Bronze x Ferro Fundido – Comparação – Prós e Contras

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.

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 mantém alta fluidez quando fundido e menor ponto de fusão.

Bronzes

Os bronzes são uma família de ligas à base de cobre tradicionalmente ligadas ao estanho, mas podem referir-se a ligas de cobre e outros elementos (por exemplo, alumínio, silício e níquel). Os bronzes são um pouco mais fortes do que os latões, mas ainda apresentam um alto grau de resistência à corrosão. Geralmente são usados ​​quando, além da resistência à corrosão, são exigidas boas propriedades de tração. Por exemplo, o cobre berílio atinge a maior resistência (até 1.400 MPa) de qualquer liga à base de cobre.

Tipos de Bronzes

Como foi escrito, os bronzes são uma família de ligas à base de cobre tradicionalmente ligadas ao estanho, mas podem se referir a ligas de cobre e outros elementos (por exemplo, alumínio, silício e níquel).

• Bronze de estanho e fósforo. Em geral, os bronzes são uma família de ligas à base de cobre tradicionalmente ligadas ao estanho, geralmente com cerca de 12 a 12,5% de estanho. A adição de pequenas quantidades (0,01–0,45) de fósforo aumenta ainda mais a dureza, resistência à fadiga e resistência ao desgaste. A adição dessas ligas leva a aplicações como molas, fixadores, fixações de alvenaria, eixos, fusos de válvulas, engrenagens e rolamentos. Outras aplicações para essas ligas são impulsores de bombas, anéis de pistão e conexões de vapor. Por exemplo, a liga fundida de cobre UNS C90500 é uma liga fundida de cobre-estanho, também conhecida como metal de canhão. Originalmente usado principalmente para fabricar armas, foi amplamente substituído pelo aço.
• Bronze Silício. O bronze de silício geralmente contém cerca de 96% de cobre. O bronze de silício tem uma composição de Si: 2,80–3,80%, Mn: 0,50–1,30%, Fe: 0,80% máx., Zn: 1,50% máx., Pb: 0,05% máx. Bronzes de silício têm uma boa combinação de resistência e ductilidade, boa resistência à corrosão e fácil soldabilidade. Os bronzes de silício foram desenvolvidos originalmente para a indústria química devido à sua excepcional resistência à corrosão em muitos líquidos. Eles são usados ​​em aplicações de produtos arquitetônicos, como:
  • Ferragens para portas
  • Grades
  • portas da igreja
  • Janela de quadros
• Bronze Alumínio. Os bronzes de alumínio são uma família de ligas à base de cobre que oferecem uma combinação de propriedades mecânicas e químicas inigualáveis ​​por qualquer outra série de ligas. Eles contêm cerca de 5 a 12% de alumínio. Eles têm excelente resistência, semelhante à dos aços de baixa liga, e excelente resistência à corrosão, especialmente na água do mar e em ambientes semelhantes, onde as ligas geralmente superam muitos aços inoxidáveis. Sua excelente resistência à corrosão resulta do alumínio nas ligas, que reage com o oxigênio atmosférico para formar uma camada superficial fina e resistente de alumina (óxido de alumínio) que atua como uma barreira à corrosão da liga rica em cobre. Eles são encontrados em formas forjadas e fundidas. Bronzes de alumínio são geralmente de cor dourada. Bronzes de alumínio são usados ​​em aplicações de água do mar que incluem:
  • Serviços gerais relacionados com a água do mar
  • rolamentos
  • acessórios para tubos
  • Bombas e componentes de válvulas
  • Trocadores de calor
• Bronze Berílio. O cobre-berílio, também conhecido como bronze-berílio, é uma liga de cobre com 0,5 a 3% de berílio. O cobre berílio é o mais duro e forte de qualquer liga de cobre (UTS até 1.400 MPa), na condição totalmente tratada termicamente e trabalhada a frio. Combina alta resistência com qualidades não magnéticas e não faiscantes e é semelhante em propriedades mecânicas a muitos aços de liga de alta resistência, mas, em comparação com os aços, tem melhor resistência à corrosão.
• Bell Metal (bronze de alto estanho). Em geral, os metais de sino referem-se geralmente a bronzes de alto estanho que são uma família de ligas à base de cobre tradicionalmente ligadas ao estanho, geralmente com mais de 20% de estanho (normalmente, 78% de cobre, 22% de estanho em massa). O metal de sino é usado para a fundição de sinos de alta qualidade.

Propriedades do Bronze vs 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 Bronze vs Ferro Fundido

A densidade do bronze típico é de 8,7 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 (N_A = 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 Bronze 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 Bronze 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 bronze de alumínio – UNS C95400 é de cerca de 550 MPa.

A resistência à tração final do bronze de estanho – UNS C90500 – metal de canhão é de cerca de 310 MPa.

A resistência à tração final do cobre  berílio – UNS C17200 é de cerca de 1380 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 bronze de alumínio – UNS C95400 é de cerca de 250 MPa.

A resistência ao  escoamento do bronze de estanho – UNS C90500 – metal de canhão é de cerca de 150 MPa.

A resistência ao escoamento do cobre berílio – UNS C17200 é de cerca de 1100 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 bronze de alumínio – UNS C95400 é de cerca de 110 GPa.

O módulo de elasticidade de Young do bronze de estanho – UNS C90500 – gun metal é de cerca de 103 GPa.

O módulo de elasticidade de Young do cobre  -berílio – UNS C17200 é de cerca de 131 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 Bronze vs Ferro Fundido

A dureza Brinell do bronze de alumínio – UNS C95400 é de aproximadamente 170 MPa. A dureza dos bronzes de alumínio aumenta com o teor de alumínio (e outras ligas), bem como com as tensões causadas pelo trabalho a frio.

A dureza Brinell do bronze de estanho – UNS C90500 – metal de canhão é de aproximadamente 75 BHN.

A dureza Rockwell do cobre berílio – UNS C17200 é de aproximadamente 82 HRB.

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 Bronze 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 Bronze vs Ferro Fundido

O ponto de fusão do bronze de alumínio – UNS C95400 é de cerca de 1030°C.

O ponto de fusão do estanho-bronze – UNS C90500 – gun metal é de cerca de 1000°C.

O ponto de fusão do cobre  -berílio – UNS C17200 é de cerca de 866°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 Bronze vs Ferro Fundido

A condutividade térmica do bronze de alumínio – UNS C95400 é de 59 W/(mK).

A condutividade térmica do bronze de estanho – UNS C90500 – metal de canhão é de 75 W/(mK).

A condutividade térmica do cobre – berílio – UNS C17200 é de 115 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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Veja acima:
Ligas