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AULA 3 Aços Classificação e seleção dos aços Aços comuns Aços-liga

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1 AULA 3 Aços Classificação e seleção dos aços Aços comuns Aços-liga
Materiais para Construção Mecânica AULA 3 Aços Classificação e seleção dos aços Aços comuns Aços-liga Aços inoxidáveis

2 DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Diagrama Fe-C Materiais para Construção Mecânica DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C Ferros Família dos aços Família dos ferros fundidos Soluções sólidas: Ferro  Austenita  Ferrita  Composto estequiométrico: Cementita Fe3C Reações: peritética eutética eutetóide

3 aços fofos Fe DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C Diagrama Fe-C
Materiais para Construção Mecânica DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C aços fofos Fe

4 DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Diagrama Fe-C Materiais para Construção Mecânica DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C OBSERVAÇÕES Ferro Existe na natureza na forma de óxidos, nos minérios de ferro É extraído por meio de aquecimento em presença de coque ou carvão de madeira, em fornos adequados nos quais o ferro é reduzido e ligado ao carbono Produtos siderúrgicos comuns: aços e ferros fundidos Aços Ligas ferro-carbono com teor de carbono até 2,11% em peso Aço comum ao carbono: carbono é o principal elemento de liga. Contém apenas impurezas em concentrações residuais e um pouco de manganês Aço-liga: mais elementos liga são adicionados intencionalmente em concentrações específicas As propriedades variam com o teor de carbono. A medida que aumenta: Aumenta a resistência à tração até 1% de Carbono, decrescendo para teores mais elevados A dureza aumenta continuamente Diminui a ductilidade

5 DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Diagrama Fe-C Materiais para Construção Mecânica DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C OBSERVAÇÕES Produtos siderúrgicos comuns: aços e ferros fundidos Ferro fundido Produtos obtidos por fusão com mais de 2,11% em peso de carbono A medida que se aumenta o teor de carbono, menores são as temperaturas necessárias para a fusão do material, até 4,3% de carbono Como os FoFos fundem cerca de 300°C abaixo dos aços seu custo de produção é menor Em geral, os ferros fundidos são frágeis, que só resistem bem à compressão

6 Transformação polimórfica do ferro
Diagrama Fe-C Materiais para Construção Mecânica DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C Eixo esquerdo do diagrama: Ferro puro Transformações de fases: antes da temperatura de fusão, o ferro muda duas vezes de estrutura cristalina Transformação polimórfica do ferro Ferrita ou ferro-: estável na temp. ambiente estrutura CCC Fe - CCC Fe - CFC Fe - líquido 910°C 1400°C 1540°C Austenita ou ferro-: estável entre 910°C e 1400°C estrutura CFC Ferro-: estável entre 1400°C e 1540°C estrutura CCC Eixo direito do diagrama: Cementita ou Carbeto de Ferro Composto intermetálico estequiométrico Com 6,67% em peso de Carbono – Fe3C

7 DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C   
Diagrama Fe-C Materiais para Construção Mecânica DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C Carbono impureza intersticial forma solução sólida com o ferro Soluções sólidas Ferro - : solução sólida de C no Fe CCC Ferro -  (austenita): solução sólida de C no Fe CFC Ferro -  (ferrita): solução sólida de C no Fe CCC

8 DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Diagrama Fe-C Materiais para Construção Mecânica DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C Características das Soluções sólidas Ferro -  (ferrita): solução sólida de C no Fe CCC Máxima solubilidade – em 727°C – 0,022% em peso de C Material mole e dúctil Na pureza em que é encontrada, seu limite de resistência é inferior a 32Kgf/mm2 Ferro -  (austenita): solução sólida de C no Fe CFC Máxima solubilidade – em 1147°C – 2,14% em peso de C Na faixa em que é estável, a austenita é mole e dúctil Ferro - : solução sólida de C no Fe CCC É virtualmente a mesma ferrita-, apenas ocorrendo em uma faixa mais elevada de temperatura – não tem importância tecnológica

9 Reação eutetóide:  0,77%C  0,02%C + Fe3C 6,67%C
Diagrama Fe-C Materiais para Construção Mecânica DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C Reação eutetóide:  0,77%C  0,02%C + Fe3C 6,67%C a 727°C 6,67

10 Reação eutetóide:  0,77%C   0,02%C + Fe3C 6,67%C
Diagrama Fe-C Materiais para Construção Mecânica DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C Reação eutetóide:  0,77%C   0,02%C + Fe3C 6,67%C PERLITA Grão e estrutura da perlita (a) redistribuição do carbono no aço, (b) micrografia da perlita lamelar. PERLITA: microestrutura bifásica resultantes da transformação da austenita com composição eutetóide. Consiste de camadas alternadas de ferrita e cementita relativamente finas

11 DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Diagrama Fe-C Materiais para Construção Mecânica DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C Aspecto micrográfico de um ferro comercialmente puro. Ataque: reativo de água régia. 200X

12 DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Diagrama Fe-C Materiais para Construção Mecânica DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C Aspecto micrográfico de um aço hipoeutetóide com aproximadamente 0,3% de carbono. Ataque: reativo de nital. 200X

13 DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C
Diagrama Fe-C Materiais para Construção Mecânica DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C Aspecto micrográfico de um aço hipereutetóide resfriado lentamente. Ataque: reativo de picral. 200X A cementita está disposta em torno dos grãos de perlita, formando uma rede.

14 Classificação dos aços
Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços Critérios: Quanto à composição química Quanto à aplicação Quanto à microestrutura Quanto ao processo de fabricação Quanto as marcas registradas Quanto as normas técnicas

15 Classificação quanto à composição química:
Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto à composição química: - aços comuns (ao carbono) - aços especiais (ligas) Aços ao Carbono – propriedades – %C - não contem quantidade apreciável de elemento de liga - apresentam teores de impurezas – normais: P – 0,04% (max) S – 0,05% (max) Si – 0,10% e 0,35% Mn – 0,25% e 0,90%

16 Classificação quanto à composição química:
Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto à composição química: Aços ao Carbono - Quanto ao teor de Carbono: - até 0,15% C – extra doce - 0,15% a 0,30% C – doce - 0,15% a 0,30% C – meio doce - 0,15% a 0,30% C – meio duro - 0,70% a 0,80% C – duro - acima de 0,80% C – extra duro baixo carbono médio carbono alto carbono

17 Classificação quanto à composição química:
Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto à composição química: Aços especiais (ligas) – contem um ou mais elementos de liga (além de Fe e C) - quantidades de elementos de liga – modificam ou melhoram substancialmente uma ou mais propriedades (físicas, mecânicas ou químicas) - Quanto ao teor de elementos de liga: - aços baixa liga – somatório dos elementos de liga (teores) é inferior a 5% - aços alta liga - somatório dos elementos de liga (teores) é superior a 5%

18 Classificação quanto à composição química:
Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto à composição química: Aços especiais (ligas) Objetivos dos elementos de liga: - aços baixa liga Aumentar a dureza e a resistência mecânica Conferir resistência uniforme em toda a seção da peça de grandes dimensões Diminuir o peso (consequencia do aumento de resistência) - aplicações típicas: aços de construção - elementos de liga: Ni, Cr, V, Mo, Si e Mn

19 Classificação quanto à composição química:
Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto à composição química: Aços especiais (ligas) – Objetivos dos elementos de liga: - aços alta liga Conferir resistência à corrosão Aumentar a resistência ao desgaste Aumentar a resistência ao calor Melhorar propriedades elétricas e magnéticas - aplicações típicas: ferramentas, matrizes, presença de corrosão e calor

20 Classificação quanto à composição química:
Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto à composição química: - aços alta liga Compreendem: - aços rápidos e similares (ex. aços para matrizes) -requisito – dureza e manutenção desta em elevadas temperaturas - W – 0,10% a 25%; Cr, Co e C alto - aços resistentes à corrosão e ao calor - requisito – resistir à formação da camada de óxido em temp. amb ou elevada - Cr – 10 a 35%; Ni

21 Classificação quanto à aplicação:
Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto à aplicação: - aços de construção - componentes industriais - laminados à quente ou forjados (s/TT) – estruturas metálicas e peças em geral - c/TT em aços C – aços de elevada RM, aços para cementação e nitretação, aços para molas - aços para ferramentas e matrizes - compreendem: - aços ao C temperáveis em H2O - aços resistentes ao choque - aços para trabalho à frio e à quente

22 Classificação quanto à aplicação:
Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto à aplicação: - aços inoxidáveis e resistentes ao calor aços inoxidáveis aços refratários – resistência à fluência a quente - aços com características especiais - aços para imãs permanentes - aços para núcleos de transformadores - aços com coeficiente de dilatação definido martensíticos ferríticos austeníticos

23 Classificação quanto à microestrutura:
Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto à microestrutura: - ferríticos: não endurecíveis - perlíticos: baixa liga; podem ter ferrita ou cementita - austeníticos: 20% a 30% elementos de liga (Cr, Ni ou Mn), alta estabilidade da austenita - martensíticos: elementos de liga deslocam a curva TTT para a direita - cementíticos: alto teor de C, resultando alto teor de carbonetos

24 Classificação quanto ao processo de fabricação:
Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto ao processo de fabricação: - Aços Bessemer - aços LD - aços elétricos - etc Aços alta liga e alta qualidade – obtidos em fornos elétricos Aços de conversores – qualidade inferior

25 Classificação quanto a marca registrada:
Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto a marca registrada: são classificados com a identificação do fabricante e com codificação peculir a cada fabricante em particular

26 Classificação quanto a Normas Técnicas:
Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto a Normas Técnicas: ABNT – norma brasileira SAE - AISI – normas americanas DIN - norma alemã

27 Classificação quanto a Normas Técnicas:
Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto a Normas Técnicas: ABNT – norma brasileira - NBR 6006 – classifica as aços-carbono e aços de baixo teor de liga – critérios adotados pela AISI e SAE Aços-carbono: %Si e %Mn não ultrapassam 0,6%Si e 1,65%Mn Também são considerados os teores: Max 0,1% Al, mín 0,0005%B, max 0,3%Cu ou mx 0,35%Pb Se adicionados elementos como Se, Te, Bi (melhoram usinabilidade) e Nb ainda são aços-carbono. Aços-liga: possuem outros elementos de liga

28 Classificação quanto a Normas Técnicas:
Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto a Normas Técnicas: SAE – Society of Automotive Engineers AISI – American Iron and Steel Institute UNS – Unifield Numbering System Letras XX ou XXX – cifras indicadoras dos teores de carbono Ex.: classe 1023 – AISI-SAE – aço carbono com 0,23% C G10230 – UNS – mesmo teor de carbono Designações coincidem

29 Classificação quanto a Normas Técnicas:
Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto a Normas Técnicas: dois primeiros algarismos: diferenciam os vários tipos de aços entre si, pela presença ou somente de Carbono como principal elemento de liga (além das impurezas) ou de outro elemento de liga, como Ni e Cr, além do C. 10 – aço ao carbono 11 – aços de fácil usinagem com alto enxofre 40 – aços ao molibdênio, com 0,25% de Mo em média

30 Classificação quanto a Normas Técnicas:
Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto a Normas Técnicas: dois primeiros algarismos: diferenciam os vários tipos de aços entre si, pela presença ou somente de Carbono como principal elemento de liga (além das impurezas) ou de outro elemento de liga, como Ni e Cr, além do C. 10 – aço ao carbono 11 – aços de fácil usinagem com alto enxofre 40 – aços ao molibdênio, com 0,25% de Mo em média

31 Classificação quanto a Normas Técnicas:
Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto a Normas Técnicas: SAE-AISI

32 Classificação quanto a Normas Técnicas:
Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto a Normas Técnicas:

33 Classificação quanto a Normas Técnicas:
Classificação dos aços Materiais para Construção Mecânica Classificação quanto a Normas Técnicas: DIN Critérios diferenciados: DIN – “aços para construção em geral” – Ex.: em função do limite de resistência à tração: St 42 – aço com limite de resist. à tração entre 42 e 50 kgf/mm2 St 60 – limite de resistência à tração entre 60 e 72 kgf/mm2 DIN – classificação de acordo com a composição química C35 – aço-carbono com 0,35% C

34 Distribuição dos elementos de liga em aços ligados
Materiais para Construção Mecânica Distribuição dos elementos de liga em aços ligados modo de distribuição: tendência de cada elemento em formar compostos e carbonetos Ni – dissolve-se na ferrita do aço – tem menor tendência em formar carbonetos do que o ferro Si – combina-se em pequena quantidade com o oxigênio presente no aço – forma inclusões não metálicas de modo geral, dissolve-se na ferrita Mn – a maior parte dissolve-se na ferrita; alguma quantidade pode formar carbonetos e e entrar usualmente na cementita formando (Fe, Mn)3C

35 Distribuição dos elementos de liga em aços ligados
Materiais para Construção Mecânica Distribuição dos elementos de liga em aços ligados Cr – tem maior tendência em formar carbonetos do que o ferro; distribui-se entre as fases ferrita e carbonetos depende da quantidade de carbono e ausência de elementos formadores de carbonetos como Ti e Nb W e Mo – combinam-se com o carbono, formando carbonetos se quantidade de carbono for suficiente e se não estiverem presentes elementos como Ti e Nb

36 Distribuição dos elementos de liga em aços ligados
Materiais para Construção Mecânica Distribuição dos elementos de liga em aços ligados

37 Efeito dos elementos de liga na temperatura eutetóide dos aços
Materiais para Construção Mecânica Efeito dos elementos de liga na temperatura eutetóide dos aços Elementos de liga podem provocar aumento ou diminuição da temperatura eutetóide do diagrama Fe-C Mn e Ni – biaxam a temperatura – elementos estabilizadores da austenita W, Mo e Ti – aumentam a temperatura – reduzem o domínio austenítico

38 Efeito dos elementos de liga na temperatura eutetóide dos aços
Materiais para Construção Mecânica Efeito dos elementos de liga na temperatura eutetóide dos aços Efeito de 6% de manganês na porção eutetóide de um diagrama de fases Fe - Fe3C

39 Materiais para Construção Mecânica
Aços Inoxidáveis Corrosão – ataque gradual e contínuo de um metal pelo meio circunvizinho que pode ser atmosfera mais ou menos contaminada das cidades atmosferas contaminadas de cloretos em regiões próximas ao mar meio químico qualquer, líquido ou gasoso É uma tendência à reversão a formas mais estáveis como se encontram na natureza (minérios) Praticamente todos os ambientes são corrosivos, em maior ou menor grau: - água - solo - gases - solos Efeitos da corrosão - má aparência - altos custos de operação e manutenção - colapso de peças ou instalações - perdas de produtos de explosão

40 Materiais para Construção Mecânica
Aços Inoxidáveis

41 Aços inoxidáveis Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis Velocidade de corrosão típicas em diversos aços em águas tropicais

42 Guia de prevenção de corrosão de aços-carbono em alguns ambientes
Aços inoxidáveis Materiais para Construção Mecânica Guia de prevenção de corrosão de aços-carbono em alguns ambientes

43 Aços inoxidáveis Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis Passividade dos aços-cromo expostos durante 10 anos a uma atmosfera industrial

44 Aços inoxidáveis Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis Efeito do cromo na resistência dos aços à oxidação a altas temperaturas – Curva: penetração da oxidação em cubos de ½” aquecidos durante 48h a 1000ºC ao ar.

45 Aços inoxidáveis Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis Efeito do teor de carbono sobre a corrosão de aço inoxidável 18-8 tratado termicamente de modo a produzir a máxima precipitação de carbonetos

46 Aços Inoxidáveis Corrosão nas ligas ferrosas – maior importância
Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis Corrosão nas ligas ferrosas – maior importância Passividade – propriedade típica de certos metais e ligas em permanecerem inalterados no meio circunvizinho Admite-se que é resultado da formação de uma camada de óxido quando o metal é exposto ao meio agressivo Pode-se tornar um aço passivo com a adição de elementos, principalmente o Cr camada de óxido de cromo de espessura inferior a 0,02m confere res. à corrosão aços tornados passivos pela adição Cr – aços inoxidáveis

47 Aços Inoxidáveis PASSIVIDADE depende: Composição química
Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis PASSIVIDADE depende: Composição química Condições de oxidação Susceptibilidade à corrosão localizada (pitting) Susceptibiliade à corrosão intergranular Composição química: Cr – elemento mais importante 10% para atingir a passividade 20% a 30% - passividade completa Ni – melhora a resistência à corrosão em soluções neutras de cloretos ou ácidos pouco oxidantes - melhora propriedades mecânicas - teores mínimos: 6% a 7%

48 Aços Inoxidáveis Composição química:
Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis Composição química: Cu, Mo, Si – conferem resistência à temperaturas elevadas Ti, Nb – para evitar corrosão intergranular Condições de oxidação A velocidade de ataque depende da capacidade oxidante do meio - meios oxidantes – tornam a liga passiva - meios redutores – destroem a liga Aços inoxidáveis: suportam bem o HNO3 são atacados pelo HCl e HF

49 Aços Inoxidáveis Susceptibilidade à corrosão localizada (pitting):
Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis Susceptibilidade à corrosão localizada (pitting): São sujeitos a corrosão em pontos que, uma vez iniciada, progride em profundidade, chegando a causar orifícios que podem perfurar o metal - causada pelo íon Cl- - aço inoxidável – atacado por HCl, cloretos (Fe, Cu, metais alcalinos, metais alcalinos terrosos) ou até atmosfera salina Proteção: - adição de Mo - bom acabamento superficial - passivação em HNO3 – 20% à quente - tratamenro térmico correto

50 Aços Inoxidáveis Susceptibilidade à corrosão intergranular:
Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis Susceptibilidade à corrosão intergranular: - aços inoxidáveis austeníticos – aquecidos entre 400ºC a 900ºC, (mesmo por segundos): podem apresentar precipitação de carbonetos de Cr nas regiões do contorno de grão - regiões adjacentes – empobrecidas em Cr – sensitizado - material sensitizado – sujeito à corrosão intergranular Proteção: - Reaquecimento a ºC c/ resfriamento rápido – redissolução dos carbonetos - Teor de C inferior a 0,03% (torna-se ineficaz na formação dos carbonetos) - Aços estabilizados com Ti ou Nb – maior afinidade com o C Provoca a desintegração total da peça após exposição em solução corrosiva

51 Aços Inoxidáveis Outros fatores - Condição da superfície - fissuras
Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis Outros fatores - Condição da superfície - fissuras - fenômeno de natureza galvânica - corrosão sob tensão

52 Aços Inoxidáveis Classificação dos aços inoxidáveis
Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis Classificação dos aços inoxidáveis – Microestrutura à temperatura ambiente Martensíticos – endurecíveis – Fe, C e Cr Ferríticos – não endurecíveis – Fe, C e Cr Austeníticos – não endurecíveis – Fe, C, Cr e Ni

53 Aços Inoxidáveis MARTENSÍTICOS Cr – 11,5% a 18%
Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis MARTENSÍTICOS Cr – 11,5% a 18% Tornam-se martensíticos e endurecem por têmpera Características: Ferromagnéticos Trabalháveis à frio e a quente Não sofrem corrosão intergranular Resistência moderada à corrosão (aumenta o %C, deve-se aumentar %Cr) Alta dureza e resistência à quente Têmpera melhora a resistência à corrosão – evita precipitação por carbonetos

54 Aços inoxidáveis martensíticos
Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis Aços inoxidáveis martensíticos Tipos de aços: Tipo turbina: até 0,2%C boas prop. Mecânicas e resis. à corrosão relativamente elevada SAE ou AISI – 403, 410, 416, 431

55 Aços inoxidáveis martensíticos
Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis Aços inoxidáveis martensíticos Tipos de aços: 2) Tipo cutelaria: 0,2% a 0,6%C dureza satisfatória e razoável ductilidade SAE ou AISI – 420, 420F 3) Tipo resistente ao desgaste: %C > 0,6% alta dureza e ductilidade reduzida SAE ou AISI – 440A, 440B, 440C Exemplos de Aplicações: - Lâminas de turbina e compressor - Eixos de bombas - Parafusos, buchas, válvulas, porcas - peças p/aviões e indústria laticínios - instrumentos cirúrgicos e dentários - mancais de esfera

56 Aços Inoxidáveis FERRÍTICOS Cr – 11% a 27% %C < 0,35%
Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis FERRÍTICOS Cr – 11% a 27% %C < 0,35% - Estrutura inteiramente ferrítica para qualquer velocidade de resfriamento Não ocorrem mudanças de fases – formação grãos grosseiros – refino grão deformação à quente (raramente possível) Adição de Ti – diminui essa tendência Melhor resistência à corrosão entre os aços-Cr Características: Ferromagnéticos Trabalháveis à frio e a quente Resistência à corrosão sob tensão e atmosférica Boa soldabilidade Baixa dureza Baixa resistência ao choque

57 Aços inoxidáveis ferríticos
Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis Aços inoxidáveis ferríticos Tipos de aços: SAE ou AISI – 406, 409, 430, 442, 443, 446 Aplicações: - Tubos de radiadores - caldeiras - sistemas de exaustão de automóveis - equipamentos p/indústria química e cozinha - partes de fornos e queimadores

58 Aços Inoxidáveis AUSTENÍTICOS Cr – 16% a 26% Ni – 6% a 22%
Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis AUSTENÍTICOS Cr – 16% a 26% Ni – 6% a 22% Características: Não magnéticos Não endurecíveis (austeníticos) Dureza – aumentada por encruamento (instabilidade austenita e tensões de encruamento Reaquecimento do aço em temperaturas moderadas restaura a austenita Susceptíveis corrosão intergranular (Ti e Nb – evitar a corrosão) Resistência à corrosão superior AUSTENITIZAÇÃO – aquec. ~1000º ºC – resfriamento rápido à temp. amb.

59 Aços inoxidáveis austeníticos
Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis Aços inoxidáveis austeníticos

60 Aços inoxidáveis austeníticos (cont.)
Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis Aços inoxidáveis austeníticos (cont.) Tipos de aços: SAE ou AISI – 301, 302, 304, 321, 347, 316, 317, 309, 310 Aplicações: - ornamentação - utensílios domésticos - equip. p/indústria química - equip. p/indústria de alimentos - implantes cirúrgicos - eletrodos de solda - peças de forno e estufa

61 Aços inoxidáveis Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis Aspecto micrográfico de aço inoxidável austenítico tipo 18-8, mostrnado zona superficial de corrosão intergranular. Sem ataque. 100x. Núcleo não corroído do mesmo aço. Verifica-se estrutura normal de aço inoxidável austenítico. Ataque: percloreto de ferro. 100X.

62 Aços Inoxidáveis Seleção de ligas inoxidáveis de alta tecnologia
Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis Seleção de ligas inoxidáveis de alta tecnologia

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64 Engenharia de Materiais Degradação dos Materiais em Uso
Caio Marques – abril de 2010

65 6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6-1 Introdução 6-2 Corrosão e Oxidação 6-3 Desgaste

66 6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.1 INTRODUÇÃO  Categorias dos materiais metal, cerâmico e polímero aplicação devido ao tipo de propriedades definidas na estrutura  Uso degradação ou colapso dos materiais selecionar o melhor material para determinada aplicação, que suporte maiores esforços mecânicos e interação com o meio

67 6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.1 INTRODUÇÃO  Ação do meio sobre o material: CORROSÃO – ATAQUE ELETROQUÍMICO OXIDAÇÃO – ATAQUE QUÍMICO DESGASTE – ATAQUE FÍSICO Isto ocorre porque nenhum material é totalmente inerte a qualquer ambiente. Conseqüência: degradação do material

68 6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO 6.2.1 Oxidação - Ataque químico da atmosfera  Oxidação reação química direta entre metal e oxigênio da atmosfera (também N, S, etc.): pode limitar a aplicação do material  Óxido sobre o metal: 1. protege 2. facilita a oxidação contínua  Estabilidade: óxidos metálicos têm maior estabilidade (maior energia de ligação  ponto de fusão mais elevado) em relação ao metal puro Exemplo: PF do Al 660°C PF do Al2O3 2054°C

69 6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO 6.2.1 Oxidação - Ataque Direto da Atmosfera  Existem 4 mecanismos possíveis na oxidação de metais: A. Formação de um óxido poroso, não protetor; B. Filme não poroso: o cátion difunde-se pelo filme e reage com o oxigênio na interface óxido-meio; C. Filme não poroso: íons O-2 reage na interface metal-óxido; D. Filme não poroso onde cátions e ânions se difundem simultaneamente, quase a mesma taxa, e reagindo dentro da camada

70 CRESCIMENTO LINEAR DA TAXA
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO 6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO 6.2.1 Oxidação - Ataque Direto da Atmosfera TAXA DE OXIDAÇÃO A. Filme não protetor: filme de óxido poroso através do qual o O2 pode passar continuamente e reagir na interface metal-óxido: crescimento do filme à taxa constate onde: C2 = y para t = 0 dy = C1 dt y = C1t + C2 CRESCIMENTO LINEAR DA TAXA

71 TAXA DE CRESCIMENTO PARABÓLICA, COM CAMADA DENSA E UNIFORME
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO 6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO 6.2.1 Oxidação - Ataque Direto da Atmosfera B-C-D. Um filme não poroso através do qual os íons se difundem de forma a reagir com o oxigênio na face externa (óxido-meio) ou no interior ou na interface óxido-metal: razão de crescimento da camada diminui com o crescimento da espessura do filme óxido LEI DE FICK onde: C5 = y2 para t = 0 dy = C3 1 dt y y2 = C4t + C5 TAXA DE CRESCIMENTO PARABÓLICA, COM CAMADA DENSA E UNIFORME Depende da difusão

72 Comparação entre o crescimento linear e o parabólico
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO 6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO 6.2.1 Oxidação - Ataque Direto da Atmosfera Comparação entre o crescimento linear e o parabólico NÃO PROTETOR PODE SER PROTETOR

73 6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO 6.2.1 Oxidação - Ataque Direto da Atmosfera Como saber se um metal forma uma camada protetora de óxido? LEI DE PILLING-BEDWORTH descreve a tendência de um metal formar ou não uma camada protetora onde: M = massa do óxido D = densidade do óxido m = massa do metal d = densidade do metal a = n° de átomos do metal R = M . d a . m . D

74 6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO 6.2.1 Oxidação - Ataque Direto da Atmosfera LEI DE PILLING-BEDWORTH R = M . d a . m . D R < 1  o volume de óxido tende a ser insuficiente para cobrir o substrato metálico, tendendo a formar um substrato poroso e não protetor R > 2  espalhamento do óxido deixando a superfície porosa, formando uma camada não protetora 1 < R < 2  pode ser criada uma camada protetora

75 6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO 6.2.1 Oxidação - Ataque Direto da Atmosfera LEI DE PILLING-BEDWORTH Óxidos protetores Óxidos não-protetores Be - 1,59 Li 0,57 Cu - 1,68 Na - 0,57 Al - 1,28 K - 0,45 Si - 2,27 Ag - 1,59 Cr - 1,99 Cd - 1,21 Mn - 1,79 Ti - 1,95 Fe - 1,77 Mo - 3,40 Co - 1,99 Hf - 2,61 Ni - 1,52 Sb - 2,35 Pd - 1,60 W - 3,40 Pb - 1,40 Ta - 2,33 Ce - 1,16 U - 3,05 Razão de Pilling-Bedworth para vários metais

76 concentração de íons na solução
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO 6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO 6.2.2 Corrosão aquosa - Ataque eletroquímico Força motriz concentração de íons na solução Reação anódica Fe°  Fe2+ + 2e- Reação catódica Fe2+ + 2e-  Fe°

77 6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO 6.2.2 Corrosão aquosa - Ataque eletroquímico Rotação de um disco de latão (liga CuZn) em uma solução aquosa contendo íons de Cu+2, produzindo um gradiente na concentração iônica próxima a superfície.

78 6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO 6.2.2 Corrosão aquosa - Ataque eletroquímico

79 diferente tendência que estes metais têm de se ionizar
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO 6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO 6.2.3 Corrosão galvânica de dois metais Força motriz diferente tendência que estes metais têm de se ionizar Quanto menor o potencial de redução mais ativo é o metal, e mais anódico sujeito à corrosão Mais ativo menos nobre mais anódico Menos ativo mais nobre mais catódico

80 6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO 6.2.3 Corrosão galvânica de dois metais Equilíbrio Potencial de eletrodo Metal - metal vs eletrodo de H a 25°C (V) Au - Au Pt - Pt Pd - Pd Ag - Ag H2 - H Al - Al Mg - Mg Na - Na K - K Menos ativo mais nobre mais catódico Mais ativo menos nobre mais anódico

81 Série galvânica da água do mar
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO 6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO 6.2.3 Corrosão galvânica de dois metais Pode ocorrer em meio aquoso diferenciado, por exemplo água do mar, e além disso, entre ligas metálicas diferentes. Série galvânica da água do mar Platina Grafite Prata Inconel(passivo) (80 Ni, 13 Cr, 7 Fe) Níquel (passivo) Estanho Chumbo Solda chumbo estanho Ligas de magnésio Nobre ou catódico Ativo ou anódico

82 6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO 6.2.3 Corrosão galvânica de dois metais Parafuso de aço em uma placa de latão criando uma célula galvânica

83 6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO 6.2.4 Corrosão por redução gasosa Duas moléculas de água são consumidas por 4 e- no circuito externo para reduzir a molécula de oxigênio para 4 íons OH. Fe do cátodo é fonte de elétrons Reação anódica O2 + 2H2O +4e-  4 OH-

84 6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO 6.2.4 Corrosão por redução gasosa Vários exemplos práticos de corrosão devido a concentração de oxigênio na célula

85 6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO 6.2.5 Efeito da tensão mecânica sobre a corrosão Regiões de alta tensão são anódicas em relação a regiões de baixa tensão Logo, um estado de mais alta energia de um metal tensionado em relação ao de menor energia induz a uma barreira de ionização

86 6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO 6.2.5 Efeito da tensão mecânica sobre a corrosão Exemplo: prego dobrado, ou devido a própria fabricação de um prego, observa-se zonas tensionadas, sujeitas à corrosão Em uma microestrutura os contornos de grão são regiões de mais alta energia, logo são mais susceptíveis para acelerar o ataque à corrosão e desenvolvê-la

87 6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO 6.2.6 Prevenção contra à corrosão 1. Selecionar os materiais de acordo com sua aplicação p. ex.: para não formar um par galvânico 2. O projeto deve ser executado de forma que não ocorram regiões tensionadas, mais propícias à corrrosão 3. Utilizar revestimentos protetores, modificando a superfície do material. Os revestimentos podem ser: - metálicos: ex. cromagem, zincagem - cerâmicos: ex. esmaltação, aspersão térmica - polímeros: ex. pintura com base polimérica 4. Pode-se ainda utilizar como método de prevenção à corrosão: - ânodo de sacrifício - corrente imposta (impressa) - aço inox com cromo

88 6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO 6.2.6 Prevenção contra à corrosão 3. Exemplos de utilização de revestimentos protetores (a) aço galvanizado consiste de um revestimento de zinco sobre o substrato de aço (b) contraste: um revestimento mais nobre como placas de estanho é protegida pelo aço.

89 6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO 6.2.6 Prevenção contra à corrosão ÂNODO DE SACRIFÍCIO Exemplo: em navios, onde placas de Zn ou Mg oxidam e protegem o metal

90 6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO 6.2.6 Prevenção contra à corrosão CORRENTE IMPOSTA Para não haver migração de elétrons no sentido normal da reação Corrosão externa de fundos de tanques de armazenamento de óleo cru e derivados: aplicação da proteção catódica ao fundo externo apresenta certas limitações. Uma forma de viabilizar a proteção catódica externa de tanques sobre concreto armado é a utilização de fundo duplo que consiste na colocação de um novo fundo metálico a uma distância pré-determinada do fundo original no qual são dispostos os anodos. proteção catódica por corrente impressa, sendo o fundo original isolado eletricamente do fundo novo e do costado, e o espaçamento entre os dois fundos preenchido com areia lavada. A proteção catódica se configura como uma técnica bastante consolidada para a garantia da integridade de estruturas metálicas enterradas, submersas ou em concreto armado. No caso de tanques aéreos, esta técnica é preferencialmente aplicável ao fundo externo do tanque, sendo as demais partes áreas protegidas por sistemas convencionais de pintura. Considerando a alta resistividade do concreto, material comumente usado nas bases dos tanques, a aplicação da proteção catódica apresenta certas limitações, as quais não são observadas caso o tanque esteja disposto diretamente sobre o solo. Com isso, busca-se uma forma alternativa que viabilize a proteção catódica para o caso dos tanques sobre concreto armado. Uma técnica alternativa de aplicação da proteção catódica nestas estruturas consiste na utilização de fundo duplo onde o espaço entre os dois fundos (antigo e novo) é preenchido com um eletrólito que permite a distribuição de corrente, desde que os anodos inertes sejam dispostos neste mesmo espaço intermediário [1-3]. Esta técnica foi aplicada neste trabalho, sendo dado enfoque à otimização da distribuição de anodos e ao estudo do critério de proteção catódica a ser adotado [4-7]. O estudo experimental desta técnica alternativa de proteção catódica contou com o apoio de simulação computacional para determinação da distribuição ideal de anodos de forma a se promover uma proteção homogênea na superfície externa do fundo do tanque, otimizando o sistema [8].

91 6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO 6.2.7 Degradação química de Cerâmicos e Polímeros CERÂMICOS - não tem e- livres  difícil par galvânico - são mais estáveis no meio - susceptível à corrosão devido a H2O na fadiga estática - corrosão à quente em cerâmicos  termocorrosão (materiais refratários)

92 6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO 6.2.7 Degradação química de Cerâmicos e Polímeros POLÍMEROS Degradam em presença de O2 e com ultravioleta enfraquecimento e quebra das grandes cadeias (moléculas) Exemplo: borracha não vulcanizada (corrosão por solventes orgânicos)

93 6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.4 DESGASTE Segundo os fenômenos de desgaste do material, pode-se classificá-lo como: ABRASIVO ADESIVO EROSÃO CAVITAÇÃO Desgaste não depende somente da partícula que está desgastando mas também da superfície desgastada e do meio: SISTEMA TRIBOLÓGICO

94 6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.4 DESGASTE ABRASIVO Superfície dura sobre uma mais mole, ocorrendo a perda de material desta segunda superfície. Ex.: Usinagem

95 6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.4 DESGASTE ADESIVO Duas superfícies de contato deslizando uma sobre a outra, resultando no arrancamento de partículas V = volume de material desgastado k = coeficiente de atrito entre superfícies x = distância de deslocamento relativo P = carga H = dureza da superfície atacada V = k P x 3 H Deslizamento de um disco de cobre contra um pino de aço 1020 produzindo partículas desgastadas irregulares

96 6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.4 DESGASTE EROSÃO Jato de partículas sobre uma superfície Ex.: jato de areia Depende de inúmeras variáveis: ângulo de ataque velocidade das partículas dureza Variação da erosão com o ângulo de impacto para o alumínio e a alumina erodidos por partículas de carbeto de silício, demonstrando o comportamento característico de materiais dúcteis e frágeis.

97 6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO
6.4 DESGASTE CAVITAÇÃO Colapso de bolhas causa desgaste e a superfície fica com aspecto polida, porém côncava. Ex.: desgaste interno de dutos


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