O engenheiro com freqüência precisa tomar decisões que envolvem a seleção de
materiais. Para isto ele tem que ter conhecimento das características gerais de uma
ampla variedade de metais e de suas ligas. Além disso, o acesso a bases de dados
contendo valores das propriedades torna-se necessário.
METAIS
Composição
Propriedades
Aplicações
Ligas Metálicas
O MATERIAL O PROCESSO
Técnicas de fabricação
Refino
Formação da liga
Tratamento térmico
Conformação
Tratamento térmico
METAIS (ligas)
Não Ferrosas Ferrosas
Aços Ferros Fundidos
Baixa Liga
Baixo
Carbono
Medio
Carbono
Alto
Carbono
Alta Resistência
Baixa LigaTratavel
Térmicamente
Comum
Aço
Ferramenta
INOX
Alta Liga
Ferro
Cinzento
Ferro
Ductil
Ferro
Branco
Ferro
Maleável
Comum Comum
O MATERIAL
Metais – Processo de conformação
Forjamento Laminação EstiramentoExtrusão Soldagem
Operações de conformação Fundição Diversas
Areia Matriz Investimento Continua
Metalurgia
do Pó
-Formas complexas
-Tamanho da peça
-Ligas frágeis
-Econômico
-Baixa ductilidade
-Alta temperatura
de fusão
A fronteira entre o ferro e o aço foi definida na Revolução Industrial, com a
invenção de fornos que permitiam não só corrigir as impurezas do ferro, como
adicionar-lhes propriedades como resistência ao desgaste, ao impacto, à
corrosão, etc. Por causa dessas propriedades e do seu baixo custo o aço passou
a representar cerca de 90% de todos os metais consumidos pela civilização
industrial.
O AÇO
AÇO
Ferro Carbono
encontrado em toda crosta terrestre
minério de ferro é um óxido de ferro
(misturado com areia fina)
Na siderurgia, usa-se carvão
mineral, e em alguns casos, o
carvão vegetal
Combustivel
Redutor
O AÇO
As usinas de aço do mundo inteiro segundo o seu processo produtivo, classificam-se:
Integradas - que operam as três fases básicas: redução, refino e laminação;
Semi-integradas - que operam duas fases: refino e laminação. Estas usinas partem de
ferro gusa, ferro esponja ou sucata metálica adquiridas de terceiros para transformá-los
em aço em aciarias elétricas e sua posterior laminação.
Não integradas, que operam apenas uma fase do processo: redução ou laminação. No
primeiro caso estão os produtores de ferro gusa, os chamados guseiros. No segundo,
estão os relaminadores, geralmente de placas e tarugos, adquiridos de usinas
integradas ou semi- integradas e os que relaminam material sucatado.
Unidades de pequeno porte que se dedicam exclusivamente a produzir aço para
fundições. unidades de pequeno porte que se dedicam exclusivamente a produzir aço
para fundições.
O AÇO
O parque siderúrgico brasileiro compõe-se hoje de 26 usinas, administradas por 8
grupos empresariais.
1. ArcelorMittal Brasil - incluindo a ArcelorMittal Inox Brasil, ArcelorMittal Aços Longos e
ArcelorMittal Tubarão;
2. Grupo Gerdau;
3. CSN;
4. Grupo Usiminas;
5. SINOBRAS;
6. V&M do Brasil;
7. Villares Metals;
8. Votorantim Siderurgia;
Em função dos produtos que preponderam em suas linhas de produção, as usinas
podem ser assim classificadas:
1. De semi-acabados (placas, blocos e tarugos)
2. De planos aços carbono (chapas e bobinas)
3. De planos aços especiais / ligados (chapas e bobinas)
4. De longos aços carbono (barras, perfis, fio máquina, vergalhões, arames e tubos
sem costura)
5. De longos aços especiais / ligados (barras, fio-máquina, arames e tubos sem
costura)
Tipos de Aço
UNS
G10XXX Aços-carbono comuns
G11XXX Aços de usinagem fácil, com alto S
G12XXX Aços de usinagem fácil, com alto P e S
G15XXX Aços-Mn com manganês acima de 1%
G13XXX Aços-Mn com 1,75% de Mn médio
G40XXX Aços-Mo com 0,25% de Mo médio
G41XXX Aços-Cr-Mo com 0,4 a 1,1% de Cr e 0,08 a 0,35% de Mo
G43XXX Aços-Ni-Cr-Mo com 1,65 a 2 de Ni, 0,4 a 0,9% de Cr e 0,2 a 0,3% de Mo
G46XXX Aços-Ni-Mo com 0,7 a 2% de Ni e 0,15 a 0,3% de Mo
G47XXX Aços-Ni-Cr-Mo com 1,05% de Ni, 0,45% de Cr e 0,2% de Mo
G48XXX Aços-Ni-Mo com 3,25 a 3,75% de Ni e 0,2 a 0,3% de Mo
G51XXX Aços-Cr com 0,7 a 1,1% de Cr
G51986 Aços-cromo (forno elétrico) com 1% de Cr
G52986 Aços-cromo (forno elétrico) com 1,45% de Cr
G61XXX Aços-Cr-V com 0,6 ou 0,95% de Cr e 0,1 ou 0,15% de V mín.
G86XXX Aços-Ni-Cr-Mo com 0,55% de Ni, 0,5% de Cr e 0,2% de Mo
G87XXX Aços-Ni-Cr-Mo com 0,55% de Ni, 0,5% de Cr e 0,25% de Mo
G88XXX Aços-Ni-Cr-Mo com 0,55% de Ni, 0,5% de Cr e 0,3 a 0,4 de Mo
G92XXX Aços-Si com 1,8% a 2,2% de Si
G50XXX Aços-Cr com 0,2 a 0,6% de Cr e 0,0005 a 0,003% de boro
G51601 Aços-Cr com 0,8% de Cr e 0,0005 a 0,003 de boro
G81451 Aços-Ni-Cr-Mo com 0,3% de Ni, 0,45% de Cr, 0,12% Mo e 0,0005 a 0,003% de boro
G94XXX Aços-Ni-Cr-Mo com 0,45% de Ni, 0,4% de Cr, 0,12% Mo e 0,0005 a 0,003% de boro 94BXX
87XX
88XX
9260
50BXX
51B60
81B45
48XX
51XX
E51100
E52100
61XX
86XX
13XX
40XX
41XX
43XX
46XX
47XX
Designação
AISI-SAE
10XX
11XX
12XX
15XX
Nomenclatura"American Iron and Steel Institute -AISI“
"Society of Automotive Engineers - SAE“
"Unifield Numbering System - UNS"
No Brasil, a Associação Brasileira de
Normas Técnicas - ABTN, por
intermédio das normas NBR 6006 (102)
classifica os aços-carbono e os de
baixo teor em liga segundo os critérios
adotados pela AISI e SAE.
AÇOS – Baixo Carbono
- Menos que 0,25% de carbono
- Ruim para tratamento térmico
- “mole” e “fraco”
- Ductil e tenaz
- Boa usinabilidade
- Baratos
V, Ni, Mo, Cu – até 10%
Aumenta a dureza
da Ferrita
AÇOS –Médio Carbono
- entre 0,25% e 0,6% de carbono
- Bom para tratamento térmico
- mais resistentes
- menos Ductil e tenaz
- melhor resistência à abrasão
Cr, Ni e Mo
AÇOS – Alto Carbono
- entre 0,60% e 1,40% de carbono
- Elevada Dureza
- menos Ductil e tenaz
- Elevada resistência à abrasão
-
AÇOS – Inoxidável
Martensítico
Ferrita
Austenítica
Trataveis térmicamente
Não tratáveis térmicamente
Resfriamento
Rápido Moderado Lento
Ferro Fundido
Branco
Ferro Fundido
Cinzento PerlíticoFerro Fundido
CinzentoFerritico
Reaquecimento a ~700ºC por
30 h
Rápido Lento
Resfriamento
Ferro Fundido
Maleável Perlitico
Ferro Fundido
Maleável Ferritico
Mg/Ce
Moderado Lento
Ferro Fundido
Ductil Perlitico
Ferro Fundido
DuctilFerritico
Cobre e ligas
http://www.procobre.org/pr/
Matérias primas comerciais
-Calcocita (Cu2S) 79% Cu
-Calcopirita (CuFeS2) 34% Cu Cobre Puro
– Ductil e mole
– dificil de ser usinado
- grande capacidade conformação a frio
- resistente à corrosão
Ligas de cobre
– Busca por melhoria nas propriedades
- a maioria das ligas não pode ser endurecida por tratamento térmico
- as propriedades podem ser melhoradas por mecanismos de deformação
- as propriedades podem ser melhoradas pela formação de solução sólida
O cobre é normalmente usado em sua forma pura, mas também pode ser
combinado com outros metais para produzir uma enorme variedade de ligas.
Cada elemento adicionado ao cobre permite obter ligas com diferentes
características tais como: maior dureza, resistência a corrosão, resistência
mecânica, usinabilidade ou até para obter uma cor especial para combinar com
certas aplicações.
Cobre e ligas
Minas a ceu aberto
Minas subterâneas
Moagem e flotação
Produto com 30% cobreFusão
(oxidação de Ferro e enxofre)
Produto com 60% cobre
MATTE
Produto com 98% cobrePurificação
BLISTER
Refino Produto com 99,9% cobre
Cobre e ligas
Esta combinação pertence ao grupo dos
latões e o conteúdo de zinco varia de 5%
a 45%. Esta liga é utilizada em moedas,
medalhas, bijuterias, radiadores de
automóvel, ferragens, cartuchos, diversos
componentes estampados e conformados
e
Cobre Zinco
- Estrutura CFC – mole
- Estrutura CCC - duras
- Deformação a frio
- Deformação a quente
Cobre e ligas
A combinação destes metais
forma o grupo dos bronzes e o
conteúdo de estanho pode
chegar a 20%. É utilizado em
tubos flexíveis, torneiras,
varetas de soldagem, válvulas,
buchas, engrenagens
Cobre Estanho
Esta liga normalmente contém mais de 10%
de alumínio. É utilizada em peças para
embarcações, trocadores de calor,
evaporadores, soluções ácidas ou salinas
etc.
Cobre Alumínio
Esta liga é conhecida como cuproníquel e o conteúdo de níquel pode variar
de 10% a 30%. É utilizada em cultivos marinhos, moedas, bijuterias,
armações de lentes etc.
As ligas que normalmente contém entre 45% a 70% de cobre, e de 10% a
18% de níquel, sendo o restante constituído por zinco, recebem o nome de
alpacas. Por sua coloração, estas ligas são facilmente confundidas com a
prata. São utilizadas em chaves, equipamentos de telecomunicações,
decoração, relojoaria, componentes de aparelhos óticos e fotográficos etc.
Cobre Niquel
Bronze – Ligas de cobre contendo Estanho, Aluminio, silicio ou niquel
Podem ser endurecidas por precipitação. Apresentam elevado limite
de resistência à tração, boas propriedades elétricas e resistência à
corrosão. Possuem teores de 1 a 2,5% de Berílio, e por este motivo
são caras. Usados para a produção de mancais e buchas de trem de
pouso de aeronaves a jato, molas e instrumentos cirúrgicos em
odontologia.
Cobre Berílio
Alumínio e ligas
A fonte primária do alumínio é um minério chamado bauxita. Um minério é qualquer
sólido de ocorrência natural do qual se possa obter metal ou mineral valioso. Os
depósitos de bauxita surgem como camadas lisas localizadas perto da superfície
terrestre.
Tem como vantagens a baixa densidade, condutividade térmica e elétrica elevadas e
resistência à corrosão. Boa ductilidade e capacidade de conformação, mesmo em
temperaturas mais baixas.
Defeito : baixa temperatura de fusão
Ligas de Alumínio
-Aumenta a resistência mecânica
- Diminui a resistência à corrosão
- Elementos de liga Cu, Mg, Si, Mn e Zn
- Em algumas ligas o endurecimento ocorre por tratamento térmico
- Tratamento térmico promove a precipitação de fases que promovem o endurecimento
Fundidas
Forjadas
http://www.alcoa.com/brazil/pt/custom_page/about_aluminum.asp
A obtenção do alumínio ocorre pela redução da alumina calcinada em cubas eletrolíticas, a altas temperaturas, no processo conhecido como Hall-Héroult. São necessárias duas toneladas de alumina para produzir uma tonelada de metal primário pelo processo de Redução.
A alumina é dissolvida em um banho de criolita fundida e fluoreto de alumínio em baixa tensão, decompondo-se em oxigênio;O oxigênio se combina com o ânodo de carbono, desprendendo-se na forma de dióxido de carbono, e em alumínio líquido, que se precipita no fundo da cuba eletrolítica;O metal líquido (já alumínio primário) é transferido para a refusão através de cadinhos;São produzidos os lingotes, as placas e os tarugos de metal primário.
Alumínio e ligas
· Liga 1xxx: Indústrias química e elétrica
· Liga 2xxx: Aeronaves (graças a sua elevada resistência mecânica)
· Liga 3xxx: Aplicações arquitetônicas e produtos de uso geral
· Liga 4xxx: Varetas ou eletrodos de solda e chapas para brasagem
· Liga 5xxx: Produtos expostos à atmosfera marinha como cascos de barcos
· Liga 6xxx: Produtos estudados de uso arquitetônico
· Liga 7xxx: Componentes estruturais de aeronaves e outras aplicações que
necessitam de elevados requisitos de resistência. Esta liga é a que possui a maior
resistência mecânica entre as ligas de alumínio.
Composição
Fornecimento Fundição
Alumínio e Ligas
Ligas Al-Cu
conhecidas como ligas da série
2XXX (trabalhadas) e 2XX.X
(fundidas), são as ligas de
alumínio de desenvolvimento
mais antigo. Essas ligas até
hoje são conhecidas como
duralumínio. É uma liga que
contém 4 % de cobre, 0,5 %
de magnésio e 0,7 % de
manganês, nas quais a
simples introdução desses
elementos de liga já eleva a
resistência à tração. O
tratamento térmico ainda
permite aumentar ainda mais a
resistência à tração. Pode
receber outros elementos de
liga
As ligas Al-Mg (série 5XXX)
constituem um importante grupo
de ligas de alumínio não tratáveis
termicamente. O endurecimento
pode ser obtido por solução sólida
e encrua mento (trabalho
mecânico). As ligas Al-Mg são
aquelas que possuem a melhor
combinação de resistência
mecânica, resistência à corrosão e
ductilidades, possuindo
propriedades mecânicas
intermediárias entre as das ligas
da série 3XXX (Al-Mn) e as ligas
endurecíveis por precipitação (Al-
Cu, Al-Mg-Si e Al-Zn-Mg, séries
2XXX, 6XXX e 7XXX
respectivamente)
Ligas Al-Mg
Nas ligas da série 6XXX o magnésio e o
silício combinam-se para formar o composto
intermetálico Mg2Si, é o responsável pelo
endurecimento dessas ligas.
Ligas Al-Mg-Si
Alumínio e Ligas
Ligas Al-Mn
As ligas Al-Mn (série 3XXX)
não são endurecíveis por
precipitação, ou sejam, não
obtêm nenhum ganho de
dureza mediante tratamento
térmico. Somente podem ser
endurecidas por encrua mento
(trabalho mecânico).
Entretanto, as ligas contendo
mais de 1 % de manganês,
3003, muito utilizada na
fabricação de panelas,
possuem considerável
importância comercial. A 3004,
utilizada na fabricação de
latas para acondicionamento
de bebidas.
Ligas Al-Si
As ligas do sistema Al-Si, também consideradas não tratáveis
termicamente, são muito mais utilizadas como ligas de fundição (série
4XX.X),para a fabricação de peças fundidas, como pistões para
motores de automóveis e aviões, mas também encontram algumas
aplicações como produtos trabalhados, como metais de adição para
soldagem (caso da liga 4043), principalmente, embora também
possam ser usados para a fabricação de pistões forjados e também
em algumas aplicações arquitetônicas .
O amplo uso das ligas Al-Si em aplicações nas quais a qualidade da
estrutura resultante da solidificação é tão importante (fundição e
soldagem) está relacionado com as características que o, o silício,
confere às ligas de alumínio. O silício é usado em teores de até 12 ou
13 % e aumenta a fluidez do alumínio líquido permitindo que o
mesmo flua melhor através das cavidades do molde de fundição.
Ligas hipoeutéticas
As ligas hipoeutéticas possuem teores de silício abaixo
de 12,6%,
Estas ligas, por possuírem um menor teor de silício,
tendem a uma solidificação “pastosa” devido a
solidificação dendrítica, além de um maior intervalo de
solidificação (590 – 520°C).
Ligas eutéticas
As ligas eutéticas são ligas com teor de silício mais
elevado chegando de 11 a 13%, esta liga não tem uma
solidificação pastosa, ocorrendo então a
transformação líquido – sólido diretamente.
Ligas hipereutéticas
Apesar de pouco utilizadas no processo de fundição
sob pressão, as ligas hipereutéticas, com teores de
silício acima de 13%, tem como principal característica
a formação de plaquetas de silício primário durante a
solidificação, estas plaquetas aumentam a dureza do
material e conseqüentemente dão maior resistência ao
desgaste às ligas de alumínio
Magnésio e Ligas
As ligas de magnésio possuem boas características de resistência mecânica,
módulo de elasticidade e baixa densidade ( 1,7 g/cm3 ), além de uma baixa relação
resistência. Estas propriedades dão ao magnésio uma vasta utilização em
aplicações estruturais. O magnésio possui, também, boas condutibilidades elétrica e
térmica, e absorção às vibrações elásticas.
-Baixo ponto de fusão 650º.C
-Na temperatura ambiente são dificeis de serem conformados
-Conformação, em geral por processos a quente
-boa resistência à corrosão em atmosferas pouco agressivas
-Não é adequado para aplicações em meios agressivos
-Na forma de pó sofre ignição com facilidade
Fundidas
Forjadas
As ligas de magnésio são largamente utilizadas na indústria aeronáutica em
componentes de motores, na fuselagem e em trens de aterrisagem, por
exemplo. Encontra aplicação, também, na indústria automobilística (caixas de
engrenagem, rodas, colunas de direção), indústria bélica (mísseis) e em alguns
componentes eletro-eletrônicos.
ASTM
Primeira Parte (elementos de liga) :
A : Alumínio
B : BismutoC : Cobre
D : Cádmio
E : Terras raras
F : Ferro
G : Magnésio
H : Tório
K : Zircônio
L : Lítio
M : Manganês
N : Níquel
P : Chumbo
Q : Prata
R : Cromo
S : Silício
T : Estanho
W : Ítrio
Y : Antimônio
Z : Zinco
Terceira Parte: Distingue ligas com o
mesmo teor de elementos de liga
· A : primeira liga registrada na ASTM
· B : segunda liga registrada na ASTM
· C : terceira liga registrada na ASTM
· D : liga de alta pureza
· E : liga de alta resistência à corrosão
· X1: liga não registrada na ASTM
Quarta Parte: Indica condição do tratamento térmico ou mecânico
· F : não tratado
· O : recozido
· H10 e H11 : levemente encruado
· H23, H24 e H26 : encruado e parcialmente recozido
· T4 : tratamento térmico de solubilização
· T5 : envelhecido artificialmente
· T6 : tratamento térmico de solubilização e envelhecido artificialmente
· T8 : tratamento térmico de solubilização, trabalhado a frio e
envelhecido artificialmente
o sistema de numeração unificado (UNS) reserva as designações de M10001 até M19999 para as ligas de magnésio
Liga AZ91A-T6
AZ : significa que o alumínio e o
zinco são os dois principais
elementos de liga
91 : indica os percentuais de
alumínio (9%) e zinco (1%)
presentes na liga
A : indica que esta liga foi a
primeira a ser registrada na
ASTM com estas quantidades de
alumínio e zinco
T6 : indica que a liga sofreu
tratamento térmico de
solubilização e foi envelhecida
artificialmente
Titânio e Ligas
Material de engenharia de aplicação relativamente recente, o Titânio possui uma densidade
razoavelmente baixa (4,5 g/cm3), um elevado ponto de fusão (1668 °C) e um bom módulo de
elasticidade (107 Gpa). Suas ligas são bastante resistentes, chegando a atingir valores de limite de
resitência à tração de 1400 Mpa em temperatura ambiente, além de possuírem boa ductilidade e
boas usinabilidade e forjabilidade.
Sua maior limitação é uma elevada reatividade química com outros elementos em elevadas
temperaturas, o que levou ao desenvolvimento de uma série de ligas especiais que elevam o custo
do material. A principal característica do Titânio, entretanto, é a sua elevada resistência à corrosão
em temperatura ambiente, o que o torna praticamente imune ao ar, à atmosfera marinha e a uma
grande variedade de atmosferas industriais. Além disso, o Titânio é biocompatível, o que o torna
uma alternativa altamente utilizada na área biomédica. O Titânio possui uma série de aplicações em
tecnologia de ponta. Suas características de resistência à corrosão, resistência mecânica e
densidade são determinantes na escolha das suas ligas. Entre as suas muitas aplicações podem
ser citadas: em componentes de turbinas à gás; vasos de pressão aeroespaciais; como material
estrutural nas indústrias aeronáutica, automobilística e marinha; em carcaças de submarinos;
conteiners de lixo nuclear; estruturas de suporte para sistemas óticos sujeitos a grandes variações
de temperatura; implantes e próteses; bens de consumo (pulseiras de relógios, tacos de golfe, etc.),
entre outras.
Titânio e Ligas
classificações no sistema da ASTM : não-ligados (Titânio em diferentes níveis de pureza), ligas a, ligas
a-b e ligas b. A designação é feita com alusão direta às quantidades de elementos de liga presentes.
Ti-0.3Mo-0.8Ni, uma liga a com as quantidades de Molibdênio e Níquel indicadas diretamente na
designação da liga.
SUPERLIGAS
O desenvolvimento das chamadas superligas, de níquel, de cobalto e de ferro
começou nos Estados Unidos nos anos 1930, porém ao longo dos anos as superligas
de níquel tornaram-se as mais utilizadas. Além das turbinas de jatos, as superligas de
níquel encontram aplicações variadas em altas temperaturas, como em motores de
foguetes e veículos espaciais em geral, reatores nucleares, submarinos, usinas
termoelétricas, equipamento petroquímico, por exemplo. Entretanto, a principal
aplicação dessas ligas continua sendo seu uso em turbinas de jatos de aviação.
excelente resistência mecânica num amplo intervalo de temperaturas
Essa capacidade de endurecimento dessas ligas austeníticas de níquel, de cobalto e
de ferro as torna adequadas para diferentes aplicações
a maioria das superligas apresenta boa dutilidade
em geral apresentam também boa resistência ao impacto, à fadiga de alto e de baixo
ciclo e à fadiga térmica
grande solubilidade de muitos elementos de liga na matriz austenítica e a capacidade
de controle da precipitação de fases intermetálicas
Componentes majoritários – Niquel, Cobalto ou Ferro
Elementos de liga – Nb, Mo, W, Ta (metais refratários) Cr, Ti
METAIS NOBRES
São oito metais – Ouro
- Prata
- Platina
- Paládio
- Ródio
- Rutenio
- Iridio
- Ósmio
OUTRAS
Nique e ligas – monel (65% Ni-28% Cu)
Chumbo – Estanho e ligas – material de solda
Chumbo – Barreiras para Raios-X
Estanho – Revestimento de latas alimentícias
Zinco – Menos resistentes a corrosão – Usado em aços galvanizados
Ligas com memória de forma
Capazes de retornar à sua forma originaldepois de terem sido deformadas pelaaplicação de calor = metais com efeitotérmico de memória.
Antenas de telefonia celularArmações de óculosAparelhos ortodônticosPróteses cardíacasEstruturas de segurança automotivaTanques de combustíveisAsas de avião.
Yuuki Tanaka e seus colegas voltaram sua atenção para as ligas policristalinas à base de ferro, bem conhecidas por sua resistência, e descobriram que elas podem se recuperar de deformações de mais de 13% a temperatura ambiente, voltando à sua forma original.A capacidade de recuperação de forma das ligas policristalinas de ferro supera largamente as mais eficientes conhecidas até hoje, feitas de ligas de níquel e titânio, que apresentam uma capacidade de recuperação de deformações de apenas 8% - além de serem muito mais caras.
Ligas de elevada entropia
Uma nova liga metálica de alta entropia alcançou uma relação resistência/peso maior do que qualquer outro material metálico conhecido.
Ligas metálicas de alta entropia são materiais queconsistem de cinco ou mais metais em quantidadesaproximadamente iguais. Estas ligas são atualmentefoco de atenção significativa em ciência e engenhariade materiais porque apresentam propriedades degrande interesse na indústria.
LítioMagnésioTitânioalumínioEscândio
alta entropiabaixa densidaderesistência muito elevada.