Metalurgia Básica

Metalurgia Básica

Ementa:

  • 1 – Sistemas Cristalinos

  • 2 – Ligas Metálicas

  • 3 – Difusão

  • 4 – Nucleação e Crescimento dos Grãos

  • 5 – Diagrama Fe-C

  • 6 – Curvas TTT

  • 7 – Curvas CTT

  • 8 – Aspecto Térmico da Soldagem

  • 9 – Zona Fundida

  • 10 – Solidificação da Zona Fundida

  • 11 – Pré-aquecimento

Ementa:

  • 12 – Pós-aquecimento

  • 13 – Fissuração pelo H

  • 14 – Fissuração Lamelar

  • 15 – Fissuração a Quente

  • 16 – Tensões Residuais e Deformações em Soldagem

  • 17 – Tratamentos Térmicos

  • 18 – Particularidades Inerentes Aços Carbono

  • 19 – Particularidades Inerentes Aços Baixa e Média Liga

  • 20 – Particularidades Inerentes Aços Alta Liga

Introdução

  • A soldagem envolve muitos fenômenos metalúrgicos como, por exemplo, fusão, solidificação, transformações no estado sólido, deformações causadas pelo calor e tensões de contração, que podem causar muitos problemas práticos. Os problemas podem ser evitados ou resolvidos aplicando-se princípios metalúrgicos apropriados ao processo de soldagem.

Introdução

  • A metalurgia da soldagem difere da metalurgia convencional em certos pontos de vista, porém um entendimento da metalurgia da soldagem necessita de um amplo conhecimento da metalurgia geral.

Noção da fabricação de ligas Ferrosas

  • O maior percentual de ferro comercialmente produzido vem do processo com alto-forno, que realiza uma reação química entre uma carga sólida e a coluna de gás ascendente resultante no forno. Os três diferentes materiais empregados na carga são minério, fundentes e coque.

  • O minério consiste de óxido de ferro e o fundente principal é o calcário[1], que se decompõe em óxido de cálcio e dióxido de carbono. A cal reage com as impurezas do minério de ferro e flutua sobre a superfície na forma de escória. O coque [2], que se constitui principalmente de carbono, é o combustível ideal para altosfornos porque produz o gás monóxido de carbono, o principal agente redutor do minério de ferro (Fe2O3) para ferro metálico (Fe) [3].

  • [1] CaCO3 -> CaO + CO2

  • [2] 2C + O2 -> 2CO

  • [3] Fe2O3 + 3CO -> 2Fe + 3CO2

Noção da fabricação de ligas Ferrosas

  • A atividade básica do alto-forno é reduzir o óxido de ferro para ferro metálico e remover as impurezas do metal. Os elementos reduzidos passam para a massa de ferro e os elementos oxidados dissolvem- se na escória.

  • O metal proveniente do alto-forno é denominado ferro-gusa e é empregado como um material intermediário para posteriores processos de refino.

  • O ferro-gusa contém quantidades excessivas de elementos que devem ser reduzidos antes que o aço seja produzido.

O que Estrutura Cristalina?

  • O que Estrutura Cristalina?

Estrutura Cristalina

  • Quando um metal líquido é resfriado, seus átomos se arranjam em um modelo cristalino regular, e dizemos que o líquido se solidificou ou se cristalizou.

  • Todos os metais se solidificam na forma cristalina. Num cristal, os átomos ou as moléculas são mantidos numa posição determinada e não estão livres para se movimentar como as moléculas de um líquido ou de um gás. Esse posicionamento determinado é conhecido como rede cristalina.

Estrutura Cristalina

  • Arranjo Atômico

  • Explica a diferença significativa nas propriedades de materiais cristalinos e não cristalinos de mesma composição

  • Material Cristalino

  • É aquele no qual os átomos se encontram ordenados sobre longas distâncias atômicas formando uma estrutura tridimensional chamada rede cristalina

METALURGIA BÁSICA

  • As propriedades dos materiais sólidos cristalinos dependem da estrutura cristalina, ou seja, da maneira na qual os átomos, moléculas ou íons estão espacialmente dispostos

  • Há um grande número de estruturas cristalinas, desde estruturas simples como os metais até estruturas mais complexas exibidas pelos cerâmicos e polímeros

CÉLULA UNITÁRIA

  • Unidade básica repetitiva da estrutura tridimensional, sendo que os átomos são representados por esferas rígidas

ESTRUTURA CRISTALINA DOS METAIS

  • Estruturas cristalinas mais comuns em metais:

  • Cúbico de Corpo centrado – CCC

  • Cúbico de Face centrada – CFC

  • Hexagonal compacta

SISTEMA CÚBICO

  • Cúbico de Corpo Centrado

SISTEMA CÚBICO

  • Cúbico de Face Centrado

SISTEMA CÚBICO

ESTRUTURA HEXAGONAL COMPACTA

ESTRUTURA HEXAGONAL COMPACTA

ESTRUTURA CRISTALINA

ALOTROPIA

  • Alguns metais e não-metais podem ter mais de uma estrutura dependendo da temperatura e pressão.

  • Geralmente as transformações polimorficas são acompanhadas de mudanças na densidade e outras propriedades

  • Exemplos: Ferro, Titânio, Carbono

ALOTROPIA DO FERRO

  • A temperatura ambiente, o Fe tem estrutura CCC

  • A 910° C o Fe passa a ser CFC

  • A 1390° C o Fe passa novamente a ser CCC

LIGAS METÁLICAS

  • São materiais com propriedades metálicas que contêm dois ou mais elementos químicos

  • Apesar da grande quantidade de metais, a maioria não é empregada em estado puro, mas com propriedades alteradas em relação ao metal base

  • Exemplos:

  • Aço - constituído de Fe e C

  • Aço Inoxidável - constituído de Fe, C, Cr e Ni

  • Latão - constituído de Cu e Zn

LIGAS METÁLICAS

  • Solução Sólida Substitucional

  • Em uma solução sólida, átomos do elemento de liga de dimensões semelhantes aos átomos do elemento principal podem substituir estes em posições da rede cristalina

LIGAS METÁLICAS

  • Solução Sólida Insterticial

  • É o caso de ligas de cobre com até 35% Zn. Caso as dimensões atômicas do elemento de liga sejam suficientemente pequenas, eles podem ocupar os interstícios (vazios) da estrutura

LIGAS METÁLICAS

  • O resultado da introdução de elementos de liga é a distorção da rede cristalina

  • Quanto maior é a distorção da rede cristalina, mais difícil o deslizamento dos planos e assim o metal torna-se mais resistente

DEFEITOS CRISTALINOS

  • Lacunas: É um defeito pontual causado pela ausência de um átomo de um sítio cristalino que deveria estar ocupado

DEFEITOS CRISTALINOS

  • Intersticial: É um defeito pontual representado pela presença de um átomo em uma posição do cristal que não deveria ser ocupada

DEFEITOS CRISTALINOS

  • Deslocação (discordância): É um defeito linear que pode ser definido como uma linha que separa uma região, sobre um dado plano interno do cristal, que foi deformada plasticamente de outra que ainda não sofreu esta deformação

DEFEITOS CRISTALINOS

  • Contorno de grão: É a superfície de separação entre grãos adjacentes sendo, portanto, um defeito superficial e resulta das diferenças de orientação cristalina entre os grãos

Vamos pensar um pouco?

DIFUSÃO

  • A medida que a temperatura de um metal aumenta, a vibração dos átomos também aumentam e assim possibilitam a movimentação atômica dos átomos

  • Movimentação atômica no estado sólido,chama-se DIFUSÃO e será maior quanto maior for a temperatura

DIFUSÃO

  • Tem importância devido a segregação de elementos de liga

  • Exemplo: Solda em aços inoxidáveis austeníticos, durante a soldagem a temperatura na ZTA, faz-se formar um composto de C e Cr( Cr23C6 ), assim esta zona fica vulnerável a corrosão (sensitização)

DIFUSÃO

Vamos pensar um pouco?

NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO DE GRÃOS

NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO DE GRÃOS

NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO DE GRÃOS

NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO DE GRÃOS

NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO DE GRÃOS

NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO DE GRÃOS

NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO DE GRÃOS

NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO DE GRÃOS

NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO DE GRÃOS

Ensaio de Tração

PADRÃO ASTM DE TAMANHO DE GRÃO

PADRÃO ASTM DE TAMANHO DE GRÃO

Vamos pensar um pouco?

Formas de Cristalização do Fe

Formas de Cristalização do Fe

Formas de Cristalização do Fe

Como a ferrita dissolve o C

Como a ferrita dissolve o C

Ferro líquido

Austenita e Ferrita

O que acontece com o C?

Ferrita e Cementita

DIAGRAMA FeC

  • As fases representadas neste diagrama são: líquido, austenita (γ), ferrita (α e δ) e cementita Fe3-C.

  • Austenita é a solução sólida intersticial de carbono no ferro γ (CFC) e possui baixa dureza, boa resistência mecânica e apreciável tenacidade.

  • Ferrita é a solução sólida do carbono no ferro α e δ (CCC), possui baixa dureza e resistência a tração, porém alto alongamento.

DIAGRAMA FeC

  • Cementita é o carboneto de ferro Fe3C contendo 6,7%C, muito dura e quebradiça, é responsável pela elevada dureza e resistência dos aços A/C e pela baixa ductilidade

DIAGRAMA FeC

  • Limitação:

  • Só é válido para resfriamento lento

  • Quando ocorre um resfriamento rápido de uma estrutura austenítica, obtém-se a martensita

Martensita

  • A martensita cristaliza-se no sistema tetragonal de corpo centrado, sendo muito frágil e possui dureza muito elevada.

DIAGRAMA FeC

  • De acordo com o seu teor de carbono, os aços podem ser divididos em três grupos:

  • aços hipoeutetóides, com teor de carbono inferior a 0,8%,

  • aços eutetóides, com teor de carbono em torno de 0,8% e

  • aços hipereutetóides, com teor de carbono superior a 0,8%.

ESTRUTURA DOS AÇOS RESFRIADOS LENTAMENTE

ESTRUTURA DOS AÇOS RESFRIADOS LENTAMENTE

ESTRUTURA DOS AÇOS RESFRIADOS LENTAMENTE

INFLUÊNCIA DO C NAS PROPRIEDADES DOS AC

PERGUNTA???

  • Quais os microcontituintes de um aço resfriado lentamente com 0,3% C ?

  • Ferrita e Perlita

REGRA DA ALAVANCA

  • Estimar a constituição estrutural

  • Exemplo: Aço com 0,3% C

  • % Ferrita = 100 x 0,80 – 0,30 = 62,5%

  • 0,80-0

  • % Perlita = 100 x 0,30 – 0 = 37,5%

  • 0,80-0

PERGUNTA???

  • Quais os microcontituintes de um aço resfriado lentamente com 1,3% C ?

  • Perlita e Cementita

REGRA DA ALAVANCA

  • Estimar a constituição estrutural

  • Exemplo: Aço com 1,3% C

  • %Cementita = 100 x 1,30 – 0,80 =8,5%

  • 6,67- 0,80

  • % Perlita = 100 x 6,67 – 1,30 = 91,5%

  • 6,67-0,80

PERGUNTA???

  • Quais os microcontituintes de um aço resfriado lentamente com 0,8% C ?

  • Perlita

REGRA DA ALAVANCA

  • Estimar a constituição estrutural

  • Exemplo: Aço com 0,80% C

  • % Ferrita = 100 x 6,67 – 0,80 =88%

  • 6,67- 0

  • % Cementita = 100 x 0,80 – 0 = 12%

  • 6,67 - 0

CURVAS TEMPERATURA-TRANSFORMAÇÃO-TEMPO (TTT)

  • Resfriamento da austenita a temperaturas constantes e sua transformação determinada ao longo do tempo

CURVAS TEMPERATURA-TRANSFORMAÇÃO-TEMPO (TTT)

  • Constituintes resultantes:

  • Logo abaixo de A1 forma-se a perlita grossa, que possui lamelas largas e baixa dureza

  • Na proximidade do ponto P, a perlita que se forma adquire lamelas cada vez mais finas e é chamada de perlita fina

  • Entre o ponto P e o início de formação da martensita, tem-se a bainita tem maior dureza que a perlita fina

CURVAS TEMPERATURA-TRANSFORMAÇÃO-TEMPO (TTT)

  • Limitações:

  • Para aços de diferentes composições, existem curvas TTT diferentes

  • O diagrama é levantado a partir de transformações isotérmicas

CURVAS TEMPERATURA-TRANSFORMAÇÃO-TEMPO (TTT)

  • Fatores que influênciam a posição das curvas TTT:

  • Teor de carbono - quanto maior o teor de C, até a percentagem de 0,8%, mais para a direita ficará deslocada a curva TTT

  • Teor de elementos de liga - quanto maior os teores de elementos de liga, com exceção do Co, mais para a direita ficará deslocada a curva TTT

  • Tamanho de grão e homogeneização da austenita - quanto maior o tamanho de grão da austenita e quanto mais homogêneo for o grão mais deslocada para a direita ficará a curva TTT

CURVAS DE RESFRIAMENTO CONTÍNUO - CCT

  • CURVAS CCT

  • As informações dadas pelos diagramas TTT não se aplicam integralmente às condições de soldagem, devido as suas condições particulares de distribuição de energia e temperaturas elevadas no processo

CURVAS DE RESFRIAMENTO CONTÍNUO - CCT

  • CURVAS CCT

CURVAS DE RESFRIAMENTO CONTÍNUO - CCT

  • Fatores que influenciam a posição das curvas CCT

  • É influenciada pelos mesmos fatores e maneiras expostos para as curvas TTT e além do mais, processos de soldagem com maior aporte de calor e extensão da curva de repartição térmica aumentam o tamanho de grão, com conseqüente deslocamento das curvas para a direita

TRATAMENTO TÉRMICO

  • Tratamentos térmicos podem ser definidos como processos em que um metal, no estado sólido, é submetido a um ou mais ciclos de aquecimento e resfriamento para alterar, de forma desejada, uma ou mais de suas propriedades

TRATAMENTO TÉRMICO

  • Os aços podem ser submetidos a diferentes tratamentos térmicos visando um dos seguintes objetivos:

  • remover as tensões induzidas pelo trabalho a frio ou remover as tensões originadas por resfriamento não uniforme de peças aquecidas

  • diminuir a dureza e aumentar a ductilidade

  • aumentar a dureza, a resistência mecânica e a resistência ao desgaste

TRATAMENTO TÉRMICO

  • aumentar a tenacidade de forma a combinar uma alta resistência à tração e uma boa ductilidade, permitindo suportar choques de maior intensidade

  • melhorar a usinabilidade

  • melhorar as propriedades de corte de ferramentas

  • alterar as propriedades elétricas e magnéticas.

TRATAMENTO TÉRMICO

  • Fatores de Influência:

  • Aquecimento

  • Faz-se o aquecimento a uma temperatura acima da crítica para completa austenização do aço e controla-se a velocidade de aquecimento e temperatura máxima de aquecimento

TRATAMENTO TÉRMICO

  • Tempo de permanência

  • Quanto maior a temperatura, menor é o tempo para a completa austenização, evitando-se um tempo muito longo para não ocorrer a descarbonetação superficial

TRATAMENTO TÉRMICO

  • Resfriamento

  • É o fator mais importante, pois é ele que determinará a estrutura, ou seja, as propriedades finais do aço, evidente que a obtenção desses constituintes também está ligado a composição química do material

TRATAMENTO TÉRMICO

  • O meio em que vai ocorrer o resfriamento deve ser escolhida baseando-se em:

  • Resfriar adequadamente para obtenção da estrutura e propriedades a uma certa profundidade prevista

  • Evitar empeno, distorção ou mesmo a ruptura da peça

TRATAMENTO TÉRMICO

  • Atmosfera do Forno:

  • Deve-se evitar a oxidação “Casca de Óxido”

  • 2Fe + O2 = 2FeO

  • Fe + CO2 = FeO + CO

  • Fe + H2O = FeO + H2

TRATAMENTO TÉRMICO

  • Atmosfera do Forno:

  • Deve-se evitar a descarbonetação superficial

  • 2C + O2 = 2CO

  • C + CO2 = 2CO

  • C + 2H2 = CH4

Diagrama FeC

TRATAMENTO TÉRMICO

  • Recozimento

  • Aquecimento

  • Cerca de 30°C acima da zona crítica (acima da linha A3, figura acima) para os aços hipoeutetóides, ou acima do patamar eutetóide (acima de A1) para os aços hipereutetóides, durante o tempo necessário para uma completa austenitização, seguido de um resfriamento lento.

  • Tempo de permanência na temperatura de tratamento

  •    Dependo do material, em geral, 20 min por cm de espessura (para peças de grandes dimensões este tempo pode ser aumentado).

  •  

TRATAMENTO TÉRMICO

  • Resfriamento

  •     Usualmente, é feito no forno e a taxa de 20 a 30 °C por hora até 300 a 500 °C, abaixo deste patamar pode-se resfriar ao ar. A microestrutura resultante é a perlita grossa e a ferrita.

  •  

  • Objetivo

  •  Regenerar a estrutura;

  • Diminuir a dureza;

  • Aumentar a ductilidade

  • Aliviar tensões internas causadas por tratamento anterior;

  • Refinar o grão.

TRATAMENTO TÉRMICO

  • Alivio de Tensões

  •   É o aquecimento abaixo da zona crítica (para não introduzir novas tensões) durante o tempo necessário para reduzir a dureza e aliviar as tensões, seguido de um resfriamento uniforme de modo a impedir novas tensões.

  •  Para os aços carbono, somente os tratamentos realizados em temperaturas superiores a 500°C são realmente eficazes

  • Pode reduzir a tenacidade, principalmente quando esse tratamento é realizado mais de uma vez.

TRATAMENTO TÉRMICO

  • A tensão residual fica, então, reduzida a um valor próximo ao limite de escoamento do material na temperatura do tratamento.  

  • Objetivo

  • Aliviar as tensões residuais da solidificação (fundição ou soldagem), fazendo com que a tensão de escoamento seja inferior as tensões residuais.

  • Eliminar o encruamento em peças deformadas a frio, possibilitando realizar deformações adicionais.

TRATAMENTO TÉRMICO

  • Normalização

  •   Consiste no aquecimento acima da zona crítica (acima da linha A3 ou da linha Acm) durante um determinado tempo para completa homogeneização da austenita, seguido de um resfriamento ao ar tranqüilo. Obtém-se ferrita e perlita fina ou perlita fina e cementita. 

  • Efeitos da Normalização

  •   Aumento da dureza e da resistência mecânica; Menor tamanho de grão que no recozimento pleno, devido ao resfriamento mais rápido.

TRATAMENTO TÉRMICO

  • Objetivo

  • Refino da granulação grosseira de peças forjadas ou fundidas;

  • Homogeneizar a composição química, pela diminuição da segregação através da difusão;

  • Dar maior uniformidade à estrutura das peças que serão submetidas ao tratamento de têmpera e revenido;

TRATAMENTO TÉRMICO

  • Têmpera 

  • Consiste no aquecimento acima da zona crítica para completa homogeneização da austenita, seguido de um resfriamento rápido, assim aumenta a dureza do aço e, em conseqüência, sua resistência mecânica, porém diminui a tenacidade.

TRATAMENTO TÉRMICO

  • Controle das variáveis do processo

  •   O tempo de permanência na temperatura de austenitização (tempo de aquecimento) depende do tipo do aço e das dimensões da peça.

  • Geralmente é de 5 a 10 min para cada 10 mm de espessura

  • A transformação martensítica ocorrerá, se a velocidade de resfriamento for suficientemente elevada.

  • Meios de resfriamento utilizados

TRATAMENTO TÉRMICO

  • Conseqüências da Têmpera:

  • Tensões térmicas - diferença de velocidade de resfriamento (espessuras diferentes, posições diferentes),quando se utiliza salmoura como elemento para resfriamento. Pode-se reduzir este efeito utilizando-se inibidores de corrosão na solução

  • Empeno e trincas

  •   Severidade do resfriamento

  • Aços especiais

  • Peças com grande variação dimensional

TRATAMENTO TÉRMICO

  • Obtém-se a martensita que é muito duro e frágil e tem a estrutura tetragonal com carbono supersaturado

TRATAMENTO TÉRMICO

  • Revenido

  •  Reaquecimento do aço temperado a uma temperatura abaixo de A1, durante um tempo, para a obtenção das propriedades desejadas, seguido de um resfriamento qualquer para atenuar os incovenientes da têmpera.

  •  Objetivo

  •   Aliviar as tensões internas na peça temperada;

  • Aumentar a tenacidade e a ductilidade, que são drasticamente reduzidas pela têmpera;

  • Com o revenido ocorre, também, uma diminuição da dureza

  •  

TRATAMENTO TÉRMICO

  • Controle das variáveis do processo

  •  

  • A variável mais importante no revenido é a temperatura de aquecimento, seguida pelo tempo de permanência nesta temperatura e obtém-se a martensita revenida.

  •  

TRATAMENTO TÉRMICO

  • Esquema do comportamento de corpos de prova de aço no ensaio de tração, em função do tratamento térmico.

TRATAMENTO TÉRMICO

  • Efeito da temperatura de revenido num aço com 0,5%C, temperado em água.

TRATAMENTO TÉRMICO

  • Mecanismos do revenimento

  •  

  • O início do revenido ocorre pela movimentação de átomos de carbono das posições intersticiais na martensita para defeitos na estrutura cristalina, principalmente discordâncias e interfaces.; acima de 400oC, as discordâncias começam a se rearranjar pelo processo de recuperação, formando contornos de subgrão antes da recristalização, que ocorre por volta de 600oC; próximo de A1, a cementita se desenvolve, formando esferoidita; a variação na temperatura e no tempo de revenido proporciona diferentes propriedades em função do tipo de aço.

DEFEITOS

DEFEITOS

DEFEITOS

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