resumo metálicos
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RESUMO DE ESTRUTURA E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS METÁLICOS
As transformações se dão em duas principais partes:
Nucleação: Formação de partículas (ou núcleos), muito pequenos da nova fase, às
vezes submicroscópicos. Os sítios defeituosos, principalmente os contornos de grão
são os lugares mais propensos a ocorrer esta nucleação.
Crescimento: nesse estágio os núcleos crescem, ocorrendo perda de volume da fase
inicial. Se houver tempo necessário a transformação ocorre até atingir o equilíbrio.
A temperatura desempenha um papel muito importante nas transformações metálicas.
Como ilustra a figura a seguir.
Quanto maior a temperatura maior a taxa de difusão.
Representação de como são traçadas as curvas TTT.
.
Transformação de uma liga eutetóide
MICROESTRUTURAS
Perlita Grosseira:
São camadas mais espessas de Ferrita e Cementita. Ocorre em temperaturas logo abaixo do
Eutetóide, onde a taxa de difusão é alta, permitindo que os átomos de carbono alcancem
distancias maiores, assim aumentando a grossura das lamelas.
Perlita Fina:
Mais abaixo do eutetóide por volta de 540 graus a taxa de difusão diminui, com isso os átomos
de carbono atingem distancias menores, diminuindo a espessura das lamelas .
Bainita Superior:
A Bainita Superior se forma mais abaixo da Perlita Fina, aproximadamente entre 300 e 540
Graus. Nela a Cementita se dá através de estreitas tiras alongadas (parecidas com agulhas),
inseridas numa matriz de ferrita.
Bainita Inferior:
A Bainita Inferior se forma ainda mais abaixo da Bainita Superior, entre 200 e 300 graus. Nela a
Ferrita se encontra como placas finas, e partículas estreitas (Parecidas com bastões) de
Cementita se formam no interior dessas placas de ferrita.
Cementita Globulizada:
A Cementita Globulizada é obtida aquecendo uma liga perlítica ou bainítica a uma temperatura
abaixo da temperatura eutetóide por um intervalo de tempo suficientemente grande para que
ocorra a difusão. Nela a fase Cementita é encontrada em formas esféricas dentro de uma
matriz de ferrita, a força motriz para a transformação em cementita Globulizada é a redução
da área de contorno de fase ferrita-cementita.
Martensita:
A Martensita é uma estrutura monofásica, que se forma com taxas de resfriamento tão rápidas
que não permitem que ocorra difusão, assim a estrutura CFC austenítica é transformada em
TCC (Tetragonal de Corpo Centrado), onde os átomos de carbono são tidos como impurezas
intersticiais. Qualquer difusão que venha a ocorrer resultará na formação de ferrita e
cementita.
A Martensita pode ser encontrada com duas microestruturas muito diferentes:
1. RIPAS:
Para ligas com menos de 0,6% de C. São Ripas Contínuas agrupadas lado a lado, e essas
ripas fazem parte de conjuntos maiores, os blocos. Os detalhes dessa microestrutura são
finos demais para serem observados por microscopia ótica
2. LENTICULAR:
Encontradas em ligas com mais de 0,6% de C. Constituída por agulhas incrustada numa
matriz de austenita que não se transformou.
MARTENSITA EM RIPAS MARTENSITA LENTICULAR
A adição de elementos de liga pode causar alterações significativas nas curvas do diagrama
TTT. Tais como deslocamento do joelho de transformação perlítica para tempos mais
longos, criação de um joelho próprio para a transformação bainítica e aumento da
temperatura da transformação martensítica. Como observado abaixo:
PROPRIEDADES MECANICAS
Todas as microestruturas acima citadas com exceção da Martensita são formadas por
duas fases, ferrita e cementita. A cementita é muita mais dura e resistente, enquanto a
ferrita é mais dúctil, com isso pode-se explorar combinações entre as duas fases para
se obter o comportamento desejado.
Como a cementita é mais dura e frágil, o seu aumento causa uma melhora na
resistência e dureza do material, mas em contrapartida a ductilidade e tenacidade
serão reduzidas consideravelmente. Como é ilustrado abaixo:
Perlita:
A espessura de cada fase (ferrita/cementita) influencia no comportamento mecânico das
ligas. Quanto mais finas as lamelas mais resistente será o material.
A explicação para isso se encontra nos contornos de fase. Primeiramente existe uma forte
aderência entre as duas fases, com isso a cementita, que é resistente e dura “reforça” a
ferrita, não permitindo grandes níveis de deformação nas regiões próximas ao contorno.
Como na Perlita fina a área de contornos de fase é bem maior (devido a menor espessura),
o “reforço” na ferrita se torna substancialmente maior. E também se sabe que os
contornos são bloqueios para o movimento das discordâncias, assim quanto maior a área
de contornos, maior será a restrição ao movimento. Com isso conclui-se que a Perlita fina
é mais dura e resistente, e a Perlita grossa e mais dúctil, como observado abaixo:
Cementita Globulizada:
A cementita Globulizada apresenta a maior ductilidade e menor dureza que qualquer outro
tipo de microestrutura, isso novamente vem da restrição de movimento fornecida pelos
contornos de fase, e do reforço exercido pela cementita na ferrita na região do contorno.
Como a Cementita Globulizada tem menor área de contornos de fase, logo fornece menos
restrição ao movimento e reforça menos a ferrita.
Bainita:
Os aços bainíticos como apresentam uma estrutura mais fina, são mais duros e resistentes que
os perlíticos, porém apresentam também uma combinação desejável de resistência e
ductilidade.
Martensita:
Dentre todas microestruturas possíveis em uma liga de aço, a Martensita é a mais resistente,
dura e também a mais frágil, sua ductilidade chega a ser desprezível. Diferente dos aços
perlíticos e bainíticos a sua dureza não provem de sua microestrutura, e sim dos átomos de
carbonos situados intersticialmente inibindo o movimento das discordâncias (solução sólida), e
também dos poucos sistemas de escorregamento presentes na Martensita.
A Austenita é mais densa que a Martensita, por isso na transformação há um ganho de
volume. Assim peças muito grandes podem trincar se temperadas.
Martensita Revenida:
A Martensita é tão dura e frágil que não pode ser usada para a maioria das aplicações, e, além
disso, qualquer tensão interna que possa ter sido introduzida durante a têmpera pode causar
enfraquecimento. Para melhorar a ductilidade e tenacidade, e também aliviar as possíveis
tensões internas se faz um tratamento chamado revenido.
O revenido consiste em aquecer a peça a temperaturas relativamente altas, mas abaixo da
temperatura eutetóide, por um determinado intervalo de tempo, para que através de
processos do difusão a reação abaixo se ocorra:
Onde a Martensita TCC monofásica se transforme por difusão em cementita e ferrita, onde a
cementita é dividida em partículas muito pequenas distribuídas uniformemente em uma
matriz de ferrita, a estrutura é semelhante à da cementita Globulizada, mas difere no tamanho
das partículas de cementita, que na Martensita revenida são muito menores, aumentando
assim sua resistência.
Como o revenido se dá através da difusão, as variáveis que influenciam o processo são tempo
e temperatura, com isso quanto mais tempo e quanto maior for a temperatura, mais as
partículas de cementita crescerão, e assim o aço ficará mais macio e menos resistente.
TRATAMENTO TÉRMICO
Ao se temperar uma peça não é possível o resfriamento uniforme ao longo de todo seu
comprimento, as camadas superficiais se resfriam a uma taxa mais elevada do que o interior.
Com isso pode-se ocorrer a formação de microestruturas diferentes no interior da peça, o que
não é viável.
O sucesso da formação da Martensita depende de três fatores principais:
Composição da liga (tais como concentração de C, e elementos de liga)
Geometria da peça
Tipo e meio de resfriamento.
Endurecibilidade: É a medida de quão tratável termicamente o material é, ou seja, quanta
Martensita se forma ao longo do corpo.
ENSAIO DE JOMINY: O Ensaio de Jominy é utilizado para verificar a endurecibilidade de uma
liga de aço. Nele todos os parâmetros que influenciam a formação da Martensita (geometria
da peça, e tipo de resfriamento) são mantidos constantes, somente a composição muda.
O ensaio consiste em aquecer um corpo de prova cilíndrico com medidas especificas, durante
um intervalo de tempo pré-determinado, a uma temperatura específica até que toda sua
estrutura se torne austenítica, e então este corpo é rapidamente posicionado sobre um
suporte onde sua parte inferior recebe um jato de água (com vazão e temperatura pré-
determinadas), com isso a taxa de resfriamento diminui ao longo do corpo de prova. Após o
corpo se resfriar até a temperatura ambiente, chanfros são feitos ao longo de toda sua
extensão e são realizadas medidas de dureza nesses chanfros. A partir deste ensaio uma curva
de endurecibilidade é plotada.
Curvas de endurecibilidade: As curvas de endurecibilidade mostram a temperabilidade do aço,
como são plotadas a partir do ensaio de Jominy, mostram com precisão a formação de
Martensita ao longo da peça. Na superfície da peça, para a maioria dos aços a formação de
Martensita é de 100%, e vai diminuindo ao longo do comprimento da peça. Isso é explicado
pelo fato de no interior da peça a taxa de resfriamento ser menor, e com isso há tempo para
que ocorra a difusão do carbono, e com isso a formação de Perlita ou Bainita aliadas a
Martensita. Cada tipo de aço possui uma curva exclusiva de endurecibilidade.
AÇOS
Aços baixo Carbono: Os aços baixo carbono são os produzidos em maior quantidade,
contem menos que 0,25% de C, e por isso não são tratáveis termicamente (não
contem carbono suficiente para forçar a estrutura Austenítica se deformar para TCC).
O Aumento de resistência é adquirido por trabalho a frio. Tem normalmente baixa
dureza e resistência, mas apresentam alta ductilidade e tenacidade.
Aços alta resistência e baixa liga ( high strength low alloy) : São aços com baixo teor
de carbono e com outros elementos de liga, mas não ultrapassando 10%p, apresentam
resistência e dureza superiores à dos aços baixo carbono simples.
Aços médio Carbono: Possuem concentrações de C entre 0,25 e 0,6%p, podem ser
tratadas termicamente, mas como sua composição de carbono e relativamente baixa
forma somente Martensita superficial, mas a adição de elementos de liga pode
melhorar a temperabilidade destes aços. Resistentes à abrasão.
Aços alto Carbono: Contem entre 0,6 e 1,4%p de C, devido à alta concentração de
carbono são os mais resistentes e duros, mas, porém são também os mais frágeis, e
por isso são quase sempre usados endurecidos e revenidos. Tem alta temperabilidade.
Aços Ferramenta.
Aços Inox: São divididos em três principais grupos: Ferriticos, Austeniticos, e
Martensisticos, de acordo com sua microestrutura predominante. A adição de
elementos de liga que lhes conferem propriedades inoxidantes, cromo em pelos
menos 12%, níquel se o ambiente for rico em cloretos, e molibdênio.
FERRITICOS: Têm como microestrutura principal a ferrita, não são tratáveis
termicamente (pois o cromo restringe o campo austenítico, assim estabilizando a
ferrita, e por isso esses inox não passam pela transformação Ferrita-Austenita ) e são
os mais dúcteis e menos resistentes.
AUSTENITICOS: A adição de elementos de liga causam grandes mudanças no diagrama
de fases sistema Fe-Fe3C, podendo em alguns casos tornar a austenita estável à
temperatura ambiente (elevados teores de níquel), que é o caso dos aços inox
Austeníticos, por isso não são tratáveis termicamente e só podem ser endurecidos
pelo trabalho a frio. Não são magnéticos, e são os mais resistentes a corrosão devido à
maior concentração de elementos de liga. Podem trabalhar em altas temperaturas.
MARTENSÍTICOS: Tem como estrutura principal a Martensita, são tratáveis
termicamente e magnéticos, são os mais resistentes entre os inox.
FERROS FUNDIDOS
São ligas ferrosas com concentrações de carbono acima de 2,14%p, e apresentam um ponto de
fusão relativamente menor em relação aos aços, por isso são indicados para fundição.
Como a cementita é metaestável ela se dissocia formando Fe e Grafita de acordo com a
reação:
Ou seja, a grafita se precipita.
A tendência de precipitação da grafita é regulada pela taxa de resfriamento e pela composição.
O silício aumenta a capacidade de se precipitar grafita, e taxas de resfriamento menores
também favorecem esse fenômeno.
Ferro Fundido Cinzento: Com concentrações de Silício entre 1 e 3% e Carbono entre
2,5 e 4%. Nele a Grafita precipitada se apresenta em forma de flocos incrustados em
uma matriz de ferrita ou Perlita. É relativamente fraco em cargas de tração, devido à
sua microestrutura, pois as pontas dos flocos de grafita são pontiagudas e podem
atuar como concentradores de tensão, resistência e ductilidade são muito maiores sob
cargas de compressão. São muito eficientes no amortecimento de energia vibracional.
Devido a sua fácil fusão e moldagem, resistência mecânica aceitável, boa usabilidade e
baixo preço é o ferro fundido mais utilizado.
Ferro Fundido Dúctil (Nodular): A adição de magnésio ou cério ao ferro cinzento antes
da fundição muda a forma com que a grafita se precipita, agora em vez de flocos ela
forma nódulos de grafita em uma matriz de ferrita ou de Perlita, dependendo da taxa
de resfriamento. Tanto sua resistência e sua ductilidade são maiores que as do Ferro
Cinzento.
Ferro Fundido Branco e Ferro Fundido Maleável: Como é o Silício que confere ao
material a propriedade de precipitação de grafita, reduzindo a quantidade de Silício e
aumentando a taxa de resfriamento a maioria do carbono se apresentará na forma de
Cementita, (Ferro Fundido Branco). Somente camadas finas podem apresentar ferro
fundido branco, pois em peças mais espessas a taxa de resfriamento no interior não
será alta o suficiente para que a grafita não se difunda. Devido a grande concentração
de cementita o ferro branco é extremamente frágil e duro, e extremamente resistente
ao desgaste, o que torna sua usinagem é virtualmente impossível.
O Ferro Branco é comumente usado como processo intermediário na fabricação do
Ferro Maleável. Aquecendo o Ferro Branco durante um período longo e em
temperaturas por volta de 800 e 900 (Temperatura bem acima da temperatura de
transformação) a Cementita se dissocia em Grafita que se apresenta na forma de
rosetas incrustadas em uma matriz de ferrita ou Perlita, dependendo da taxa de
resfriamento e se ainda houver carbono combinado.