidificação dos aços contendo até 0,54%C
e que ocorre a temperatura de 1492°C, está mostrada na Figura 3.14.
O diagrama destaca que no resfriamento desses aços, a 1492°C, ocorre uma reação
isotérmica onde a fase δ já solidificada, contendo 0,10%C, se combina com o líquido
remanescente, contendo 0,54%C, para produzir austenita com 0,18%C. No aquecimento
ocorre a reação inversa.
A reação peritética corresponde, assim, à transformação:
L0,54%C + δ0,10%C
resfriamento
1492°C
γ0,18%C
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Materiais Ferrosos
Figura 3.14 – Região peritética do diagrama Fe-Fe3C.
c)
A reação eutética
No ponto eutético, o líquido com 4,3%C transforma-se em austenita (γ) com 2,08%C e
no composto intermetálico Fe3C (cementita), que contém 6,67%C. A reação eutética ocorre a
1148°C e pode ser escrita sob a forma:
L4,3%C
resfriamento
1149°C
γ2,08%C +
Fe3C6,67%C
Essa transformação ocorre na área do diagrama Fe-Fe3C correspondente aos ferros
fundidos; portanto, mais detalhes sobre ela serão vistos quando do estudo desses materiais.
3.2.2 Distribuição dos elementos de liga nos aços
Os elementos de liga modificam as propriedades dos aços por meio de alterações que
introduzem na sua estrutura.
Para se compreender tais modificações é preciso conhecer a forma segundo a qual cada
elemento adicionado vai se apresentar: se vai entrar em solução sólida com o ferro, ou se
dissolver na cementita, ou formar um composto intermetálico com o ferro, ou formar óxido ou
outra inclusão não-metálica.
É importante observar que, embora um elemento não se localize nunca em um único
constituinte, cada elemento manifesta, em geral, uma preferência marcada por um
determinado constituinte.
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Materiais Ferrosos
Observa-se ainda, que a repartição precisa dos elementos, em um caso concreto,
depende da concentração de outros elementos e da história do material. Como resultado, o
problema que se coloca é o de prever as tendências gerais de repartição dos elementos.
A Tabela 3.1 descreve essas tendências em alguns casos importantes (BAIN &
PAXTON, 1961).
Tabela 3.1 – Tendências gerais de distribuição dos elementos nos aços
Em solução
Combinado em
Em inclusões
Elemento
sólida na ferrita
carbonetos
não-metálicas
Ni
Ni
Em compostos
intermetálicos
Ni3Si, Ni3Al
Si
Si
-
SiO2
-
Al
Al
-
Al2O3
AlxNy
Zr
Zr
-
ZrO2
ZrxNy
Mn
Mn
Mn
MnS, MnO
-
Cr
Cr
Cr
CrxO4
-
W
W
W
-
-
Mo
Mo
Mo
-
-
V
V
V
VxO4
VxNy
Ti
Ti
Ti
TixO4
TiN4Cz, TixNy
Nb
Nb
Nb
-
-
P
P
-
-
-
S
S (?)
-
(Mn,Fe)S, ZrS
-
Fonte: BAIN & PAXTON, 1961, apud PEDRAZA et al., 1979
3.2.3 Influência dos elementos de adição nas transformações alotrópicas do ferro
No ferro puro, como visto anteriormente, as transformações alotrópicas γ↔δ
(denominada A4) e α↔γ (denominada A3) ocorrem a temperaturas constantes, em torno de
1400ºC e 910ºC, respectivamente.
Quando um segundo elemento entra em solução com o ferro, cada uma dessas
transformações passa a ocorrer em certo intervalo de temperatura, como determina a regra das
fases.
Segundo a natureza do soluto introduzido, pode ser observada a ocorrência de dois tipos
de efeito, descritos a seguir:
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Materiais Ferrosos
• Elevar a temperatura de transformação A4 e reduzir a A3, ampliando o domínio de
existência da fase γ; tais solutos são denominados estabilizadores de austenita ou
gamagêneos ou austenitizantes.
• Abaixar a transformação A4 e elevar a transformação A3, ampliando o campo de existência
da ferrita; tais solutos são denominados estabilizadores de ferrita ou alfagêneos ou
ferritizantes.
Cada um desses tipos comporta duas classes distintas, assim distribuídas e representadas
(Figura 3.15):
A- Elementos gamagêneos
Tipo A-1: Os elementos de liga ampliam o domínio de estabilidade da fase γ abaixando a
temperatura de transformação A3 (γ↔α) e elevando a temperatura de transformação A4 (
δ↔γ); nesse caso, para teores elevados de soluto a fase γ pode ser estável à temperatura
ambiente, formando-se o que é chamado “campo γ aberto”. Exemplos: Mn, Ni e Co.
Tipo A-2: Existe também uma ampliação do campo de estabilidade da fase γ, mas esta
ampliação é limitada, pois os compostos ricos em ferro (ou as soluções sólidas no
elemento de liga) tornam-se estáveis, ou seja, para teores elevados de soluto ocorre o
aparecimento de uma segunda fase. Exemplos: Cu, Zn, Au, N e C.
B- Elementos alfagêneos
Tipo B-1 – O elemento de adição reduz o domínio de estabilidade da fase γ e, finalmente,
a suprime, formando-se um “campo γ fechado”; acima de um certo teor de soluto, a liga
pode se encontrar sob a forma α em todas as temperaturas. Exemplos: Si, Cr, W, Mo, P,
V, Ti, Be, Sn, Sb, As e Al.
Tipo B-2 – Ocorre também uma concentração do campo γ, mas a solubilidade restrita do
elemento de adição gera o aparecimento de compostos intermetálicos ou soluções sólidas
que interrompem esse processo. Exemplos: Ta, Zr, B, S, Ce e Nb.
Desses elementos de liga, o cromo tem um comportamento especial, pois com teores
entre 7 a 8% abaixa a faixa de temperatura de transformação A3 (α↔γ) e com aumentos
ulteriores verifica-se o contrário. Entretanto, o abaixamento da temperatura de
transformação A4 (γ↔δ) na faixa de 8%Cr é mais rápido do que o da transformação A3
(α↔γ), podendo-se, de fato, afirmar que o cromo estreita uniformemente a faixa de
estabilidade da austenita.
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Materiais Ferrosos
Figura 3.15 – Efeito dos elementos de liga no comportamento do ferro (CHIAVERINI, 2002).
3.2.4 Influência dos elementos de adição nas linhas de transformação do diagrama Fe-C
A ação dos elementos de liga sobre as linhas de transformação do diagrama Fe-C pode
ser encarada sob os três aspectos seguintes: efeito sobre a composição eutetóide, efeito sobre
a temperatura eutetóide e efeito sobre o campo austenítico.
Os dois primeiros efeitos estão sintetizados na Figura 3.16, onde se vê que todos os
elementos de liga analisados tendem a diminuir o teor de carbono do eutetóide, ao passo que
somente o níquel e o manganês tendem a diminuir a temperatura eutetóide; todos os outros
elementos apresentam tendência oposta.
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Materiais Ferrosos
Figura 3.16 – Influência dos elementos de liga sobre o teor de carbono e a temperatura do
eutetóide (CALLISTER, 2002).
O terceiro efeito está sintetizado na Figura 3.17. Verifica-se que o manganês, em teores
crescentes, reduz a temperatura eutetóide, além de diminuir o teor de carbono desse
constituinte; um teor adequado de manganês poderá, por exemplo, produzir estrutura
inteiramente perlítica somente com aproximadamente 0,3%C. O cromo, o molibdênio e o
silício comportam-se de modo contrário ao manganês no que se refere à influência sobre a
temperatura eutetóide; quanto à influência sobre o teor de carbono do eutetóide, a tendência é
idêntica à do manganês. Todos esses elementos, portanto, com exceção do manganês,
contraem o campo austenítico, tendendo a formar o aço quase que inteiramente ferrítico.
Convém observar que essa propriedade de certos elementos de liga, como o manganês,
o cromo, o molibdênio, o silício, o nitrogênio, o titânio e outros, de produzirem uma estrutura
eutetóide apresentando um teor de carbono comparativamente baixo, é muito importante. De
fato, a liga eutetóide possui grande resistência mecânica; como a dureza e a fragilidade
crescem com a porcentagem de cementita, é evidente que se for possível se obter uma
estrutura resistente, inteiramente perlítica, mediante a introdução de elementos de liga em um
aço com menor teor de carbono, essa estrutura será também mais mole e menos frágil, ou seja,
mais tenaz do que a estrutura semelhante em um aço carbono comum.
79
Materiais Ferrosos
Figura 3.17 – Influência dos elementos de liga sobre o teor de carbono e a temperatura do
eutetóide do aço (CHIAVERINI, 2002).
3.2.5 Propriedades mecânicas dos aços-carbono
Em princípio, as propriedades mecânicas dos aços-carbono são afetadas pelos seguintes
fatores: composição química e microestrutura.
a) Composição química
Nos aços-carbono esfriados normalmente, ou seja, em condições tais que a
transformação da austenita se processe totalmente, o elemento predominante é o carbono, o
qual, à medida que tem o seu teor aumentado, melhora as propriedades relativas à resistência
mecânica (limite de escoamento, limite de resistência à tração e dureza) e piora as
propriedades relativas à ductilidade e à tenacidade (alongamento, estricção e resistência ao
choque).
A Figura 3.18 ilustra a influência da concentração de carbono nas propriedades
mecânicas dos aços-carbono tratados termicamente ou não.
80
Materiais Ferrosos
Figura 3.18 – Efeito do teor de carbono nas propriedades mecânicas de aços-carbono
(ASKELAND & PHULÉ, 2003).
b) Microestrutura
A microestrutura é inicialmente afetada pela composição química, pois se sabe que os
constituintes presentes são ferrita e perlita (aço hipoeutetóide), ou perlita e cementita (aço
hipereutetóide) ou somente perlita (aço eutetóide). Entretanto, a microestrutura dos aços
depende também dos seguintes fatores:
• Estado ou condição do aço, sob o ponto de vista de fabricação: se fundido, trabalhado a
quente (laminado, forjado etc.) ou trabalhado a frio (encruado);
• Tamanho de grãos austeníticos;
• Velocidade de resfriamento.
No estado fundido o aço apresenta granulação grosseira, do tipo dendrítica, pois a
austenita se forma a altas temperaturas e o esfriamento do interior dos moldes é muito lento.
No estado trabalhado a quente, em que a maioria dos aços é utilizada, como as
operações de conformação a quente são realizadas a temperaturas em que o aço se apresenta
no estado austenítico, verificam-se as seguintes conseqüências:
81
Materiais Ferrosos
- Homogeneização apreciável da estrutura, pela tendência de eliminar ou reorientar as
inclusões e segregações que ocorrem durante a solidificação do metal no interior dos
moldes;
- Destruição da estrutura dendrítica;
- Recristalização, com acentuada influência sobre o tamanho de grão, que pos sua vez
depende das temperaturas finais de deformação (geralmente, o trabalho a quente produz
uma redução do tamanho de grão).
Em conseqüência, as propriedades mecânicas finais do aço trabalhado a quente são
sensivelmente melhoradas em relação às do material fundido.
No estado encruado, característico de alguns dos mais importantes produtos
siderúrgicos, como fios, fitas, chapas etc., os efeitos mais importantes são os seguintes:
aumento da resistência mecânica, aumento da dureza e diminuição da ductilidade,
representada por uma redução do alongamento e da estricção.
A Tabela 3.2 mostra alguns valores de propriedades mecânicas de um aço com 0,14%C,
para diversos estados de fabricação (CHIAVERINI, 2002).
Tabela 3.2 – Alguns valores de propriedades mecânicas de um aço com 14%C em função do
estado de fabricação
Recozido
Encruado com
30% de redução
Encruado com
60% de redução
Limite de proporcionalidade (MPa)
190
110
70
Limite de escoamento (MPa)
240
515
665
Limite de resistência à tração (MPa)
400
555
675
Alongamento em 100 mm (%)
Estricção (%)
41,7
65,8
22,0
58,0
10,5
43,0
Propriedade
Fonte: CHIAVERINI, 2002.
3.2.6 Efeitos dos elementos de liga nos aços
A introdução de elementos de liga nos aços-carbono é feita com o objetivo de se
conseguir um ou mais dos efeitos descritos a seguir:
a. Aumentar a dureza e a resistência mecânica;
b. Conferir resistência uniforme através de toda a seção em peças de grandes dimensões;
c. Diminuir o peso (em conseqüência do item a), de modo a reduzir a inércia de uma parte
em movimento ou reduzir a carga-morta em um veículo ou em uma estrutura;
d. Conferir resistência à corrosão;
e. Aumentar a resistência ao calor;
f. Aumentar a resistência ao desgaste;
82
Materiais Ferrosos
g. Aumentar a capacidade de corte;
h. Melhorar as propriedades elétricas e magnéticas.
Os três primeiros efeitos são conseguidos porque os elementos de liga aumentam a
resistência da ferrita e formam ainda outros carbonetos, além do Fe3C, contribuindo para a
melhoria da resistência do aço, sobretudo em seções que, caso se tratasse de aços-carbono
comuns, dificilmente teriam a resistência alterada. Geralmente, esse aumento de resistência é
conseguido pela adição de um ou vários elementos de liga em teores relativamente baixos
(não ultrapassando sua soma o valor de 5%).
A obtenção dos outros requisitos requer a introdução dos elementos de ligas em teores
mais elevados, produzindo-se alterações mais profundas na ferrita, além de resultarem na
formação de carbonetos mais complexos. Esses aços são mais difíceis de fabricar e tratar
termicamente, de modo que são muito dispendiosos, mesmo porque alguns dos elementos de
liga utilizados são relativamente raros.
Da quantidade total de aços-liga produzida, cerca de 60% pertence à série 86XX, com
três elementos de liga (Ni, Cr e Mo) em baixos teores (CHIAVERINI, 2002).
A Tabela 3.3 resume os efeitos dos elementos de liga nos aços (CHIAVERINI, 2002).
Tabela 3.3 – Efeitos específicos dos elementos de liga nos aços
Solubilidade sólida
Elemento
Influência
sobre a ferrita
Influência sobre a
austenita
(Endurecibilidade)
No ferro γ
No ferro α
Al
1,1%
(aumentada
pelo C)
36%
Endurece
consideravelmen
te por solução
sólida
Aumenta a
endurecibilidade
moderadamente se
dissolvido na
austenita
Cr
12,8%
(20% com
0,5%C)
Sem limites
Endurece
ligeiramente;
aumenta a
resistência à
corrosão
Aumenta a
endurecibilidade
moderadamente
Co
Sem limites
75%
Endurece
consideravelmen
te por solução
sólida
Diminui a
endurecibilidade no
estado sólido
Influência exercida
através dos carbonetos
Tendência
Principais funções
Ação
formadora
durante o
de
revenido
carbonetos
Negativa
1- Desoxidante
(grafitiza)
eficiente
2- Restringe o
crescimento de
grão (pela
formação de
óxidos ou nitretos
dispersos)
3- Elemento de liga
Maior que
Moderada 1-Aumenta a
o Mn
Resiste à
resistência à
Menor que
diminuição
corrosão e à
oW
de dureza
oxidação
2-Aumenta a
endurecibilidade
3- Melhora a
resistência a altas
temperaturas
4- Resiste ao
desgaste (com
alto teor de C)
Semelhante Sustenta a 1- Contribui com a
ao Fe
dureza pela
dureza à quente
solução
pelo
sólida
endurecimento da
ferrita
83
Materiais Ferrosos
Tabela 3.6 – Efeitos específicos dos elementos de liga nos aços (continuação)
Elemento
Influência
sobre a ferrita
Influência sobre a
austenita
(Endurecibilidade)
Influência exercida
através dos carbonetos
Tendência
Ação
formadora
durante o
de
revenido
carbonetos
Maior que
Muito
o Fe
pequena
Menor que
nos teores
o Cr
normais
No ferro γ
No ferro α
Mn
Sem limites
3%
Endurece
acentuadamente
– reduz um tanto
a plasticidade
Aumenta a
endurecibilidade
moderadamente
Mo
3% (8%
com
0,3%C)
37,5%
Produz o
sistema
endurecível por
precipitação nas
ligas Fe-Mo
Aumenta a
endurecibilidade
fortemente
(Mo < Cr)
Forte,
maior que o
Cr
Ni
Sem limites
37,5%
Aumenta a
resistência e a
tenacidade por
solução sólida
Aumenta a
endurecibilidade
ligeiramente, mas
tende a reter a
austenita com teor de
C mais elevado
Negativa
(grafitiza)
P
0,5%
2,8% (sem
relação
com o teor
de carbono)
Endurece
fortemente por
solução sólida
Aumenta a
endurecibilidade
Nenhuma
Principais
funções
1- Contrabalança a
fragilidade
devida ao S
2- Aumenta a
endurecibilidade
economicamente
Opõe-se à 1- Eleva a
temperatura de
diminuição
de dureza
crescimento de
criando a
grão de austenita
dureza
2- Produz maior
secundária
profundidade de
endurecimento
3- Contrabalança a
tendência à
fragilidade de
revenido
4- Eleva a dureza a
quente, a
resistência a
quente e a
fluência
5- Melhora a
resistência à
corrosão dos aços
inoxidáveis
6- Forma partículas
resistentes à
abrasão
Muito
1- Aumenta a
pequena
resistência de
em teores
aços recozidos
baixos
2- Aumenta a
tenacidade de
aços ferríticosperlíticos
(sobretudo a
baixas
temperaturas)
3- Torna
austeníticas as
ligas Fe-Cr com
alto teor de Cr
1- Aumenta a
resistência de
aços de baixo C
2- Aumenta a
resistência à
corrosão
3- Aumenta a
usinabilidade em
aços de usinagem
fácil
84
Materiais Ferrosos
Tabela 3.6 – Efeitos específicos dos elementos de liga nos aços (continuação)
Elemento
Influência
sobre a ferrita
Influência sobre a
austenita
(Endurecibilidade)
No ferro γ
No ferro α
Si
2% (9%
com
0,35%C)
18,5%
(não muito
alterada
pelo C)
Endurece com
perda de
plasticidade
(Mn < Si < P)
Aumenta a
endurecibilidade
moderadamente
Ti
0,75% (1%
com
o,20%C)
6%
Produz sistema
endurecível por
precipitação em
ligas Ti-Fe com
alto Ti
Provavelmente
aumenta muito a
endurecibilidade no
estado dissolvido. Os
efeitos de carbonetos
reduzem-na
V
1% (4%
com
0,20%C)
Sem
limites
Endurece
moderadamente
por solução
sólida
Aumenta muito
fortemente a
endurecibilidade do
estado dissolvido
Influência exercida através
dos carbonetos
Tendência
Principais
formadora
funções
Ação durante
de
o revenido
carboneto
s
Negativa
Sustenta a
1- Desoxidante
(grafitiza)
dureza por
2- Elemento de
solução sólida
liga para chapas
elétricas e
magnéticas
3- Aumenta a
resistência à
oxidação
4- Aumenta a
endurecibilidade
de aços
contendo
elementos não
grafitizantes
5- Aumenta a
resistência de
aços de baixo
teor em liga
A maior
Carbonetos
1- Reduz a dureza
conhecida
persistentes
martensítica e a
provavelmente
endurecibilidade
não afetados.
em aços ao Cr
Algum
de médio Cr
endurecimento 2- Impede a
formação de
secundário
austenita em
aços de alto Cr
Muito forte Máxima para 1- Eleva a
(V < Ti ou
endurecimento
temperatura de
Co)
secundário
crescimento de
grão de
austenita
(promove refino
de grão)
2- Aumenta a
endurecibilidade
(quando
dissolvido)
3- Resiste ao
revenido e causa
acentuado
endurecimento
secundário
Fonte: CHIAVERINI (2002).
3.2.7 Designação e classificação dos aços
Como mencionado anteriormente, as propriedades mecânicas dos aços são sensíveis ao
teor de carbono, que é normalmente inferior a 1% em peso.
A classificação francesa dos aços-carbono – hoje em desuso, mas sua citação é de
interesse para o entendimento de algumas obras científicas mais antigas – subdivide os açoscarbono em seis classes conforme mostradas na Tabela 3.7 (FREIRE, 1983).
85
Materiais Ferrosos
Tabela 3.7 – Classificação francesa dos aços-carbono.
Teor de carbono
Classificação
(%)
Aço extra-doce
0,05 a 0,15
Aço doce
0,15 a 0,30
Aço meio-doce
0,30 a 040
Aço meio-duro
0,40 a 0,60
Aço duro
0,60 a 0,70
Aço extra-duro
0,70 a 1,00
Fonte: FREIRE (1983).
Atualmente, devido a grande variedade de tipos de aços, foram criados sistemas para a
sua classificação, os quais periodicamente são submetidos a revisões (CHIAVERINI, 2002).
Dessa forma, os aços podem ser classificados em grupos baseados em nos seguintes itens:
composição, como aços-carbono e aços-liga; processo de acabamento, como aços laminados a
quente ou aços laminados a frio; e forma do produto acabado, como barras, chapas grossas,
chapas finas, tiras, tubos ou perfis estruturais.
Uma das classificações mais generalizadas é a que considera a composição química dos
aços, e dentre os sistemas de designação conhecidos são muitos utilizados o da AISI
(“American Iron and Steel Institute”) e o da SAE (“Society of Automotive Engineers”).
Outras designações adotadas são a da ASTM (“American Society for Testing and Materials”)
e a da UNS (“Unifield Numbering System”). Esta última deve-se à ASTM e à SAE, e foi
criada para unificar a designação e identificação de metais e ligas metálicas em uso comercial
nos Estados Unidos da América.
A Tabela 3.8 mostra as designações AISI e SAE, as quais coincidem, bem como a
designação UNS correspondente, para alguns aços.
O sistema AISI/SAE é composto de quatro ou cinco algarismos, onde os dois primeiros
diferenciam os vários tipos de aços entre si, pela presença somente de carbono como principal
elemento de liga (além das impurezas normais), ou de outros elementos de liga, como o
níquel, o cromo, o molibdênio etc., além do próprio carbono. Os dois ou três algarismos finais
(XX ou XXX) correspondem a valores indicadores dos teores de carbono (número de
centésimo de porcento).
O sistema de numeração unificado (UNS) é usado para indexar de maneira uniforme
tanto as ligas ferrosas como as ligas não ferrosas. Cada número UNS consiste em um prefixo
contendo uma única letra, seguido por um número com cinco algarismos. A letra é um
indicativo da família de metais à qual uma liga pertence. A designação UNS para esses aços
começa com um G, seguido pelo número AISI/SAE; o quinto algarismo é um zero.
86
Materiais Ferrosos
Tabela 3.8 – Sistemas SAE, AISI e UNS, de designação dos aços.
Designação
AISI-SAE
10XX
Tipos de aço
UNS
G10XXX Aços-carbono comuns
11XX
G11XXX Aços de usinagem fácil, com alto S
12XX
G12XXX Aços de usinagem fácil, com alto P e S
15XX
G15XXX Aços-Mn com manganês acima de 1%
13XX
G13XXX Aços-Mn com 1,75%Mn médio
40XX
G40XXX Aços-Mo com 0,25%Mo médio
41XX
G41XXX Aços-Cr-Mo com 0,4 a 1,1%Cr e 0,08 a 0,35%Mo
43XX
G43XXX Aços Ni-Cr-Mo com 1,65 a 2%Ni, 0,4 a 0,9%Cr e 0,2 a 0,3%Mo
46XX
G46XXX Aços-Ni-Mo com 0,7 a 2%Ni e 0,15 a 0,3%Mo
47XX
G47XXX Aços-Ni-Cr-Mo com 1,05%Ni, 0,45%Cr e 0,2%Mo
48XX
G48XXX Aços-Ni-Mo com 3,25 a 3,75%Ni e 0,2 a 0,3%Mo
51XX
G51XXX Aços-Cr com 0,7 a 1,1%Cr
E51100
GE51986 Aços-Cr (forno elétrico) com 1%Cr
E52100
GE52986 Aços-Cr (forno elétrico) com 1,45%Cr
61XX
G61XXX Aços-Cr-V com 0,6 ou 0,95%Cr e 0,1 ou 0,15%V min
86XX
87XX
88XX
G88XXX Aços-Ni-Cr-Mo com 0,55%Ni, 0,5%Cr e 0,3 a 0,4%Mo
9260
G9260X
50BXX
Aços-Si com 1,8 a 2,2%Si
G50XXX Aços-Cr com 0,2 a 0,6%Cr e 0,0005 a 0,003%B
51B60
G51601
Aços-Cr com 0,8%Cr e 0,0005 a 0,003%B
81B45
G81451
Aços-Ni-Cr-Mo com 0,3%Ni, 0,45%Cr, 0,12%Mo e 0,0005 a 0,003%B
94BXX
G94XXX Aços-Ni-Cr-Mo com 0,45%Ni, 0,4%Cr, 0,12%Mo e 0,0005 a 0,003%B
• Exemplos:
Designação AISI/SAE
- Classe 1045 → aço-carbono com 0,45%C em média;
- Classe 4025 → aço-molibdênio com 0,25%C em média.
Designação UNS
- Classe G10450 → aço-carbono com 0,45%C em média;
- Classe G40250 → aço-molibdênio com 0,25%C em média.
87
Materiais Ferrosos
Muitos aços-ligas são igualmente especificados pela sua endurecibilidade quando essa
característica é exigida, empregando-se, nesse caso, o sufixo H (“hardenability”) para
distingui-los dos tipos correspondentes que não apresentam essa exigência.
As letras B, C ou E colocadas antes dos números, significam tratar-se de aço produzido
pelo processo Bessemer ácido, pelo processo Siemens-Martin básico ou produzido em forno
elétrico básico, respectivamente. A letra B no meio dos números do código significa aço
contendo boro.
Os aços de alto teor de liga, como os inoxidáveis, refratários etc., são designados de
outro modo.
A ASTM designa os aços de forma diferente. Esta sociedade possui uma relação de
especificações que descrevem os aços adequados para as diversas aplicações. Os aços ASTM
A131, por exemplo, são aços estruturais de qualidade naval de alta resistência; os aços ASTM
A36 e A283 são aços para aplicação em componentes estruturais onde as propriedades físicas
são bem definidas para permitirem sua utilização em projetos que exigem dobramento e boa
soldabilidade.
Outra designação bastante utilizada é a normalizada pelo “DIN Werkstoff Number”. A
norma DIN 17100 classifica os aços para propósitos estruturais gerais em função do seu limite
de resistência à tração; a designação St 44, por exemplo, corresponde a um aço com limite de
resistência à tração entre 44 e 59 kgf/mm2 (430 e 580 MPa), quando o produto possuir
espessura menor que 3 mm. A norma DIN 17200 classifica os aços de acordo com a
composição química; a designação C55, por exemplo, significa aço-carbono com a seguinte
composição: 0,52-0,60%C; 0,40%Si(máx.); 0,60-0,90%Mn; 0,45%P(máx.); 0,45%S(máx.); a
designação 34 CrMo4 corresponde ao aço com a composição: 0,30-0,37%C; 0,40%Si(máx.);
0,60-0,90%;Mn; 0,35%P(máx.); 0,3%S(máx.); 0,90-1,20%Cr; 0,15-0,30Mo; equivalente ao
tipo AISI 4135 ou UNS G41350.
No Brasil, a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), por intermédio das
normas NBR 6006, classifica os aços-carbono e os de baixo teor de liga segundo os critérios
adotados pela AISI/SAE (CHIAVERINI, 2002).
3.2.7.1 Classificação geral dos aços
É muito difícil se estabelecer uma classificação precisa e completa para todos os tipos
de aços. Mesmo para os aços-carbono comuns, os sistemas usuais de classificação (AISI,
SAE, UNS, ABNT etc.) cobrem apenas os aços com teores médios de carbono até 1%.
88
Materiais Ferrosos
Nos aços que contêm elementos de liga, a elaboração de sistemas de classificação é
mais difícil, em função do constante acréscimo de novos tipos (não só com modificações nos
teores dos elementos de liga, mas com a presença de novos elementos de liga).
Para os tipos mais comuns de aços e para aqueles cujos teores de elementos de liga são
relativamente baixos, as associações técnicas já elaboraram sistemas de classificação que
atendem satisfatoriamente as necessidades do meio (como estudado anteriormente).
Essas classificações especificam principalmente as composições químicas dos aços,
subdivididos em inúmeros grupos, abrangendo dezenas de análises químicas diferentes.
CALLISTER (2002) subdivide os aços, de uma maneira geral, como de baixa e de alta
liga. No caso dos aços de baixa liga, ele ainda os subdivide de acordo com a concentração de
carbono em três grandes grupos: aços de baixo teor de carbono, aços de médio teor de
carbono e aços de elevado teor de carbono.
a) Aços com baixo teor de carbono
De todos os tipos de aço baseados no teor de carbono, estes são os produzidos em maior
quantidade.
Contêm um teor de carbono geralmente inferior a aproximadamente 0,25%C em peso, e
não aceitam tratamentos térmicos para a formação de martensita. O aumento de resistência
mecânica nesses aços é conseguido por meio de trabalho a frio.
As microestruturas desse tipo de aço consistem nos microconstituintes ferrita e perlita.
Consequentemente, essas ligas são relativamente moles e fracas, porém possuem ductilidade e
tenacidade excepcionais; são usináveis, soldáveis e, dentre todos os tipos de aços, são os mais
baratos de serem produzidos.
Suas aplicações incluem os componentes de carcaça de automóveis, formas estruturais e
chapas usadas em tubulações, edificações, pontes e latas estanhadas.
Em geral, esses aços possuem limites de escoamento em torno de 275 MPa, limite de
resistência à tração entre 415 e 550 MPa e ductilidade de 25%AL. A Tabela 3.9 mostra a
composição química e as propriedades mecânicas para alguns aços desse grupo.
Um outro grupo de aços com baixo teor de carbono é formado pelos aços de alta
resistência e baixa liga (ARBL ou HSLA – “High-Strength, Low Alloy”). Esses aços contêm
outros elementos de liga, tais como o Cu, o V, o Ni e o Mo, em concentrações combinadas
que podem ser tão elevadas quanto 10% em peso, e possuem maior resistência que os açoscarbono comuns com baixo teor de carbono.
A maioria desses aços pode ter a sua resistência aumentada por tratamento térmico,
proporcionando limites de resistência à tração superiores a 480 MPa; além disso, são dúcteis,
89
Materiais Ferrosos
conformáveis, e podem ser usinados. Em meios atmosféricos normais, os aços HSLA são
mais resistentes à corrosão que os aços-carbono comuns, os quais eles substituíram em muitas
aplicações onde a resistência estrutural é um fator crítico, como por exemplo, pontes, torres,
colunas de suporte em prédios altos, e vasos de pressão. A Tabela 3.9 também relaciona a
composição química e as propriedades mecânicas para alguns desses aços.
Tabela 3.9 – Designações, composição química, propriedades mecânicas de material laminado
a quente, e aplicações para alguns aços-carbono e aços de alta resistência e baixa liga
Designação
Número
AISI/SAE ou
ASTM
Composição (% em peso)
Número
UNS
C
Mn
Outros
Propriedades mecânicas
Limite de
resistência
à tração
(MPa)
Limite de
escoamento
(MPa)
Ductilidade
(%AL, em
50 mm)
Aplicações
típicas
Aços-carbono comuns com baixo teor de carbono
1010
G10100
0,10
0,45
325
180
28
1020
G10200
0,20
0,45
380
205
25
A36
K02600
0,29
1,00
0,20Cu (mín.)
400
220
23
A516 Classe 70
K02700
0,31
1,00
0,25Si
485
260
21
Painéis de
automóveis,
pregos e
arames
Tubos, aço
estrutural e
em chapas
Estrutural
(pontes e
edificações)
Vasos de
pressão para
baixas
temperaturas
Aços de alta resistência e baixa liga
A440
K12810
0,28
1,35
0,30Si (máx.);
0,20Cu(mín.)
435
290
21
A633 Classe E
K12002
0,22
1,35
0,30Si; 0,08V;
0,02N; 0,03Nb
520
380
23
A656 Classe 1
K11804
0,18
1,60
0,60Si; 0,1V;
0,20Al; 0,015N
655
552
15
Estruturas
aparafusadas
ou rebitadas
Estruturas
usadas para
baixas
temperaturas
ambiente
Chassis de
caminhões e
vagões de
trens
Fonte: CALLISTER, 2002
b) Aços com médio teor de carbono
Essas ligas possuem teores de carbono que variam entre 0,25 e 0,60% em peso. Podem
ser tratadas termicamente por austenitização, têmpera, e posterior revenimento para melhorar
90
Materiais Ferrosos
as suas propriedades mecânicas. São utilizadas mais freqüentemente na condição revenida,
tendo as microestruturas da martensita revenida.
Os aços-carbono comuns com médio teor de carbono possuem baixas endurecibilidades
e podem ser termicamente tratados com sucesso somente em seções muito delgadas e com
taxas de resfriamento muito rápidas.
Adições de Cr, Ni e Mo melhoram a capacidade dessas ligas de serem termicamente
tratadas, dando origem a uma variedade de combinações resistência-ductilidade. Essas ligas
termicamente tratadas são mais resistentes do que os aços com baixo teor de carbono, porém
com o sacrifício de ductilidade e tenacidade.
As suas aplicações incluem as rodas e os trilhos de trens, engrenagens, virabrequins e
outras peças de máquinas e componente estruturais de alta resistência que exigem uma
combinação de elevada resistência mecânica, resistência à abrasão e tenacidade.
A Tabela 3.10 apresenta as características mecânicas, bem como as aplicações típicas,
de vários desses aços, os quais foram temperados e revenidos.
c) Aços com alto teor de carbono
Possuem normalmente teores de carbono entre 0,60 e 1,4% em peso; conseqüentemente
são mais duros, mais resistentes e menos dúcteis dentre todos os aços carbonos.
São quase sempre utilizados em uma condição endurecida e revenida e, como tal, são
especialmente resistentes ao desgaste e à abrasão, e capazes de suportar um fio de corte
afilado.
Os aços para ferramentas e matrizes são aços com alto teor de carbono, contendo
geralmente Cr, V, W e Mo. Esses elementos se combinam com o carbono para formar
compostos à base de carbeto que são muito duros e resistentes ao desgaste e à abrasão (por
exemplo, Cr23C6, V4C3 e WC).
Esses aços são utilizados como ferramentas de corte e matrizes para a modelação e a
conformação de materiais, como também para a fabricação de facas, lâminas de corte, lâminas
de serras para metais, molas e arames com alta resistência.
A Tabela 3.11 mostra a composição de alguns aços para ferramentas, bem como suas
aplicações.
91
Materiais Ferrosos
Tabela 3.10 – Designações, propriedades mecânicas e aplicações típicas para alguns açoscarbono e aços-liga temperados e revenidos
Número
AISI/SAE
Número
UNS
Limite de
resistência à
tração (MPa)
Limite de
escoamento
(MPa)
Ductilidade
(%AL em 50
mm)
Aplicações típicas
Aços-carbono com médio teor de carbono
1040
G10400
605-780
430-585
33-19
1080
G10800
800-1310
480-980
24-13
1095
G10950
760-1280
510-830
26-10
Virabrequins,
parafusos
Talhadeiras, martelos
Facas, lâminas de
serra para metais
Aços-liga
4063
G40630
786-2380
710-1770
24-4
4340
G43400
980-1960
895-1570
21-11
6150
G61500
815-2170
745-1860
22-7
Molas, ferramentas
manuais
Buchas, tubulações
em aeronaves
eixos, pistões,
engrenagens
Fonte: CALLISTER, 2002.
Tabela 3.11 – Designações, composições e aplicações para alguns aços-ferramenta
Número
AISI/SAE
Número
UNS
C
Composição (% em peso)
Cr
Ni
Mo
W
M1
T11301
0,85
3,75
0,30
máx.
8,70
1,75
1,20
A2
T30102
1,00
5,15
0,30
máx.
1,15
-
0,35
D2
T30402
1,50
12,00
0,95
-
O1
T31501
0,95
0,50
S1
T41901
0,50
1,40
W1
T72301
1,10
0,15
máx.
V
0,30
máx.
0,30
máx.
0,30
máx.
1,10
máx.
0,30
máx.
-
0,50
0,50
máx.
2,25
0,25
0,20
máx.
0,10
máx.
0,15
máx.
0,10
máx.
Aplicações típicas
Brocas; serras;
ferramentas de torno
e plaina
Punções, matrizes
para gravação em
relevo
Cutelaria, matrizes de
estiramento
Folhas de tesoura,
ferramentas de corte
Corta-tubos, brocas
para concreto
Ferramentas de
ferreiro, ferramentas
para madeira
Fonte: CALLISTER, 2002
d) Aços de alta liga
Dentro desse subgrupo estão incluídos os aços inoxidáveis. Esses aços são altamente
resistentes à corrosão em uma variedade de ambientes, especialmente a atmosfera ambiente.
Seu elemento de liga predominante é o cromo, cuja concentração necessária para prover as
propriedades de resistência à corrosão é de pelo menos 12% em peso. A resistência à corrosão
pode também ser melhorada com adições de níquel e molibdênio
92
Materiais Ferrosos
De acordo com a microestrutura que apresentam à temperatura ambiente, e com a
possibilidade de endurecimento por precipitação, os aços inoxidáveis existentes podem ser
divididos em quatro grandes grupos principais, facilitando a seleção do material e a sua
adequação ao tipo de aplicação exigida, os quais são denominados de ferríticos, martensíticos,
austeníticos e endurecíveis por precipitação (BRESCIANNI FILHO, 1986; BOTTREL
COUTINHO, 1992, SMITH, 1998). Entretanto, a classificação mais simples e mais usada dos
aços inoxidáveis leva em consideração somente a sua microestrutura e, dessa forma, apenas os
três primeiros grupos serão aqui considerados.
d.1) Aços inoxidáveis ferríticos
São assim denominados porque a sua estrutura mantém-se essencialmente ferrítica
(CCC, do tipo ferro-α) após os tratamentos térmicos normais. Esses aços estão
compreendidos numa faixa de composição de cromo ampla correspondente à fase alfa, com
cerca de 12 a 30% desse elemento, e possuem um teor de carbono máximo de 0,20%. O
cromo, que também apresenta estrutura CCC, como a ferrita-α, amplia a região da fase α em
detrimento da fase γ (austenita), tendo como conseqüência a formação de uma pequena região
de estabilidade da austenita e um intervalo de composição ampla de existência da ferrita no
diagrama de fases Fe-Cr (Figura 3.19). Assim, os aços ferríticos, por possuírem teores de
cromo superiores a 12%, não sofrem a transformação CFC → CCC durante o resfriamento,
obtendo-se, para esses aços, soluções sólidas de cromo em ferro-α desde temperaturas
elevadas.
Figura 3.19 – Diagrama de fase Fe-Cr (adaptada de METALS HANDBOOK – ASM, 1973).
93
Materiais Ferrosos
Como não contêm o elemento níquel, os aços ferríticos são relativamente baratos,
sendo utilizados principalmente em aplicações que necessitem de materiais de boa resistência
à corrosão e ao calor. De um modo geral, os aços inoxidáveis ferríticos podem ser utilizados
em aplicações que não requeiram endurecimento, pois como o teor de carbono é baixo, a faixa
austenítica fica totalmente eliminada e, em conseqüência, esses aços não são endurecíveis por
têmpera.
d.2) Aços inoxidáveis martensíticos
São fundamentalmente ligas Fe-Cr com o teor de cromo variando entre 12 e 17% e o
teor de carbono entre 0,15 e 1,00%. A adição de carbono nesta quantidade amplia a restrita
região da fase gama, tornando possível a transformação martensítica a partir da estrutura
austenítica com o tratamento de têmpera. Esses aços recebem a denominação de martensíticos
em virtude de possuírem a capacidade de desenvolver uma estrutura martensítica quando
submetidos ao tratamento de austenitização e têmpera. Em função da estrutura martensítica,
tais aços apresentam elevada resistência mecânica e dureza; entretanto, a resistência à
corrosão é relativamente baixa quando comparada aos aços do tipo ferríticos e austeníticos.
Portanto, a seleção entre um aço ferrítico ou austenítico e um martensítico é feita em função
do compromisso entre as propriedades mecânicas e a resistência à corrosão (BRESCIANI
FILHO, 1986).
d.3) Aços inoxidáveis austeníticos
São assim denominados em virtude de possuírem uma estrutura austenítica (CFC, tipo
ferro-γ) mesmo à temperatura ambiente. São essencialmente ligas ternárias Fe-Cr-Ni,
contendo cerca de 16 a 25% Cr e 7 a 20% Ni. A presença do elemento níquel, que tem uma
estrutura CFC, impede a transformação CFC → CCC no resfriamento, permitindo assim que a
estrutura CFC se mantenha à temperatura ambiente.
Os aços inoxidáveis austeníticos normalmente têm melhor resistência à corrosão que os
ferríticos e os martensíticos. No entanto, se essas ligas forem soldadas ou resfriadas
lentamente a partir de temperaturas elevadas até o intervalo de 870°C a 600°C, elas podem se
tornar suscetíveis à corrosão intergranular, devido à precipitação de carboneto de cromo nos
contornos de grão. Isto pode ser evitado para alguns tipos de aço austenítico pela diminuição
do teor de carbono para cerca de 0,03% (tipo 304L) ou pela adição de um elemento de liga, tal
como o nióbio (tipo 347), para se combinar com o carbono da liga (SMITH, 1998;
CHIAVERINI, 2002). A adição de molibdênio melhora a capacidade desses materiais de
resistir à corrosão em soluções de cloretos (corrosão por pites).
94
Materiais Ferrosos
Os aços inoxidáveis austeníticos apresentam elevada capacidade de deformação em
função de sua estrutura cristalina CFC. Como estes materiais, por serem austeníticos, não são
endurecíveis por têmpera, o aumento da dureza e resistência mecânica somente será possível
por encruamento; entretanto, à medida que o teor de níquel aumenta, o efeito do encruamento
é menos pronunciado, tendo em vista a atuação estabilizadora deste elemento (CHIAVERINI,
2002).
Atualmente, uma das designações mais utilizadas na designação dos aços inoxidáveis é
a UNS (“Unified Numbering System”). Nesse sistema de designação, a maioria dos aços
inoxidáveis é identificada pela letra “S” à frente dos cinco algarismos do sistema.
CHAVERINI (2002) classifica os aços de três modos diferentes: de acordo com a
composição química, de acordo com a estrutura e de acordo com a aplicação.
a) Classificação de acordo com a composição química
De acordo com essa classificação os aços poderiam ser divididos nos seguintes
subgrupos: aços-carbono, aços-liga de baixo teor em liga, aços-liga de alto teor em liga, e açoliga de médio teor em liga.
• Aços-carbono: Aqueles em que estão presentes o carbono e os elementos residuais nos
teores considerados normais.
• Aços-liga de baixo teor em liga: Aqueles em que os elementos residuais estão presentes em
teores acima dos normais, ou onde ocorre a presença de novos elementos de liga com teores
que não ultrapassem um valor determinado; nestes casos, a quantidade total de elementos de
liga não é suficiente para alterar profundamente as estruturas dos aços resultantes, assim
como a natureza dos tratamentos térmicos a que devam ser submetidos.
• Aços-liga de alto teor em liga: Aqueles em que o total dos elementos de liga é, no mínimo,
de 10 a 12%; nessas condições, não só as estruturas dos aços correspondentes podem ser
profundamente alteradas, como igualmente os tratamentos térmicos comerciais sofrem
modificações, exigindo ainda técnica e cuidados especiais e, frequentemente, operações
múltiplas.
• Aços-liga de médio teor em liga: São aqueles que poderiam ser considerados como
constituindo um grupo intermediário entre os aços-liga de alta e de baixa liga.
b) Classificação de acordo com a estrutura
Tomando a estrutura como base de classificação, CHIAVERINI (2002) considera os
aços divididos nos seguintes subgrupos: perlíticos, martensíticos, austeníticos, ferríticos e
carbídicos.
95
Materiais Ferrosos
• Perlíticos: São aqueles sem elementos de liga ou com elementos de liga relativamente
baixos (máximo de 5%); suas propriedades mecânicas, em função do teor de carbono e de
elementos de liga, podem ser consideravelmente melhoradas por tratamento térmico;
também em função do teor de carbono, sua usinabilidade pode ser considerada boa.
• Martensíticos: Quando o teor de elementos de liga supera 5%; apresentam dureza muito
elevada e baixa usinabilidade.
• Austeníticos: Caracterizam-se por reterem a estrutura austenítica à temperatura ambiente,
em função dos elevados teores de elementos de liga austenitizantes tipo A1 (Mn, Ni ou Co);
os aços inoxidáveis, os não magnéticos e os resistentes ao calor, por exemplo, pertencem a
este grupo.
• Ferríticos: Caracterizam-se por possuírem elevados teores de certos elementos de liga (Cr,
W ou Si) que favorecem a formação da ferrita, mas com baixo teor de carbono; não reagem
a têmpera, e no estado recozido caracterizam-se por apresentar uma estrutura
predominantemente ferrítica, com eventuais quantidades de cementita.
• Carbídicos: Caracterizam-se por apresentarem quantidades consideráveis de carbono e
elementos formadores de carbonetos (Cr, W, Mn, Ti, Nb e Zr); sua estrutura compõe-se de
carbonetos dispersos na matriz que pode ser do tipo sorbítico, martensítico ou austenítico,
dependendo da composição química; são usados especialmente em ferramentas de corte e
em matrizes.
c) Classificação de acordo com a aplicação
• Aços para fundição: São caracterizados por apresentarem boa combinação de resistência,
ductilidade e tenacidade, bem como boa usinabilidade e adequada soldabilidade; muitos são
susceptíveis a tratamentos térmicos de têmpera e revenido.
• Aços estruturais: São aços-carbonos comuns ou com pequenos teores de elementos de liga,
apresentando boas ductilidade e soldabilidade, e elevado valor de relação limite de
resistência à tração e limite de escoamento.
• Aços para trilhos: São tipicamente aços-carbono comuns que apresentam características de
boa resistência mecânica e boa resistência ao desgaste.
• Aços para produtos planos (chapas): Devem apresentar excelente deformabilidade, boa
soldabilidade, entre outras qualidades.
• Aços para tubos: Como os anteriores, são normalmente aços-carbono comuns, embora
algumas aplicações possam exigir a presença de elementos de liga; em princípio, devem
apresentar as mesmas qualidades dos aços para chapas.
96
Materiais Ferrosos
• Aços para barras, arames e fios: Conforme as aplicações podem apresentar características de
resistência à tração realmente notáveis.
• Aços para molas: Possuem elevado limite elástico.
• Aços de usinagem fácil: Caracterizados por sua elevada usinabilidade, apresentando, para
tal, teores acima dos normais dos elementos enxofre (principalmente) e fósforo e,
eventualmente, chumbo.
• Aços para cementação: Normalmente de baixo carbono e baixos teores de elementos de liga,
de modo a apresentarem as melhores características para enriquecimento superficial de
carbono, além de um núcleo tenaz, depois da cementação e da têmpera.
• Aços para nitretação: Simplesmente são aços-carbono comuns ou com os elementos de liga
cromo, molibdênio e alumínio.
• Aços para ferramentas e matrizes: Caracterizados por possuírem alta dureza à temperatura
ambiente (os tipos mais sofisticados apresentam alta dureza à temperatura elevada),
satisfatória tenacidade e onde as propriedades comuns de resistência mecânica e,
principalmente, de ductilidade, pouco significado apresentam. Os tipos mais sofisticados
apresentam elementos de liga em teores muito elevados, sendo os mais importantes e
famosos os “aços rápidos”, com elevado teor de tungstênio, além de cromo e vanádio e,
eventualmente, molibdênio, cobalto e outros elementos de liga. Apresentam alta capacidade
de corte.
• Aços resistentes ao desgaste: Os mais importantes apresentam manganês em quantidade
muito acima do normal (entre 10 e 14%), além de alto carbono (entre 1,0 e 1,4%).
• Aços para mancais: Empregados em mancais de esferas ou roletes.
• Aços resistentes à corrosão: Também chamados “inoxidáveis”, apresentam elevados teores
de cromo e níquel, elevada resistência à oxidação pelo calor, e mantém as propriedades
mecânicas a temperaturas acima da ambiente (às vezes, relativamente elevadas).
• Aços para fins elétricos: Empregados na fabricação de motores, transformadores e outros
tipos de máquinas e aparelhos elétricos; caracterizam-se por apresentarem silício em teores
acima dos normais (até 4,75%), ou altos teores de cobalto (até 50%) ou altos teores de
níquel.
• Aços para fins magnéticos: Com alto teor de carbono, cromo médio, eventualmente
tungstênio relativamente elevado, eventualmente molibdênio e, para os melhores tipos,
elevada quantidade de cobalto (até cerca de 40%); esses aços, quando temperados,
apresentam característica de imantação permanente.
97
Materiais Ferrosos
• Aços ultra-resistentes: Desenvolvidos principalmente pela necessidade de aplicações da
indústria aeronáutica, mas cuja utilização está se estendendo para outros setores da
engenharia; possuem elevada relação resistência/peso; alguns podem apresentar limites de
escoamento superiores a 1470 MPa. As excepcionais propriedades mecânicas são
conseguidas por meio do emprego de tratamentos térmicos em composições contendo
diversos elementos de liga em teores geralmente baixos. Um tipo especial de aço ultraresistente é o aço “maraging”, em que os elementos de liga estão em teores mais elevados
(como níquel até 18% ou mais), além de possuírem cobalto, molibdênio, titânio e baixo
carbono. São obtidos por tratamento de endurecimento por precipitação, o que permite
atingir-se valores de resistência à tração da ordem de 2745 MPa, além de excelente
ductilidade.
• Aços criogênitos: Caracterizam-se por possuírem resistência ao efeito de baixas
temperaturas.
• Aços sinterizados: Produtos obtidos por metalurgia do pó, incluindo ferro praticamente
isento de carbono, aços-comuns e alguns aços especiais, de aplicação crescente na indústria
moderna.
3.3
Ferros Fundidos
3.3.1 Generalidades
Os ferros fundidos são ligas quaternárias de ferro, carbono, silício e manganês, que
podem ainda ter outros elementos de liga destinados a melhorar determinadas propriedades.
O teor de carbono desses materiais varia entre 2,11 e 6,67% (usualmente, entre 2,5 e
3,8%) e têm um baixo ponto de fusão.
Pelo diagrama de equilíbrio Fe-Fe3C pode-se ver que para teores crescentes de carbono
é cada vez mais baixa a temperatura necessária para a fusão completa dessas ligas, até 4,3%.
Além desse limite, a referida temperatura se eleva novamente, à medida que o teor de carbono
aumenta.
A liga com 4,3%, portanto, é a mais fusível de todas, razão pela qual recebe o nome de
eutética. Em função disso, os ferros fundidos com menos de 4,3% são denominados
hipoeutéticos e os com mais de 4,3% hipereutéticos.
Pelo grau de dureza que apresentam, em função da grande quantidade de carbonetos, os
ferros fundidos não podem ser trabalhados a frio ou a quente, não sendo possível, portanto,
forjar, laminar, estirar ou mesmo vergar o material, qualquer que seja a sua temperatura.
98
Materiais Ferrosos
Em virtude desses materiais se fundirem a temperaturas cerca de 300ºC mais baixas que
as exigidas para os aços, seu custo de produção é menor, pois o consumo de combustível, bem
como o de refratário para o forno, é menor. Por esta razão, são materiais bastante usados,
sobretudo na obtenção de peças inteiriças, às vezes de formas complexas, onde a construção
mecânica soldada não é possível ou não é econômica.
As características de resistência ao desgaste, abrasão e calor, tornam esses materiais
adequados para diversos fins onde essas propriedades são significativas.
Ao contrário dos metais forjados, os ferros fundidos têm propriedades mecânicas que
dependem não só da composição da liga e da microestrutura, mas também da velocidade de
resfriamento da fundição, das dimensões e da configuração das peças.
3.3.2 O carbono nos ferros fundidos
O carbono, como elemento de liga principal, está presente nos ferros fundidos sob duas
formas: grafita (carbono livre) e carboneto de ferro (carbono combinado - cementita).
O teor de carbono no ferro fundido é a soma do carbono combinado com o carbono
grafítico (Ct = Cc + Cg).
Estas duas formas, sob as quais o carbono pode apresentar-se, classificam os ferros
fundidos, inicialmente, em dois grandes grupos: ferros fundidos brancos e ferros fundidos
cinzentos.
Quando todo o carbono está sob a forma combinada, a fratura da peça é de aspecto
claro, esbranquiçado, daí a denominação ferro fundido branco. Quando parte do carbono está
sob a forma de grafita, o aspecto da fratura é escuro, o que deu origem à designação de ferro
fundido cinzento.
A formação da maior parte da grafita se dá normalmente na solidificação do eutético e
depois do metal solidificado, enquanto estiver acima de 700ºC. A grafita, em seção polida, se
apresenta ao microscópio sob a forma de veios ou em partículas vermiformes agrupadas.
A grafita normalmente se separa no momento da solidificação, mas também pode
resultar da decomposição da cementita (Fe3C → 3Fe + C).
A precipitação do carbono na forma de grafita, durante a solidificação, atenua a
tendência à contração do metal com o resfriamento, produzindo fundições de boa qualidade.
A grafita também permite uma excelente usinabilidade, boa absorção de vibrações e
atua como lubrificante nas superfícies de desgaste.
99
Materiais Ferrosos
3.3.3 Fatores que interferem na formação dos ferros fundidos
Dois são os fatores mais importantes que decidem se o ferro fundido, ao solidificar,
tornar-se-á branco ou cinzento: a composição química e a velocidade de resfriamento.
a) Composição química
• Os ferros fundidos contêm, além do ferro e do carbono, outros elementos tais como o
silício, o manganês, o enxofre e o fósforo, alguns dos quais em proporções mais
elevadas do que aquelas encontradas comumente nos aços comuns.
• Esses elementos, em presença de teores também mais altos de carbono, exercem notável
influência sobre a microestrutura e as propriedades dos ferros fundidos, pois é de suas
proporções que muito depende se haverá ou não a formação de grafita e, portanto, se o
produto resultante será branco ou cinzento.
• Nos produtos industriais, o carbono está presente em teores que variam entre 2,5 e 3,8%.
Com teores baixos há tendência para formar-se o tipo branco; entretanto, à medida que o
teor de carbono aumenta as condições para o material se tornar cinzento ficam
favorecidas.
• O silício existe nos ferros fundidos em teores entre 0,5 e 3,5%. A sua função principal é
a de promover a formação da grafita (inibindo a formação de cementita) e de
determinadas microestruturas.
• Os elementos grafitizantes (inibidores da formação da cementita) são: Si, Al, Ti e Cu.
Os elementos antigrafitizantes (favorecedores da formação de cementita) são: Mo, Mn,
Cr e V.
• O enxofre também tende a combinar-se com o ferro, formando um sulfeto que se
deposita nas fronteiras do grão, diminuindo a resistência mecânica; por isso o seu teor
deve ser inferior a 0,02%.
• O manganês tem um efeito de neutralizar a ação do enxofre, formando com este MnS,
tornando-o um elemento necessário na composição. Também atua como desoxidante; no
entanto, por ser antigrafitizante, a sua presença deve ser limitada nos ferros fundidos
cinzentos (0,5% < Mn < 1,5%).
• O fósforo aumenta a fluidez a quente e diminui a temperatura de fusão do ferro fundido,
o que permite moldar peças de paredes mais finas e de contornos mais nítidos;
entretanto, aumenta a fragilidade da peça. O seu teor máximo deverá ser de 1,5%, mas
normalmente não ultrapassa 0,35%.
• A equivalência do efeito dos elementos de liga Si, P e Mn, relativamente ao C, pode ser
avaliada por meio de uma fórmula empírica que fornece o “Carbono equivalente”.
100
Materiais Ferrosos
Ceq = % Ctotal + 0,312 (% Si) + 0,33 (% P) – 0,66 (% Mn)
b) Velocidade de resfriamento
• Como a decomposição da cementita (em ferro γ e grafita) necessita de certo tempo para
ocorrer, embora muito curto em altas temperaturas, pode-se atenuá-la, ou mesmo evitála totalmente, por meio de um resfriamento rápido desde o início da solidificação.
• A velocidade de resfriamento depende de dois fatores principais: material do molde e
espessura das peças fundidas.
• Moldes de areia permitem um resfriamento lento, ao passo que moldes metálicos,
chamados coquilhas, provocam um resfriamento rápido, especialmente se forem
espessos.
• Como o resfriamento lento favorece a formação de grafita, as peças mais espessas, que
resfriam mais devagar, terão mais grafita, ou grafita mais desenvolvida, do que as peças
pequenas ou de paredes delgadas. Também, na porção interna da peça, que leva mais
tempo para esfriar, os veios de grafita serão maiores.
3.3.4
Tipos de ferros fundidos
Os ferros fundidos apresentam uma extensa gama de resistências mecânicas e de
durezas, e na maioria dos casos são de fácil usinagem.
Através da adição de elementos de liga é possível obter-se excelente resistência ao
desgaste, à abrasão e à corrosão, porém, em geral, a resistência ao impacto e a ductibilidade
são relativamente baixas, limitando sua utilização em algumas aplicações.
De acordo com a composição química e com a distribuição de carbono na sua
microestrutura, os ferros fundidos podem ser classificados em quatro grandes categorias:
a) Ferro fundido cinzento
• É utilizado no estado fundido (vazado), para numerosos fins. As lamelas de grafita, que
do ponto de vista mecânico atuam como se fossem pequenas trincas, conferem ao metal
uma boa usinabilidade, uma vez que as aparas (cavacos) se desprendem com facilidade.
• O ferro fundido cinzento tem reduzida resistência mecânica e ductilidade, mas é menos
duro e menos frágil que o branco e pode ser trabalhado com ferramentas comuns nos
processos de usinagem (torneamento, perfuração, rosqueamento etc.). O ferro fundido
branco, todavia, só pode ser trabalhado com ferramentas especiais e, assim mesmo, com
dificuldade.
101
Materiais Ferrosos
• O ferro fundido cinzento apresenta apreciável resistência à corrosão. A resistência à
corrosão na presença de água salgada é superior à dos demais ferros fundidos, porque as
lamelas de grafita criam uma barreira à libertação dos produtos de corrosão e, em
conseqüência, limitam a deterioração do material.
• As lamelas de grafita conferem aos ferros fundidos cinzentos uma elevada capacidade
de amortecimento, o que é importante na absorção das vibrações. Esses materiais
possuem mais capacidade de amortecer vibrações do que o aço.
• A disposição dos veios da grafita e a sua baixa resistência comprometem seriamente a
coesão do conjunto, principalmente quando os veios são grandes ou muito agrupados, de
modo que também o ferro fundido cinzento comum, se bem que possa ser trabalhado,
não pode ser deformado ou dobrado e resiste mal aos choques, embora melhor que os do
tipo branco.
• Devido à existência da grafita, que é um lubrificante sólido, os ferros fundidos cinzentos
têm propriedades autolubrificantes, o que é interessante em algumas aplicações onde o
baixo coeficiente de atrito é importante, como no caso de transmissões por engrenagens.
• A norma DIN 1691 especifica os ferros fundidos cinzentos pela designação GG seguida
de um número que representa a tensão de ruptura mínima em kg/mm2. O material
designado GG18, por exemplo, corresponde a um ferro fundido cinzento com σr ≥ 18
kg/mm2 (~ 176 MPa).
• A tensão de ruptura à compressão é muito superior à tensão de ruptura à tração,
superando até os aços de baixa liga quando normalizados.
• Esses materiais mantêm as propriedades de resistência mecânica entre os 184ºC e os
426º C.
• Ao contrário da maioria dos metais ferrosos, o módulo de elasticidade dos ferros
fundidos cinzentos não é constante, reduzindo-se com o aumento do alongamento,
variando entre 8450 a 14085 kg/mm2 (~ 82440 a 13800 MPa).
• A sua utilização é muito variada, desde blocos de motores a êmbolos, corpos de
válvulas, volantes, prensas, transmissões por engrenagens, corpos de bombas e de
equipamentos do convés de embarcações etc.
• O teor de carbono dos ferros fundidos cinzentos comuns é da ordem de 2,7 a 3,7% e o
de silício de 1 a 2,8%.
102
Materiais Ferrosos
b) Ferro fundido branco
• É obtido por resfriamento rápido, originando a cementita. Por isso, é demasiado duro
para ser usinado (só pode ser trabalhado com ferramentas especiais e, assim mesmo,
com dificuldade), o que faz com que a peça desse material seja obtida já na sua forma
final. Tem boa resistência ao desgaste e à abrasão, o que o torna de grande uso nas
aplicações em equipamentos de construção civil, agrícola etc.
• Apresenta uma superfície de fratura de aparência frágil.
• O emprego do ferro fundido branco se restringe aos casos em que se busca dureza e
resistência ao desgaste muito altas sem que a peça necessite ser ao mesmo tempo dúctil.
Por isso, dos dois tipos de ferro fundido, o cinzento é o mais usado.
A Figura 3.20 mostra microestruturas dos dois tipos de ferro fundido: ferro fundido
cinzento (a) e ferro fundido branco (b).
(a)
(b)
Figura 3.20 - Na figura (a) observam-se veios/lamelas de grafita numa matriz com pequena
porção de ferrita limpa e predominância de perlita (ferro fundido cinzento). Na figura (b), o
constituinte branco é o carboneto de ferro e as áreas cinzentas a perlita (ferro fundido branco).
(COLPAERT, 1974).
c) Ferros fundidos nodulares ou esferoidais
• Também chamados de dúcteis, apresentam uma estrutura obtida diretamente da fundição
de ferro fundido cinzento, adicionando uma pequena quantidade de magnésio e césio,
elementos que fazem precipitar nódulos de grafita que crescem na direção radial, com o
resfriamento; esta tendência é dificultada pela presença de MnS.
• Esses materiais são cada vez mais utilizados e têm boas propriedades mecânicas e
ótimas propriedades de fundição e usinagem.
• A norma DIN 1693 especifica estes materiais por meio das letras e números GGG-XX
(onde XX corresponde à tensão de ruptura mínima, em kg/mm2).
103
Materiais Ferrosos
• Apresentam boa resistência ao desgaste, elevado módulo de elasticidade, elevada
usinabilidade e resistência à fadiga; também apresentam melhor resistência ao choque e
aos esforços estáticos do que o ferro fundido cinzento; em contrapartida, possuem
menor capacidade de amortecimento de vibrações e menor condutibilidade térmica.
• Podem atingir tensões de ruptura superiores a 800 MPa (~ 82 kg/mm2).
• São usados em carcaças de válvulas e de bombas, caixas redutoras, etc.
• A Figura 20-a mostra a estrutura de um ferro fundido dúctil. As boas propriedades
desses materiais devem-se à presença de nódulos esféricos de grafita na sua
microestrutura, que geralmente no caso dos ferros não ligados, são compostas da
seguinte forma: nódulos esféricos de grafite rodeados por ferrita numa matriz de perlita,
conforme mostram as figuras abaixo.
d) Ferros fundidos maleáveis
• São obtidos a partir de ferro fundido branco, submetidos a tratamento térmico após
vazamento (800 a 1000º C) para eliminação de cementita.
• Contém aproximadamente 0,6% a 1% de Si, suficiente para promover a decomposição
da cementita durante o tratamento térmico, mas insuficiente para originar lamelas de
grafite durante a solidificação.
• A norma DIN 1692 especifica esses materiais por meio das letras GT_.
• O ferro fundido maleável de núcleo branco (GTW) é obtido por aquecimento da peça
vazada em atmosfera oxidante para descarbonetar as camadas superficiais (redução do
teor de carbono).
• O ferro fundido maleável de núcleo negro (GTS) é obtido por aquecimento da peça a
cerca de 900ºC, em ambiente neutro, durante horas, a fim de decompor a cementita em
nódulos de grafita em forma de rosetas, que não têm o efeito prejudicial do trincamento
das lamelas de grafita.
• Uma vez que este ferro fundido consegue apresentar propriedades semelhantes às do aço
de construção, é muito utilizado em engenharia em geral e em máquinas agrícolas.
• Apresentam uma elevada tenacidade, boas propriedades de fundição e excelente
usinabilidade.
• A Figura 3.21-b mostra uma microestrutura de um ferro fundido maleável, onde se
observa nódulos de grafita numa matriz ferrítica.
104
Materiais Ferrosos
(a)
(b)
Figura 3.21 – Microestruturas de ferros fundidos: dúctil (a) e maleável (b). (COLPAERT,
1974).
A Tabela 3.12 ilustra os intervalos de composição química dos ferros fundidos típicos,
não ligados.
Tabela 3.12 – Composição dos ferros fundidos típicos
C
Si
Mn
S
P
Cinzento
2,5-4,0
1,0-3,0
0,25-1,0
0,02-0,25
0,05-1,0
Branco
1,8-3,6
0,5-1,9
0,25-0,80
0,06-0,20
0,06-0,18
Maleável
2,0-2,6
1,1-1,6
0,20-1,0
0,04-0,18
0,18 máx.
Dúctil
3,0-4,0
1,8-2,8
0,10-1,0
0,03 máx.
0,10 máx.
Algumas literaturas fazem também referência ao ferro fundido mesclado e ao
coquilhado, que serão descritos na seqüência, e aos especiais, que serão estudados em outro
item. Assim:
e) Ferro fundido mesclado
• É o ferro fundido intermediário entre o branco e o cinzento. O aspecto de sua fratura é
característico e apresenta um fundo de tonalidade clara, que corresponde à parte branca,
salpicado de numerosas áreas escuras, que constituem a parte cinzenta.
• É um material com propriedades mecânicas interessantes; muito utilizado, por exemplo,
para sapatas de freios em trens e bondes.
f) Ferro fundido coquilhado
• No caso de se fazer o vazamento em molde metálico (coquilha), ou parcialmente
metálico, o ferro fundido, que se resfria rapidamente em contato com as partes
metálicas, resultará do tipo branco; nas outras regiões, onde o resfriamento é mais lento
(parte em areia), será do tipo cinzento.
105
Materiais Ferrosos
• Na transição da parte branca para a cinzenta se encontra uma zona de ferro fundido
mesclado. Peças que apresentam essa formação são denominadas ferro fundido
coquilhado.
• Esse processo permite fundir peças que sejam brancas onde se deseja grande dureza, e
cinzentas onde se busca atenuar a fragilidade.
• Deste modo são fabricados, por exemplo: cilindros de certos laminadores que precisam
ter uma grande dureza na superfície e permitir nesta um polimento perfeito; certas rodas
de vagões de carga, que são brancas apenas na superfície de rolamento e cinzentas na
parte restante; mandíbulas de alguns trituradores, certas peças de máquinas etc.
• Convém salientar, que para se obter resultados satisfatórios nesses casos, a composição
química do material deve preencher determinadas condições, de modo que a transição
entre os dois tipos de ferros fundidos seja o quanto possível gradual.
3.3.5 Constituição dos ferros fundidos brancos
Como mencionado anteriormente, os ferros fundidos podem apresentar o seu carbono
sob duas formas distintas: totalmente sob a forma de cementita ou parcial ou totalmente sob a
forma de grafita.
A forma totalmente decomposta – ferro e grafita – é a mais estável que os ferros
fundidos podem adquirir, e neste caso, se diz que o material encontra-se em equilíbrio estável.
Sob a forma totalmente combinada, como ocorre nos ferros fundidos brancos, há certa
estabilidade quando prevalecem determinadas circunstâncias; esta estabilidade “condicional”
é designada por equilíbrio metaestável.
Os ferros fundidos cinzentos não pertencem propriamente a nenhum desses equilíbrios,
pois todos têm grafita e quase todos perlita, em cuja microestrutura entra carbono combinado.
O diagrama de equilíbrio universalmente usado refere-se ao equilíbrio metaestável;
portanto, corresponde aos ferros fundidos brancos.
O Diagrama estável é indicado, às vezes, superposto em linhas pontilhadas deslocadas
um pouco para cima e para a esquerda, conforme mostra a Figura 3.22.
106
Materiais Ferrosos
Figura 3.22 - Diagrama de equilíbrio Fe-C, mostrando em pontilhado o diagrama estável
ferro-grafita (METALS HANDBOOK - ASM, 1973).
a) Ferros fundidos hipoeutéticos
Seja, por exemplo, um ferro fundido com 3% de carbono total, em vias de solidificar-se,
e que à temperatura ambiente será branco, conforme mostra o diagrama da Figura 3.23.
Figura 3.23 - Diagrama de equilíbrio Fe-C (Adaptada de ASKELAND & PHULÉ, 2003).
107
Materiais Ferrosos
O ponto A indica a temperatura do início de solidificação, pela formação de dendritas
de austenita, com o teor de carbono dado pelo ponto b (1,4%).
Com o prosseguimento do resfriamento até o ponto c, por exemplo, correspondente a
1200ºC, mais austenita se forma, a qual agora terá um teor de carbono dado pelo ponto d, ou
seja, 1,9%.
Prosseguindo o resfriamento, o ponto c vai baixando e os pontos d e k vão percorrendo,
respectivamente, as curvas solidus e liquidus, até que se atinja o a temperatura de 1146ºC.
Neste momento, a parte sólida constituída exclusivamente por dendritas de austenita,
conterá 2,11%C e a parte líquida 4,3%C.
Nessa temperatura o líquido solidificar-se-á sob a forma de eutético denominado
ledeburita, formado de pequenos glóbulos de austenita com 2,11%C sobre um fundo de
cementita com 6,67%C. Conseqüentemente, logo abaixo de 1146ºC o ferro fundido em
questão apresenta o aspecto de dendritas de austenita envolvidas pelo eutético.
Continuando o resfriamento, o teor de carbono da austenita vai diminuindo
acompanhando a linha solvus Acm, até que à temperatura de 727ºC esse teor atinja o valor de
0,77% (~ 0,8%).
A austenita, ao passar pela linha de 727ºC, transforma-se em perlita. Portanto, logo
abaixo dessa temperatura e até a temperatura ambiente, ter-se-á dendritas de perlita
envolvidas por ledeburita (constituída agora por glóbulos de perlita sobre um fundo de
cementita).
A ledeburita começa a aparecer logo que se ultrapassa 2,11%C, e apresenta-se em
quantidade cada vez maior à medida que o teor desse elemento cresce, até constituir a
totalidade do ferro fundido quando se atingir 4,3%C.
Para teores de carbono acima de 4,3%, a porcentagem de ledeburita torna a decrescer
até 6,67%C, limite para o qual o ferro fundido seria constituído exclusivamente de cementita.
b) Ferros fundidos hipereutéticos
No caso dos ferros fundidos hipereutético, entre as linhas liquidus e solidus, em vez de
dendritas de austenita, formam-se longos cristais de cementita com 6,67% de carbono.
Em virtude disso, o líquido restante vai ficando pobre em carbono; dessa forma, um
ferro fundido branco com 5,0%C, por exemplo, começa a solidificar ao atingir a linha liquidus
no ponto h.
Ao alcançar o ponto i, por exemplo, já se formaram numerosos cristais de cementita, e o
teor de carbono do líquido restante é dado pelo ponto j, ou seja, 4,2%.
108
Materiais Ferrosos
À medida que o resfriamento prossegue, o teor de carbono continua diminuindo, até
que, a 1146ºC chega a 4,3%, formando-se então o eutético, como no exemplo anterior.
Os cristais de cementita formados não sofrem nenhuma transformação durante o
resfriamento até a temperatura ambiente, mas a ledeburita que os envolve, passa pelas
mesmas transformações descritas para o outro exemplo.
Por conseguinte, à temperatura ambiente os ferros fundidos hipereutéticos serão
constituídos de cristais alongados de cementita sobre uma matriz de ledeburita.
c) Ferros fundidos eutéticos
Esses ferros fundidos começam a solidificar a 1146ºC, e a temperatura permanece
constante enquanto toda a massa não estiver sólida.
O material será constituído totalmente de ledeburita, e as transformações que esta sofre
durante o resfriamento já foram descritas nos exemplos anteriores.
3.3.6 Constituição dos ferros fundidos cinzentos
Nestes produtos o teor de silício está, geralmente, acima de 1% e, dada as profundas
alterações que as ligas Fe-C sofre com a sua presença, não se pode deixar de considerá-las
como ligas Fe-C-Si.
A essas ligas não é aplicável o diagrama Fe-C habitual, porque suas linhas se deslocam,
mudam de forma e algumas até se desdobram à medida que o teor de silício cresce, mesmo
dentro dos limites dos produtos industriais comuns.
Uma das alterações mais importantes é o deslocamento do ponto eutético para a
esquerda, na proporção de 0,3% de carbono para cada 1% de silício. Assim, por exemplo, um
ferro fundido com 3% de carbono e 1,8% de silício, solidifica aproximadamente como se
tivesse 3% + (1,8% x 0,3) = 3,54% de carbono pelo diagrama Fe-C.
3.3.7 Ferros fundidos brancos especiais
Em um ferro fundido normal, os elementos fundamentais são o ferro e o carbono,
aparecendo outros elementos como o silício, o manganês, o fósforo e o enxofre, em
porcentagens reduzidas, constituindo, em alguns casos, impurezas.
Nos ferros fundidos especiais adicionam-se intencionalmente elementos como o níquel,
o cromo, o molibdênio e outros, em quantidades apreciáveis com o fim de obter uma melhoria
das suas propriedades.
Considera-se como ferro fundido especial àquele que contenha um ou vários desses
elementos em porcentagens superiores às abaixo indicadas:
109
Materiais Ferrosos
Ni
Cr
Cu
Ti
V
Mo
Al
Si
Mn
0,30% 0,20% 0,35% 0,10 0,10% 0,10% 0,10% 0,10% 1,5%
O silício e o manganês são elementos que estão sempre presentes, mas só são
considerados elementos de liga quando presentes acima das porcentagens indicadas
anteriormente.
Existem ferros fundidos especiais que, além de apresentarem elevada porcentagem de
elementos de liga, são submetidos a tratamentos térmicos e químicos adequados à obtenção de
determinadas propriedades.
O grande interesse na utilização destes ferros fundidos reside no fato de se conseguir
obter muitas características iguais ou superiores às dos aços, permitindo o seu uso na obtenção
de peças por fundição.
Dentre essas características têm-se: resistência mecânica a quente, resistência à
oxidação e estabilidade a temperaturas elevadas, e resistência à corrosão.
A título de exemplo, serão citados dois tipos de ferros fundidos especiais: ferros
fundidos resistentes ao calor e ferros fundidos resistentes ao desgaste.
• Ferros fundidos resistentes ao calor e à corrosão.
− São ferros fundidos em que a porcentagem de silício varia entre 4 e 10%, o que faz com
que a grafita se distribua uniformemente, formando uma estrutura fina que assegura uma
elevada resistência à penetração dos gases. O silício, quando em porcentagens elevadas,
torna o ferro quebradiço, não devendo ultrapassar os 6% nesses materiais.
− Quando as exigências são mais elevadas, pode-se recorrer a ferros fundidos com 1,4 a 4%
de cromo, associado a 12 ou 14% de níquel, ou então, introduzir apenas cromo em
porcentagens entre 28 e 36%.
− Os ferros fundidos de cromo e níquel denominam-se austeníticos. Resistem bem a
variações de temperatura, mesmo da ordem de 1000ºC, e são não-magnéticos. São
também resistentes à corrosão porque apresentam uma estrutura densa e compacta, livre
de inclusões não-metálicas.
− Estes materiais são utilizados na fabricação de grelhas e cadinhos de fornos, moldes para a
indústria de vidro, cubas etc.
•
Ferros fundidos resistentes ao desgaste
− Existem dois tipos fundamentais: os que resistem ao desgaste por abrasão e os que
resistem ao desgaste por choque.
110
Materiais Ferrosos
− Os primeiros contêm níquel, cromo e molibdênio, o que permite a obtenção de uma
estrutura muito dura e de alta resistência (estrutura martensítica ou sorbítica).
− Os segundos contêm cromo e alumínio, e são submetidos a tratamento termoquímico a
525ºC, em uma atmosfera de amônia para se obter dureza elevada, da ordem dos 350
HB.
− São utilizados em carcaças de britadeiras, parafusos de transmissão, bombas, camisas
de motores de caminhão e motores de competição.
A Tabela 3.13 destaca a composição química, a resistência à tração e a dureza desses
dois tipos de ferros fundidos especiais.
Tabela 3.13– Composição química e propriedades mecânicas dos ferros fundidos especiais.
Elementos
(%)
Tipo
C
Si
Mn
S
P
Elevada % de
Si
2,7
5,5
6,5
0,3
0,5
≤ 0,1
≤ 0,1
Elevada % de
Cr
≤ 1,5
≤ 1,7
< 1,0
≤ 0,1
≤ 0,1
Ni + Cr
Austeníticos
2,6
3,0
1,5
2,7
1,0
2,0
< 0,1
≤ 0,2
14
1,5
4,0
Resistentes ao desgaste por
abrasão
3,0
4,0
0,5
1,5
0,5
1,5
< 0,1
≤ 0,1
2,0
6,0
0,5
2,5
Resistentes ao desgaste por
choque
2,6
2,9
2,4
2,7
0,9
1,1
< 0,1
≤ 0,1
Resistentes ao
calor e à
corrosão
Ni
Cr
Al
Mo
Propriedades
mecânicas
σt
HB
(MPa)
160
180
28,0
32,0
320
360
220
250
6,0
1,5
2,0
320
350
ASKELAND, Donald R.; PHULÉ, Pradeep P. The science and engineering of materials.
4..ed. California: Brooks/Cole-Thomson Learning, 2003.
CALLISTER JR., William D. Materials Science and Engineering: An Introduction. 6.ed.
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FREIRE, J.M. Materiais de construção mecânica. Rio de Janeiro: LTC Editora S/A, 1989.
130
160
>
450
2,0
REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS
180
300
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Materiais Ferrosos
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Ohio: American Society for Metals, 8ª ed., vol 8, 1973.
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VAN VLACK, L.H. Princípios de ciência dos materiais. São Paulo: Editora Edgard Blücher,
1970.
112

61 3 MATERIAIS FERROSOS 3.1 Considerações

Transcrição

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