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. 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 teor de carbono. O ferro fundido cinzento tem boa condutividade térmica e capacidade de calor específico, portanto, é frequentemente usado em panelas e rotores de freio. Os ferros fundidos cinzentos também têm uma excelente capacidade de amortecimento, que é dado pelo grafite porque absorve a energia e a converte em calor. Uma grande capacidade de amortecimento é desejável para materiais usados em estruturas onde vibrações indesejadas são induzidas durante a operação, como bases de máquinas-ferramentas ou virabrequins. Materiais como latão e aço têm pequenas capacidades de amortecimento, permitindo que a energia de vibração seja transmitida através deles sem atenuação.
- Ferro fundido branco. Como foi escrito, os ferros fundidos são uma das ligas mais complexas usadas na indústria. Devido ao maior teor de carbono, a estrutura do ferro fundido, ao contrário do aço, apresenta uma fase rica em carbono. Dependendo principalmente da composição, taxa de resfriamento e tratamento de fusão, a fase rica em carbono pode solidificar com a formação de um eutético estável (austenita-grafita) ou metaestável (austenita-Fe3C). Com um teor de silício mais baixo (contendo menos de 1,0% em peso de Si – agente grafitizante) e taxa de resfriamento mais rápida, o carbono no ferro fundido precipita do fundido como a cementita de fase metaestável, Fe3C, em vez de grafite. O produto dessa solidificação é conhecido como ferro fundido branco (também conhecidos como ferros refrigerados). 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. É difícil resfriar fundidos espessos rápido o suficiente para solidificar o fundido como ferro fundido branco por completo. No entanto, o resfriamento rápido pode ser usado para solidificar uma casca de ferro fundido branco, após o que o restante esfria mais lentamente para formar um núcleo de ferro fundido cinzento. Este tipo de fundição, às vezes chamado de “fundição resfriada”, tem uma superfície externa mais dura e um núcleo interno mais resistente. ferro branco é muito frágil para uso em muitos componentes estruturais, mas com boa dureza e resistência à abrasão e custo relativamente baixo, encontra uso em aplicações onde a resistência ao desgaste é desejável, como nos dentes de escavadeiras, impulsores e volutas de bombas de polpa, casca revestimentos e barras elevadoras em moinhos de bolas.
- 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 maleável contém nódulos de grafite que não são verdadeiramente esféricos como no ferro dúctil, porque são formados como resultado do tratamento térmico, e não durante o resfriamento do fundido. O ferro maleável é feito fundindo primeiro um ferro branco, de modo que os flocos de grafite sejam evitados e todo o carbono não dissolvido esteja na forma de carboneto de ferro. O ferro maleável começa como uma fundição de ferro branco que é tratada termicamente por um ou dois dias a cerca de 950 °C (1740 °F) e depois resfriada por um ou dois dias. Como resultado, o carbono no carboneto de ferro se transforma em nódulos de grafite envoltos por uma matriz de ferrita ou perlita, dependendo da taxa de resfriamento. O processo lento permite que a tensão superficial forme os nódulos de grafite em vez de flocos. Ferro maleável, como ferro dúctil, possui ductilidade e tenacidade consideráveis devido à sua combinação de grafite nodular e matriz metálica de baixo teor de carbono. Assim como o ferro dúctil, o ferro maleável também apresenta alta resistência à corrosão, excelente usinabilidade. O boa capacidade de amortecimento e resistência à fadiga do ferro maleável também são úteis para serviços longos em peças altamente estressadas. Existem dois tipos de ferro maleável ferrítico: coração negro e coração branco. É freqüentemente usado para pequenas peças fundidas que requerem boa resistência à tração e capacidade de flexionar sem quebrar (ductilidade). As aplicações de ferros fundidos maleáveis incluem muitas peças automotivas essenciais, como caixas de diferencial, caixas de diferencial, capas de mancal, caixas de direção . Outros usos incluem ferramentas manuais, suportes, peças de máquinas, acessórios elétricos, acessórios para tubos, equipamentos agrícolas e hardware de mineração.
- Ferro fundido dúctil. O ferro dúctil, também conhecido como ferro nodular ou ferro de grafite esferoidal, é muito semelhante ao ferro cinzento na composição, mas durante a solidificação o grafite nucleia como partículas esféricas (nódulos) em ferro dúctil, em vez de flocos. O ferro dúctil não é um único material, mas parte de um grupo de materiais que podem ser produzidos com uma ampla gama de propriedades através do controle de sua microestrutura. A fase da matriz que envolve essas partículas é perlita ou ferrita, dependendo do tratamento térmico. Ferro dúctil é mais forte e mais resistente a choques do que o ferro cinzento, portanto, embora seja mais caro devido às ligas, pode ser a escolha econômica preferida porque uma fundição mais leve pode desempenhar a mesma função. As aplicações típicas para este material incluem válvulas, corpos de bombas, virabrequins, engrenagens e outros componentes automotivos e de máquinas devido à sua boa usinabilidade, resistência à fadiga e maior módulo de elasticidade (em comparação com o ferro fundido cinzento) e em engrenagens pesadas devido à sua alta resistência ao escoamento e resistência ao desgaste.
Propriedades do ferro cinzento vs ferro branco vs ferro dúctil
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 ferro cinzento vs ferro branco vs ferro dúctil
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 ferro cinzento vs ferro branco vs ferro dúctil
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 ferro cinzento vs ferro branco vs ferro dúctil
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 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 máxima à tração 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.
Módulo de elasticidade de Young
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 ferro cinzento vs ferro branco vs ferro dúctil
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 Ferro Cinzento vs Ferro Branco vs Ferro Dúctil
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 ferro cinzento vs ferro branco vs ferro dúctil
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 ferro cinzento vs ferro branco vs ferro dúctil
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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