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.
Aços
Os aços são ligas de ferro-carbono que podem conter concentrações apreciáveis de outros elementos de liga. Adicionar uma pequena quantidade de carbono não metálico ao ferro troca sua grande ductilidade por maior resistência. Devido à sua resistência muito alta, mas ainda tenacidade substancial, e sua capacidade de ser bastante alterada por 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.
Tipos de Aços – Classificação Baseada na Composição
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Aplicações típicas para aço de baixo carbono incluem componentes de carrocerias de automóveis, formas estruturais (por exemplo, vigas em I, canaletas e cantoneiras) e chapas usadas em tubulações e edifícios. Aço. Os aços são ligas de ferro-carbono que podem conter concentrações apreciáveis de outros elementos de liga. 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 muito 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.
- Aços 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.
- Aços Liga. O aço é uma liga de ferro e carbono, mas o termo liga de aço geralmente se refere apenas a aços que contêm outros elementos – como vanádio, molibdênio ou cobalto – em quantidades suficientes para alterar as propriedades do aço base. Em geral, o aço-liga é o aço que é ligado com uma variedade de elementos em quantidades totais entre 1,0% e 50% em peso para melhorar suas propriedades mecânicas. As ligas de aço são divididas em dois grupos:
- Aços de baixa liga
- Aços de alta liga
- Aço inoxidável. Os aços inoxidáveis são definidos como aços de baixo teor de carbono com pelo menos 10% de cromo com ou sem outros elementos de liga. Força e resistência à corrosão muitas vezes o tornam o material de escolha em equipamentos de transporte e processamento, peças de motores e armas de fogo. O cromo aumenta a dureza, força e resistência à corrosão. O níquel oferece benefícios semelhantes, mas adiciona dureza sem sacrificar a ductilidade e a tenacidade. Também reduz a expansão térmica para melhor estabilidade dimensional.
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 padrão. 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 retém alta fluidez quando fundido e menor ponto de fusão.
Propriedades do Aço vs Ferro
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 vs Ferro
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; cm3) 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 vs Ferro
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.
Força do Aço vs Ferro
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 vs Ferro
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 vs Ferro
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 vs Ferro
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 vs Ferro
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.
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
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