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Aplicações e processamento
de ligas metálicas
1º semestre / 2016
Universidade Estadual de Ponta Grossa Departamento de Engenharia de Materiais Disciplina: Ciência dos Materiais 1
2
Aplicações e processamento
de ligas metálicas
Questões para tratar
• Como as ligas metálicas são classificadas e quais são
suas aplicações comuns?
• Quais são algumas das técnicas de fabricação comuns para
metais?
• Quais os procedimentos de tratamentos térmicos que são
usados para aprimorar as propriedades mecânicas de ligas
ferrosas e não-ferrosas?
3
Adapted from Fig. 9.24, Callister &
Rethwisch 8e. (Fig. 9.24 adapted from
Binary Alloy Phase Diagrams, 2nd ed.,
Vol. 1, T.B. Massalski (Ed.-in-Chief),
ASM International, Materials Park, OH,
1990.)
Adapted from Fig.
11.1, Callister &
Rethwisch 8e.
Classificação de metais e ligas Ligas metálicas
Steels
Ferrosas Não-ferrosas
Cast Irons
<1.4wt%C 3-4.5 wt%C
Aços <1,4%p. C
Ferros Fundidos 3-4,5% p. C
Fe 3 C
cementita
1600
1400
1200
1000
800
600
400 0 1 2 3 4 5 6 6.7
L
g
austenita
g +L
g +Fe3C a
ferrita a +Fe3C
L+Fe3C
d
(Fe) Co , wt% C
Eutético:
Eutetoide: 0.76
4.30
727ºC
1148ºC
T(ºC) microestrutura: ferrita, grafita/cementita
4 Based on data provided in Tables 11.1(b), 11.2(b), 11.3, and 11.4, Callister & Rethwisch 8e.
Aços
Baixa liga Alta liga
baixo C <0,25 %p. C
médio C 0,25-0,6 %p. C
alto C 0,6-1,4 %p. C
Aplicações carros estr.
pontes torres vasos de pressão
virabrequins eixos
parafusos
pistões engren. aplic. desgaste
aplic. desgaste
ferramentas de corte matrizes
aplicações alta T. turbinas fornos
Alta resist. à corrosão
Exemplo 1010 4310 1040 43 40 1095 4190 304, 409
Adições --- Cr,V
Ni, Mo ---
Cr, Ni
Mo ---
Cr, V,
Mo, W Cr, Ni, Mo
comum HSLA comum tratável
termicam. comum ferramenta inoxidável Nome
Endurecibilidade 0 + + ++ ++ +++ várias
LRT - 0 + ++ + ++ várias AL + + 0 - - -- ++
aumento de resist., custo, diminuição de ductilidade
5
Produção de ferro
Minério de ferro Coque
Calcário
3CO + Fe2O3 2Fe +3CO2
C + O2 CO2
CO2 + C 2CO
CaCO3 CaO+CO2 CaO + SiO2 + Al2O3 slag
Purificação
Redução do minério de Fe para metal
geração de calor
Ferro fundido
Ferro gusa
Alto forno
escória ar
camada de coque e minério de ferro
gás forno
refratário
6
Ligas ferrosas
Ligas à base de ferro
Nomenclatura para aços (AISI/SAE)
10xx Aços carbonos comuns
15xx Mn (1,00 – 1,65%)
40xx Mo (0.20 ~ 0.30%)
43xx Ni (1,65 – 2,00%), Cr (0,40 – 0,90%), Mo (0,20 – 0,30%)
44xx Mo (0,5%)
onde xx é %p. de C x 100
exemplo: aço 1060 – aço carbono comum com 0,60 %p. de C
Aço inoxidável >11% Cr
• Aços
• Ferros fundidos
7
Ferros fundidos
• Ligas ferrosas com > 2,1%p. de C
– mais comum: 3 – 4,5%p. de C
• Baixa temperatura de fusão – relativamente
fáceis de fundir
• Geralmente frágeis
• Cementita se decompõe em ferrita + grafita
Fe3C 3 Fe (a) + C (grafita)
8
Diagrama de equilíbrio Fe-C verdadeiro
Formação de grafita
promovida por:
• Si > 1% p.
• resfriamento lento
Adapted from Fig. 11.2,
Callister & Rethwisch 8e.
[Fig. 11.2 adapted from
Binary Alloy Phase
Diagrams, 2nd ed.,
Vol. 1, T.B. Massalski (Ed.-
in-Chief), ASM International,
Materials Park, OH, 1990.]
1600
1400
1200
1000
800
600
400 0 1 2 3 4 90
L
g +L
a + Grafita
Líquido +
Grafita
(Fe) C, %p. de C
0,6
5 740ºC
T(ºC)
g + Grafita
100
1153ºC g
Austenita 4.2 wt% C
a + g
9
Tipos de ferro fundido Ferro fundido cinzento
• flocos de grafita
• fraco e frágil em tração
• mais fortes em compressão
• excelente amortecimento
vibracional
• resistência ao desgaste
Ferro fundido dúctil (ou nodular)
• adição de Mg e/ou Ce
• nódulos de grafita
• matriz normalmente é perlita
• mais resistentes e ducteis que
ferro cinzento
Adapted from Fig.
11.3(a) & (b),
Callister &
Rethwisch 8e.
10
Tipos de ferro fundido
Ferro fundido branco
• < 1%p. de Si
• perlita + cementita
• elevada dureza
• frágeis
Ferro fundido maleável
• tratamento térmico do ferro fundido
branco a 800-900ºC
• grafita e rosetas em matriz de ferrita
ou perlita
• razoavelmente resistentes e dúcteis
Adapted from Fig.
11.3(c) & (d),
Callister &
Rethwisch 8e.
11
Tipos de ferros fundidos
Ferro fundido vermicular
• condutividade térmica relativamente
alta
• boa resistência ao choque térmico
• baixa oxidação em elevadas
temperaturas
Adapted from Fig. 11.3(e),
Callister & Rethwisch 8e.
12
Produção de ferros fundidos
Adapted from Fig.11.5,
Callister & Rethwisch 8e.
Faixa comercial dos
Te
mpera
tura
ferros fundidos
Resf. rápido Moderado Resf. lento Moderado Resf. lento
Reaq.: manter a
Resf. rápido Resf. lento
Maleável
perlítico
Maleável
ferrítico
ferro
fundido
branco
ferro fundido
cinzento
perlítico
ferro fundido
cinzento
ferrítico
ferro fundido
dúctil
perlítico
ferro fundido
dúctil
ferrítico
13
Limitações de ligas ferrosas
1) Densidades relativamente elevadas
2) Condutividades elétricas relativamente
baixas
3) Geralmente possuem baixa resistência à
corrosão
14 Based on discussion and data provided in Section 11.3, Callister & Rethwisch 3e.
Ligas não-ferrosas
Ligas não-ferrosas
• Alumínio e suas ligas -baixa r: 2,7 g/cm3
-adições de Cu, Mg, Si, Mn, Zn -endurecíveis por solid sol. ou precipitação (partes
estruturais de aeronaves e embalagens)
• Mg e suas ligas -r muito baixa: : 1,7g/cm3
-ignição fácil - aeronaves, mísseis
• Metais refratários -alta Tfusão -Nb, Mo, W, Ta • Metais nobres
-Ag, Au, Pt - resistência oxid./corr.
• Titânio e suas ligas -baixa r : 4,5 g/cm3
vs 7,9 para aço -reativo em alta T
• Cobre e suas ligas Latão: Zn é impureza subst. (bijuterias, moedas, resistência à corrosão) Bronze : Sn, Al, Si, Ni são impurezas subst. (buchas, mancais, engrenagens) Cu-Be : endurecível por precipitação
15
Fabricação de Metais
• Como fabricamos metais?
– Forja
– Fundição
• Operações de conformação
– Alteração de forma mediante deformação plástica
Trabalho a quente vs. Trabalho a frio
• Temperatura de deformação
suficientemente alta para
recristalização
• Baixas deformações
• Deformação abaixo da
temperatura de
recristalização
• Ocorre encruamento
• Menores deformações
16
CONFORMAÇÃO
A o
A d
• Laminação (a quente ou a frio)
(perfis, trilhos, chapas e placas)
A o A d
força
matriz
força
• Forjamento
(ferramentas, virabrequins)
freq. em
T elevada
Adapted from
Fig. 11.8,
Callister &
Rethwisch 8e.
Métodos de fabricação de metais (i)
Êmbolo tarugo
Invólucro
Invólucro
força suporte da matriz
matriz
A o
A d extrusão
• Extrusão
(tubos)
força de tração
A o
A d matriz
matriz
• Estiramento
(fios, tubos)
FUNDIÇÃO DIVERSOS
17
CONFORMAÇÃO FUNDIÇÃO
Métodos de fabricação de metais (ii)
• Fundição – molde é preenchido com metal fundido
– metal é fundido em um forno, com adição de elementos de liga (se necessário) e então vazado em um molde
– comum e poder ser de baixo custo
– produtos menos resistentes, defeitos internos
– boa opção para materiais frágeis
DIVERSOS
18
• Fundição em areia
(peças grandes, ex.:
blocos de motores)
Métodos de fabricação de metais (iii)
• Que material suporta T >1600ºC, é de baixo custo e fácil de moldar??
• Resposta: areia!!!
• Para criar o molde, areia é moldada ao redor de uma modelo com a geometria desejada
Areia Areia
molten metal
CONFORMAÇÃO FUNDIÇÃO DIVERSOS
19
• Estágio I — Despeja uma
“barbotina” ao redor de um modelo
de cera. “Barbotina” endurece.
• Estágio II — Cera é fundida e
retirada do molde, deixando a
cavidade do molde.
• Estágio III — Metal fundido é
vazado no interior do molde e
solidificado.
Métodos de fabricação de metais (iv)
• Fundição por cera perdida
(pequeno volume, formas complexas
ex: joias, palhetas de turbinas
cera I
II
III
CONFORMAÇÃO FUNDIÇÃO DIVERSOS
20
Métodos de fabricação de metais (v)
• Lingotamento contínuo
-- geometrias simples
(placas retangulares)
fundido
solidificado
• Fundição em matriz
-- grande volume de produção
-- ligas com baixa T de fusão
CONFORMAÇÃO FUNDIÇÃO DIVERSOS
21
DIVERSOS FUNDIÇÃO
Métodos de fabricação de metais (vi)
• Metalurgia do pó
pressão
aquecimento
ponto de contato em baixa T
densificação por difusão em T mais elevadas
área de
contato
densificação
• Soldagem
(quando a produção de uma peça
grande é inviável)
• Zona termicamente
afetada:
região onde a
microestrutura foi
alterada
Adapted from Fig.
11.9, Callister &
Rethwisch 8e.
(Fig. 11.9 from Iron
Castings
Handbook, C.F.
Walton and T.J.
Opar (Ed.), 1981.)
peça 1 peça 2
metal base fundido
metal de adição (fundido) metal base (fundido)
não afetada não afetada
zona termicamente
afetada
CONFORMAÇÃO
22
Recozimento: Aquecer até Trecoz, então resfriar lentamente.
Based on discussion in Section 11.7, Callister & Rethwisch 8e.
Processamento térmico de metais
Tipo de
Recozimento
• Processo de recoz.: Eliminar efeitos do trabalho a frio por (recuperação/ recristalização)
• Alívio de tensões: Reduz tensões resultantes de:
- deformação plástica - resfriamento não
uniforme - transformações
de fases.
• Normalização (aços): Aquecer aço para permitir recristalização e a formação de grãos menores
• Recoz. pleno (aços): Produzir aços para conformação mecânica.
Aq. até g e resfriar no forno
para obter perlita grossa
• Recoz. subcrítico (aços): Prodruzir aços de baixa dureza com boa usinabilidade. Aquecer logo abaixo da Teutetoide e
manter por 15-25 h.
23
a) Recoz. pleno
b) Têmpera
Tratamento térmico – Trajetórias
temperatura-tempo
c)
c) Revenido
(Martensita
revenida)
P
B
A
A
a) b)
Fig. 10.25,
Callister &
Rethwisch 8e.
24
Endurecibilidade -- Aços • Endurecibilidade – medida da habilidade para formar martensita
• Ensaio Jominy da extremidade temperada é usado para medir
endurecibilidade
• Gráfico dureza versus distância a partir da extremidade
temperada
Adapted from Fig. 11.11,
Callister & Rethwisch 8e.
(Fig. 11.11 adapted from
A.G. Guy, Essentials of
Materials Science,
McGraw-Hill Book
Company, New York,
1978.)
Adapted from Fig. 11.12,
Callister & Rethwisch 8e.
jato de água
a 24ºC
amostra (aquecido até
100% g)
trecho plano
Ensaios de
dureza
Rockwell C
Du
reza
, H
RC
Distância a partir da extremidade temperada
ASTM A255 – Standard Test Method for End-Quenched
Test for Hardenability of Steel
25
• A taxa de resfriamento diminui com a distância a partir da
extremidade temperada.
Adapted from Fig. 11.13, Callister &
Rethwisch 8e. (Fig. 11.13 adapted from H.
Boyer (Ed.) Atlas of Isothermal
Transformation and Cooling
Transformation Diagrams, American
Society for Metals, 1977, p. 376.)
Motivos das mudanças da dureza com
a distância
distância a partir da extremidade temperada (pol.) Du
reza
, H
RC
20
40
60
0 1 2 3
600
400
200 A M
0.1 1 10 100 1000
T(ºC)
M(início)
Tempo (s)
0
0%
100%
M(fim)
26
Endurecibilidade vs Composição da liga
• Curvas de endurecibilidade
para for cinco ligas com
C = 0,4%p. C
• “Aços liga" (4140, 4340, 5140, 8640)
-- contêm Ni, Cr, Mo
(0,2 a 2%p.)
-- estes elementos deslocam
as curvas de transformação
para tempos maiores
(de A para B)
-- mais fácil de formar martensita
Adapted from Fig. 11.14, Callister &
Rethwisch 8e. (Fig. 11.14 adapted from
figure furnished courtesy Republic Steel
Corporation.)
Taxa de resf. (ºC/s)
Dure
za,
HR
C
20
40
60
10 0 20 30 40 50 Distância a partir da extremidade temperada (mm)
2 10 100 3
4140
8640
5140
50
80
100
%M 4340
T(ºC)
10 -1
10 10 3
10 5 0
200
400
600
800
Tempo (s)
M(início)
M(90%)
B A
TE
27
• Influência do meio de têmpera:
Meio
ar
óleo
água
Severidade da têmpera
baixa
moderada
alta
Dureza
baixa
moderada
alta
• Efeito da geometria da amostra:
Quando a razão área de superfície:volume aumenta:
-- taxa de resfriamento no interior aumenta
-- dureza no interior aumenta
Posição
centro
superfície
Taxa de resf.
baixa
alta
Dureza
baixa
alta
Influência do meio de resfriamento e
da geometria da amostra
28
0 10 20 30 40 50 %p. de Cu
L a+L a
a+q q
q+L
300
400
500
600
700
(Al)
T(ºC)
faixa de composição disponível para endurecimento por
precipitação
CuAl2
A
Adapted from Fig. 11.24, Callister & Rethwisch 8e.
(Fig. 11.24 adapted from J.L. Murray, International
Metals Review 30, p.5, 1985.)
Endurecimento por precipitação • Partículas impedem movimentação de discordâncias.
• Ex: sistema Al-Cu
• Procedimento:
Adapted from Fig.
11.22, Callister &
Rethwisch 8e.
-- Pt B: têmpera até temp. amb.
(reter solução sólida a)
-- Pt C: reaqecer para nuclear
pequenas partículas de q no
interior da fase a. • Outros exemplos: • Cu-Be
• Cu-Sn
• Mg-Al
Temp.
Tempo
-- Pt A: trat. térm. de solubilização
(obter solução sólida a
Pt A (solubilização)
B
Pt B
C
Pt C (q precipitado)
29
• Liga de Al 2014 :
• Máximos nas curvas de LRT.
• Aumento em T acelera o
processo.
Adapted from Fig. 11.27, Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 11.27 adapted from Metals Handbook:
Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Pure Metals, Vol. 2, 9th ed., H. Baker (Managing
Ed.), American Society for Metals, 1979. p. 41.)
Influência do tratamento térmico de
precipitação na LRT e na %AL
Duração do tratamento térmico
de precipitação
LR
T (
MP
a)
200
300
400
100 1min 1h 1dia 1mês 1ano
204ºC 149ºC
• Mínimos nas curvas de %AL.
%A
L (
am
ostr
a d
e 2
pol.)
10
20
30
0 1min 1h 1dia 1mês 1ano
204ºC 149ºC
Duração do tratamento térmico
de precipitação
30
• Ligas ferrosas: aços e ferros fundidos
• Ligas não-ferrosas:
-- Ligas de Cu, Al, Ti, e Mg; ligas refratárias; e metais nobres.
• Técnicas de fabricação de metais:
-- conformação, fundição, diversas.
• Endurecibilidade
-- medida de um aço ser endurecido pela formação de martensita
-- aumenta com o aumento do teor de elementos de liga.
• Endurecimento por precipitação
-- endurecimento, aumento de resistência devido à formação
partículas precipitadas.
-- ligas de Al e Mg são endurecíveis por precipitação.
Resumo
Bibliografia
• Callister 8ª edição – Capítulo 11 completo
• Callister 5ª edição – Capítulo 11 e 12 completos
• Outras referência importante – Askeland, D.R.; Pradeep P. F.; Wright, W. J. Phulé, P.P. - The Science and
Engineering of Materials. CENGAGE Learning. 6a edição. 2010. Cap. 13 e 14