1º Relatório de EMT037P - Aços Carbonos Comuns PDF

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Relatório sobre Aços Carbonos Comuns. Disciplina de Ciência dos Materiais Experimental (EMT037P)...

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RESUMO Para que os Aços Carbonos estivessem presentes na atualidade, foi necessária muita evolução no processo de produção. É notório o grande papel da Ciência dos Materiais nos últimos tempos, uma vez que consegue aplicar todas as técnicas desenvolvidas nos séculos passados em materiais que possuíam um difícil manuseio antigamente. Além disso, é muito importante ter conhecimento de algumas propriedades e características desses matérias, pois, dessa forma, é possível adquirir uma sabedoria a respeito da aplicação e das vantagens dos Aços Carbonos, sendo essa uma característica muito importante e relevante para um Engenheiro de Materiais.

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ABSTRACT In order for Carbon Steels to be present today, a lot of evolution was needed in the production process. The great role of Material Science in recent times is notorious, since it is able to apply all the techniques developed in past centuries in materials that had a difficult handling in the past. Moreover, it is very important to have knowledge of some properties and characteristics of these materials, because, in this way, it is possible to acquire a wisdom about the application and advantages of Carbon Steels, being this a very important and relevant characteristic for a Materials Engineer.

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SUMÁRIO Resumo.........................................................................................................

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Abstract..........................................................................................................

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Lista de Figuras.............................................................................................

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Lista de Tabelas............................................................................................

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Lista de Siglas...............................................................................................

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Lista de Símbolos..........................................................................................

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1.Introdução...................................................................................................

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2.Objetivos.....................................................................................................

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3, Revisão Bibliográfica.................................................................................

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3.1. Produção............................................................................................

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3.1.1. Preparação da Carga...............................................................

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3.1.2. Redução...................................................................................

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3.1.3. Refino.......................................................................................

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3.1.4. Laminação................................................................................

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3.2 Classificação dos Aços........................................................................

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3.3. Diagrama Ferro-Carbono....................................................................

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3.3.1. Estrutura Cristalina do Ferro.....................................................

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3.3.2. As duas fases do Ferro.............................................................

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3.3.3. Reações e Transformações de Fases......................................

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3.3.3.a) Reação Peritética........................................................

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3.3.3.b) Reação Eutetóide........................................................

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3.3.3.c) Reação Eutética..........................................................

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3.3.4. Pontos Importantes..................................................................

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3.3.4.I) Eutético........................................................................

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3.3.4.II) Eutetóide.....................................................................

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3.3.5. Formação das Microestruturas do Aço.....................................

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3.3.5.I) Microestrutura Eutetóide..............................................

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3.3.5.II) Microestrutura Hipoeutetóide......................................

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3.3.5. III) Microestrutura Hipereutetóide...................................

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3.4. Propriedades Mecânicas....................................................................

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3.4.1. Limite de Escoamento..............................................................

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3.4.2. Limite de Resistência à Tração................................................

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3.4.3. Dureza......................................................................................

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3.4.4. Ductibilidade.............................................................................

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3.4.5. Comparação das Propriedades dos Aços Carbono.................

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3.5. Microestruturas do Aço.......................................................................

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3.5.1. Propriedades Mecânicas..........................................................

22

3.5.2. Aplicações................................................................................

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3.6. Microestrutura Hipoeutetóide do Aço.................................................

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3.6.1. Micrografia................................................................................

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3.6.2. Desenvolvimento da Microestrutura.........................................

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3.7. Composição das Fases......................................................................

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3.7.1. Aço Eutetóide...........................................................................

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3.7.2. Aço Hipereutetóide...................................................................

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3.7.3. Aço Hipoeutetóide....................................................................

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4. Conclusão.............................................................................................

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5. Referências............................................................................................

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LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Diagrama FeC ou Fe3C.............................................................

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Figura 2 - Formação da Microestrutura Eutetóide......................................

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Figura 3 - Micrografia da Microestrutura Eutetóide....................................

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Figura 4 - Formação da Microestrutura Hipoeutetóide...............................

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Figura 5 - Micrografia da Microestrutura Hipoeutetóide.............................

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Figura 6 - Formação da Microestrutura Hipereutetóide..............................

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Figura 7 - Micrografia da Microestrutura Hipereutetóide.............................

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Figura 8 - Gráfico indicando o Limite de Escoamento.................................

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Figura 9 - Gráfico de como ocorre o cálculo do Limite de Escoamento....... 19 Figura 10 - Gráfico do Limite de Resistência à Tensão...............................

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Figura 11 - Micrografia Real da Microestrutura Hipoeutetóide do Aço........ 23 Figura 12 - Gráfico do desenvolvimento da Microestrutura Hipoeutetóide do Aço...........................................................................................................

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LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Tipos de aços..............................................................................

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Tabela 2 - Formas Alotrópicas do Ferro Puro...............................................

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Tabela 3 - Propriedades Mecânicas dos Principais tipos de Aços Carbono. 22 Tabela 4 - Propriedades Mecânicas das Microestruturas do Aço................ 22 Tabela 5 - Aplicações das Microestruturas do Aço......................................

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LISTA DE SIGLAS SAE - Society of Automotive Engineers (EUA) AISI - American Iron and Steel Institute CFC - Estrutura Cúbica de Face Centrada CCC - Estrutura Cúbica de Corpo Centrado Mpa - Mega Pascal

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LISTA DE SÍMBOLOS Fe - Ferro C - Carbono Fe3C - Ferro Cementita °C - Temperatura em graus Celsius ºF - Temperatura em graus Fahrenheit Feα - Fase Ferrita Feγ - Fase Austenita

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1. INTRODUÇÃO Uma vez descoberto que o Fe era um material bem mais resistente, as sociedades do passado começaram a desenvolver novas utilizações, como confecção de armas e ferramentas. Esse processo teve início há 4500 anos e, por meio da evolução, chegou até o momento presente em que se encontra. Os Aços-Carbono são classificados por meio de sua composição química. Ademais, podem ser agrupados tendo como quesito seu processo de acabamento e sua forma de produto acabado. Esses Aços constituem 90% da produção mundial, divididos em: a) Aço de alto C: Entre 0,5% e 2,1% de C; b) Aço de médio C: Entre 0,2% e 0,49% de C; c) Aço de baixo C: Entre 0,05% e 0,2% de C; d) Aço de C extra baixo: Entre 0,015% e 0,05% de C; e) Aço de C ultrabaixo: Menos 0,015% de C. Além disso, é notório que o aço está cada vez mais presente nos processos de fabricação, devido ao seu menor peso, vantagem para a utilização em automóveis, e fácil modelagem, o que auxilia a Engenharia Civil, uma vez que este material é capaz de adaptar-se as necessidades da construção.

2. OBJETIVOS A fim de ter um maior conhecimento a respeito dos Aços-Carbono, suas variações e suas aplicações, foi elaborado uma pesquisa aprofundada na qual foi constatado diversas informações construtivas. A partir disso, é possível obter um conhecimento sobre as propriedades dos Aços-Carbono e sobre o Diagrama de Fase da Cementita (Fe3C), além de alcançar uma sabedoria em relação às microestruturas do Aço, formadas a partir do resfriamento lento do sistema.

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3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1. PRODUÇÃO Desde que o aço ganhou espaço nas indústrias, sua produção tornou-se muito mais presente, uma vez que a demanda por esse material aumentou. Visto isso, o processo de fabricação do aço pode ser dividido em quatro etapas: 3.1.1. Preparação da Carga - Carvão transformado em coque nos Altos-Fornos - Produto resultante = Sínter. Consiste em um material poroso e resistente obtido por meio de duas etapas no ato da Sinterização. O primeiro processo é misturar e tornar homogêneo os finos de minério de ferro, de fundentes e de carvão ou coque. Já a segunda etapa é a combustão do carvão ou coque de forma que haja a evaporação da umidade e da união de partículas da carga. 3.1.2. Redução - Encaminhamento das matérias-primas (minério de ferro, carvão e cal) para o Alto Forno; - Produção do Ferro Gusa nos altos-fornos, por meio da transformação de mistura de carvões minerais em coques; 3.1.3. Refino - Transformação do Ferro Gusa (líquido ou sólido) em aço líquido. - A maioria do aço líquido é transformada em sólido, de forma a produzir equipamentos. 3.1.4. Laminação - Aqueles equipamentos produzidos durante a etapa do Refino são processados por laminadores e transformados em produtos siderúrgicos, nomeados de acordo com sua composição química.

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3.2. CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS Além das classificações citadas anteriormente, os aços também podem ser classificados de acordo com a norma SAE-AISI, na qual possuem sua descrição em 1XXX, onde 1 representa a classe do Aço Carbono e XX indica o teor de carbono no aço (em %) multiplicado por 100, como por exemplo o Aço Carbono 1020, que possui 0,20% de teor de C: Tabela 1 - Tipos de Aços

DESIGNAÇÃO SAE-AISI

TIPO DE AÇO

10xx

Aço carbono comum

11xx

Ressulfurado

12xx

Ressulfurado e Refosforado

13xx

Contém cerca de 1,75% de Manganês

14xx

Contém uma concentração de Nióbio

15xx

Aço carbono com alto teor de Manganês Fonte: Tipos de Aços

3.3. DIAGRAMA FERRO-CARBONO Figura 1 - Diagrama FeC ou Fe3C

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Fonte: Diagrama do Fe3C

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O diagrama Fe-C ou Fe3C é um importante diagrama para a disciplina de Ciência dos Materiais, uma vez que apresenta muitos conceitos importantes. É possível observar que no eixo horizontal do diagrama está a porcentagem de Carbono presente no material, enquanto no eixo vertical localiza-se a temperatura tanto em °C quanto em °F. Além disso, nota-se que o ponto de 6,70% é o exato momento em que existe o Fe3C, onde sua composição possui essa mesma porcentagem de C, tornando-o uma fase estequiométrica. 3.3.1. Estrutura Cristalina do Ferro Nesse diagrama, estão presentes dois tipos de estruturas cristalinas do Ferro: a CCC e a CFC. Visto isso, podem ser caracterizadas da seguinte maneira: a) CCC: Estrutura presente em dois momentos do diagrama. O primeiro ocorre entre a temperatura de 0°C até 912°C. Já a segunda, aparece na parte final do sistema, entre 1394°C a 1534°C (temperatura em que o Fe se funde). b) CFC: Esta ocorre entre as estruturas CCC, variando de 912°C até 1394°C. 3.3.2. As duas fases do Ferro Neste sistema, também é possível observar a existência de duas fases do Fe, que consistem em formas alotrópicas do Fe puro, além de serem soluções sólidas com C intersticial. São elas as fases Feα e Feγ: Tabela 2 - Formas Alotrópicas do Ferro Puro

Características

Ferro α

Ferro γ

Estrutura Cristalina

CCC

CFC

Temperatura de Existência

Até 912°C

912°C a 1394°C

Magnetismo Solubilidade Máxima do C

Fase magnética até 768°C Fase não magnética 0,02% a 727°C

2,14% a 1148°C

Fonte: CALLISTER, William D. Ciência e Engenharia de Materiais: uma Introdução - 5ª ed

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3.3.3. Reações e Transformações de Fases No diagrama Fe3C ocorrem 3 reações (ou transformações de fases) muito importantes para o Sistema. São elas: a) Reação Peritética: - Reação onde a fase sólida é obtida por meio da transformação de uma fase líquida mais uma fase sólida

- No sistema, essa reação é indicada no ponto 1: 𝐹𝑒𝛿 + 𝐿í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 → 𝐹𝑒𝛾 b) Reação Eutetóide: - Reação onde duas fases sólidas são obtidas por meio da transformação de uma fase sólida

- No diagrama, a reação é indicada pela transformação 2: 𝐹𝑒𝛾 → 𝐹𝑒𝛼 + 𝐹𝑒3𝐶 c) Reação Eutética: - Reação onde dois sólidos são obtidos por meio do resfriamento de um líquido. - Tal reação, é mostrada pela transformação 3: 𝐿í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 → 𝐹𝑒𝛾 + 𝐹𝑒3𝐶 3.3.4. Pontos Importantes I) Eutético a) Liga Eutética:

𝐿í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 → 𝐹𝑒𝛾 + 𝐹𝑒3𝐶

- Liga com o menor ponto de fusão - Formada com 4,3% de C a 1148°C b) Liga Hipoeutética: - Ligas de Ferro Fundido compostas de 2,1% de C a 4,3% de C c) Liga Hipereutética: - Ligas de Ferro Fundido formadas com valores acima de 4,3% de C

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II) Eutetóide

𝐹𝑒𝛾 → 𝐹𝑒𝛼 + 𝐹𝑒3𝐶

a) Liga Eutetóide: - Liga de menor temperatura de transformação sólida - Formada com 0,8% de C a 725°C b) Aços Hipoeutetóide: - Ligas de Ferro Fundido de 0,02% de C a 0,08% de C c) Aços Hipereutetóide: - Aços de 0,8% de C a 2,1% de C 3.3.5. Formação das Microestruturas do Aço Dentro do Diagrama Fe3C é possível encontrar 3 tipos de microestruturas do Aço, sendo todas elas formada em um resfriamento lento com a finalidade de manter o equilíbrio. São elas: I) Microestrutura Eutetóide Figura 2 - Formação da Microestrutura Eutetóide

Fonte: CALLISTER, William D. Ciência e Engenharia de Materiais: uma Introdução - 5ª ed

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*𝑂𝐵𝑆: Feα + Fe3C = Perlita

- Lamelas alternadas de Feα e Fe3C

Ferrita: Lamelas mais espessas e claras a) Micrografia Eutetóide Cementita: Lamelas mais finas e escuras Figura 3 - Micrografia da Microestrutura Eutetóide

Fonte: Propriedades Mecânicas das Microestruturas do Aço

b) Propriedades mecânicas da Perlita: - Fase intermediária entre a Ferrita e Cementita

Dura e frágil. Menos resistente

Mole e dúctil. Mais resistente II) Microestrutura Hipoeutetóide Figura 4 - Formação da Microestrutura Hipoeutetóide

Fonte: CALLISTER, William D. Ciência e Engenharia de Materiais: uma Introdução - 5ª ed

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- Formada por 0,02% de C até 0,8% de C. - Estrutura composta de Ferrita e Perlita. Suas quantidades variam de acordo com a porcentagem de C - Micrografia: Parte clara = Ferrita pró-Eutetóide Figura 5 - Micrografia da Microestrutura Hipoeutetóide

Fonte: Propriedades Mecânicas das Microestruturas do Aço

III) Microestrutura Hipereutetóide Figura 6 - Formação da Microestrutura Hipereutetóide

Fonte: CALLISTER, William D. Ciência e Engenharia de Materiais: uma Introdução - 5ª ed

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- Formada por 0,8% de C até 2,1% de C. - Estrutura composta de Cementita e Perlita. Suas quantidades variam de acordo com a porcentagem de C. - Micrografia: Parte clara = Cementita pró-Eutetóide Figura 7 - Micrografia da Microestrutura Hipereutetóide

Fonte: Propriedades Mecânicas das Microestruturas do Aço

3.4. PROPRIEDADES MECÂNICAS Com o avanço da tecnologia, foram descobertas novas aplicações para os Aços Carbono devido à suas propriedades. Estas são algumas das principais características presentes no material - Fácil modelagem: Permite a introdução deste material na construção civil, já que consegue ajustar-se as necessidades presentes na construção. - Menor peso: Usado no setor de transportes, uma vez que reduz a massa do veículo, fazendo com que o automóvel tenha um melhor desempenho. - Resistência cresce em função do teor de carbono: Permite que sejam usados em equipamentos que demandam peças com maior resistência mecânica. Além dessas propriedades apresentadas acima, ainda existe algumas que são importantes de conceituar: 18

3.4.1. Limite de Escoamento Essa característica consiste no ponto em que a deformação do material deixa de ser elástica e passa a ser plástica, ou seja, não retornará a sua forma original. Figura 8 - Gráfico indicando o Limite de Escoamento

Fonte: Propriedades dos aços

O limite de escoamento pode ser determinado por meio desses passos: Figura 9 - Gráfico de como ocorre o cálculo do Limite de Escoamento

Fonte: Propriedades mecânicas dos Aços

1) Encontra-se o limite de proporcionalidade (ponto P), localizado no afastamento da linearidade da curva Tensão x Deformação 19

2) Devido a imprecisão, é traçada uma linha paralela à parte elástica da curva com uma pré-deformação de 2% (0,02). 3) O encontro dessa linha com a curva é denominado a Tensão Limite de Escoamento (σᵧ) 3.4.2. Limite de Resistência à Tração Este conceito indica o ponto em que toda a deformação existente se encontra distribuída por toda a região do material. Caso a tensão continue presente persista, o corpo irá romper. Os limites de re...