Aços Carbono e Aços Liga
Aço é uma liga metálica que é formado do resultado da combinação de ferro e carbono. Aço normalmente é considerado como aço carbono, quando as proporções de outros elementos em que não excedam determinadas percentagens. As percentagens máximas geralmente são de 1,65% a 0,6% de manganês e de cobre e silício. A percentagem de cobre deve ser de pelo menos 0,4%. Os aços que contém também maiores quantidades ou especificado de outros elementos, tais como níquel, cromo ou vanádio, é chamado de aço liga.
O carbono é um dos materiais mais rentável de liga, e alterando a concentração de carbono muda também as propriedades do aço. Aumentando o teor de carbono faz com que o aço carbono fique mais duro e mais forte, mas reduz a soldabilidade do aço, ductilidade, tenacidade e torna o aço mais frágil.
Aços de médio carbono tem um maior teor de carbono de cerca de 0,3 por cento para 0,6 por cento. Utilizados na fabricação de eixos, engrenagens, calhas, tubulações e conexões.
Os aços podem ser divididos em:
Aços comuns ao carbono: Possuem apenas ferro, carbono, e impurezas normais ligadas ao processo de fabricação (P fósforo; S enxofre; Si silício; Mn manganês; Al alumínio.
Aços ligados: São aços que contém um ou mais elementos de liga além do Fe e do C (Cr cromo; Mo molibdênio; V vanádio; Ni Níquel etc…)
Aços de baixa liga: Quando o somatório dos teores dos elementos de liga é inferior à 5%.(Ex. aços para construção mecânica, eixos engrenagens etc…)
Aços de média liga: Quando o somatório dos teores dos elementos de liga está entre 5% e 10%. (Ex. Aços estruturais para trabalho em altas temperaturas para resistir a fluência e a oxidação )
Aços de alta liga: Quando o somatório dos teores dos elementos de liga é superior à
10%.( Ex. Aços inoxidáveis)
Influencia dos elementos de liga
a) Manganês (Mn): A adição do manganês resulta num aumento da dureza do material e na resistência mecânica do aço, sem interferir muito na soldabilidade e a ductilidade do aço. O maior teor de Manganês no aço carbono é de 1,6%. Ainda o Mn combate o efeito nocivo do enxofre e aumenta a tenacidade do aço, promovendo uma diminuição da transição dúctil frágil.
b) Alumínio (Al): O alumínio assim como o silício, não estão presentes em todos os aços, funcionam como desoxidantes, que se combinam com o oxigênio, removendo as bolhas de gás que se formam na solidificação do metal em fusão. Os aços totalmente desoxidados são chamados aços acalmados. Um aço semi acalmado tem uma quantidade insuficiente de Al ou Si para a desoxidação.
c) Silício (Si): é usado como desoxidante do aço. Favorece sensivelmente a resistência mecânica (limite de escoamento e de resistência) e a resistência à corrosão, reduzindo porém a soldabilidade.
d) Fósforo (P): aumenta o limite de resistência, favorece a resistência à corrosão e a dureza, prejudicando, contudo, a ductilidade e a soldabilidade. Quando ultrapassa certos teores, o fósforo torna o aço quebradiço.
e) Enxofre (S): é extremamente prejudicial aos aços. Desfavorece a ductilidade, em especial o dobramento transversal, e reduz a soldabilidade. Nos aços comuns, o teor de enxofre é limitado a valores abaixo de 0,05%.
f) Cobre (Cu): aumenta de forma sensível a resistência à corrosão atmosférica dos aços, em adições de até 0,35%. Aumenta também a resistência à fadiga, mas reduzem, de forma discreta, a ductilidade, a tenacidade e soldabilidade.
g) Níquel (Ni): O níquel aumenta a resistência mecânica, a tenacidade e resistência à corrosão. Reduz a soldabilidade.
h) Cromo (Cr): aumenta a resistência mecânica à abrasão e à corrosão atmosférica. Reduz, porém, a soldabilidade. O cromo melhora o desempenho do aço a temperaturas elevadas.
i) Nióbio (Nb): é um elemento muito interessante, quando se deseja elevada resistência mecânica e boa soldabilidade; teores baixíssimos deste elemento permitem aumentar o limite de resistência e, de forma notória, o limite de escoamento. É um componente, quase obrigatório nos aços de alta resistência e baixa liga; além de não prejudicar a soldabilidade, permite a diminuição dos teores de carbono e de manganês, melhorando, portanto, a soldabilidade e a tenacidade. Entretanto, o seu efeito sobre a ductilidade é desfavorável.
Referencias bibliográficas:
SHIGLEY E. JOSEPH, MISCHKE R. CHARLES, BUDYNAS G. RICHARD – Projeto de Engenharia Mecânica, 7° Ed., Bookman, 2009.
CALLISTER,W. D. Fundamentals of Materials Science and Engineering. 5° Ed. USA: John Wiley & Sons, Inc. 2001.
Aços Inoxidáveis
Ligas a base de ferro contendo pelo menos 12% de cromo são chamados aços inoxidáveis. A característica mais importante desse aços é sua resistência a condições corrosivas, ainda que não a todas elas. Os principais tipos disponíveis são os seguintes: aços cromo ferríticos, aços cromo níquel austeniticos, aços inoxidáveis martensiticos e aços inoxidáveis de precipitação endurecivel.
Os aços cromo ferriticos tem um conteúdo de cromo que varia de 12% a 27%. A resistência a corrosão é uma função desse conteúdo, de modo que os materiais que contem menos de 12% de cromo ainda exibem alguma resistência a corrosão, embora possam enferrujar. A endurecibilidade de tempera desses aços é função da quantidade tanto de carbono quanto de cromo. Aços com alto teor de carbono apresentam boa endurecibilidade de tempera até cerca de 18% de cromo, enquanto, em intervalos inferiores de carbono, ela cessa em torno de 13%. Se um pouco de níquel for adicionado, esses aços terão algum grau de endurecibilidade até 20% de cromo. Se o conteúdo de cromo exceder a 18%, eles se tornarão difíceis de soldar, em níveis muito altos de cromo, a dureza se tornará tão grande que muito cuidado e atenção deverão ser prestados às condições de serviços.
Os aços inoxidáveis cromo-niquel retem a estrutura austenitica à temperatura ambiente, portanto, não são receptivos a tratamento térmico. Sua resistência pode ser melhorada pelo trabalho a frio. De fato, esses aços não são magnéticos, a menos que trabalhados a frio. As propriedades de endurecibilidade por trabalho a frio também fazem com que sejam difíceis de usinar. Todos os aços cromo-niquel podem ser soldados. Eles tem propriedades de resistência a corrosão melhores que as dos aços cromo comum. Quanto mais cromo é adicionado para maior resistência a corrosão, mais níquel deve também ser adicionado se as propriedades austeniticas forem retidas.
Os principais aços inoxidaveis que a TKS produz são os aços em acordo com as normas ASTM A 217, ASTM A 351 entre outras.
Referencia bibliográficas
SHIGLEY E. JOSEPH, MISCHKE R. CHARLES, BUDYNAS G. RICHARD – Projeto de Engenharia Mecânica, 7° Ed., Bookman, 2009.
CALLISTER, Jr., W. D. Materials Science and Engineering: an Introduction. Department of Metallurgical engineering. University of Utah. 4th Ed. Salt Lake City, Utah, 1996 – Section 12.5.
Análise Micrográfica: ASTM A351/A351M–16 Gr. CF8M
As fotomicrografias mostram a microestrutura da amostra, revelando a matriz típica de um aço inoxidável austenítico fundido, constituída por austenita e ferrita delta. Foi observada a presença de, aparentemente, fase sigma. Ataque Água Régia. Ampliação 100X e 500X.
Análise Micrográfica: ASTM A351/A351M–16 Gr. CF8
As fotomicrografias mostram a microestrutura da amostra, revelando a matriz típica de um aço inoxidável austenítico fundido, constituída por austenita e ferrita delta. Foi observada a presença de carbonetos precipitados na interface ferrita/austenita. Ataque Água Régia. Ampliação 100X e 500X.
Aços Manganês
Os aços manganês são utilizados comumente em aplicações que envolvam abrasão e (ou) impacto, nas industrias de extração de minérios e grandes industrias de reciclagem onde diversos tipos de produtos são triturados, esmagados e moidos. O aço manganês possui maior resistência ao impacto, já o ferro fundido branco é considerado um material mais frágil a esse tipo de trabalho. Mesmo os dois tipos de materiais serem utilizados em aplicações que envolvam desgaste, a principal propriedade mecânica do aço Hadfield é a sua resistência a deformação a frio. A resistência ao desgaste desses aços é considerada apenas razoável em comparação aos ferros brancos, porém quando utilizados em serviços que envolvam deformação a frio superficial entre de 180 HB para até mais de 610 HB na região deformada, os apresentam em seu estado encruado boa resistência ao impacto e uma camada superficial dura e resistente aos serviços de abrasão. Essas características colocam o aço manganês em níveis de aplicações bastante variados e de grande utilização na indústria mundial.
O aço manganês assim como todos os outros materiais de estrutura cristalina possui suas propriedades mecânicas influenciadas pela sua microestrutura, no caso dos aços manganês encontramos normalmente uma estrutura cristalina austenítica sem precipitados de carbonetos após o tratamento térmico de solubilização. Esses aços apresentam no estado bruto de fusão uma matriz austenítica com precipitado de carbonetos comumente encontrados nos contornos de grãos onde a maior concentração de energia. Os carbonetos são responsáveis por fragilizar o material e devem ser evitados, para isso aplica-se um tratamento térmico conhecido como solubilização.
O aço manganês apresenta uma matriz austenítica devido ao seu teor de carbono e principalmente de manganês elevado que atua como elemento gamagênico. Além disso, alto teor de manganês contribui no aumento da capacidade de encruamento do material.
O tratamento térmico de solubilização consiste em dissolver os carbonetos encontrados nos contornos de grãos na matriz, estabilizando a austenita.
Referencias bibliográficas
A.A. ASTAF’EV – EFFECT OF GRAIN SIZE ON THE PROPERTIES OF MANGANESE AUSTENITE STEEL ll0G13L; Metal Science and Heat Treatment Vol. 39, Nos. 5-6, 1997
KARANTZALIS, A.E., LEKATOU, A., MAVROS, H. – Microstructural Modification of As-cast High-Chromium White Iron by Heat Treatment– Journal of Materials Engineering and Performance, ©ASTM International, 2009.
SHIGLEY E. JOSEPH, MISCHKE R. CHARLES, BUDYNAS G. RICHARD – Projeto de Engenharia Mecânica, 7° Ed., Bookman, 2009.
A. ROULA, G.A. KOSNIKOV. Manganese distribution and effect on graphite shape in advanced cast irons. Materials Letters 62, 2008. 4 p.
Ferro Fundido Cinzento
Entre os ferros fundidos, o cinzento é o mais comum, devido às suas características como boa usinabilidade devida à presença de grafita livre em sua microestrutura; alta fluidez no vazamento do metal líquido, permitindo a fundição de peças com paredes finas e complexas.
Seus principais clientes são os do segmento de indústria de máquinas e equipamentos, indústria automobilística, ferroviária, naval e outras.
Podem ser submetidos a tratamentos térmicos para endurecimento localizado, porém, em geral, são utilizados principalmente no estado bruto de fundição, podendo ainda ser normalizado ou recozido, por tratamento térmico.
Para os ferros fundidos cinzentos os teores de carbono variam entre 2,5 e 4,0%p, e os teores de silício variam entre 1,0 e 3,0%p. Um ferro fundido com um alto teor de silício (2%p Si) sofre grafitização tão imediatamente que a cementita nunca se forma. Durante a solidificação surgem lamelas ou veios de grafita no metal. Para a maioria dos ferros fundidos, a grafita existe na forma de veios, que são normalmente circundados por uma matriz de ferrita ou de perlita. Durante a fratura, a trinca se propaga de uma lamela para outra, devido a pouca resistência da grafita; o nome ferro fundido cinzento advém da aparência acinzentada da superfície de fratura.
Na temperatura eutetóide, a austenita se transformará em perlita e a estrutura resultante, com veios de grafita em uma matriz perlítica, será denominada ferro fundido cinzento perlítico. Se a velocidade de resfriamento for extremamente lenta ao passar pela temperatura eutetóide, a austenita se transformará em grafita e ferrita, e a estrutura, com veios de grafita em uma matriz ferrítica, será denominada ferro fundido cinzento ferrítico. No entanto, usualmente prevalecem as velocidades de resfriamento intermediárias, das quais resultam as microestruturas híbridas. Um exemplo disso ocorre nos ferros fundidos cinzentos, resfriados a uma velocidade entre “moderada” e “baixa”. A perlita se decompõe apenas parcialmente e a estrutura resultante é uma matriz perlítica, com veios de grafita envolvidos por ferrita.
O ferro fundido cinzento é comparativamente fraco e frágil, com ductilidade desprezível, quando submetido à tração, pois as extremidades das lamelas de grafita são afiadas e pontiagudas, e podem servir como pontos de concentração de tensões quando uma tensão de tração externa é aplicada. Mas os ferros cinzentos são eficientes quando aplicado contra vibração, por isso a utilização desse material em bases de máquinas e equipamentos pesados.
Referencias bibliográficas: ASTM A 48; DIN 1691; SAEJ 431.
Ferro Fundido Branco
Menos comum que o ferro fundido cinzento, o ferro fundido branco ou NI- HARD é utilizado em peças em que necessite de elevada resistência à abrasão. Os principais segmentos que a TKS atua no mercado são as Mineradoras (moagem de minérios, pás de escavadeiras, Industrias de bombas e transformadoras e outros componentes similares.
Este tipo de ferro fundido não possui grafita livre em sua microestrutura. Neste caso o carbono encontra-se combinado com o ferro, resultando em elevada dureza e elevada resistência a abrasão. Praticamente não pode ser usinado em seu estado bruto de fusão.
Os ferros fundidos com baixo teor de silício apresentam a maioria o carbono na forma de cementita em lugar de grafita. O resfriamento de um ferro fundido até uma temperatura logo acima da eutética provoca a formação de dendritas de austenita primária (fase proeutética). Se a liga é resfriada rapidamente, ao cruzar a temperatura eutética o líquido restante se solidificará, formando uma microestrutura composta de austenita numa matriz de cementita. À medida que o resfriamento continua, a austenita primária e a austenita eutética rejeitam carbono, sob a forma de mais cementita. À temperatura eutetóide, a austenita terá composição eutetóide e se transformará em perlita (ferrita+cementita). Essa liga, cuja microestrutura pode apresentar dendritas de perlita numa matriz de cementita, é denominada ferro fundido branco. A superfície fraturada dessa liga é de coloração esbranquiçada. Daí o nome ferro fundido branco. Segundo alguns autores, a quantidade de cementita presente no ferro fundido branco é de aproximadamente 30% em volume do produto. Assim, o ferro fundido branco é extremamente duro, com fratura frágil e alta resistentencia à abrasão.
Referencias bibliográficas:
MELO, G. H. T; CARMO, D.J. Ferros fundidos brancos ligados – metalurgia e aplicações. Itaúna: SENAI – DRMG, Itaúna: SENAI – DR IX/IG, 2001.
COLPAERI HUMBERTUS, Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns; 3° Ed. São Paulo, Edgard Blucher, 1974.
Ferro Fundido Nodular
Apresenta-se na forma microestrutural como carbono livre na morfologia de nódulos, o que confere a este tipo de material características mecânicas superiores àquelas do ferro fundido cinzento e do ferro fundido branco. É obtido por reações químicas na sua composição no estado líquido. Sua superfície de fratura apresenta coloração prateada.
O ferro fundido nodular, também conhecido como ferro dúctil, tem diversas aplicações em peças e componentes mecânicos devido as suas boas características de resistência mecânica, ductilidade, tenacidade. Além disso, seu limite de escoamento, em alguns casos, é mais elevado do que o dos aços-carbono comuns. Sua grafita apresenta-se na forma esferoidal, dando-lhe um grau de importância tecnológica, porque este fato não interrompe a continuidade da matriz, como acontece no ferro fundido cinzento, no qual a grafita apresenta-se em forma de veios. O ferro fundido no seu estado líquido recebe alguns elementos de liga, que consiste na introdução de elementos no banho metálico, com a finalidade de esferoidizar a grafita. Após a reação, se faz necessária a introdução de outros elementos químicos para reduzir o “efeito de coquilhamento”, por de um processo chamado “tratamento de inoculação”. O magnésio, cério, cálcio, bário, ítrio e terras raras são os principais elementos que favorecem a esferoidização da grafita. Influência do nódulo de grafita na resistência mecânica do ferro fundido a grafita esferoidal presente no ferro fundido nodular possui considerável influência nas características mecânicas deste material quando comparado ao ferro fundido cinzento, que apresenta a grafita em forma lamelar ou vermicular. Estas características conferem ao ferro nodular melhores propriedades mecânicas.
Pesquisas na área do ferro fundido nodular constataram que a diminuição do tamanho de grão e, consequentemente, o aumento da quantidade de grãos está relacionada à adição de nodularizantes, o que torna mais intensa a velocidade de resfriamento, sendo este um fator relevante.
Uma influência do número de nódulos de grafita é favorecer a presença da ferrita: com uma maior quantidade de nódulos, o carbono é transferido para a grafita empobrecendo a matriz metálica, fazendo com que os nódulos fiquem, geralmente, envoltos por regiões de ferrita (matriz ferrítica). Por outro lado, a excessiva formação de grãos, tende a aumentar o risco de “vazios internos”.
Os principais clientes são indústria automotiva, agrícola, movimentação, mineração e saneamento básico.
Ref. Bibliográficas:
CALLISTER, W.D. Materiais Science and Engineering: An Introduction. 6 th edition. New York: 2003.
CHIAVERINI, V. “Aços e ferros fundidos”. 6ª ed., São Paulo: Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais, 1990. 576 pgs.
Análise Micrográfica:
As fotomicrografias mostram a microestrutura da amostra, revelando a matriz típica de um aço carbono fundido
normalizado, constituída por ferrita e perlita. Ataque Nital 2%. Ampliação 100X e 500X.