Materiais de Construção PARTE 3
Luiz Lopes Lemos Jr
Conteúdo 1.
Introdução à Materiais
2.
Metais
3.
Obtenção dos materiais Classificação, normalização, aplicação e catálogos técnicos
Fabricação dos metais
4.
Conceito Tipos Microestruturas Propriedades
Tratamentos térmicos Proteção superficial
Outros materiais
02/07/2013
Luiz
Tratamentos térmicos Importância do estudo Projeto e controle dos procedimentos utilizados nas propriedades mecânicas e nos tratamentos térmicos. Compreensão do desenvolvimento e preservação de estruturas que se encontram em equilíbrio. Identificação de regiões e fases presentes em microestruturas de ligas. Determinação da fração mássica de componentes em fases específicas. 02/07/2013
Luiz
Tratamentos térmicos
De modo simples, o tratamento térmico consiste em aquecer e resfriar uma peça de metal para que ela atinja as propriedades mecânicas desejadas.
02/07/2013
Luiz
Tratamentos térmicos
Com o tratamento térmico conseguimos obter uma variada gama de propriedades que permitem que tenhamos materiais mais adequados para cada aplicação, sem que com isto os custos sejam muito aumentados.
02/07/2013
Luiz
Tratamentos térmicos – Exemplo
Uma mola espiral, por exemplo, precisa ser submetida a tratamento térmico para ser usada no sistema de suspensão de um veículo.
02/07/2013
Luiz
Tratamentos térmicos – Exemplo Ao ser comprimida, a mola acumula energia e, ao ser solta, ela se estende de forma violenta. Portanto, a mola deve ter:
Dureza. Elasticidade. Resistência para suportar esses movimentos sem se romper.
Isso é conseguido por meio do tratamento térmico.
02/07/2013
Luiz
Tratamentos térmicos – Exemplo
02/07/2013
Luiz
Tratamentos térmicos O tratamento térmico provoca mudanças mecânicas por causa de três fatores: 1. Temperatura de aquecimento; 2. Velocidade de resfriamento; 3. Composição química do material.
02/07/2013
Luiz
Tratamentos térmicos Procedimentos para o tratamento térmico: 1. Coloca-se a peça no forno com temperatura adequada ao tipo de material; 2. Deixa-se a peça no forno durante o tempo estabelecido; 3. Desliga-se o forno e retira-se a peça, com auxílio de uma tenaz; 4. Coloca-se a peça numa bancada; 5. Deixa-se a peça resfriar em temperatura ambiente. 02/07/2013
Luiz
Tratamentos térmicos
02/07/2013
Luiz
Tratamentos térmicos Velocidade de aquecimento: O tempo necessário para o aquecimento da superfície será menor do que o tempo para o aquecimento do núcleo. Esta diferença Dt será tão maior quanto maior for a seção do material. 02/07/2013
Luiz
Tratamentos térmicos Consequências da velocidade de aquecimento: Aquecimento rápido: risco de empenamento ou fissuras. Aquecimento lento: crescimento excessivo do grão da austenita. Temperatura acima da temperatura crítica: completa austenização do aço. 02/07/2013
Luiz
Tratamentos térmicos
02/07/2013
Luiz
Tratamentos térmicos Quanto mais longo o tempo de permanência da temperatura de aquecimento, mais completa será a dissolução do carboneto de ferro e outras fases presentes, no entanto maior será o tamanho do grão da austenita.
02/07/2013
Luiz
Tratamentos térmicos O resfriamento é o fator mais importante do tratamento térmico, pois é ele que irá determinar a estrutura resultante. Resfriamento rápido: estrutura mais rígida, risco de empenamento e aparecimento. Tempo muito longo: risco de oxidação e descarbonetação de fissuras. 02/07/2013
Luiz
Tratamentos térmicos Aços de baixo carbono <0,25%p C Não respondem a tratamentos térmicos para formação de martensita. Aumento de resistência por trabalho à frio. Aço doce. Microestruturas típicas:
Perlita. Ferrita.
02/07/2013
Luiz
Tratamentos térmicos Aços de médio carbono >0,25% - 0,60%p C Podem ser tratados termicamente. Apresentam baixa tenacidade e ductibilidade. Aplicados em componentes estruturais de alta resistência. Microestrutura típica: martensita revenida.
02/07/2013
Luiz
Tratamentos térmicos Aços de alto carbono >0,60%p - 1,40%p C Possuem elementos de liga (Cr, V, W). Alta temperabilidade. Apresentam elevada dureza. Alta resistência ao desgaste. Aço duro. Microestrutura típica: martensita revenida. 02/07/2013
Luiz
Diagrama de equilíbrio de fases das ligas ferro-carbono
Luiz
Tratamentos térmicos
Microscópio metalográfico
02/07/2013
Luiz
Tratamentos térmicos Amostra de baixo carbono: Grãos claros, com pouco carbono, em maior quantidade. Grãos escuros com bastante carbono. 02/07/2013
Luiz
Tratamentos térmicos Amostra de médio carbono: Mais grãos escuros que claros (portanto, essa amostra contém mais carbono). Os grãos claros são menos duros e resistentes. 02/07/2013
Luiz
Tratamentos térmicos As fases das ligas ferro-carbono são:
02/07/2013
Luiz
Ferrita - Fe Perlita - Fe+Fe3C Cementita - Fe3C Austenita - Fe Martensita Bainita Fe
Diagrama de equilíbrio de fases das ligas ferro-carbono Fe
austenita
ferrita
perlita Luiz
cementita
Tratamentos térmicos Ferrita (grãos claros) Estrutura cúbica de corpo centrado (CCC). Os átomos se organizam bem juntos entre si, de modo que fica difícil a acomodação de átomos de carbono na rede cristalina. A estrutura da ferrita consegue acomodar, no máximo, 0,025% de átomos de carbono.
Fe 02/07/2013
Luiz
Tratamentos térmicos Perlita (grãos escuros) É formada de lâminas alternadas. 88% de ferrita e 12% de cementita.
Fe +Fe3C 02/07/2013
Luiz
Tratamentos térmicos Cementita 12 átomos de ferro e 4 átomos de carbono. É um carboneto de ferro. Dureza elevada. Responsável pela dureza do aço.
Fe3C 02/07/2013
Luiz
Tratamentos térmicos zoom
Tratamentos térmicos Austenita Estrutura cúbica de face centrada (CFC). Se forma na estrutura do aço submetido a temperatura elevada (na região acima da zona crítica, na zona de austenitização). Menor resistência mecânica e boa tenacidade. Não é magnética. Fe 02/07/2013
Luiz
Tratamentos térmicos – Exemplo de um aço com 0,4%p C
Luiz
Tratamentos térmicos – Exemplo de um aço com 0,4%p C zoom
Luiz
Tratamentos térmicos – Exemplo de um aço com 0,4%p C Aquecimento...
02/07/2013
Luiz
Tratamentos térmicos – Exemplo de um aço com 0,4%p C
O gráfico ilustra uma região de mudança de fase num intervalo de temperatura: ferrita a ferrita
perlita
e a perlita se transformam em austenita. em
austenita
Essa região é chamada zona crítica: área em que as células unitárias de CCC se transformam em CFC, durante o aquecimento do aço.
02/07/2013
Luiz
Tratamentos térmicos – Exemplo de um aço com 0,4%p C
Resfriamento lento...
02/07/2013
Luiz
Tratamentos térmicos – Exemplo de um aço com 0,4%p C zoom
Luiz
Tratamentos térmicos – Exemplo de um aço com 0,4%p C
850ºC
760ºC
parte da austenita desaparece, dando lugar à ferrita - portanto permanecem, na estrutura ferrita e austenita;
700ºC
a estrutura do aço é austenita;
toda a austenita se transforma em ferrita e perlita portanto, o aço volta à sua estrutura inicial;
em temperatura ambiente,
a estrutura continua ferrita e perlita. Luiz
Tratamentos térmicos – Exemplo de um aço com 0,4%p C
Resfriamento rápido... Se o aço for resfriado bruscamente (por exemplo, na água), ele se transformará em martensita, um constituinte duro.
02/07/2013
Luiz
Preparação do aço para usinagem Martensita Estrutura tetragonal de corpo centrado (TCC). Se forma do resfriamento brusco da austenita. Alta dureza. Resistência ao desgaste.
02/07/2013
Luiz
Tratamentos térmicos Tensões internas Causas:
Processo de solidificação A região da superfície do aço se resfria com velocidade diferente da região do núcleo.
Processos de fabricação a frio Soldagem. Usinagem.
02/07/2013
Luiz
Preparação do aço para usinagem Na laminação e no forjamento, os grãos são comprimidos uns contra os outros e apresentam aparência de grãos amassados. Os grãos deformados não têm a mesma resistência e as mesmas qualidades mecânicas dos grãos normais.
02/07/2013
Luiz
Preparação do aço para usinagem
02/07/2013
Luiz
Preparação do aço para usinagem – Recozimento subcrítico PROCESSO A peça é aquecida lentamente no forno até uma temperatura abaixo da zona crítica.
Por volta de 570ºC a 670ºC (no caso de aços-carbono).
De 1 a 3 horas no forno. A peça é resfriada no próprio forno.
02/07/2013
Luiz
Preparação do aço para usinagem – Recozimento subcrítico
02/07/2013
Luiz
Preparação do aço para usinagem – Recozimento subcrítico Alívio de tensões recozer Tratamento subcrítico: A ferrita e a perlita não chegam a se transformar em austenita.
Portanto, aliviam-se as tensões sem alterar a estrutura do material.
Ver diagrama... 02/07/2013
Luiz
Preparação do aço para usinagem Normalização A normalização consiste em refinar (diminuir) a granulação grosseira da peça, de modo que os grãos fiquem numa faixa de tamanho considerada normal.
02/07/2013
Luiz
Preparação do aço para usinagem Normalização Uma granulação grosseira torna o material quebradiço, alterando suas propriedades mecânicas. As fissuras (trincas) também se propagam mais facilmente no interior dos grãos grandes. Por isso, os grãos mais finos (pequenos) possuem melhores propriedades mecânicas.
02/07/2013
Luiz
Preparação do aço para usinagem Normalização PROCESSO A peça é levada levada ao forno com temperatura acima da zona crítica: Entre 750ºC e 950ºC. O material se transforma em austenita.
De 1 a 3 horas no forno. A peça é retirada retirada e colocada colocada numa bancada, para se resfriar.
02/07/2013
Luiz
Preparação do aço para usinagem Normalização
02/07/2013
Luiz
Preparação do aço para usinagem Normalização
Em temperaturas bem acima da zona crítica:
Os grãos de austenita crescem, absorvendo os grãos vizinhos menos estáveis. Esse crescimento é tão mais rápido quanto mais elevada for a temperatura.
No resfriamento:
Os grãos de austenita transformam-se tr ansformam-se em grãos de perlita e de ferrita. Suas dimensões dependem, em parte, do tamanho dos grãos de austenita.
02/07/2013
Luiz
Preparação do aço para usinagem – Recozimento O recozimento pleno do aço... Diminui a dureza. Aumentar a ductibilidade. Melhorar a usinabilidade. Ajustar o tamanho do grão.
02/07/2013
Luiz
Preparação do aço para usinagem – Recozimento Quando uma peça sai do processo inicial de fabricação - fundição, prensagem, forjamento, laminação terá de passar por outros processos mecânicos antes de ficar pronta. O aço deve estar macio para ser trabalhado.
02/07/2013
Luiz
Preparação do aço para usinagem – Recozimento
Um eixo, por exemplo, precisa ser usinado, desbastado num torno, perfurado.
02/07/2013
Luiz
Preparação do aço para usinagem – Recozimento PROCESSO Aquecer o aço num forno, numa temperatura acima da zona crítica. Após certo tempo, o forno é desligado. A peça é resfriada no interior do forno.
02/07/2013
Luiz
Preparação do aço para usinagem – Recozimento Aços-carbono ABNT (AISI)
Temperatura de Austenização ºC
1020
855º - 900º
855º
700º
111 - 149
1025
855º - 900º
855º
700º
111 - 149
1030
840º - 885º
840º
650º
126 - 197
1035
840º - 885º
840º
650º
137 - 207
1040
790º - 870º
790º
650º
137 - 207
1045
790º - 870º
790º
650º
156 - 217
1050
790º - 870º
790º
650º
156 - 217
1060
790º - 840º
790º
650º
156 - 217
1070
790º - 840º
790º
650º
167 - 229
1080
790º - 840º
790º
650º
167 - 229
1090
790º - 830º
790º
650º
167 - 229
1095
790º - 830º
790º
650º
167 - 229
*Resfriamento a 25ºC/h, no interior do forno.
02/07/2013
Luiz
Ciclo de resfriamento* de até
Faixa de dureza (Brinell)
Preparação do aço para usinagem – Esferoidização
Esferoidização significa dar forma de esfera à cementita.
Reduz bastante a dureza do aço. Economiza material durante a usinagem de aços com elevado teor de carbono. Este tratamento também é chamado de coalescimento pelo fato de que durante o processo a cementita se aglutina em partículas de forma esferoidal. Indicado para aços de alto teor de carbono.
(têm mais cementita do que os aços de médio e baixo carbono)
02/07/2013
Luiz
Preparação do aço para usinagem – Esferoidização
02/07/2013
Luiz
Preparação do aço para usinagem – Esferoidização PROCESSO 1 Aquecimento e resfriamento alternados entre temperaturas que estejam logo acima e logo abaixo da linha de transformação inferior da zona crítica.
02/07/2013
Luiz
Preparação do aço para usinagem – Esferoidização
02/07/2013
Luiz
Preparação do aço para usinagem – Esferoidização PROCESSO 2 Aquecimento por tempo prolongado em temperatura logo abaixo da zona crítica.
02/07/2013
Luiz
Preparação do aço para usinagem – Esferoidização
02/07/2013
Luiz
Endurecimento do aço – Têmpera A têmpera é um processo de tratamento térmico do aço destinado à obtenção de dureza. Uma têmpera feita corretamente possibilita...
vida longa à ferramenta, que não se desgasta nem se deforma rapidamente.
02/07/2013
Luiz
Endurecimento do aço – Têmpera PROCESSO Aquecer o aço num forno com temperatura acima da zona crítica.
Para o aço-carbono, a temperatura varia de 750º a 900ºC.
A peça permanece nessa temperatura o tempo necessário para se transformar em austenita. Resfriamento brusco: A peça é retirada do forno e mergulhada em água.
A 02/07/2013
temperatura cai de 850ºC para 20ºC. Luiz
Endurecimento do aço – Têmpera
Luiz
Endurecimento do aço – Têmpera Quando a austenita é resfriada muito rapidamente, não há tempo para que se transformar em ferrita, cementita ou perlita. A austenita se transforma num novo constituinte do aço chamado martensita.
02/07/2013
Luiz
Endurecimento do aço – Têmpera Cuidados no resfriamento O resfriamento brusco provoca o que se chama de choque térmico. Pode provocar danos irreparáveis ao material.
Mas o resfriamento brusco é necessário à formação da martensita.
Dependendo da composição química do aço, podemos resfriá-lo de forma menos severa:
Óleo ou Jato de ar.
02/07/2013
Luiz
Endurecimento do aço – Revenimento
O revenimento tem a finalidade de corrigir a dureza excessiva da têmpera, aliviar ou remover as tensões internas.
02/07/2013
Luiz
Endurecimento do aço – Revenimento
02/07/2013
Luiz
Endurecimento do aço – Revenimento
Logo após a têmpera, a peça é levada ao forno, em temperatura abaixo da zona crítica.
Variando de 100ºC a 700ºC, dependendo da futura utilização do aço. Quanto mais alta a temperatura de revenimento maior será a queda da dureza de têmpera.
De 1 a 3 horas. Resfria-se a peça fora do forno.
02/07/2013
Luiz
Endurecimento do aço – Têmpera e revenimento
02/07/2013
Luiz
Endurecimento do aço – Tratamento isotérmico
Luiz
Endurecimento do aço – Tratamento isotérmico Diagrama TTT Tempo, Temperatura e Transformação.
Indica as transformações da austenita em diferentes velocidades de esfriamento.
Compare com o diagrama de equilíbrio de fases 02/07/2013
Luiz
Endurecimento do aço – Tratamento isotérmico – Austêmpera Para aços de alto teor de carbono (alta temperabilidade). A dureza da bainita é de, aproximadamente, 50 Rockwell C e a dureza da martensita é de 65 a 67 Rockwell C.
02/07/2013
Luiz
Endurecimento do aço – Tratamento isotérmico – Austêmpera
02/07/2013
Luiz
Endurecimento do aço – Tratamento isotérmico – Austêmpera PROCESSO A peça é aquecida acima da zona crítica. A peça permanece aquecida por certo tempo (posição 1).
É resfriada bruscamente em banho de sal fundido (posição 2).
Entre 260ºC e 440ºC
Permanece nessa temperatura por um tempo, até que sejam cortadas as duas curvas (posição 3).
Até que toda a estrutura se transforme em austenita.
Ocorrendo transformação da austenita em bainita.
Em seguida, é resfriada ao ar livre (posição 4).
02/07/2013
Luiz
Endurecimento do aço – Tratamento isotérmico – Austêmpera INTERPRETAÇÃO Acima de 750ºC: campo da austenita; Curva à esquerda (i), curva de início de transformação da austenita em perlita ou bainita; Curva à direita (f), curva de fim de transformação; Mi – início de transformação da austenita em martensita; Mf – fim de transformação. 02/07/2013
Luiz
Endurecimento do aço – Tratamento isotérmico – Austêmpera
perlita + ferrita + cementita
martensita
02/07/2013
Luiz
Endurecimento do aço – Tratamento isotérmico – Austêmpera
02/07/2013
Luiz
Endurecimento do aço – Tratamento isotérmico – Martêmpera Para aços-liga. Reduz o risco de empenamento das peças. A martensita obtida apresenta-se uniforme e homogênea, diminuindo riscos de trincas. Após a mantêmpera é necessário submeter a peça a revenimento.
02/07/2013
Luiz
Endurecimento do aço – Tratamento isotérmico – Martêmpera
02/07/2013
Luiz
Endurecimento do aço – Tratamento isotérmico – Martêmpera PROCESSO Aquecimento acima da zona crítica (posição 1). A peça é resfriada em duas etapas. 1. A peça é mergulhada num banho de sal fundido ou óleo quente, com temperatura um pouco acima da linha Mi (posição 2).
2.
Mantém-se a peça nessa temperatura por certo tempo, tendo-se o cuidado de não cortar a primeira curva ( posição 3).
A segunda etapa é a do resfriamento final, ao ar, em temperatura ambiente (posição 4).
02/07/2013
Luiz
Endurecimento do aço – Tratamento isotérmico – Martêmpera
martensita 02/07/2013
Luiz
Conteúdo 1.
Introdução à Materiais
2.
Metais
3.
Obtenção dos materiais Classificação, normalização, aplicação e catálogos técnicos
Processos de fabricação dos metais
4.
Conceito Tipos Microestruturas Propriedades
Tratamentos térmicos Proteção superficial
Outros materiais
02/07/2013
Luiz
