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Aula 7
UBI Abílio Silva Dep. Electromecânica
Universidade da Beira Interior
Departamento de Engenharia Electromecânica
Curso: Engenharia Electromecânica
Engenharia Aeronáutica
Unidade Curricular: Ciência dos Materiais
Sumário:
Aplicações e Processamento
Processamento de ferro e aço. Aços carbono. Diagramas de fases
Ferro-carbono. Tratamentos térmicos.
Taxionomia dos Metais Ligas Metálicas
Steels
Ferrosas Não Ferrosas
Cast Irons Cu Al Mg Ti
<1.4wt%C 3-4.5 wt%C
Aços <1.4 % C
Ferros Fundidos 2.5-4.0 % C
Fe 3 C
cementite
1600
1400
1200
1000
800
600
400 0 1 2 3 4 5 6 6.7
L
g
austenite
g +L
g +Fe3C a
ferrite a +Fe3C
L+Fe3C
d
(Fe) wt% C
Eutectica
Eutectoide 0.78
4.30
727°C
1148°C
T(°C) microestrutura: ferrite, grafite cementite
Aula 7
UBI Abílio Silva Dep. Electromecânica
Produção do ferro e aço
Principais minérios de ferro:
- magnetites (±72%Fe; Fe3O4)
- hematites (±70%Fe; Fe2O3)
- limonites (±48%Fe; 2FeO3.3H2O)
- siderites
- pirites (FeS2)
Ferro é um metal maleável, tenaz, de coloração cinza prateado apresentando
propriedades magnéticas; é ferromagnético à temperatura ambiente.
Principais factores para o sucesso do ferro:
-minério abundante
-extracção fácil
-boas e variadas propriedades mecânicas
-económico
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Aula 7
Produção do ferro e aço
UBI Abílio Silva Dep. Electromecânica
Aula 7
Ferro Primário
••Fontes de FerroFontes de Ferro
5mm<Pelotas<18mm 5mm<Pelotas<18mm 5mm<Sinter<50mm 5mm<Sinter<50mm 6mm< Minério <40mm granulado
6mm< Minério <40mm granulado
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Aula 7
6
Alto Forno
UBI Abílio Silva Dep. Electromecânica
A matéria prima precisa 6 a 8 horas para alcançar o fundo do forno (cadinho) na
forma do produto final de metal fundido (gusa) e escória líquida (mistura de
óxidos não reduzidos). Estes produtos líquidos são vazados em intervalos
regulares de tempo.
Os produtos do alto forno são a gusa (que segue para o processo de refino do
aço), a escória (matéria-prima para a indústria de cimento), gases de topo e
material particulado.
Uma vez iniciada a campanha de um alto forno ele será operado continuamente
de 4 a 10 anos com paradas curtas para manutenções planeadas.
Aula 7
Refinamento do aço
minério de ferro
coque cal
3CO + Fe2O3 2Fe +3CO2
C + O2 CO2
CO2 + C 2CO
CaCO3 CaO+CO2 CaO + SiO2 + Al2O3 escória
purificação
redução de minério em ferro
geração de calor
ferro fundido
Alto Forno
ar
camadas de
coque e minério
de ferro
gás
escória
revestimento
refractário
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Aula 7
Alto Forno
Minério
Coque
Zona
Granular
Zona
de Amolecimento
e Fusão
Zona
de Coque Ativa
Camada
em Amolecimento
e Fusão
Zona
de Combustão
Cadinho
Zona de
Gotejamento
Zona
de Coque
Estagnado
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A produção do aço líquido dá-se através da oxidação
controlada das impurezas presentes no gusa (em líquido) e
na sucata.
Este processo é denominado refinamento do aço e é realizado
em uma instalação conhecida como “aciaria”.
O refinamento do aço normalmente é realizado pelos
seguintes processos:
- Aciaria a oxigênio – Conversor LD
(carga predominantemente líquida).
- Aciaria elétrica – Forno elétrico (arco) – FEA
(carga predominantemente sólida).
Aula 7
Conversor
UBI Abílio Silva Dep. Electromecânica
Responsável por cerca 60% (540 milhões ton/ano) da
produção de aço líquido mundial, a tecnologia continua a
ser a mais importante rota para a produção de aço,
particularmente, chapas de aço de alta qualidade.
Processo industrial teve início em 1952, quando o
oxigênio tornou-se industrialmente barato. A partir daí o
crescimento foi explosivo.
Permite elaborar uma enorme gama de de tipos de aços,
desde o baixo carbono aos média-liga.
Aula 7
As seguintes operações podem ser executadas:
- Homogeneização do calor;
- Ajuste da composição;
- Ajuste da temperatura do aço;
- Desoxidação – remoção do oxigênio residual do aço e cria condições
termodinâmicas para a adição de elementos de liga (os desoxidantes mais
comuns são ferro-ligas, escolhidos em função do aço a ser fabricado (FeMn,
FeSiMn) e Alumínio.
- Desulfuração com escória sintética ou injeção de pós;
- Desfosforação
Forno de Panela
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11
É uma operação que tem como objetivo a remoção de gases residuais do aço
(hidrogênio, nitrogênio e oxigênio) e auxilia na remoção de inclusões.
Na siderurgia, a desgaseificação é processada de duas maneiras:
- Desgaseificação à vacuo
- Desgaseificação com sopro de argon
Desgaseificação
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Aula 7
Toda a etapa de refinamento do aço dá-se no estado líquido. Posteriormente é
necessário solidificá-lo de forma adequada.
O lingotamento do aço pode ser realizado de três formas:
DIRECTO: o aço é vazado diretamente na lingoteira;
INDIRECTO: o aço é vazado num conduto vertical penetrando na lingoteira pela
sua base;
CONTÍNUO: o aço é vazado continuamente para um molde arrefecido a água.
Lingotamento
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Aula 7
O lingotamento contínuo é um processo pelo qual o aço fundido é solidificado
em um produto semi-acabado, tarugo, perfis ou placas para subseqüente
laminação.
Antes da introdução do lingotamento contínuo, nos anos 50, o aço era vazado
em moldes estacionário (lingoteiras).
Lingotamento Contínuo
Exemplos de seções
possíveis no
lingotamento
contínuo (mm)
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Aula 7
Conformação A grande importância dos metais na tecnologia moderna deve-se, em grande parte, à
facilidade com que eles podem ser produzidos nas mais variadas formas, para atender a
diferentes usos.
Os processos de fabricação de peças a partir dos metais no estado sólido podem ser
classificados em:
- Conformação Mecânica: volume e massa são conservados;
- Remoção Metálica ou Usinagem: retira-se material para se obter a forma desejada;
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Extrusão: Processo no qual um bloco de metal tem reduzida sua seção transversal pela
aplicação de pressões elevadas, forçando-o a escoar através do orifício de uma matriz.
Trefilação: Processo que consiste em puxar o metal através de uma matriz, por meio de uma
força de tração a ele aplicada na saída dessa mesma matriz.
Forjamento: Processo de transformação de metais por prensagem ou martelamento (é a mais
antiga forma de conformação existente).
Laminação: Processo de deformação plástica no qual o metal tem sua forma alterada ao
passar entre rolos e rotação. É o de maior uso em função de sua alta produtividade e precisão
dimensional. Pode ser a quente ou a frio.
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Dobramento
Forjamento
Laminação
Trefilação
Embutimento
Profundo Estiramento
Matriz
Corte
ExtrusãoExtrusão
Tipos de Conformação
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Lingotamento e Laminação
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Diagrama Ferro-Carbono (Fe-C)
• 2 pontos
importantes:
-Eutectoide (B):
g a + Fe3C
-Eutectico (A):
L g + Fe3C
Fe
3C
(ce
me
ntite
)
1600
1400
1200
1000
800
600
400 0 1 2 3 4 5 6 6.7
L
g
(austenite)
g +L
g +Fe3C
a +Fe3C
L+Fe3C
d
(Fe) Co, wt% C
1148°C
T(°C)
a 727°C = T eutectoide
A
S R
4.30
Aço EutectoideAço Eutectoide: Perlite = camadas alternadas de a e Fe3C
120 mm
g g
g g
R S
0.76
eu
tecto
ide
B
Fe3C (cementite-dura)
a (ferrite-dúctil)
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Aço Hipoeutectoide
Fe
3C
(ce
me
ntite
)
1600
1400
1200
1000
800
600
400 0 1 2 3 4 5 6 6.7
L
g
(austenite)
g +L
g + Fe3C
a + Fe3C
L+Fe3C
d
(Fe) Co , wt% C
1148°C
T(°C)
a 727°C
C0
0.7
6
ferrite proeutectoide perlite
100 mm Aço Hipoeutectoide
R S
a
w a = S /( R + S )
w Fe3
C
= (1- w a )
w perlite = w g perlite
r s
w a = s /( r + s )
w g = (1- w a )
g
g g
g a
a a
g g g g
g g
g g
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Aço Hipereutectoide
Fe
3C
(ce
me
ntite
)
1600
1400
1200
1000
800
600
400 0 1 2 3 4 5 6 6.7
L
g
(austenite)
g +L
g +Fe3C
a +Fe3C
L+Fe3C
d
(Fe) Co , wt%C
1148°C
T(°C)
a
0.7
6
Co
proeutectoide Fe3C
60 mm Aço Hipereutectoide
perlite
R S
w a = S /( R + S )
w Fe3C = (1- w a )
w perlite = w g perlite
s r
w Fe3C = r /( r + s )
w g =(1- w Fe3C )
Fe3C
g g
g g
g g g g
g g g g
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Influência de elementos de adição nos AÇOS
• Teutectoide variações: • Ceutectoide variações:
T E
ute
cto
ide
(
°C)
wt. % dos elementos
Ti
Ni
Mo Si
W
Cr
Mn
wt. % dos elementos C
eute
cto
ide
(w
t%C
)
Ni
Ti
Cr
Si Mn
W Mo
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a) Recozimento
b) Têmpera
Tratamentos Térmicos
c)
c) Têmpera +
Revenido
tempo (s) 10 10
3 10
5 10
-1
400
600
800
T(°C) Austenite (estável)
200
P
B
TE A
A
M + A
M + A
0%
50%
90%
a) b)
A – austenite
B – bainite
P - perlite
Depois duma têmpera é usual fazer-se
um revenido para aliviar os efeitos
demasiados acentuados duma
têmpera
Recozimento – arrefecimento lento
Têmpera – arrefecimento rápido
Martensite
Aula 7
Recozimento: Aquecimento à TRecoz, depois arrefecimento lento
Tratamentos térmicos em Metais
Tipos de Recozimento
• Recozimento:
Efeito negativo no trabalho a frio por (recuperação/ recristalização)
• Recoz. Alívio de Tensões tensões causadas por:
-deformação plástica -arrefecimento não uniforme -transformação
de fases
• Normalização (aços): Aço com grãos grandes Depois da normalização Obtém-se grãos pequenos.
• Recoz. Total (aços): Faz alguns aços macios, Boa deformação por aquec obter g , depois arref. cont.
p/ obter perlite grossa.
• Esferoidite (aços): Faz aços muito macios, com boa maquinagem. Aquec. pouco abaixo TE & manter por
15-25 h.
Aula 7
Exemplo: Temperabilidade dos Aços
• capacidade de formar martensite
• ensaio de medida da temperabilidade (ensaio de Jominy).
• Dureza versus distância do topo do arrefecimento.
Água 24°C
provete (aquec. até g)
orifício
Teste de Dureza
Dure
za
Distância desde topo arrefecido
Aula 7
A taxa de arrefecimento varia com a posição.
Exemplo: A Dureza depende da “Posição”
D
ure
za
20
40
60
0 1 2 3
600
400
200 A M
0.1 1 10 100 1000
T(°C)
M(start)
Tempo (s)
0
0%
100%
M(finish)
Aula 7
O carbono é o elemento principal, porém contêm outros elementos, dependendo do
seu conteúdo em carbono são classificados em:
Aço baixo em carbono: Contém menos de 0.25% de carbono (peso). São mais frágeis
porém dúcteis. São utilizados em veículos, tubos, elementos estruturais e outros. Existem
os aços de alta resistência com baixa liga de carbono, contêm outros elementos até uns
10% em peso; apresentam uma maior resistência mecânica e podem ser trabalhados
facilmente.
Aço médio em carbono: Entre 0.25% e 0.6% de carbono (peso). Para melhorar suas
propriedades são tratados termicamente. São mais resistentes que os aços baixo em
carbono, porém menos dúcteis, sendo empregados em peças de engenharia que requerem
uma alta resistência mecânica e também suportar desgaste.
Aço alto em carbono: Entre 0.60% e 1.4% de carbono (peso). São os mais resistentes,
porém são os menos dúcteis. È frequente a adição de outros elementos para que formem
carbonetos, por exemplo, o carboneto de tungsténio (adição de tunsténio/ volfrâmio).
Estes carbonetos são muito duros, resultando em aços utilizados principalmente para a
fabricação de ferramentas.
Diferentes tipos de aço carbono Aula 7
Nomenclatura AISI & SAE (American Iron and Steel Institute; Society Automotive Engineering)
10xx Aços Carbono simples onde xx é a percentagem de carbono (% C)
exemplo: aço 1060 – aço carbono simples com 0.60% C
Aços de Baixa Liga – Nomenclatura Aula 7
Exercícios
1. Para se obter ferro é necessário inserir o minério de ferro no alto forno e atingir
temperaturas elevadas. Faça um esquema onde identifique os reagentes
necessários introduzir no alto-forno e os respectivos produtos.
2. O aço é um produto derivado do ferro obtido à saída do conversor. Explique
sucintamente o procedimento de purificação do ferro gusa e obtenção do aço.
3. Num diagrama Ferro carbono identifique as fases sólidas e as reacções
invariantes presentes.
4. Descreva a diferença microestrutural entre um aço com 0,2% de Carbono e
um aço de 0,9% de Carbono. Quais as consequências para as propriedades do
aço essa diferença de teor de carbono. Apresente exemplos de aplicações.
Aula 7
CONSULTE OS LINKS:
http://www.eef.org.uk/uksteel/steel/about+the+industry/making+steel/diagrams/production_of_molten_steel.htm
http://www.youtube.com/watch_popup?v=K81RJQ-ko3U#t=215
http://www.youtube.com/watch?v=6xnKmt_gsLs&feature=PlayList&p=1772A48AC4706C80&index=0
http://www.metsoc.org/virtualtour/processes/steel.asp
http://www.youtube.com/watch?v=ijWwfcw0FOo&feature=PlayList&p=1772A48AC4706C80&index=12
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