Aços Classificação E Aplicações

Transcript

Universidade do Vale do Rio dos Sinos Curso de Graduação em Engenharia de Produção Aços:  classificação e aplicações Materiais Mecânicos A                                                                                                         Cíntia Mazzaferro Aços: classificação e aplicações É prática comum classificar os aços em: • não‐ligados: conhecidos como aços‐carbono, possuem além  do C teores aceitáveis de silício (entre 0 1 e 0 35%) manganês do C teores aceitáveis de silício (entre 0,1 e 0,35%), manganês  (entre 0,25 e 0,90%), fósforo (até 0,04%) e enxofre (até 0,05%); • ligados: possuem elementos de liga, os quais determinarão  propriedades específicas. Um aço será considerado “ligado” se a  soma de seus elementos de liga exceder 5%. Estes elementos  incluem Al, Cu, Cr, Ni, Mo, Nb, V, Ti, ... Sistema de classificação  adotado no Brasil considera a composição  química dos aços  (baseado nos da “American Iron and Steel  Institute”  e “Society of Automotive  Engineers” Materiais Mecânicos A                                                                                                         Cíntia Mazzaferro 1 Sistema de classificação AISI /SAE (exemplos) 1XXX – aços‐C comuns 1045 ‐ aço sem liga com 0,45%C  1045  aço sem liga com 0,45%C 1145 ‐ aço de corte fácil com 0,45%C (com MnS)  1345 ‐ aço de elevada resistência com 0,45%C e 1,75%Mn  2XXX ‐ aços ao Ni  2345 ‐ aço com 0,45%C e 3,5%Ni  2545 ‐ aço com 0,45%C e 5,0%Ni  3XX ‐ aços austeníticos resistentes à corrosão ou refratários  3XXX ‐ aços ao Cr‐Ni  3145 ‐ aço com 0,45%C, 1,25%Ni e 0,60%Cr  3245 ‐ aço com 0,45%C, 1,75%Ni e 1,0%Cr  3345 ‐ aço com 0,45%C, 3,50%Ni e 1,55%Cr  Materiais Mecânicos A                                                                                                         Cíntia Mazzaferro 4XX ‐ aços ferríticos ou martensíticos resistentes à corrosão ou  refratários  4XXX ‐ aço ao Mo  4045 ‐ aço com 0,45%C e 0,25%Mo  4045 ‐ aço com 0 45%C e 0 25%Mo 4145 ‐ aço com 0,45%C, 0,50 a 0,95%Cr e 0,25%Mo  4345 ‐ aço com 0,45%C, 1,80%Ni, 0,50 a 0,80%Cr e    0,25%Mo  4645 ‐ aço com 0,45%C, 1,80%Ni e 0,25%Mo  4845 ‐ aço com 0,45%C, 3,5%Ni e 0,25%Mo  5XXXX ‐ aço ao Cr  ç 50100 ‐ aço com 1%C e 0,50%Cr  51100 ‐ aço com 1%C e 1,00%Cr  52100 ‐ aço com 1%C e 1,45%Cr  6XXX ‐ aço ao Cr‐V  ... Materiais Mecânicos A                                                                                                         Cíntia Mazzaferro 2 Importante: Apesar da classificação basear‐se na composição química  (CQ), não é apenas ela, mas também o processo de produção e o  emprego (ou não) de tratamentos térmicos que ditará as  propriedades de um aço e, consequentemente, a sua aplicação. Por exemplo, no que se refere ao processo de produção, o  método utilizado para a remoção do oxigênio quando o aço ainda  está liquido ou durante sua solidificação determina algumas  propriedades dos aços. Deste modo, algumas vezes não só a CQ,  i d d d D d l ã ó CQ mas também o método de “desoxidação” do aço são  especificados. Materiais Mecânicos A                                                                                                         Cíntia Mazzaferro Classificação de acordo com o método de desoxidação: Aços acalmados:  Al e Si são utilizados para reagir com o oxigênio  no aço líquido Estes aços são geralmente utilizados onde é necessária no aço líquido. Estes aços são geralmente utilizados onde é necessária  máxima uniformidade microestrutural, como forjamento a quente.  Aços fundidos são sempre desoxidados por este processo. Aços não‐acalmados (efervescentes):  nestes aços,  o oxigênio  durante a solidificação combina‐se com o carbono formando CO, e  devido a isso o aço superficialmente fica livre de carbono. Esta camada  superficial é muito dúctil, e este tipo de aço é utilizado em alguns  p , p ç g processos de trabalho a frio. Usualmente possuem C e Mn menores do  que 0,25% e 0,60%, respectivamente. Aços semi‐acalmados:  características entre acalmados e não‐ acalmados, são também utilizados em alguns processos de trabalho a  frio.  Materiais Mecânicos A                                                                                                         Cíntia Mazzaferro 3 Em seu processamento final, os aços podem ser obtidos  através de duas rotas: ‐fundição: são vazados em moldes de areia, e a peça final  possui dimensões bem próximas às finais (eles podem necessitar  i di õ b ó i à fi i ( l d i tratamentos térmicos específicos para alívio de tensões,  homogeneização da microestrutura e/ou obtenção de  propriedades mecânicas específicas, assim como usinagem para  melhor tolerância dimensional).  Produto final =  peça/componente. ‐trabalhados a quente ou a frio: lingotes são laminados,  forjados, estampados, estirados, ..., e normalmente utilizados em  sua forma final, sem necessidade de tratamentos térmicos  (exceção quando é necessário eliminar o efeito do encruamento).  Produtos finais: placas, chapas, perfis, arames, ... Materiais Mecânicos A                                                                                                         Cíntia Mazzaferro Exemplo fundição em areia (processo manual): Materiais Mecânicos A                                                                                                         Cíntia Mazzaferro 4 Aços ao carbono Características: •baixa/média resistência mecânica e dureza •alta tenacidade e ductilidade •excelente/boa usinabilidade e soldagem / •baixo custo de produção Aplicações: •peças e chapas automobilísticas •elementos de máquinas •perfis estruturais e placas utilizadas na fabricação de tubos •perfis estruturais e placas utilizadas na fabricação de tubos •construção civil, pontes •latas de folhas‐de‐flandres Materiais Mecânicos A                                                                                                         Cíntia Mazzaferro Microestruturas ferrito‐perlíticas de aços com teores em  carbono crescentes Microestrutura martensítica Materiais Mecânicos A                                                                                                         Cíntia Mazzaferro 5 Variação da dureza com o teor de carbono Materiais Mecânicos A                                                                                                         Cíntia Mazzaferro Ferro: metal  alotrópico (mais alotrópico (mais  de uma  estrutura  cristalina de  acordo com a  temperatura) Materiais Mecânicos A                                                                                                         Cíntia Mazzaferro 6 Evolução dos tipos de aços usados na indústria automobilística AHSS Fonte: C. Mazzaferro Fonte: D. Havrilla Materiais Mecânicos A                                                                                                         Cíntia Mazzaferro 200 σp σgr 100 σp σgr σgr σp 0 0 0,04 % Nb 0,08 0 0,04 0,08 0,012 0 0,04 %V 0,08 0,012 % Ti Adaptaado de Revista Ação ARMCO  (2004)  Aumento na tensão de escoa amento (%) 300 Aumento da resistência com a microadição de elementos de liga σp=aumento na resistência devido à formação de finos carbonetos σgr=aumento na resistência devido à diminuição do tamanho de grão Materiais Mecânicos A                                                                                                         Cíntia Mazzaferro 7 Aço 0,30%C:                      Sem Ti                                 Com 0,01%Ti Bielas Cubos de rodas Eixos dianteiros Materiais Mecânicos A                                                                                                         Cíntia Mazzaferro Aços ligados Elementos de liga são adicionados visando: •aumentar a dureza e a resistência mecânica; •conferir propriedades mais uniformes ao longo de toda a seção  •conferir propriedades mais uniformes ao longo de toda a seção da peça; •diminuir o peso (através do ganho em resistência); •melhorar/aumentar propriedades específicas como resistência à  corrosão, ao calor, ao desgaste, à capacidade de corte (usinagem),  ... Nos aços ligados é comum o emprego de tratamentos  térmicos específicos para a obtenção das propriedades  requeridas.   Materiais Mecânicos A                                                                                                         Cíntia Mazzaferro 8 Materiais Mecânicos A                                                                                                         Cíntia Mazzaferro As mudanças que acontecem nas propriedades dos aços com a  adição de elementos de liga deve‐se às alterações microestruturais  provocadas por eles: Microestrutura  ferrítica em um aço  baixo carbono.  Microestrutura  austenítica de um  aço inox 304.  Carbonetos complexos (M=V, W, Mo e/ou Cr) em matriz de martensita  revenida com carbonetos secundários. A. Júnior et al.  Materiais Mecânicos A                                                                                                         Cíntia Mazzaferro 9 Dentre os aços ligados, tem‐se: •Aços para cementação Possuem baixos teores de elementos de liga como Cr, Ni,  Possuem baixos teores de elementos de liga como Cr Ni Mn, Mo, tomando a designação relativa a esses elementos como  “aço‐cromo”, “aço‐cromo‐molibdênio”, ... São mito utilizados em  peças de construção em que se pretende, ao mesmo tempo, uma  dureza superficial elevada para alta resistência ao desgaste da  camada cementada e um núcleo macio para suportar impactos e  ter um limite de resistência à fadiga superior. São utilizados em  g p componentes tais como rodas dentadas, eixos de cames, cruzetas,  engrenagens, pinhões, alavancas, ..., ou seja, peças sujeitas a  solicitações dinâmicas. Materiais Mecânicos A                                                                                                         Cíntia Mazzaferro •Aços para nitretação:  O tratamento térmico de nitretação permite ao Fe‐C ligado  com Cr, Al, Mo atingir durezas superficiais mais elevadas e  fornecer, além disso, uma certa proteção contra corrosão. Estes  aços são aplicados, por exemplo, em engrenagens, virabrequins,  pistões e hastes de pistões, camisas de cilindros, brocas,  ferramentas de medição e em peças que requerem certa  resistência a quente como válvulas para vapor sob pressão. Materiais Mecânicos A                                                                                                         Cíntia Mazzaferro 10 •Aços para trabalho a quente:  Possuem a adição de Cr, Mo e V. Sua utilização depende do  limite de escoamento mínimo, do limite de aplicação da carga, e  da máxima fluidez necessária à temperatura máxima de serviço.  Seus campos de aplicação são, por exemplo, nas juntas refratárias  para caldeiras a vapor e geradores térmicos, em peças de  equipamentos submetidos ao contato com o vapor a altas  temperaturas tais como as peças de turbinas a vapor (pás e  discos), em peças para a indústria química, etc. Materiais Mecânicos A                                                                                                         Cíntia Mazzaferro •Aços para usinagem:  Os aços ligados com enxofre e chumbo são apropriados  para sofrer usinagem, pois permitem otimizar o rendimento do  corte das ferramentas, reduzindo o tempo de produção e o  desgaste das ferramentas. Permitem a usinagem em elevadas  velocidades de corte e são utilizados na fabricação de parafusos,  porcas, rebites, eixos, peças para a indústria de relojoaria,  utensílios da indústria de alimentos (quando ligados ao Cr),  artigos domésticos, ... Materiais Mecânicos A                                                                                                         Cíntia Mazzaferro 11 •Aços de construção para trabalhar a quente:  São aços ligados com W, Cr, V e Mo e servem para a  fabricação de ferramentas destinadas à deformação em alta  temperatura de materiais metálicos sem desgaste. Exemplos de  utilização são mordentes de forja, matrizes e punções de  perfuração a quente, lâminas de tesouras a quente, moldes para  fundição por injeção, punções de prensas para extrusão de  metais, etc. Materiais Mecânicos A                                                                                                         Cíntia Mazzaferro •Aços para trabalho a frio:  São aços ligados com Si, Cr, W e V destinados à fabricação  de ferramentas que não sofrem nenhum aquecimento durante o  trabalho. São geralmente utilizados em ferramentas como limas,  ferramentas de corte para madeira, brocas, mandris, fresas,  punções e matrizes, fieiras de estiramento a frio, moldes para  injeção de plástico, ... Materiais Mecânicos A                                                                                                         Cíntia Mazzaferro 12 •Aços rápidos:  A designação “aços rápidos” significa “de corte rápido em  processos de usinagem”. São aços com elevados teores de Co, Mo,  W e V na sua composição. Sua CQ permite uma dureza elevada,  máxima resistência ao desgaste e manutenção de suas  propriedades até temperaturas próximas a 600oC. Estes aços  subdividem‐se em duas categorias principais, aços‐tungstênio e  aços‐molibdênio, e são utilizados especialmente na fabricação de  ferramentas de corte como brocas helicoidais, folhas de serra e  serras circulares para metais, machos, ferros de corte para  i l t i h f d t torneamento, fresas, mandris, ... Materiais Mecânicos A                                                                                                         Cíntia Mazzaferro •Aços inoxidáveis:  Ligados com Cr, Ni, Mo, Mn, Ti, Nb, Cu e S, são aços  extremamente resistentes aos ataques atmosféricos e à ação de  certos ácidos orgânicos e inorgânicos. Suas aplicações são  extremamente variadas: tampos (cubas) de cozinhas,  instrumentos médico‐cirúrgicos, hélices de navios, reservatórios  para a indústria alimentar, utensílios e aparelhos para a indústria  química, peças para construção de reatores nucleares,  componentes para a indústria aeronáutica e aeroespacial, etc. Existem diferentes tipos de aços inoxidáveis, classificados de  acordo com a sua matriz: ferríticos, austeníticos e martensíticos.  Existem também os duplex, constituídos por ferrita+austenita, e os  endurecíveis por precipitação (tratamento de envelhecimento). Materiais Mecânicos A                                                                                                         Cíntia Mazzaferro 13 Aços inoxidáveis série 300: Aplicações Estruturais, Alta resistência Menor resistência à corrosão Propriedades mecânicas Série 200 C ≤ 0,15 Cr 16/19 Ni 3,5/6 Mn 5,5/10 Aços Inox austeno austenoferríticos +Mn +N2 -Ni C 0,04/0,08 Cr 16/18 Ni 10/14 Mo 2/3 301 C ≤ 0,15 Cr 16/18 Ni 6/8 Alta Resistência -Ni -Cr +C 316 +Ni Resistência à corrosão em altas temperaturas p 310 +Ni +Cr C ≤ 0,25 Cr 24/26 Ni 19/22 304 C ≤ 0,08 Cr 18 /20 Ni 8 /10,5 +Mo -C Resistência à oxidação ç em altas temperaturas +Ni 305 C ≤ 0,12 Cr 17/19 Ni 10,5/13 Melhor estampabilidade C ≤ 0,08 Cr 16/18 Ni 10/14 Mo 2/3 304 L 303 +Mo 317 C ≤ 0,08 Cr 18/20 Ni 11/15 Mo 3/4 -C C ≤ 0,03 Cr 18/20 Ni 8/12 +S ou Se Resistência à corrosão por pites, Melhor resistência em meios ácidos redutores Resistência à corrosão por pites +C -Ni +Cr Ligas Ni-Cr-Fe 316H 304H C 0,04/0,08 Cr 18/20 Ni 8/10 8/10,5 5 +Ni +Cr +Mo +Cu +Nb 20Cr-25Ni 4,5 Mo 1,5 Cu C ≤ 0,03 -C 316L C ≤ 0,03 Cr 16/18 Ni 10/14 Mo 2/3 317 L C ≤ 0,03 Cr 18/20 Ni 11/15 Mo 3/4 321 C ≤ 0,08 Cr 17/19 Ni 8/10 S ≥ 0,15 +Ti Melhor usinabilidade Menor resist. corrosão +Nb +Ta C ≤ 0,08 Cr 17/19 Ni 9/12 Ti ≥ 5 x (C+N) 347 C ≤ 0,08 Cr 17/19 Ni 9/13 (Nb+Ta) ≥ 10 x C Materiais Mecânicos A                                                                                                         Resistência à corrosão intergranular Cíntia Mazzaferro Bibliografia •V. Chiaverini. Aços e ferros fundidos. ABM, 5ª. Ed., São Paulo, 1992. •D. Havrilla. Laser welding of AHSS. Disponível em  http://www.autosteel.org/AM/Template.cfm?Section=PDFs&TEMPLATE=/CM/Cont entDisplay cfm&CONTENTFILEID 9292 entDisplay.cfm&CONTENTFILEID=9292 •C. Mazzaferro. Advanced high strength steels. IPSUS Summer School. Bergedorf‐ Hamburg, Alemanha, Set 2008. •Revista Ação ARMCO 3 (2004) 4‐7. •C. Fonseca, C. Baptista, A. Abdalla. Caracterização microestrutural e mecânica de  um aço inoxidável austenítico modificado com cálcio. Disponível em                       http:www cbecimat com br/Trab Completos/312 016 doc http:www.cbecimat.com.br/Trab_Completos/312‐016.doc •A. Júnior, R. Xavier, C. dos Santos, A. Sinatora. Desenvolvimento de cilindros em  aço rápido para laminações de não planos. Disponível em  http://www.villares.com.br/wwwroot/cilindros/produtos/pt_br/artigos_produtos/f lash_paper_aco_rapido_naoplanos_ptbr.swf  Materiais Mecânicos A                                                                                                         Cíntia Mazzaferro 14