Aço Ferramenta – Densidade – Resistência – Dureza – Ponto de Fusão

Sobre o Aço Ferramenta

Aço ferramenta refere-se a uma variedade de aços carbono e ligas que são particularmente adequados para serem transformados em ferramentas (punções, matrizes, moldes, ferramentas para corte, estampagem, conformação, trefilação, direção e ferramentas de corte). Sua adequação vem de sua dureza distinta, resistência à abrasão e deformação e sua capacidade de manter uma aresta de corte em temperaturas elevadas. Com um teor de carbono entre 0,5% e 1,5%, os aços ferramenta são fabricados sob condições cuidadosamente controladas para produzir a qualidade necessária. A presença de carbonetos em sua matriz desempenha o papel dominante nas qualidades do aço ferramenta.

Eles são geralmente agrupados em duas classes:

• Aços carbono simples contendo uma alta porcentagem de carbono, cerca de 0,80-1,50%
• Aços ferramenta de liga, nos quais outros elementos (cromo, molibdênio, vanádio, tungstênio e cobalto) são adicionados para proporcionar maior resistência, tenacidade, corrosão e resistência ao calor do aço.

Um dos subgrupos de aços ferramenta são os aços de alta velocidade (HSS), que foram nomeados principalmente por sua capacidade de usinar e cortar materiais em altas velocidades (alta dureza a quente). É frequentemente usado em lâminas de serra elétrica e brocas. Este grupo de aços ferramenta é descrito em um artigo separado.

Agentes de liga em aços ferramenta ligados

O ferro puro é muito macio para ser usado para fins de estrutura, mas a adição de pequenas quantidades de outros elementos (carbono, manganês ou silício, por exemplo) aumenta muito sua resistência mecânica. O efeito sinérgico dos elementos de liga e do tratamento térmico produz uma enorme variedade de microestruturas e propriedades. Os quatro principais elementos de liga que formam carbonetos em aços para ferramentas e matrizes são: tungstênio, cromo, vanádio e molibdênio. Esses elementos de liga combinam-se com o carbono para formar compostos de metal duro muito duros e resistentes ao desgaste.

• Tungstênio. Produz carbonetos estáveis ​​e refina o tamanho do grão para aumentar a dureza, principalmente em altas temperaturas. O tungstênio é usado extensivamente em aços ferramenta de alta velocidade e tem sido proposto como substituto do molibdênio em aços ferríticos de ativação reduzida para aplicações nucleares.
• Cromo. O cromo aumenta a dureza, força e resistência à corrosão. O efeito de fortalecimento da formação de carbonetos metálicos estáveis ​​nos contornos de grão e o forte aumento na resistência à corrosão tornaram o cromo um importante material de liga para o aço. De um modo geral, a concentração especificada para a maioria das séries é de aproximadamente 4%. Este nível parece resultar no melhor equilíbrio entre dureza e tenacidade. O cromo desempenha um papel importante no mecanismo de endurecimento e é considerado insubstituível. Em temperaturas mais altas, o cromo contribui com maior resistência. É comumente usado para aplicações desta natureza em conjunto com o molibdênio.
• Molibdênio. O molibdênio (cerca de 0,50-8,00%) quando adicionado a um aço ferramenta o torna mais resistente a altas temperaturas. O molibdênio aumenta a temperabilidade e a resistência, particularmente em altas temperaturas devido ao alto ponto de fusão do molibdênio. O molibdênio é único na medida em que aumenta a resistência à tração e à fluência de alta temperatura do aço. Retarda a transformação da austenita em perlita muito mais do que a transformação de austenita em bainita; assim, a bainita pode ser produzida por resfriamento contínuo de aços contendo molibdênio.
• Vanádio. Vanádio é geralmente adicionado ao aço para inibir o crescimento de grãos durante o tratamento térmico. Ao controlar o crescimento do grão, melhora a resistência e a tenacidade dos aços endurecidos e revenidos. O tamanho do grão determina as propriedades do metal. Por exemplo, um tamanho de grão menor aumenta a resistência à tração e tende a aumentar a ductilidade. Um tamanho de grão maior é o preferido para propriedades de fluência melhoradas em alta temperatura.

Exemplo de Aço Ferramenta – Aço A2

O aço ferramenta A2 é um aço de trabalho a frio endurecido ao ar do grupo A dos aços contendo molibdênio e cromo. O aço A2 contém 5% de aço cromo que proporciona alta dureza após tratamento térmico com boa estabilidade dimensional. O teor de carbono em aços ferramenta A2 é alto. A2 oferece boa tenacidade com resistência média ao desgaste e é relativamente fácil de usinar. O aço ferramenta A2 pode ser usado em muitas aplicações que exigem boa resistência ao desgaste, bem como boa tenacidade.

Resumo

Nome	Aço Ferramenta
Fase em STP	sólido
Densidade	7810 kg/m3
Resistência à tração	1860 MPa
Força de rendimento	1400 MPa
Módulo de elasticidade de Young	200 GPa
Dureza Brinell	630 BNH
Ponto de fusão	1420 °C
Condutividade térmica	26 W/mK
Capacidade de calor	465 J/gK
Preço	2 $/kg

Densidade do Aço Ferramenta

As densidades típicas de várias substâncias estão à pressão atmosférica. A densidade é definida como a massa por unidade de volume. É uma propriedade intensiva, que é matematicamente definida como massa dividida pelo 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 padrão do SI é quilogramas por metro cúbico (kg/m³). A unidade padrão inglesa é libras de massa por pé cúbico (lbm/ft³).

A densidade do Aço Ferramenta é 7810 kg/m³.

Exemplo: Densidade

Calcule a altura de um cubo feito de aço ferramenta, que pesa uma tonelada métrica.

Solução:

A densidade é definida como a massa por unidade de volume. É matematicamente definido como massa dividida pelo volume: ρ = m/V.

Como o volume de um cubo é a terceira potência de seus lados (V = a³), a altura desse cubo pode ser calculada:

A altura desse cubo é então a = 0,504 m.

Propriedades Mecânicas do Aço Ferramenta – Aço A2

Os materiais são frequentemente 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 Ferramenta – Aço A2

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 alteração nas dimensões do material. A resistência de um material é sua capacidade de suportar esta carga aplicada sem falha ou deformação plástica.

Resistência à tração

A resistência à tração final do aço ferramenta – o aço A2 depende do processo de tratamento térmico, mas é de cerca de 1860 MPa.

A resistência à tração final é o máximo na curva 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 encurtada para “resistência à tração” ou mesmo para “o máximo”. Se esse estresse for aplicado e mantido, resultará em fratura. Muitas vezes, esse valor é significativamente maior do que a tensão de escoamento (até 50 a 60 por cento a mais do que o escoamento para alguns tipos de metais). Quando um material dúctil atinge sua resistência máxima, ele sofre um estreitamento onde a área da seção transversal se reduz localmente. A curva tensão-deformação não contém tensão superior à resistência última. Mesmo que as deformações possam continuar a aumentar, a tensão geralmente diminui depois que a resistência máxima é alcançada. É uma propriedade intensiva; portanto, seu valor não depende do tamanho do corpo de prova. No entanto, depende de outros fatores, como a preparação do corpo de prova, temperatura do ambiente de teste e do material. A resistência à tração final varia de 50 MPa para um alumínio até 3000 MPa para aços de alta resistência.

Força de rendimento

Limite de escoamento do Aço Ferramenta – o aço A2 depende do processo de tratamento térmico, mas é cerca de 1400 MPa.

O limite de escoamento é o ponto em uma curva tensão-deformação que indica o limite do comportamento elástico e o comportamento plástico inicial. 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 limite de escoamento é o ponto onde a deformação não linear (elástica + plástica) começa. Antes do limite de escoamento, o material se deformará elasticamente e retornará à sua forma original quando a tensão aplicada for removida. Uma vez ultrapassado o limite de escoamento, alguma fração da deformação será permanente e irreversível. Alguns aços e outros materiais apresentam um comportamento denominado fenômeno de limite de escoamento. Os limites de escoamento variam de 35 MPa para um alumínio de baixa resistência a mais de 1400 MPa para aços de alta resistência.

Módulo de elasticidade de Young

O módulo de elasticidade de Young do Aço Ferramenta – aço A2 é 200 GPa.

O módulo de elasticidade de Young é o módulo de elasticidade para tensões de tração e compressão no regime de elasticidade linear de uma deformação uniaxial e geralmente é avaliado por ensaios de tração. Até uma tensão limitante, um corpo poderá recuperar suas dimensões na remoção 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 Ferramenta – Aço A2

Dureza Rockwell do Aço Ferramenta – O aço A2 depende do processo de tratamento térmico, mas é de aproximadamente 60 HRC.

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 menor. 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 diamantado 120°) e uma carga principal de 150kg.

Exemplo: Força

Suponha uma haste de plástico, que é feita de aço ferramenta. Esta haste de plástico tem uma área de seção transversal de 1 cm². Calcule a força de tração necessária para atingir a resistência à tração final para este material, que é: UTS = 1860 MPa.

Solução:

A tensão (σ) pode ser igualada à carga por unidade de área ou à força (F) aplicada por área de seção transversal (A) perpendicular à força como:

portanto, a força de tração necessária para atingir a resistência à tração final é:

F = UTS x A = 1860 x 10⁶ x 0,0001 = 186000 N

Propriedades Térmicas do Aço Ferramenta – Aço A2

As propriedades térmicas dos materiais referem-se à resposta dos materiais às mudanças em sua 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 materiais diferentes reagem à aplicação de calor de forma diferente.

Capacidade de calor, expansão térmica e condutividade térmica são propriedades que são frequentemente críticas no uso prático de sólidos.

Ponto de fusão do aço ferramenta – aço A2

Ponto de fusão do Aço Ferramenta – o aço A2 é em torno de 1420 °C.

Em geral, a fusão é uma mudança de fase de uma substância da fase sólida para a líquida. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual essa mudança de fase ocorre. O ponto de fusão também define uma condição na qual o sólido e o líquido podem existir em equilíbrio.

Condutividade Térmica do Aço Ferramenta – Aço A2

A condutividade térmica do Aço Ferramenta – aço A2 é de 26 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. No geral:

A maioria dos materiais são quase homogêneos, portanto, geralmente podemos escrever k = k(T). Definições semelhantes estão associadas a 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.

Exemplo: cálculo de transferência de calor

A condutividade térmica é definida como a quantidade de calor (em watts) transferida através de uma área quadrada de material de determinada espessura (em metros) devido a uma diferença de temperatura. Quanto menor a condutividade térmica do material, maior a capacidade do material de resistir à transferência de calor.

Calcule a taxa de fluxo de calor através de uma parede de 3 m x 10 m de área (A = 30 m²). A parede tem 15 cm de espessura (L₁) e é feita de Aço Ferramenta com condutividade térmica de k₁ = 26 W/mK (isolante térmico ruim). Suponha que as temperaturas interna e externa  sejam 22 °C e -8 °C, e os  coeficientes de transferência de calor por convecção nos lados interno e externo sejam h₁ = 10 W/m²K e h₂ = 30 W/m²K, respectivamente. Note-se que estes coeficientes de convecção dependem muito especialmente das condições ambientais e interiores (vento, humidade, etc.).

Calcule o fluxo de calor (perda de calor) através desta parede.

Solução:

Como foi escrito, muitos dos processos de transferência de calor envolvem sistemas compostos e até envolvem uma combinação de condução e convecção . Com esses sistemas compostos, muitas vezes é conveniente trabalhar com um coeficiente global de transferência de calor, conhecido como fator U. O fator U é definido por uma expressão análoga à lei de resfriamento de Newton:

O  coeficiente global de transferência de calor está relacionado com a resistência térmica total e depende da geometria do problema.

Assumindo a transferência de calor unidimensional através da parede plana e desconsiderando a radiação, o coeficiente global de transferência de calor pode ser calculado como:

O coeficiente global de transferência de calor é então: U = 1 / (1/10 + 0,15/26 + 1/30) = 7,19 W/m²K

O fluxo de calor pode então ser calculado simplesmente como: q = 7,19 [W/m²K] x 30 [K] = 215,67 W/m²

A perda total de calor através desta parede será: q_perda = q . A = 215,67 [W/m²] x 30 [m²] = 6470,05 W