Ferro Cinzento – Densidade – Resistência – Dureza – Ponto de Fusão

Sobre Ferro Cinzento

O ferro fundido cinzento é o tipo mais antigo e comum de ferro existente e provavelmente o que a maioria das pessoas pensa quando ouve o termo “ferro fundido”. Os teores de carbono e silício dos ferros fundidos cinzentos variam entre 2,5 e 4,0% em peso e 1,0 e 3,0% em peso, respectivamente.

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 de grafite em sua composição. No ferro fundido cinzento a grafite forma-se em flocos, assumindo uma geometria tridimensional.

O ferro fundido cinzento tem menos resistência à tração e resistência ao choque do que o aço, mas sua resistência à compressão é comparável ao aço de baixo e médio carbono. O ferro fundido cinzento tem boa condutividade térmica e capacidade de calor específico, por isso é frequentemente usado em panelas e rotores de freio.

Resumo

Nome	Ferro Cinzento
Fase em STP	sólido
Densidade	7150 kg/m3
Resistência à tração	395 MPa
Força de rendimento	N/D
Módulo de elasticidade de Young	124 GPa
Dureza Brinell	235 BHN
Ponto de fusão	1260 °C
Condutividade térmica	53 W/mK
Capacidade de calor	460 J/gK
Preço	1,2 $/kg

Densidade do Ferro Cinzento

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 Ferro Cinzento é 7150 kg/m³.

Exemplo: Densidade

Calcule a altura de um cubo feito de Ferro Cinzento, 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 = 0,519 m.

Propriedades Mecânicas do Ferro Cinzento

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.

Força do Ferro Cinzento

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 Ferro Cinzento (ASTM A48 Classe 40) é de 295 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.

Módulo de elasticidade de Young

O módulo de elasticidade de Young do Ferro Cinzento (ASTM A48 Classe 40) é de 124 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 será capaz de 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 Ferro Fundido Cinzento – ASTM A48 Classe 40

A dureza Brinell do Ferro Cinzento (ASTM A48 Classe 40) é de aproximadamente 235 MPa.

Na ciência dos materiais, a dureza é a capacidade de suportar o recuo da superfície (deformação plástica localizada) e arranhões. A dureza é provavelmente a propriedade do material mais mal definida, pois pode indicar resistência a arranhões, resistência à abrasão, resistência à indentação ou mesmo resistência à conformação ou deformação plástica localizada. A dureza é importante do ponto de vista da engenharia porque a resistência ao desgaste por fricção ou erosão por vapor, óleo e água geralmente aumenta com a dureza.

O teste de dureza Brinell é um dos testes de dureza de indentação, que foi desenvolvido para testes de dureza. Nos testes Brinell, um penetrador esférico duro é forçado sob uma carga específica na superfície do metal a ser testado. O teste típico usa uma esfera de aço endurecido de 10 mm (0,39 pol) de diâmetro  como um penetrador com uma força de 3.000 kgf (29,42 kN; 6.614 lbf). A carga é mantida constante por um tempo especificado (entre 10 e 30 s). Para materiais mais macios, uma força menor é usada; para materiais mais duros, uma esfera de carboneto de tungstênio é substituída pela esfera de aço.

O teste fornece resultados numéricos para quantificar a dureza de um material, que é expressa pelo número de dureza Brinell – HB. O número de dureza Brinell é designado pelos padrões de teste mais comumente usados ​​(ASTM E10-14[2] e ISO 6506–1:2005) como HBW (H de dureza, B de brinell e W do material do penetrador, tungstênio (volfrâmio) carboneto). Nos padrões anteriores, HB ou HBS eram usados ​​para se referir a medições feitas com penetradores de aço.

O número de dureza Brinell (HB) é a carga dividida pela área da superfície da indentação. O diâmetro da impressão é medido com um microscópio com uma escala sobreposta. O número de dureza Brinell é calculado a partir da equação:

Há uma variedade de métodos de teste de uso comum (por exemplo, Brinell, Knoop, Vickers e Rockwell). Existem tabelas disponíveis correlacionando os números de dureza dos diferentes métodos de teste onde a correlação é aplicável. Em todas as escalas, um número de dureza alto representa um metal duro.

Exemplo: Força

Suponha uma haste de plástico, que é feita de ferro cinza. 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 = 295 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 = 295 x 10⁶ x 0,0001 = 29500 N

Propriedades Térmicas do Ferro Cinzento

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 Ferro Cinzento Cinzento

O ponto de fusão do Ferro Cinzento é de cerca de 1260 °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 Ferro Cinzento

A condutividade térmica do Ferro Cinzento é 53 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 Ferro Cinzento com condutividade térmica de k₁ = 53 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 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 + 0,15/53 + 1/30) = 7,34 W/m²K

O fluxo de calor pode então ser calculado simplesmente como: q = 7,34 [W/m²K] x 30 [K] = 220,32 W/m²

A perda total de calor através desta parede será: q_perda = q . A = 220,32 [W/m²] x 30 [m²] = 6609,7 W