Sebenta Materiais de Engenharia

INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE COIMBRA

MATERIAIS DE ENGENHARIADEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA

Mrio Oliveira 2010/2011

Materiais de Engenharia

2

MATERIAIS METLICOS


3

Produo Industrial de ligas-ferrosas: Matrias-primas da indstria siderrgica: Principais matrias-primas: Ferro elemento abundante na crosta terrestre, sob a forma de xidos (xidos de ferro) sendo esses xidos associados a outros xidos, formando a sua ganga. Minrio de ferro matria-prima de partida. o Hemadite (Fe2O3) mais usados para a obteno de ao e ferros fundidos, bastante ricos em ferro; o Magnetite (Fe3O4) bastante rico em ferro; o Limenite (2Fe3O2-3H2O) xido de ferro hidratado. Coque obtido a partir da destilao de carbono mineral, com determinadas caractersticas de resistncia compresso. Tem diferentes funes: o Funo de combustvel combustvel slido; fuso do coque com o oxignio. o Funo de agente redutor; o Fornecedor de carbono, presente nas ligas ferrosas. Calcrio (CaCO3) funo de fundente. Vai ser responsvel por facilitar a fuso do minrio (reduz a temperatura de fuso). Funo de fundente, conduzindo formao da escria - contm os produtos de fuso dos xidos constituintes no coque, cinzas.

Outras matrias-primas: Sucatas de matrias ferrosas componentes que deixaram de ser utilizados, reciclveis e refundidos.


4

Oxignio para produzir ao a partir do minrio. Ferro-ligas ligas base de ferro, mas resultantes da combinao do ferro com outros elementos.

O alto-forno: obteno de ferro gusa. Elaborao do ao e ferro fundido. Vazamento do ao e seu processamento.

Onde existem altos-fornos, o que se pretende produzir ao, mas tambm produzir ferro fundido.

Representao esquemtica do funcionamento de um alto forno


5

Obteno de ao a partir de ferro gusa num convertedor a oxignio

Processo de vazamento contnuo do ao


6

Sistema de ligas Ferro-Carbono: Estruturas cristalinas e pontos de transformao do ferro:

Ae3, Ae4 temperaturas de transformao alotrpica do ferro em condies de equilbrio; Ar4, Ar3 - temperaturas de transformao alotrpica do ferro em arrefecimento;

Ac3, Ac4 - temperaturas de transformao alotrpica do ferro em aquecimento.

Propriedades do ferro: Algumas propriedades de Fe: o Densidade: =7,87 kg/dm3 relativamente denso; o Dureza: Baixa dureza 45 a 55 HB


7

o Tenso de cedncia: c=100 -170 MPa o Resistncia traco: r=180 -290 MPa o Alongamento aps roptura: A%=40 50% o Mdulo de Elasticidade: E=210 GPa - tem a ver com a energia de ligao dos tomos e no com a estrutura.

Solubilidade do carbono no ferro:Solubilidade mxima do carbono em ferro no estado slido: Em Fe : = 0,1% em peso dimenso dos tomos de carbono so maiores que os espaos onde eles so colocados, no havendo grande solubilidade na estrutura CCC. Em Fe : = 2% em peso solubilidade razovel. Tipo intersticial. Estrutura CFC dispe de espaos mais volumosos, podendo-se introduzir mais tomos de carbono.

Em Fe : = 0,02% em peso (praticamente insolvel temperatura ambiente). Solubilidade mxima.

Influncia do carbono nas temperaturas de transformao do ferro: O carbono faz baixar a temperatura de fuso/solidificao do ferro; O carbono um elemento estabilizador (gama de temperaturas mais alargadas do Fe (elemento gamagneo), elevando a temperatura A4 e baixando a temperatura A3.


8

Diagrama de equilbrio metaestvel e equilbrio estvel Fe-C:

Diagrama de equilbrio metaestvel Fe-C (ou Fe-Fe3C): Metaestvel (_) mais simples de obter. Sujeito a alteraes nos constituintes do sistema. Quase estvel, pois o composto Fe3C no


9

completamente estvel. Permite-nos visualizar a estrutura dos aos, ferros fundidos brancos e ferros fundidos cinzentos.

Composio dos pontos assinalados no diagrama: o P 0,18% em peso; o Q 0,10% em peso; o R 0,50% em peso; o E 4,3 % em peso; o F 2,11% em peso;


10

o E 0,77% em peso; o F 0,02% em peso.

Fases slidas presentes no diagrama: o Ferrite : Soluo slida intersticial de carbono em ferro ; o Austenite; o Ferrite ou Ferrite: Soluo slida intersticial de carbono em ferro . O que varia a estrutura dessas solues base e suas solubilidades; o Fe3C cementite: composto intersticial de ferro e carbono.

Transformaes invariantes presentes no diagrama: o 1495 C - Transformao peritctica: Liq (0,5% C) + Ferrite (0,1% C) Austenite () (0,18% C)

o 1148 C Transformao eutctica: Liq (4,3% C) Austenite () (2,11% C) + Cementite (Fe3C) (6,67% C)

o 727 C Transformao eutectide: Austenite () (0,77% C) Ferrite (0,02% C) + Cementite (Fe3C) (6,67% C)

Diagrama de equilbrio estvel Fe-C:


11

Composio dos pontos assinalados no diagrama: o P, Q,R mesma composies que no diagrama metaestvel; o E1 4,26 % em peso; o F1 2,08% em peso; o E1 0,68% em peso; o F1 0,02% em peso.


12

Fases slidas presentes no diagrama: o Ferrite ; o Austenite; o Ferrite; o Cg Carbono Grafite.

Transformaes invariantes presentes no diagrama: o 1495 C - Transformao peritctica: Liq (0,5% C) + Ferrite (0,1% C) Austenite () (0,18% C)

o 1148 C Transformao eutctica: Liq (4,26% C) Austenite () (0,8% C) +Carbono Grafite(Cg) (100% C)

o 727 C Transformao eutectide: Austenite ()(0,68% C) Ferrite (0,02% C) + Carbono Grafite (Cg) (100% C)

Classificaes das ligas ferro carbono em relao aos diagramas de equilbrio: aos e ferros fundidos:Diagrama metaestvel Fe-C:


13

1 - Ao Hipoeutectide 2 - Ao Hipereutectide 3 - Ferro Fundido Branco Hipoeutctico 4 - Ferro Fundido Branco Hipereutctico

Ferros fundidos brancos ferros fundidos, cuja solidificao e arrefecimento tm lugar de acordo com o diagrama de equilbrio metaestvel Fe-C, combinando carbono e ferro, formando Fe3C, o que d ao ferro fundido uma superfcie de fractura lisa devido presena desse composto. Diagrama estvel Fe-C:


14

1 - Ferro Fundido Cinzento Hipoeutctico 2 - Ferro Fundido Cinzento Hipereutctico

Qualquer ferro fundido cinzento vai solidificar de acordo com o diagrama estvel Fe-C, mas depois disso, durante o arrefecimento que se segue, verifica-se uma transio para o diagrama metaestvel, no deixando de ser um ferro fundido cinzento. O contrrio no possvel (metaestvelestvel). O ferro fundido cinzento um ferro fundido que solidifica de acordo com o diagrama estvel Fe-C, ainda que usualmente, durante o arrefecimento que se segue haja uma transio para o diagrama metaestvel Fe-C. Formam-se lamelas de carbono-grafite, dando superfcie uma cor mais acinzentada, devido ao carbono ser um elemento livre. O carbono alm


15

de estar na forma livre, pode-se combinar com o ferro, formando Fe3C, no deixando de ser um ferro fundido cinzento.

Factores que favorecem o equilibrio estvel ou o equilbrio metaestvel Fe-C:Factores que influenciam o equilbrio estvel Fe-C: Mais teor de elementos grafitizantes (Si) elementos que provocam a formao de grafite, impedindo a formao de Fe3C; Menor teor de elementos antigrafitizantes (Ar, Cr) dificultam a formao da grafite, estabilizando o composto Fe3C; Mais baixa velocidade de arrefecimento se no arrefecerem lentamente, no se consegue obter um ferro fundido cinzento; Mais elevado teor em carbono leva a que seja mais provvel um equilbrio estvel.

Estas condies favorecem a obteno de um ferro fundido cinzento

Factores que influenciam o equilbrio metaestvel Fe-C: Os factores que favorecem o equilbrio metaestvel Fe-C, so os inversos dos anteriores.

Estas condies favorecem a obteno de um ferro fundido branco


16

Estruturas de equilbrio das ligas Ferro-Carbono:Solidificao e arrefecimento de acordo com o diagrama metaestvel Fe-C:

Liga X Ao hipoeutctico T1 + T: Estrutura apenas formada por alguns gros de austenite () Microestrutura:


17

T1: Inicio da transformao de Fe em Fe, com consequente transformao da austenite () em ferrite () consequncia da aco estrutural do ferro. Transformao inicia-se na temperatura T1 at temperatura eutectide. T1727 C: Progresso na transformao da C em ferrite (). 727C + T: Fases: Ferrite () Austenite ()

Composio: =0,02% C =0,77% C

Quantidade relativa das fases:

Microestrutura:


18

727 C: Transformao eutectide com formao de perlite ( + Fe3C), a partir da austenite. 727C T: Fases: Ferrite () Cementite (Fe3C)

Composio: =0,02% C Fe3C=6,67% C


Microestrutura:


19

Quantidade relativa dos microconstituintes: ( ( ) ) ( )

Liga Y Ao hipereutctico T1+T: Estrutura constituda apenas por gros de austenite () Microestrutura:

T1: Incio da precipitao de cementite secundria (Fe3Csec) ou proeutectide (Fe3Cproeu) a partir da austenite () variao da solubilidade do carbono na fase . T1727C + T: Progresso na precipitao de cementite secundria (Fe3Csec) a partir da austenite. 727C + T: Fases: Austenite () Cementite (Fe3C) Composio: =0,77% C Fe3C=6,67% C


20


Microestrutura:

727 C: eutectide, com ( ) a partir de austenite (). 727C + T: Fases: Ferrite () Cementite (Fe3C)

Transformao formao de perlite

Composio: =0,02% C Fe3C=6,67% C Quantidade relativa das fases:


21

Microestrutura:

Quantidades relativas dos microconstituintes: ( ( ) )


22

Liga X Ferro fundido branco hipoeutctico T1: Inicio da solidificao do ferro fundido com formao de ncleos de gros de austenite primria (prim). T11148C : Progresso do processo de solidificao do ferro fundido com crescimento de gro da austenite primria (prim).

1148C + T: Fases: Lquido Austenite ()

Composio: %Liq=4,3% C %=2,11%C


escala microscpica:


23

1148 C: Transformao eutctica, com formao de ledeburite (+ Fe3C) a partir do lquido.

1148 C T: Fases: Austenite () Cementite (Fe3C) Composio: %=2,11% C %Fe3C=6,67% C Quantidade relativa das fases:

Microestrutura:


24

Quantidade relativa dos microconstituintes: ( ) ( )

(

)

1148C - T727C + T: Precipitao de cementite secundria (Fe3Csec) a partir da austenite ().Nota: a quantidade de ledeburite no se altera, o que se altera a composio de fases e Fe3C.

727C + T: Fases: Austenite () Cementite (Fe3C)

Composio: %=0,77% C %Fe3C=6,67% C Quantidade relativa das fases:


25

Microestrutura:

Quantidade relativa dos microconstituintes: ( ) ( )

No diagrama, liga com 2,11%C constituda por 100%


26

A 727C:

(

) (

)

727 C: Transformao eutectide com formao de perlite ( + Fe3C) a partir da austenite (). 727C-T: Fases: Ferrite () Cementite (Fe3C)

Composio: =0,02% C Fe3C=6,67% C



27

Microestrutura:

Quantidade relativa microconstituintes: ( )

dos

(

)

(

)

(

)

Liga Y Ferro fundido branco hipereutctico 1148 C +T: escala microscpica:


28

Quantidade relativa

das fases:

1148 C- T: Microestrutura:

Quantidade microconstituintes:

relativa dos


29

(

)

(

)

727C + T: Microestrutura idntica de 1148C T 727C T: Microestrutura:

Quantidade relativa de microconstituintes: ( )

(

)


30

Solidificao e arrefecimento de acordo com o diagrama estvel Fe-C:

Liga X1 Ferro fundido cinzento hipoeutctico 1154 C + T: escala macroscpica


31

Quantidade relativa de microconstituintes:

1154 C - T: Microestrutura

Quantidade relativa das fases/microconstituintes:

1154C-T738C + T: Precipitao de carbono grafite secundrio (Cgsec) a partir da austenite ()


32

738C + T: Microestrutura


Determinao da quantidade de Cg secundrio: ( ) ( )

738C - T: Microestrutura


33


Liga Y1 Ferro fundido cinzento hipereutctico 738C - T: Microestrutura



34

Solidificao de acordo com o diagrama de equilbrio estvel Fe-C, com transio para o diagrama metaestvel durante o arrefecimento:

Liga X1 Ferro fundido cinzento hipoeutctico 1154C-T: Microestrutura


35


Ttr: Microestrutura


727C + T: Microestrutura


36

Quantidade relativa das fases/microconstituintes: ( )

(

)

(

)

727C - T: Microestrutura

Quantidade relativa das fases/microconstituintes: ( ( ( ) ) )


37

Estruturas dos ferros fundidos cinzentos para diferentes condies de transio entre o diagrama estvel e o diagrama metaestvel:

Designando por Ctr o teor em carbono da austenite no momento da transio: Se CE < Ctr < CF1 Estrutura de ferro fundido: Grafite + Cementite proeutectide+ Perlite Ferro fundido cinzento de matriz perltica

Se Ctr = CE Estrutura de ferro fundido: Grafite + Perlite Ferro fundido cinzento de matriz perltica


38

Se CE1 < Ctr < CE Estrutura de ferro fundido: Grafite + Ferrite proeutectide + Perlite Ferro fundido cinzento de matriz ferrrico-perltica

No havendo transio at ter lugar a transformao eutectide de acordo com o diagrama estvel: Estrutura de ferro fundido: Grafite + Ferrite Ferro fundido cinzento de matriz ferrtica no resulta de um processo deste tipo, resulta de um tratamento trmico, que feito priori.

Influncia dos elementos de elaborao na estrutura dos ferros fundidos: Um ferro fundido contm sempre quantidades significativas de elementos de elaborao, que influenciam os diagramas de equilbrio Fe-C. Carbono equivalente: ( )

Em ferros fundidos com mais elevado teor em fsforo (acima 0,15%) frequente a formao de um constituinte (que o diagrama no prev) eutctico ternrio: Fe+Fe3C+Fe3P (fosforeto de ferro) designado por eutctico fosforoso ou Steadite eutctico duro e frgil, fragilizando o ferro fundido com aumento de dureza local, tornando-o mais difcil de maquinar. Temperatura de fuso relativamente reduzida (um pouco acima dos 900 C), com isso Fe, Fe3C e Fe3P tendem a fundir, perdendo o ferro fundido resistncia.


39

Classificao dos Aos: Classificao dos aos de acordo com critrios previstos na norma NPEN 10020:Classificao quanto composio qumica:

Aos no ligados

AosAos ligados

Aos inoxidveis (%Cr10,5%, %C =Mx.1,2%)

Outros aos ligados

Valores limite dos teores de elementos de liga para distino entre aos ligados e no-ligados: Mn: 1,65% em peso Si: 0,60% em peso Cu, Pb: 0,40% em peso Al, Co, Cr, Ni, W: 0,30% em peso V: 0,10% em peso Mo: 0,08% em peso Nb: 0,06% em peso Ti, Zr: 0,05% em peso Embora no esteja prevista nas normas, usual considerarem-se: - Aos fortemente ligados: pelo menos um dos elementos de liga em quantidade >5%. - Aos fracamente ligados: nenhum dos elementos de liga em quantidade >5%.


40

Classificao quanto qualidade:

Aos no ligados de qualidade

Aos no ligadosAos no ligados de especiais No se destinam a tratamento trmico. Critrios de classificao mais alargados.

Aos ligados de qualidade

Critrios de classificao mais apertados.

Aos ligadosAos ligados de especiais

Classificao dos aos de acordo com outros critrios: Quanto ao teor em carbono: o Ao de baixo teor em carbono o Ao de mdio teor em carbono o Ao de alto teor em carbono

%C

Documents

Sebenta Materiais de Engenharia