MELHORANDO AS PROPRIEDADES DOS AÇOS
RODRIGO
TAVARES DE LEMOS
MELHORANDO
AS PROPRIEDADES DOS AÇOS
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Trabalho apresentado à disciplina de Materiais
e ensaios mecânicos do Curso Tecnólogo em Fabricação Mecânica do SENAI-PR,
sob orientação do Prof. Joubert
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SUMÁRIO
1. RESUMO
As
melhoras nas características dos materiais são muito importantes para sua
utilização, tornando o material mais resistente e fazendo que se adeque a
condição de projeto desejada.
Com
as melhoras das características do material se tem melhores resultados em
processos de fabricação mecânica tornando melhor a sua usinabilidade e
conformação.
Através
dos elementos de liga conseguimos diferenciar as características dos materiais
adicionando compostos que possuem características próprias.
2 INTRODUÇÃO
Quanto
melhor for às propriedades mecânicas de um material qualquer, melhor será sua
utilização.
Uma
mistura de cobre e estanho se concluiu que o material se torna mais dura e
assim se iniciou as descobertas e a sofisticação dos processos de fabricação e
dos produtos industriais a disposição no mercado, com a mistura de metais se
traz benefícios ao metal-base.
Com
o aço seja pelo controle da quantidade de carbono e de impurezas, seja pela
adição de outros elementos ou por meio de tratamento térmico é possível fazer
com que ele tenha um desempenho muito melhor no processo de fabricação e na
utilização das peças depois de fabricadas.
3. DESENVOLVIMENTO
A introdução de outros elementos de
liga nos aços-carbono e feita quando se deseja um ou diversos dos seguintes
efeitos:
a)
aumentar a dureza e a resistência mecânica;
b)
conferir resistência uniforme através de toda a secção em peças de grandes
dimensões;
c)
diminuir o peso (consequência do aumento da resistência), de modo a reduzir a
inércia de uma parte em movimento ou reduzir a carga-morta em um veículo ou
numa estrutura;
d)
conferir resistência à corrosão;
e)
aumentar a resistência ao calor;
f)
aumentar a resistência ao desgaste;
g)
aumentar a capacidade de corte;
h)
melhorar as propriedades elétricas e magnéticas.
Os três primeiros
requisitos são alcançados porque os elementos de liga, como se viu,
aumentam a resistência da ferrita e formam ainda outros carbonetos, ale do
Fe3C, contribuindo para a melhora da resistência do aço, sobretudo em secções
que, se tratasse de aços-carbono comum, dificilmente teriam a resistência
alterada.
Geralmente esse aumento da
resistência é conseguido pela adição de um ou vários elementos de liga em
teores relativamente baixos, não ultrapassando sua soma o valor de 5%. Nessas
condições, os princípios fundamentais dos tratamentos térmicos permanecem
porque, ainda que a presença de novos elementos de liga obrigue a um ajuste nas
temperaturas dos tratamentos, a transformação da austenita e as estruturas
resultantes são as mesmas que ocorrem nos aços-carbono.
A obtenção dos outros
característicos, de d a h, requer a introdução dos elementos de liga
em teores mais elevados, produzindo-se alterações mais profundas na ferrita,
além de resultarem carbonetos mais complexos. Neste caso, os tratamentos
térmicos também devem ser mudados, para facilitar muitas vezes a formação dos
carbonetos especiais.
Esses aços de alto teor em liga são
mais difíceis de fabricar e tratar termicamente de modo que são muito
despendiosos, mesmo porque alguns dos elementos de liga utilizados são
relativamente raros.
De quantidade total de aços-liga
produzida, cerca de 60% pertence à série 86XX, com três elementos de liga (Ni,
Cr e Mo) em baixos teores.
Nos metais, as soluções sólidas são
formadas graças à ligação entre os átomos dos metais, causada pela atração
entre os íons positivos e a “nuvem eletrônica” que fica em volta dos átomos.
Para que isso aconteça, os tamanhos e
a estrutura dos átomos dos elementos de liga devem ser parecidos e ter
propriedades eletroquímicas também parecidas. O cobre e o ferro, por exemplo,
dissolvem muitos metais. Os átomos de carbono, por sua vez, por serem
relativamente pequenos, dissolvem-se intersticialmente, ou seja, ocupando
espaços vazios, entre os átomos do ferro.
Por isso, o aço mais comum que existe
é o aço-carbono, uma liga de ferro com pequenas quantidades de carbono (máximo
2%) e elementos residuais, ou seja, elementos que ficam no material metálico
após o processo de fabricação.
Dentro do aço, o carbono, juntando-se
com o ferro, forma um composto chamado carbeto de ferro (Fe3C), uma
substância muito dura. Isso dá dureza ao aço, aumentando sua resistência mecânica.
Por outro lado, diminui sua ductilidade, sua resistência ao choque e à
soldabilidade, e torna-o difícil de trabalhar por conformação mecânica. Esse
tipo de aço constitui a mais importante categoria de materiais metálicos usada
na construção de máquinas, equipamentos, estruturas, veículos e componentes dos
mais diversos tipos, para os mais diferentes sistemas mecânicos.
As impurezas, como o manganês, o
silício, o fósforo, o enxofre e o alumínio fazem parte das matérias-primas
usadas no processo de produção do aço. Elas podem estar presentes no minério ou
ser adicionadas para provocar alguma reação química desejável, como a
desoxidação, por exemplo.
Elemento
de liga: elemento,
metálico ou não, que é adicionado a um metal (chamado de metal-base) de
tal maneira que melhora alguma propriedade desse metal-base. Por exemplo,
adicionando quantidades adequadas de estanho ao cobre, obtém-se o bronze, que é
mais duro que o cobre. Por mais controlado que seja o processo de fabricação do
aço, é impossível produzi-lo sem essas impurezas. E elas, de certa forma, têm
influência sobre as propriedades desse material.
Quando
adicionadas propositalmente são consideradas elementos de liga,
conferindo propriedades especiais ao aço. Às vezes, elas ajudam, às vezes, elas
atrapalham. Assim, o que se deve fazer é controlar suas quantidades.
Efeito
dos elementos de liga sobre a ferrita
A ação
relativa de diversos elementos de liga quando dissolvidos na ferrita, no
sentido de aumentar a sua dureza (e, portanto, a resistência mecânica) antes
mesmo de qualquer tratamento térmico. Esse aumento de resistência não é
acompanhado por sensível decréscimo da ductilidade, como acontece quando se
verifica aumento de dureza ou resistência devido a modificações estruturais.
Efeito endurecido dos elementos de
liga na presença de carbonetos – comparativamente o
efeito endurecedor na ferrita do manganês e do cromo em ligas isentas de
carbono e com 0,1% deste elemento. As faixas para as ligas contendo 0,1% de
carbono indicam que os dados experimentais que levaram à determinação das
curvas não são suficientes nem tão precisos quanto seria desejado. De qualquer
modo, a figura confirma o efeito endurecedor dos elementos indicados, devido à
sua solução na ferrita, como já foi explicado.
Efeito
dos elementos de liga nos carbonetos
O segundo dos constituintes básicos
dos aços esfriados é o carboneto; é conhecida a influência sobre as
propriedades dos aços da quantidade, assim como da forma e da finura da
dispersão das partículas de carboneto.
Por outro lado, sendo todos os
carbonetos encontrados nos aços muito frágeis e relativamente muito duros, sua
influência sobre as propriedades de tração dos aços, obtido normalmente, é
idêntica, independentemente das suas composições específicas, desde, é claro,
que suas partículas apresentem as mesmas condições de dispersão.
Entretanto, as propriedades especiais
podem ser conferidas aos aços pela presença de carbonetos especiais.
De qualquer modo, sob o ponto de
vista de propriedades mecânicas, sobretudo às relativas à tração, as mudanças
de composição dos carbonetos pouco interesse apresentam.
A fase carboneto é pouco
modificada pelo níquel, silício ou alumínio, a não ser que a grafitização seja
acelerada pela sua presença, desde que haja ou não pequena porcentagem de
elementos formadores de carbonetos.
Dos elementos conhecidos como
formadores de carbonetos, com exceção do manganês, cuja tendência formadora de
carbonetos é apenas ligeiramente superior à do ferro, somente uma pequena
quantidade daqueles elementos citados é aceita pela cementita ou pelos cristais
de Fe3C, formando-se assim novos carbonetos relativamente complexos, tais como
(FeCr)3, contendo até cerca de 15% de Cr, (CrFe)7C3, contendo um mínimo de 36%
de Cr, (FeMo)6C, (FeW)6C, (VFe)4C3, etc.
Em resumo, de um modo geral, as
partículas de carbonetos, quando sua dispersão for semelhante, atuam no mesmo
sentido, diferenciando-se apenas na resistência à tração, assim como nas
propriedades especiais que podem conferir aos aços, dependendo da sua
composição química.
Efeito
dos elementos de liga na forma de inclusões não-metálicas
Geralmente inclusões não-metálicas de
grandes dimensões são indesejáveis, ao passo que dispersões muito finas podem
ser benéficas ou prejudiciais. O nitreto de alumínio, por exemplo, exerce
grande e importante controle sobre o crescimento da austenita. O maior
interesse nas inclusões não-metálicas relaciona-se com o seu efeito no sentido
de melhorar a usinabilidade dos aços recozidos, como, por exemplo, através de
criteriosa presença do sulfeto de manganês na forma de pequenas tiras
alongadas.
A grafita é igualmente considerada
uma forma de inclusão não-metálica nos aços, às vezes desejada para
conferir certas particularidades e propriedades em alguns tipos de aços de alto
carbono.
Efeito
dos elementos de liga na forma de compostos intermetálicos
Considerando-se os nitretos como
compostos intermetálicos, eles constituirão o exemplo mais importante da
formação de tais compostos. De fato, certos aços ao alumínio para nitretação
apresentam a formação de uma dispersão de partículas duras de grande finura,
constituídas de AIN, levando a notável endurecimento do aço.
Efeito
dos elementos de liga na forma de partículas metálicas dispersas
Os dois exemplos importantes
referem-se ao cobre e ao chumbo. O cobre, que é solúvel em apreciáveis
proporções no ferro gama, dissolve-se na ferrita, a 810 graus C, em porcentagem
inferior a 2% a 593 graus C sua solubilidade na ferrita é provavelmente
inferior a 0,3%. Assim sendo, o cobre dissolvido a altas temperaturas é
rejeitado na forma de partículas quase que inteiramente puras, a temperaturas
inferiores, ocasionando, em aços com 1,5% a 1,75% de cobre, endurecimento por
precipitação. O chumbo, em aços com cerca de 0,25% desse elemento, produz o
conhecido efeito de aumentar a sua usinabilidade, devido ao fato de diminuir a
formação de cavacos alongados.
O manganês é a impureza
encontrada em maior quantidade no aço (até 1,65%). Se você está mesmo ligado,
deve se lembrar de que, na produção do aço, ele é adicionado para auxiliar na desoxidação
do metal líquido e para neutralizar o efeito nocivo do enxofre. Nesse processo,
ele se combina primeiro com o enxofre e forma o sulfeto de manganês (MnS). Isso
aumenta a forjabilidade do aço, a temperabilidade, a resistência
ao choque e o limite elástico. Em quantidades maiores, ele se combina com parte
do carbono e forma o carbeto de manganês (Mn3C), que é muito duro. Isso diminui
a ductilidade do aço.
Outro
elemento que é adicionado ao metal líquido para auxiliar na desoxidação é o alumínio.
Ele é usado para "acalmar" o aço, ou seja, para diminuir ou eliminar
o desprendimento de gases que agitam o aço quando ele está se solidificando.
Forjabilidade
é
a capacidade do metal de ser forjado. Temperabilidade é a capacidade do
metal de endurecer por meio de um tratamento térmico chamado têmpera.
O fósforo é um elemento cuja
quantidade presente no aço deve ser controlada, principalmente, nos aços duros,
com alto teor de carbono. Quando ultrapassa certos limites, ele faz o aço ficar
mais duro ainda e, por isso, mais frágil a frio. Isso quer dizer que a peça de
aço, com valores indesejáveis de fósforo, pode quebrar facilmente quando usada
em temperatura ambiente. Um teor de fósforo em torno de 0,04% faz o aço se
romper se for deformado a quente, porque forma um composto que se funde a uma
temperatura muito menor (1.000ºC) que a do ferro (1.500ºC). Em aços de baixo
teor de carbono, por outro lado, seu efeito nocivo é menor, pois nesse caso o
fósforo auxilia no aumento da dureza, e também aumenta a resistência à tração,
a resistência à corrosão e a usinabilidade.
O
enxofre é uma impureza muito difícil de ser eliminada. No aço,ele pode
se combinar com o ferro e formar o sulfeto ferroso (FeS), que faz o aço se romper,
com facilidade ao ser laminado, forjado ou vergado em temperaturas acima de
1.000ºC. Assim, o teor máximo de enxofre permitido é de 0,05%.
Por isso, sua presença no aço não é
tão nociva. Lingote é uma barra de metal fundido.
O silício é acrescentado ao
metal líquido, para auxiliar na desoxidação e impedir a formação de bolhas nos lingotes.
Ele está presente, no aço, em teores de até 0,6%, e não tem grande influência
sobre suas propriedades.
O enxofre, o manganês, o silício e o
alumínio também formam, dentro do aço, compostos chamados de “inclusões
nãometálicas”.
Outras
inclusões não-metálicas são os silicatos, formados a partir do silício e que
favorecem o aparecimento de microtrincas na estrutura do aço; e os sulfetos,
formados a partir do enxofre, que causam menor influência que os silicatos no
surgimento de microtrincas.
Tratamento térmico é o conjunto de
operações de aquecimento e resfriamento a que são submetidos os aços, sob
condições controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de resfriamento,
com o objetivo de alterar as suas propriedades ou conferir-lhes características
determinados.
As propriedades dos aços
dependem, em princípio, da sua estrutura. Os tratamentos térmicos modificam, em
maior ou menor escala, a estrutura dos aços,
resultando, em consequência na
alteração mais ou menos pronunciada, de suas propriedades.
Cada uma das estruturas obtidas
apresentam seus característicos próprios,
que
se transferem ao aço, conforme a estrutura ou combinação de estrutura ou combinação
de estruturas presentes.
Pelo exposto, pode-se perfeitamente avaliar a
importância dos tratamentos térmicos, sobretudo nos aços de alto carbono e nos
que apresentam também elementos de liga.
De fato, se geralmente muitos
aços de baixo e médio carbono são usados nas condições típicas do trabalho a
quente, isto é, nos estados forjado e laminado, quase todos os aços de alto
carbono ou com elementos de liga, são obrigatoriamente submetidos a tratamentos
térmicos antes de serem colocados em serviço.
Os principais objetivos dos
tratamentos térmicos são os seguintes :
-
Remoção de tensões internas (oriundas de esfriamento desigual, trabalho mecânico
ou outra causa) ;
-
Aumento ou diminuição da dureza;
-
Aumento da resistência mecânica;
-
Melhora da ductilidade;
- Melhora da
usinabilidade;
-
Melhora da resistência ao desgaste;
-
Melhora das propriedades de corte;
-
melhora da resistência à corrosão;
-
Melhora da resistência ao calor;
-
Modificação das propriedades elétricas e magnéticas.
Em geral, a melhora de uma ou mais
propriedades, mediante um determinado tratamento térmico, é conseguida com
prejuízo de outras.
Por exemplo, o aumento da ductilidade
provoca simultaneamente queda nos valores de dureza e resistência à tração. É
necessário, pois, que o tratamento térmico seja escolhido e aplicado
criteriosamente, para que os inconvenientes apontados sejam reduzidos ao
mínimo. Não se verifica, pela simples aplicação de um tratamento térmico,
qualquer alteração da composição química do aço.
Há casos, entretanto, em que interessa
somente uma modificação parcial de certas propriedades mecânicas; por exemplo,
melhorar superficialmente a dureza do aço. Esse efeito é conseguido pela
alteração parcial da sua composição química.
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. Tratamento
Térmico dos aços: Recozimento, Normalização, Têmpera e Revenido
http://www.spectru.com.br/Metalurgia/diversos/tratamento.pdf.
[21 fev. 2002].
2. Melhorando
as propriedades dos aços https://wiki.ifsc.edu.br/mediawiki/images/7/7d/Aula_06.pdf.
[12 jan. 2010].
3. Aço
carbono e Aços-liga
http://www.infomet.com.br/acos-e-ligas-conteudo-ler.php?cod_tema=9&cod_secao=10&cod_assunto=36&cod_conteudo=8
6. Exercícios
1. Preencha
as lacunas com a alternativa que completa corretamente
cada frase a seguir:
a) O
homem descobriu que o bronze, uma mistura de Cobre e Estanho era muito melhor do que o cobre puro.
1.
( ) zinco e estanho;
2.
(X) cobre e estanho;
3.
( ) cobre e zinco;
4.
( ) chumbo e cobre.
b) A
mistura completa entre dois metais ocorre graças à ligação entre os átomos dos metais.
1.
( ) neutros;
2.
( ) prótons;
3.
(X) átomos;
4.
( ) íons negativos.
c) O
que dá dureza ao aço e aumenta sua resistência mecânica é um composto chamado carboneto de ferro.
1.
( ) sulfeto de ferro;
2.
( ) sulfeto de manganês;
3.
( ) óxido de ferro;
4.
(X) carboneto de ferro.
d) As
impurezas, como o manganês, o silício, o fósforo, o enxofre, o alumínio, fazem
parte das matérias-primas
para a produção do aço.
1.
( ) estruturas cristalinas
2.
(X) matérias-primas;
3.
( ) soluções líquidas;
4.
( ) soluções sólidas.
e) Na
produção do aço, o manganês é
adicionado para auxiliar na desoxidação do metal líquido.
1.
( ) fósforo;
2.
( ) enxofre;
3.
( ) carbono;
4.
(X) manganês.
f) O
que faz o aço se romper com facilidade ao ser conformado é o enxofre combinado
com o ferro em temperaturas
acima de 1.000ºC.
1.
( ) zinco;
2.
(X) ferro;
3.
( ) silício;
4.
( ) manganês.
g) Em
aços de baixo teor de carbono o fósforo
auxilia no aumento da dureza e da resistência à tração e à corrosão.
1.
( ) manganês;
2.
(X) fósforo;
3.
( ) silício;
4.
( ) estanho.
h) O
silício é acrescentado ao metal líquido para auxiliar na desoxidação e impedir a formação de bolhas
nos lingotes.
1.
( ) oxidação;
2.
( ) usinabilidade;
3.
(X) desoxidação;
4.
( ) corrosão.
i) No
processo de desoxidação do metal líquido, o manganês se combina primeiro com o
enxofre e forma o. sulfeto de
manganês.
1.
( ) óxido de manganês;
2.
( ) carbonato de manganês
3.
(X) sulfeto de manganês;
4.
( ) hidrato de manganês.
j) Os
silicatos são inclusões não-metálicas formadas a partir do silício e que
favorecem o aparecimento de microtrincas
na estrutura do aço.
1.
( ) bolhas;
2.
( ) partículas oxidantes;
3.
( ) corrosão;
4.
(X) microtrincas.
2. Resolva
as seguintes questões:
a) Escreva
com suas palavras, como é possível melhorar a resistência mecânica de um metal.
R:
Através de tratamento térmico com a alteração física, como por exemplo:
laminação, forjamento, prensagem e pela adição de elementos de liga.
b) Quando
um aço é um aço-liga?
R:
Quando as quantidades dos elementos adicionados são muito maiores do que as
encontradas nos aços-carbono comuns.
c) O
que a adição de elementos de liga traz ao aço?
R: Modificação e
melhoria de suas propriedades mecânicas.
d) Quais
os elementos de liga mais comumente adicionados ao aço?
R: Níquel, manganês,
cromo, molibdênio, vanádio, tungstênio, cobalto, silício e cobre.
e) Qual
a diferença entre um aço de baixa liga e um aço especial?
R: Baixa
liga, até 5% de elementos de adição e o aço especial, se tiver quantidades de
elementos de liga acima de 5%.
f) Em
que momento ocorrem as modificações na estrutura do aço e que lhe dão
características especiais?
R: Por ocasião do
tratamento térmico e pela adição de elementos de liga.
g) O
que a têmpera confere ao aço?
R: Maior resistência
e tenacidade.
3. Associe
os elementos listados na coluna A com as características
ou aplicações
propostas na coluna B.
Coluna A
a) (4) manganês
b) (1) Alumínio
c) (5) Enxofre
d) (3) Silício
e) (2) Fósforo
Coluna B
1. Elemento
usado para diminuir ou eliminar o desprendimento de gases que agitam o aço,
quando ele está se solidificando.
2. Elemento
cuja quantidade deve ser controlada, principalmente nos aços duros, com alto
teor de carbono.
3. Elemento
que é acrescentado ao metal líquido, para auxiliar na desoxidação e para
impedir a formação de bolhas nos lingotes.
4. Impureza
encontrada em maior quantidade no aço, ela é adicionada para auxiliar na
desoxidação do metal líquido.
5. No
aço, ele pode se combinar com o ferro e formar o sulfeto ferroso (FeS), que faz
o aço se romper com facilidade ao ser laminado, forjado ou vergado, em
temperaturas acima de
1.000ºC.
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