Como pode ser visto na figura, a porcentagem de carbono presente e a temperatura definem a fase da liga de ferro-carbono e, portanto, suas características físicas e propriedades mecânicas. A porcentagem de carbono determina o tipo de liga ferrosa: ferro, aço carbono ou ferro fundido.
Aço carbono
Aços carbono são ligas ferro-carbono que podem conter concentrações apreciáveis de outros elementos de liga. Aços de carbono simples são ligas de ferro-carbono nas quais as propriedades são derivadas principalmente da presença de carbono. Alguns elementos incidentais como manganês, silício, enxofre e fósforo estão presentes em pequenas quantidades devido ao método de fabricação dos aços e, não para modificar as propriedades mecânicas. Adicionar uma pequena quantidade de carbono não metálico ao ferro troca sua grande ductilidade por maior resistência. Devido à sua resistência muito alta, mas tenacidade ainda substancial, e sua capacidade de ser bastante alterada pelo tratamento térmico, o aço é uma das ligas ferrosas mais úteis e comuns em uso moderno. Existem milhares de ligas que possuem diferentes composições e/ou tratamentos térmicos. As propriedades mecânicas são sensíveis ao teor de carbono, que normalmente é inferior a 1,0% em peso. De acordo com a classificação AISI, o aço carbono é dividido em quatro classes com base no teor de carbono:
- Aços de Baixo Carbono. O aço de baixo teor de carbono, também conhecido como aço macio, é agora a forma mais comum de aço porque seu preço é relativamente baixo, ao mesmo tempo em que fornece propriedades de material aceitáveis para muitas aplicações. O aço de baixo carbono contém aproximadamente 0,05–0,25% de carbono, tornando-o maleável e dúctil. O aço doce tem uma resistência à tração relativamente baixa, mas é barato e fácil de moldar; a dureza da superfície pode ser aumentada através da cementação.
- Aços de Médio Carbono. O aço de médio carbono tem aproximadamente 0,3–0,6% de teor de carbono. Equilibra a ductilidade e resistência e tem boa resistência ao desgaste. Este tipo de aço é usado principalmente na produção de componentes de máquinas, eixos, eixos, engrenagens, virabrequins, acoplamentos e peças forjadas e também pode ser usado em trilhos e rodas ferroviárias.
- Aços de alto carbono. O aço de alto carbono tem aproximadamente 0,60 a 1,00% de teor de carbono. A dureza é maior do que as outras classes, mas a ductilidade diminui. Aços de alto carbono podem ser usados para molas, cabos de aço, martelos, chaves de fenda e chaves inglesas.
- Aço de ultra-alto carbono. O aço de ultra-alto teor de carbono tem aproximadamente 1,25–2,0% de teor de carbono. Aços que podem ser temperados a grande dureza. Este tipo de aço pode ser usado para produtos de aço duro, como molas de caminhão, ferramentas de corte de metal e outros fins especiais, como facas, eixos ou punções (para fins não industriais). A maioria dos aços com mais de 2,5% de teor de carbono é feita usando metalurgia do pó.
ferros fundidos
Na engenharia de materiais, os ferros fundidos são uma classe de ligas ferrosas com teores de carbono acima de 2,14% em peso. Normalmente, os ferros fundidos contêm de 2,14% em peso a 4,0% em peso de carbono e de 0,5% em peso a 3% em peso de silício. Ligas de ferro com menor teor de carbono são conhecidas como aço. A diferença é que os ferros fundidos podem aproveitar a solidificação eutética no sistema binário ferro-carbono. O termo eutético é grego para “fácil ou bem derretido”, e o ponto eutético representa a composição no diagrama de fase onde a temperatura de fusão mais baixa é alcançada. Para o sistema ferro-carbono o ponto eutético ocorre em uma composição de 4,26% em peso C e uma temperatura de 1148°C.
O ferro fundido, portanto, tem um ponto de fusão mais baixo (entre aproximadamente 1150°C e 1300°C) do que o aço tradicional, o que o torna mais fácil de fundir do que os aços convencionais. Devido à sua alta fluidez quando fundido, o ferro líquido preenche facilmente moldes intrincados e pode formar formas complexas. A maioria das aplicações requer muito pouco acabamento, portanto, os ferros fundidos são usados para uma ampla variedade de peças pequenas e grandes. É um material ideal para fundição em areia em formas complexas, como coletores de escape, sem a necessidade de usinagem adicional. Além disso, alguns ferros fundidos são muito frágeis e a fundição é a técnica de fabricação mais conveniente. Ferros fundidos tornaram-se um material de engenharia com uma ampla gama de aplicações e são utilizados em tubulações, máquinas e peças da indústria automotiva, como cabeçotes, blocos de cilindros e caixas de câmbio. É resistente a danos por oxidação.
Tipos de Ferros Fundidos
Os ferros fundidos também compreendem uma grande família de diferentes tipos de ferro, dependendo de como a fase rica em carbono se forma durante a solidificação. A microestrutura dos ferros fundidos pode ser controlada para fornecer produtos com excelente ductilidade, boa usinabilidade, excelente amortecimento de vibração, excelente resistência ao desgaste e boa condutividade térmica. Com uma liga adequada, a resistência à corrosão dos ferros fundidos pode ser igual à dos aços inoxidáveis e das ligas à base de níquel em muitos serviços. Para a maioria dos ferros fundidos, o carbono existe como grafite, e tanto a microestrutura quanto o comportamento mecânico dependem da composição e do tratamento térmico. Os tipos de ferro fundido mais comuns são:
- Ferro fundido cinzento. O ferro fundido cinzento é o tipo mais antigo e comum de ferro fundido. O ferro fundido cinzento é caracterizado por sua microestrutura grafítica, que faz com que as fraturas do material tenham uma aparência cinza. Isso se deve à presença do grafite em sua composição. No ferro fundido cinzento, o grafite se forma como flocos, assumindo uma geometria tridimensional.
- Ferro fundido branco. Os ferros fundidos brancos são duros, quebradiços e não usináveis, enquanto os ferros cinzentos com grafite mais macio são razoavelmente fortes e usináveis. Uma superfície de fratura dessa liga tem uma aparência branca e, portanto, é chamada de ferro fundido branco.
- Ferro fundido maleável. O ferro fundido maleável é o ferro fundido branco que foi recozido. Através de um tratamento térmico de recozimento, a estrutura frágil como primeira moldagem é transformada na forma maleável. Portanto, sua composição é muito semelhante à do ferro fundido branco, com teores ligeiramente superiores de carbono e silício.
- Ferro fundido dúctil. O ferro dúctil, também conhecido como ferro nodular, é muito semelhante ao ferro cinzento na composição, mas durante a solidificação, o grafite nucleia como partículas esféricas (nódulos) no ferro dúctil, em vez de flocos. O ferro dúctil é mais forte e mais resistente a choques do que o ferro cinzento. De fato, o ferro dúctil tem características mecânicas próximas às do aço, ao mesmo tempo em que mantém alta fluidez quando fundido e menor ponto de fusão.
Propriedades do aço carbono versus ferro fundido
As propriedades dos materiais são propriedades intensivas, ou seja, independem da quantidade de massa e podem variar de um lugar para outro dentro do sistema a qualquer momento. A base da ciência dos materiais envolve estudar a estrutura dos materiais e relacioná-los com suas propriedades (mecânicas, elétricas, etc.). Uma vez que um cientista de materiais conheça essa correlação estrutura-propriedade, ele poderá estudar o desempenho relativo de um material em uma determinada aplicação. Os principais determinantes da estrutura de um material e, portanto, de suas propriedades são seus elementos químicos constituintes e a maneira como ele foi processado em sua forma final.
Densidade do aço carbono vs ferro fundido
A densidade do aço típico é de 8,05 g/cm3.
A densidade do ferro fundido típico é de 7,03 g/cm3.
A densidade é definida como a massa por unidade de volume. É uma propriedade intensiva, que é matematicamente definida como massa dividida por volume:
ρ = m/V
Em palavras, a densidade (ρ) de uma substância é a massa total (m) dessa substância dividida pelo volume total (V) ocupado por essa substância. A unidade SI padrão é quilogramas por metro cúbico (kg/m3). A unidade padrão inglesa é libras-massa por pé cúbico lbm/ft3).
Como a densidade (ρ) de uma substância é a massa total (m) dessa substância dividida pelo volume total (V) ocupado por essa substância, é óbvio que a densidade de uma substância depende fortemente de sua massa atômica e também de a densidade do número atômico (N; átomos/cm3),
- Peso Atômico. A massa atômica é transportada pelo núcleo atômico, que ocupa apenas cerca de 10-12 do volume total do átomo ou menos, mas contém toda a carga positiva e pelo menos 99,95% da massa total do átomo. Portanto, é determinado pelo número de massa (número de prótons e nêutrons).
- Densidade de Número Atômico. A densidade de número atômico (N; átomos/cm3), que está associada aos raios atômicos, é o número de átomos de um determinado tipo por unidade de volume (V; cm 3 ) do material. A densidade do número atômico (N; átomos/cm3) de um material puro com peso atômico ou molecular (M; gramas/mol) e a densidade do material (⍴; grama/cm3) é facilmente calculada a partir da seguinte equação usando o número de Avogadro ( NA = 6,022 ×1023 átomos ou moléculas por mol):
- Estrutura de cristal. A densidade da substância cristalina é significativamente afetada por sua estrutura cristalina. A estrutura FCC, junto com seu parente hexagonal (hcp), tem o fator de empacotamento mais eficiente (74%). Metais contendo estruturas FCC incluem austenita, alumínio, cobre, chumbo, prata, ouro, níquel, platina e tório.
Propriedades Mecânicas do Aço Carbono vs Ferro Fundido
Os materiais são freqüentemente escolhidos para várias aplicações porque possuem combinações desejáveis de características mecânicas. Para aplicações estruturais, as propriedades do material são cruciais e os engenheiros devem levá-las em consideração.
Resistência do Aço Carbono vs Ferro Fundido
Na mecânica dos materiais, a resistência de um material é sua capacidade de suportar uma carga aplicada sem falha ou deformação plástica. A resistência dos materiais considera basicamente a relação entre as cargas externas aplicadas a um material e a deformação resultante ou mudança nas dimensões do material. A resistência de um material é sua capacidade de suportar essa carga aplicada sem falha ou deformação plástica.
Resistência à tração
A resistência à tração final do aço de baixo carbono está entre 400 – 550 MPa.
A resistência à tração máxima do aço de carbono ultra-alto é de 1100 MPa.
A resistência à tração máxima do ferro fundido cinzento (ASTM A48 Classe 40) é de 295 MPa.
A resistência à tração máxima do ferro fundido branco martensítico (ASTM A532 Classe 1 Tipo A) é de 350 MPa.
A máxima resistência à tração do ferro fundido maleável – ASTM A220 é de 580 MPa.
A resistência à tração máxima do ferro fundido dúctil – ASTM A536 – 60-40-18 é de 414 Mpa (>60 ksi).
A resistência à tração final é o máximo na curva de tensão-deformação de engenharia. Isso corresponde à tensão máxima que pode ser sustentado por uma estrutura em tensão. A resistência à tração final é muitas vezes abreviada para “resistência à tração” ou mesmo para “o máximo”. Se essa tensão for aplicada e mantida, ocorrerá fratura. Freqüentemente, esse valor é significativamente maior do que o limite de escoamento (até 50 a 60 por cento a mais do que o rendimento de alguns tipos de metais). Quando um material dúctil atinge sua resistência máxima, ele sofre estricção onde a área da seção transversal é reduzida localmente. A curva tensão-deformação não contém tensão maior do que a resistência máxima. Mesmo que as deformações possam continuar a aumentar, a tensão geralmente diminui após o limite de resistência ter sido alcançado. É uma propriedade intensiva; portanto, seu valor não depende do tamanho do corpo de prova. Porém, depende de outros fatores, como o preparo do corpo de prova, temperatura do ambiente de teste e do material. A resistência máxima à tração varia de 50 MPa para um alumínio até 3000 MPa para aços de alta resistência.
Força de Rendimento
A resistência ao escoamento do aço de baixo carbono é de 250 MPa.
A resistência ao escoamento do aço de ultra-alto carbono é de 800 MPa.
O ponto de escoamento é o ponto em uma curva tensão-deformação que indica o limite do comportamento elástico e o início do comportamento plástico. Força de rendimento ou tensão de escoamento é a propriedade do material definida como a tensão na qual um material começa a se deformar plasticamente, enquanto o ponto de escoamento é o ponto onde começa a deformação não linear (elástica + plástica). Antes do ponto de escoamento, o material se deformará elasticamente e retornará à sua forma original quando a tensão aplicada for removida. Uma vez ultrapassado o ponto de escoamento, alguma fração da deformação será permanente e irreversível. Alguns aços e outros materiais exibem um comportamento denominado fenômeno do ponto de escoamento. As resistências ao escoamento variam de 35 MPa para um alumínio de baixa resistência a mais de 1400 MPa para aços de resistência muito alta.
Módulo de elasticidade de Young
O módulo de elasticidade de Young do aço de baixo carbono é de 200 GPa.
O módulo de elasticidade de Young do ferro fundido cinzento (ASTM A48 Classe 40) é de 124 GPa.
O módulo de elasticidade de Young do ferro fundido branco martensítico (ASTM A532 Classe 1 Tipo A) é de 175 GPa.
O módulo de elasticidade de Young do ferro fundido maleável – ASTM A220 é de 172 GPa.
O módulo de elasticidade do ferro fundido dúctil de Young – ASTM A536 – 60-40-18 é de 170 GPa.
O módulo de elasticidade de Young é o módulo de elasticidade para tensão de tração e compressão no regime de elasticidade linear de uma deformação uniaxial e geralmente é avaliado por ensaios de tração. Até uma tensão limite, um corpo poderá recuperar suas dimensões com a retirada da carga. As tensões aplicadas fazem com que os átomos em um cristal se movam de sua posição de equilíbrio. Todos os átomos são deslocados na mesma quantidade e ainda mantêm sua geometria relativa. Quando as tensões são removidas, todos os átomos retornam às suas posições originais e nenhuma deformação permanente ocorre. De acordo com a lei de Hooke, a tensão é proporcional à deformação (na região elástica), e a inclinação é o módulo de Young. O módulo de Young é igual à tensão longitudinal dividida pela deformação.
Dureza do Aço Carbono vs Ferro Fundido
A dureza Brinell do aço de baixo carbono é de aproximadamente 120 MPa.
A dureza Brinell do aço de alto carbono é de aproximadamente 200 MPa.
A dureza Brinell do ferro fundido cinzento (ASTM A48 Classe 40) é de aproximadamente 235 MPa.
A dureza Brinell do ferro fundido cinzento do ferro fundido branco martensítico (ASTM A532 Classe 1 Tipo A) é de aproximadamente 600 MPa.
A dureza Brinell do ferro fundido maleável – ASTM A220 é de aproximadamente 250 MPa.
A dureza Brinell do ferro fundido dúctil – ASTM A536 – 60-40-18 é de aproximadamente 150 – 180 MPa.
O teste de dureza Rockwell é um dos testes de dureza de indentação mais comuns, que foi desenvolvido para testes de dureza. Em contraste com o teste Brinell, o testador Rockwell mede a profundidade de penetração de um penetrador sob uma grande carga (carga principal) em comparação com a penetração feita por uma pré-carga (carga menor). A carga menor estabelece a posição zero. A carga principal é aplicada e, em seguida, removida, mantendo a carga secundária. A diferença entre a profundidade de penetração antes e depois da aplicação da carga principal é usada para calcular o número de dureza Rockwell. Ou seja, a profundidade de penetração e a dureza são inversamente proporcionais. A principal vantagem da dureza Rockwell é sua capacidade de exibir valores de dureza diretamente. O resultado é um número adimensional anotado como HRA, HRB, HRC, etc., onde a última letra é a respectiva escala Rockwell.
O teste Rockwell C é realizado com um penetrador Brale (cone de diamante de 120°) e uma carga maior de 150kg.
Propriedades Térmicas do Aço Carbono vs Ferro Fundido
As propriedades térmicas dos materiais referem-se à resposta dos materiais às mudanças de temperatura e à aplicação de calor. À medida que um sólido absorve energia na forma de calor, sua temperatura aumenta e suas dimensões aumentam. Mas diferentes materiais reagem à aplicação de calor de forma diferente.
A capacidade térmica, a expansão térmica e a condutividade térmica são propriedades frequentemente críticas no uso prático de sólidos.
Ponto de Fusão do Aço Carbono vs Ferro Fundido
O ponto de fusão do aço de baixo carbono é de cerca de 1450°C.
O ponto de fusão do ferro fundido cinzento – aço ASTM A48 é em torno de 1260°C.
O ponto de fusão do ferro fundido branco martensítico (ASTM A532 Classe 1 Tipo A) é de cerca de 1260°C.
O ponto de fusão do ferro fundido maleável – ASTM A220 é em torno de 1260°C.
O ponto de fusão do ferro fundido dúctil – ASTM A536 – aço 60-40-18 é em torno de 1150°C.
Em geral, a fusão é uma mudança de fase de uma substância da fase sólida para a fase líquida. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ocorre essa mudança de fase. O ponto de fusão também define uma condição na qual o sólido e o líquido podem existir em equilíbrio.
Condutividade Térmica do Aço Carbono vs Ferro Fundido
A condutividade térmica do aço típico é de 20 W/(mK).
A condutividade térmica do ferro fundido cinzento – ASTM A48 é de 53 W/(mK).
A condutividade térmica do ferro fundido branco martensítico (ASTM A532 Classe 1 Tipo A) é de 15 a 30 W/(mK).
A condutividade térmica do ferro fundido maleável é de aproximadamente 40 W/(mK).
A condutividade térmica do ferro fundido dúctil é 36 W/(mK).
As características de transferência de calor de um material sólido são medidas por uma propriedade chamada condutividade térmica, k (ou λ), medida em W/mK. É uma medida da capacidade de uma substância de transferir calor através de um material por condução. Observe que a lei de Fourier se aplica a toda matéria, independentemente de seu estado (sólido, líquido ou gasoso), portanto, também é definida para líquidos e gases.
A condutividade térmica da maioria dos líquidos e sólidos varia com a temperatura. Para vapores, também depende da pressão. Em geral:
A maioria dos materiais são quase homogêneos, portanto podemos geralmente escrever k = k (T). Definições semelhantes estão associadas às condutividades térmicas nas direções y e z (ky, kz), mas para um material isotrópico a condutividade térmica é independente da direção de transferência, kx = ky = kz = k.
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