Fundamentos Materiais

Fundamentos da Mecânica - Materiais
Sumário
Classificação e características de materiais 2
Obtenção do ferro gusa e ferro fundido 13
Aço 37
Comportamento das ligas em função da temperatura e composição 61
Diagrama ferro-carbono 71
Tratamento térmico dos aços 86
Metais não-ferrosos e ligas 113
Sinterização 128
Corrosão dos metais 138
Ensaio dos materiais 153
Ensaios destrutivos 159
Ensaios não-destrutivos 170
Materiais plásticos 196
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Classificação e
características de materiais
Objetivos
Ao final desta unidade o participante deverá:
Conhecer
Estar informado sobre:
• Classificação dos materiais naturais, artificiais, ferrosos e não-ferrosos;
• Propriedades dos materiais.
Saber
Reproduzir conhecimentos sobre:
• Estrutura dos metais;
• Formação da estrutura na solidificação;
• Componentes da estrutura: átomo, cristais, grão, contorno do grão;
• Propriedades físicas dos metais.
Introdução
Quando da confecção de um determinado produto, deve-se, como um dos fatores prioritários,
selecionar o material adequado que o constituirá.
Para tanto, o material deve ser avaliado sob dois aspectos: suas qualidades mecânicas e seu
custo.
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SENAI - 2009 3
Classificação de materiais
Apresentamos a seguir uma classificação dos materiais mais comumente utilizados, tendo cada
um sua importância e emprego definidos em função de suas características e propriedades.
materiais
metálicos não metálicos
ferrosos não ferrosos sintéticos naturais
aço
FoFo
pesados
leves
plásticos
resinóides
madeira
mouro
etc.
Conhecidas as classes dos materiais passemos agora a especificá-los por grupos e emprego a
que se destinam, pois todos os materiais possuem características próprias que devemos conhecer
para podermos empregá-los mais adequadamente.
Materiais metálicos
Ao estudarmos a classe dos materiais metálicos podemos dividi-los em dois grupos distintos: os
ferrosos e os não-ferrosos.
Materiais metálicos ferrosos
Desde sua descoberta os materiais ferrosos tornaram-se de grande importância na construção
mecânica.
Os materiais ferrosos mais importantes são:
• Aço – liga de Fe e C com C < 2% - material tenaz, de excelentes propriedades, de fácil
trabalho, podendo também ser forjável.
• Ferro fundido – liga de Fe e C com 2 < C < 5% - material amplamente empregado na
construção mecânica, e que, mesmo não possuindo a resistência do aço, pode substituí-lo em
diversas aplicações, muitas vezes com grande vantagem.

Como esses materiais são fáceis de serem trabalhados, com eles é construída a maior parte de
máquinas, ferramentas, estruturas, bem como instalações que necessitam materiais de grande
resistência.
Materiais metálicos não-ferrosos
São todos os demais materiais metálicos empregados na construção mecânica. Possuem
empregos os mais diversos, pois podem substituir os materiais ferrosos em várias aplicações e
nem sempre podem ser substituídos pelos ferrosos.
Esses materiais são geralmente utilizados isoladamente ou em forma de ligas metálicas, algumas
delas amplamente utilizadas na construção de máquinas e equipamentos.
Podemos dividir os não-ferrosos em dois tipos em função da densidade:
• Metais pesados (r > 5kg/dm3) cobre, estanho, zinco, chumbo, platina, etc.
• Metais leves (r < 5kg/dm3) alumínio, magnésio, titânio, etc.
Normalmente, os não-ferrosos são materiais caros, logo não devemos utilizá-los em componentes
que possam ser substituídos por materiais ferrosos.
Esses materiais são amplamente utilizados em peças sujeitas a oxidação, dada a sua resistência,
sendo muito utilizados em tratamentos galvânicos superficiais de materiais.
São também bastante utilizados em componentes elétricos.
Nos últimos anos, a importância dos metais leves e suas ligas têm aumentado consideravelmente,
principalmente na construção de veículos, nas construções aeronáuticas e navais, bem como na
mecânica de precisão, pois têm-se conseguido ligas metálicas de alta resistência e de menor peso
e, com isto, tende-se a trocar o aço e o ferro fundido por esses metais.
Materiais não-metálicos
Existem numerosos materiais não-metálicos que podem ser divididos em:
• Naturais – madeira, couro, fibras, etc.
• Artificiais ou sintéticos – baquelite, celulóide, acrílico, etc.
Os materiais plásticos estão sendo empregados em um número cada vez maior de casos como
substitutos de metais.
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Daí a necessidade de conhecermos um pouco mais esses materiais que vêm-se tornando uma
presença constante nos campos técnico, científico, doméstico, etc. Deles nos ocuparemos um
pouco mais na unidade Materiais plásticos.
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Estrutura cristalina dos metais
A maioria dos metais ao se solidificar experimenta uma contração de volume, o que indica uma
menor separação entre os átomos no estado sólido.
Nesse estado, os átomos animados de pequena energia cinética não conseguem deslizar
livremente uns em relação aos outros.
No estado sólido, os átomos não estão em repouso, mas vibram em torno de determinadas
posições de equilíbrio assumidas espontaneamente por eles ao se solidificarem.
Arranjo dos átomos
Essas posições não são assumidas ao acaso, pelo contrário, apresentam uma ordenação
geométrica especial característica, que é uma função da natureza do metal.
Essa disposição ordenada, característica dos metais sólidos e de outros materiais não-metálicos,
denomina-se estrutura cristalina.
Tipos de estruturas cristalinas

Dentre as estruturas destacamos três tipos:
1) Rede cúbica de faces centradas
Metais: Ni, Cu, Pb, Al e tipo de ferro que se chama ferro g.
2) Rede cúbica de corpo centrado
Metais: V, Cr, Mo, W e tipo de ferro que se chama ferro a.
3) Hexagonal compacta
Metais: Mg, Zn, Cd, Ti.
- A dimensão da rede varia de tipo para tipo.
A transformação mecânica dos metais (tais como laminação, dobramento, estampagem) depende
do tipo da estrutura cristalina.
Nas estruturas do tipo (1) a transformação ocorre facilmente, enquanto na estrutura (3) a
transformação é mais difícil de ser verificada.
No processo de dobramento de metais que possuem o tipo (3) – exemplo: Mg e Zn, a peça pode
quebrar mais facilmente do que nos metais que possuem estrutura do tipo (1) – exemplo: aço ou
Al.
Formação da estrutura na solidificação
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A estrutura cristalina, formada na solidificação através do resfriamento, irá definir a estrutura do
material, os seus constituintes e propriedades.
No estado líquido os átomos metálicos se movem livremente. Com a queda da temperatura,
diminui a energia de movimento dos átomos e passa a predominar a força de atração entre eles.
Por isto os átomos vão se unindo uns aos outros, em determinadas posições, formando os cristais
(embriões). Essa formação é orientada segundo direções preferenciais, denominadas eixo de
cristalização.
À medida que esses cristais crescem em direções definidas, encontram-se e estabelecem uma
superfície de contato que chamamos de limite ou contorno de grãos.
Observe a seguir o processo de formação da estrutura cristalina na solidificação.
O tamanho do grão na estrutura do metal varia de acordo com o número de embriões formados e
com o tipo de metal.
Num mesmo metal podem-se formar grãos pequenos ou grandes, se modificarmos o tempo de
solidificação (velocidade de resfriamento e pressão).
Se diminuirmos o tempo de solidificação, teremos uma estrutura formada por maior número de
grãos (estrutura fina). Caso contrário, ocorre o inverso (estrutura grossa).
As estruturas de grãos muito grandes possuem baixa resistência à tração.
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A figura ao lado apresenta no
diagrama de solidificação como
se processa a formação dos
metais durante o resfriamento.
Diagrama de solidificação
Propriedades dos materiais
Na construção de peças e componentes, devemos observar se os materiais empregados
possuem as diversas propriedades físicas e mecânicas que lhe serão exigidas pelas condições e
solicitações do trabalho a que se destinam. A seguir mostraremos algumas dessas propriedades.
Elasticidade
Uma mola deve ser elástica. Por ação de uma força, deve se deformar e, quando cessada a força,
deve voltar à posição inicial.
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Para comprovarmos a elasticidade do aço para molas, prendemos a mola na morsa por um lado e
a estiramos pelo outro lado até que se estique.
Quando a soltamos, se a mola voltar à posição inicial é porque o aço possui boa elasticidade.
Fragilidade
Materiais muito duros tendem a se quebrar com facilidade, não suportando choques, enquanto
que os materiais menos duros resistem melhor aos choques. Assim, os materiais que possuem
baixa resistência aos choques são chamados frágeis. Exemplos: FoFo, vidro, etc.
Ductilidade
Pode-se dizer que a ductilidade é o oposto da fragilidade. São dúcteis os materiais que por ação
de força se deformam plasticamente, conservando a sua coesão, por exemplo: cobre, alumínio,
aço com baixo teor de carbono, etc.
Na figura seguinte temos um fio de cobre de 300mm de comprimento. Se puxarmos este fio, ele
se esticará até um comprimento de 400 a 450mm sem se romper porque uma das qualidades do
cobre é ser dúctil.
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Ductilidade
Tenacidade
Se um material é resistente e possui boas características de alongamento para suportar um
esforço considerável de torção, tração ou flexão, sem romper-se, é chamado tenaz.
A chave da figura seguinte pode ser tracionada e flexionada sem romper-se facilmente porque é
de um material tenaz.

Tenacidade
Dureza
As ferramentas devem ser duras para que não se desgastem e possam penetrar em um material
menos duro.
A dureza é, portanto, a resistência que um material oferece à penetração de outro corpo.
Resistência
Resistência de um material é a sua oposição à mudança de forma e ao cisalhamento. As forças
externas podem exercer sobre o material cargas de tração, compressão, flexão, cisalhamento,
torção ou flambagem.
Flexão Cisalhamento
Torção Tração
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Flambagem Compressão
Toda força externa gera no material tensões de acordo com o tipo de solicitação.
Elasticidade e plasticidade
São propriedades de mudança de forma. Denominamos deformação elástica à deformação não
permanente e deformação plástica à deformação permanente.
Densidade
A densidade de um material está relacionada com o grau de compactação da matéria.
Fisicamente, a densidade (r) é definida pela massa (M) dividida pelo volume (V).
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dm3
M
r =

Kg
V
Exemplo: o cobre tem maior densidade que o aço: r Cu = 8,93kg/dm3
rAço = 7,8kg/dm3

Questionário – resumo
1. Quais os materiais metálicos ferrosos mais importantes?
2. Como são classificados os materiais metálicos não-ferrosos em função da densidade?
3. Dê exemplos de materiais não-metálicos naturais e artificiais ou sintéticos.
4. Cite três tipos de estrutura cristalina dos metais e como elas se comportam frente à
transformação mecânica?
5. Como ocorre a formação da estrutura cristalina na solidificação?
6. Comente as seguintes propriedades dos materiais: densidade, resistência, fragilidade,
ductilidade, tenacidade, elasticidade e dureza.
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Obtenção do ferro gusa e
ferro fundido
Objetivos
Conhecer
• Processo de obtenção do ferro gusa no alto-forno e os materiais utilizados;
• Reações químicas que ocorrem no alto-forno;
• Obtenção, classificação e tipos de ferro fundido;
• Fundição em areia.
Saber
• Características da estrutura do carbono nos ferros fundidos lamelar e globular;
• Propriedades e exemplos de aplicação do ferro fundido branco, cinzento, nodular e maleável;
• Normas ABNT, DIN e ASTM.
Ser capaz de
Aplicar conhecimentos para:
• Selecionar os ferros fundidos em função de suas propriedades.
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Introdução
O elemento químico ferro é o metal mais usado para as construções mecânicas. Nesta unidade,
estudaremos como ele é extraído do minério e transformado em ferro gusa e depois em ferro
fundido. Na próxima unidade (Aço), estudaremos como o ferro gusa se transforma em aço.
Obtenção do ferro gusa

Os minérios de ferro são rochas que contêm óxidos de ferro ou carbonatos de ferro agregados a
quartzo, argila, composto de enxofre, fósforo, manganês.
Minério Designação química Fórmula química Conteúdo de Fe
Magnetita Óxido ferroso férrico Fe3O4 60...70%
Hematita roxa Óxido de ferro anidro Fe4O3 40...60%
Hematita parda ou
limonita
Óxido de ferro hidratado 2Fe2O3 + 3H2O 20...45%
Siderita Carbonato de ferro FeCO3 30...45%
Antes da fusão do minério no alto-forno para a obtenção do ferro gusa, o minério deve ser britado
(quebrado). As impurezas pétreas são separadas por flotação e, em seguida, elimina-se a
umidade e parte do enxofre. Os minérios de granulometria fina são compactados formando
briquetes.
Transformação do minério em metal
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A transformação do minério em metal é feita no alto-forno que é um forno de cuba com uma altura
de 30 a 80m e um diâmetro máximo de 10 a 14m.
Neste forno entra o minério e sai o ferro gusa que contém 5 – 6% de carbono, ± 3% de silício (Si),
± 6% de manganês (Mn) assim como altos teores de enxofre e fósforo. Um teor alto de carbono,
enxofre e fósforo tornam o ferro gusa muito frágil, não forjável e não soldável.
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Alto-forno (funcionamento)
A transformação do minério em ferro gusa é feita em dois movimentos: o movimento descendente
de carga (sólidos) em oposição ao movimento ascendente dos gases.
Alto-forno
As cargas introduzidas na goela do alto-forno para ser obtido o ferro gusa são as seguintes:
• Minério
Óxido de ferro (Fe2O3) quebrado e aglomerado.
• Coque metalúrgico
Possui grande resistência ao esmagamento e uma excelente
Porosidade para deixar passar a corrente gasosa.
• Fundente adicional
Permite a separação do metal da ganga numa temperatura relativamente baixa. A composição
do fundente depende da natureza da ganga.
Exemplos de fundentes:
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• Mn
Atua como dissulfurante, desoxidante e elemento de liga, 33 a 35kg/ton de aço.
• Cal
Adicionada para facilitar a fusão da escória e é também um desfosforizante.
• Fluorita CaF2
Ajuda na fluidificação da escória.
Os movimentos descendente e ascendente produzidos no alto-forno formam as seguintes zonas:
Secagem (entre 3000C e 3500C)
A água contida nos elementos da carga é evaporada e parte do enxofre também é eliminada.
Redução (entre 3500C e 7500C)
O minério (óxido de ferro) combina-se com
o monóxido de carbono (CO) (veja equação
ao lado).
Equação química da redução
3Fe2O3 + CO ® 2Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO ® 3FeO + CO2
Equação química da
carbonetação
3FeO + 3CO ® 3Fe + 3CO2
3Fe + C ® Fe3C
Carbonetação (entre 7500C e 11500C)
Com a temperatura elevada, o óxido de ferro entra em
combinação parcial com o monóxido de carbono,
formando o dióxido de carbono. Numa outra reação, o
ferro (Fe) combina-se com o carbono formando a
cementita Fe3C, numa combinação muito dura.
Após a carbonetação, o ponto de fusão da liga ferro e
carbono diminui bastante (veja equação ao lado).
Fusão (entre 11500C e 18000C)
Corresponde à passagem do ferro carburado (o gusa) do estado sólido ao líquido.
A transformação em líquido é feita numa temperatura aproximada de 16000C. O metal líquido
escorre para o fundo do cadinho, enquanto que sobre o metal fica a escória, separada por
diferença de densidade. A escória fica na superfície e protege o gusa contra a oxidação que o ar
injetado das ventaneiras poderia provocar.

O ferro gusa que sai do alto-forno
pode ser solidificado em pequenos
lingotes que servirão de matéria-prima
para uma segunda fusão, de
onde resultará o ferro fundido, ou o
gusa poderá ser transportado
líquido (carro torpedo) para a
aciaria.
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Ferro fundido
É uma liga de ferro carbono com um teor de carbono de 2% a 4,5%. Esse material se caracteriza
frente ao aço por um ponto de fusão mais baixo e uma moldabilidade mais fácil. Portanto, para
peças de forma complicada, a fundição em ferro fundido é mais econômica do que a fundição em
aço.
O ferro gusa é transformado numa segunda fusão em ferro fundido (FoFo). Esta fusão é feita em
fornos tipo cubilô ou forno elétrico.
A carga desses fornos é formada de lingotes de ferro gusa, sucata de aço e ferro fundido, coque e
fundente (calcário), podem-se também adicionar elementos de liga como o cromo, níquel ou
molibdênio. Através desta segunda fusão, obtém-se uma estrutura mais densa com a granulação
mais fina e uniforme.
Forno cubilô
O forno cubilô é um forno de cuba, cilíndrico com um diâmetro de aproximadamente um metro, e
uma altura de seis a oito metros.
Compõe-se de uma camisa de
chapa de aço revestida com um
material refratário. Esse forno é
carregado por cima, como o alto-forno.
Forno cubilô

Após o aquecimento, quando se encontra no estado líquido, o ferro fundido acumula-se em um
cadinho, na parte inferior, e, em seguida, é feita a corrida. O ferro fundido é vertido em uma
caçamba de fundição e transportado até os moldes onde são fundidas as peças.
Tipos de ferro fundido
O carbono contido no ferro fundido pode estar combinado com o ferro formando a cementita que é
dura e quebradiça e apresenta uma fratura clara (ferro fundido branco).
Quando o carbono está separado do ferro formando veios de grafite, apresenta uma fratura
cinzenta (ferro fundido cinzento).
A quantidade e o tamanho dos veios de grafite que se formam dependem da composição química
e da velocidade de resfriamento.
Aumentando o teor de silício e diminuindo a velocidade de resfriamento, há maior formação de
grafite. No entanto, se aumentarmos o teor de manganês e a velocidade de resfriamento, o
carbono ficará combinado com o ferro formando a cementita.
Ferro fundido cinzento (GG)
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Nesse tipo de ferro fundido, o carbono se apresenta na forma de veios de grafite. Esses veios de
grafite (lamelas) são formados devido a um resfriamento lento no momento da fundição e/ou
devido à composição química do material (alto teor de silício).
O ferro fundido cinzento ou lamelar (GG ou GGL) é, comercialmente, barato e tem as seguintes
características quanto ao processo de fabricação:
• Funde-se com facilidade
• Contrai-se pouco ao esfriar
• Tem pouca tendência a formar vazios internos
• Apresenta boa usinabilidade
O ferro fundido cinzento apresenta também as seguintes propriedades mecânicas:
• Fragilidade (resiste pouco às solicitações por choque)
• Resistência baixa a tração (causada pelos veios de grafite)
• Boa capacidade de deslizamento (melhor que a do aço)
• Resistência a compressão elevada
• Grande poder de amortecimento interno de vibrações mecânicas
A resistência a compressão e o poder de amortecimento de vibrações tornam o ferro fundido
cinzento ideal para confecções de carcaças de motores e corpos de máquinas.
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Ferro fundido nodular (GGG)
Se se adicionam, na hora do vazamento do ferro fundido na panela, ligas de magnésio (níquel-magnésio
ou ferro-silício-magnésio), o grafite não se agregará sob a forma de lamelas e sim sob a
forma de glóbulos. Por essa razão esse ferro fundido é chamado globular ou nodular.
O grafite estando na forma globular proporciona ao ferro fundido maior resistência a tração, flexão
e alongamento.
Outra característica do ferro fundido nodular é que ele resiste bem a agentes químicos e ao calor.
Por isso é muito usado em tubos e fornos de indústrias químicas, em máquinas agrícolas, na
construção de tratores e automóveis, na construção de bombas e turbinas.
Ferro fundido branco ou duro (GH)
Nesse tipo de ferro fundido, o carbono está sempre combinado com o ferro, formando um
componente duro na estrutura – a cementita (Fe3C).
Composição típica de ferro fundido duro
C...................................2,8 a 4,0%
Si..................................0,2 a 1,0%
Mn................................0,6 a 1,5%
S..................................0,2 a 0,45%
P...................................0,15 máx.
A cementita é formada devido a um resfriamento rápido do ferro fundido e devido à influência de
elementos químicos: um teor de silício baixo e de manganês elevado.
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Pela escolha adequada da composição química do ferro fundido e pelo controle da velocidade de
resfriamento do metal no molde, é possível fazer uma peça onde a superfície seja de ferro fundido
duro e o núcleo de ferro fundido cinzento.
Essas características são interessantes para alguns tipos de peças como, por exemplo, a roda de
trem que deve ter resistência ao desgaste e, ao mesmo tempo, resistência a impactos.
Ferro fundido maleável (GT)
O ferro fundido maleável é obtido a partir do ferro fundido branco que é submetido à
maleabilização (tratamento térmico posterior à fundição) tornando-se, assim, bem tenaz, algo
deformável e facilmente usinável.
Composição típica de um ferro fundido branco
destinado a ser maleabilizado.
Carbono combinado...................3,0 a 3,50%
Si................................................0,50 a 0,80%
Mn..............................................0,10 a 0,40%
S................................................0,20 a 0,05%
F.................................................0,15% máx.
Distinguem-se dois tipos de ferro fundido maleável:
• Ferro fundido maleável branco
• Ferro fundido maleável preto
Ferro fundido maleável branco (GTW)
É próprio para a fabricação de peças pequenas de pequena espessura de parede.
Essas peças são fundidas em ferro fundido branco e depois, por um longo tratamento
térmico de descarbonetação, reduz-se o teor de carbono da superfície da peça de 2 a 4% para 1 a
1,5% (com isso conseguimos um material menos frágil).
O tratamento de descarbonetação consiste em colocar as peças fundidas em ferro fundido branco
em caixas contendo óxidos de ferro finamente granulado. Depois, colocamos essas caixas em
fornos a temperatura de 900 a 10500C durante dois a cinco dias. Ou segundo procedimentos mais
modernos, a peça é aquecida em fornos elétricos ou a gás com uma atmosfera oxidante.
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Através do aquecimento, o óxido de ferro se decompõe, liberando o oxigênio que irá reagir com o
carbono contido na peça. Com isso se reduz o teor de carbono na superfície da peça de 2,5 a
3,5% para 0,5 a 1,8% C.
A profundidade de descarbonetação é limitada e por isso se emprega esse tratamento em peças
de paredes delgadas de até 12mm.
Ferro fundido maleável preto (GTS)
Para a obtenção de ferro fundido maleável preto, faz-se um tratamento térmico de recozimento no
ferro fundido branco (800 a 9000C durante vários dias) em uma atmosfera neutra, por exemplo,
envolvendo a peça em areia.
Diagrama do tratamento térmico
Nesse caso, a cementita do ferro fundido branco se decompõe em grafite em forma de nódulos e
ferrita. Esse tipo de tratamento não depende da espessura da parede da peça.
Observação
Na figura seguinte, observamos um resumo de como são obtidos os vários tipos de ferros
fundidos.
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Obtenção dos vários tipos de ferro fundido
O processo de fundição
Para fundir uma peça, confecciona-se primeiro um modelo em madeira, aço, alumínio ou plástico,
de acordo com os planos técnicos.

Esse modelo deve ser um pouco maior do que a peça, devido à contração do metal ao se
solidificar e esfriar conforme tabela seguinte.
Material Contração do metal (%)
Aço
2
FoFo
1
Alumínio
1,25
Liga CuZnSn
1,50
As figuras a seguir mostram a sequência da fundição de uma peça.
Desenho da peça
Modelo fabricado em madeira, levando-se em conta a contração do metal.
Este modelo é dividido em duas partes.
Coloca-se o modelo sob a caixa de fundição e compacta-se a areia.
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Macho fabricado de areia com resina
para ter maior resistência
Colocação do macho no molde
Vazamento do metal no molde Peça fundida com o canal de vazamento e
massalote
É importante notar que as propriedades mecânicas das peças fundidas variam dentro de uma
mesma peça em função da espessura da parede, da forma da secção, da maior ou menor
velocidade de resfriamento em cada ponto.
As figuras a seguir mostram os defeitos mais comuns que aparecem nas peças fundidas.
Inclusões de escórias
Escórias e óxidos metálicos que se misturaram no metal durante o vazamento.

Poros
O material fundido não se solidifica uniformemente. A solidificação se produz de fora para dentro.
Nos lugares mais grossos da peça, formam-se vazios que são denominados poros ou cavidades.
Para evitar esse problema, é conveniente que as peças fundidas não tenham uma variação
brusca de espessura das paredes, ou que se acrescentem partes na peça que se solidifiquem por
último e que irão conter os poros, bolhas e inclusões. Essas partes são chamadas de massalote e
serão eliminadas depois.
Trincas
A variação de secção provoca também diferentes velocidades de resfriamentos o que pode
ocasionar diferentes estruturas e tensões internas na peça, provocando trincas. Para uniformizar a
velocidade de resfriamento, podem-se alojar no molde placas de resfriamento.
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Bolhas
A umidade da areia do molde se
decompõe em hidrogênio e oxigênio com
a temperatura de vazamento do metal e
esses gases penetram na estrutura do
material.
Desigualdade na espessura das
paredes
É provocada pelo deslocamento do macho
durante o vazamento.
Paredes mais grossas e irregulares
São provocadas pela compactação
insuficiente da areia, que se desprende
com a pressão do material durante a
fundição.
Como descobrir defeitos de fundição
Antes da usinagem, é interessante examinar as peças fundidas com a ajuda de raios X ou de
ultra-som para detectar defeitos (bolhas ou inclusões internas). Caso contrário esses defeitos só
serão percebidos durante a usinagem o que acarretará uma perda de tempo e elevação dos
custos.
Classificação e nomenclatura dos ferros fundidos
As normas especificam os ferros fundidos com letras e números onde cada um possui um
significado.

Nos exemplos abaixo temos especificações segundo a norma DIN e ABNT.
DIN GG 40
Resistência a tração 400N/mm2
Ferro fundido cinzento
GGG 60
Ferro fundido nodular
ABNT FC 40
Ferro fundido cinzento
Características segundo DIN
Símbolo GG –
Densidade: 7,25kg/dm3
Ponto de fusão: 1150 – 12500C
Temperatura de fundição: 13500C
Resistência a tração: 10 – 40kp/mm2
Alongamento: insignificante
Contração: 1%
Composição: 2,6 - 3,6% C
1,8 - 2,5% Si
0,4 - 1,0% Mn
0,2 - 0,9% P
0,08 - 0,12% S
Classificação do ferro fundido cinzento
O ferro fundido é classificado por suas classes de qualidade. Essas classes são especificadas por
vários sistemas de normas tais como DIN, ASTM, etc. Por exemplo, a ABNT especifica as
classificações da seguinte forma:
• As classes FC10 e FC15 possuem excelentes fusibilidade e usinabilidade e são indicadas,
principalmente a FC15, para bases de máquinas e carcaças metálicas.
• As classes FC20 e FC25 aplicam-se em elementos estruturais de máquinas, barramentos,
cabeçotes, mesas, etc.
30 SENAI - 2009

• As classes FC30 e FC35 possuem maior dureza e resistência mecânica e aplicam-se em
engrenagens, buchas, blocos de motor, etc.
• A classe FC40 de maior resistência que as outras possui elementos de liga, como cromo,
níquel e molibdênio, sendo empregada em peças de espessuras médias e grandes.
Classes de ferros fundidos cinzentos segundo ABNT
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Classe
Limite de resistência a tração
(min.)
X 10 [N/mm2]
Dureza brinell
(valores máximos)
Resistência à flexão estática (valores
médios)
X 10 [N/mm2]
FC10 10 201 -
FC15 23
18
15
11
241
223
212
201
34
32
30
27
FC20 28
23
20
16
255
235
223
217
41
39
36
33
FC25
33
28
25
21
269
248
241
229
-
46
42
39
FC30 33 269 -
30 262 48
26 248 45
FC35 38
35
31
-
277
269
-
54
51
FC40 40
36
-
-
60
57

A ASTM agrupa os ferros fundidos cinzentos em sete classes. Os números das classes ASTM
representam valores de resistência a tração em l b/pol2, os valores métricos para o limite de
resistência a tração são aproximados.
Classes Resistência a tração Resistência a tração
20 20.000 l b/pol2 140N/mm2
25 25.000 l b/pol2 175N/mm2
30 30.000 l b/pol2 210 N/mm2
35 35.000 l b/pol2 245N/mm2
40 40.000 l b/pol2 280N/mm2
50 50.000 l b/pol2 350N/mm2
60 60.000 l b/pol2 420N/mm2
Classificação de ferro fundido nodular segundo ABNT especificação P-EB-585.
32 SENAI - 2009
A título informativo
Classe
Limite de
resistência
a tração,
min.
Kg/mm2
Limite de
escoamento
(0,2%) min.
Kg/min2
Alongamento
(5d), min. %
Faixa de
dureza
aproximada
brinell
Estruturas
predominantes
FE 3817
FE 4212
FE 5007
FE 6002
FE 7002
FE 3817
RI*
38,0
42,0
50,0
80,0
70,0
38,0
24,0
28,0
35,0
40,0
45,0
24,0
17
12
7
2
2
17
140-180
150-200
170-240
210-280
230-300
140-180
Ferrítica
Ferrítica-perlítica
Perlítica-ferrítica
Perlítica
Perlítica
Ferrítica
*Classe com requisito de resistência a choque.

Aplicações dos ferros fundidos cinzentos, segundo as classes ASTM
Classe Espessura das peças Aplicações
SENAI - 2009 33
20
Fina: até 13mm
Média: de 13 a 25mm
Grossa: acima de 25mm
Utensílios domésticos, anéis de pistão, produtos
sanitários, etc.
Bases de máquinas, fundidos ornamentais,
carcaças metálicas, tampas de poços de inspeção,
etc.
Certos tipos de tubos, conexões, bases de
máquinas pesadas, etc.
25
Fina: até 13mm
Aplicações idênticas às da classe 20, quando se
necessita de maior resistência mecânica.
30
Fina: até 13mm
Elementos construtivos: pequenos tambores de
freio, placas de embreagem, cárters, blocos de
motor, cabeçotes, buchas, grades de filtro, rotores,
carcaças de compressor, tubos, conexões, pistões
hidráulicos, barramentos e componentes diversos
usados em conjuntos elétricos, mecânicos e
automotivos.
35
Fina: até 13mm
Aplicações idênticas às da classe 30.
40
Fina: até 13mm
Aplicações de maior responsabilidade, de maiores
durezas e resistência a tração, para o que se pode
usar inoculação ou elementos de liga em baixos
teores: engrenagens, eixo de comando de
válvulas, pequenos virabrequins, grandes blocos
de motor, cabeçotes, buchas, bombas,
compressores, rotores, válvulas, munhões,
cilindros e anéis de locomotivas, bigornas, pistões
hidráulicos, etc.
50
Fina: até 13mm
Aplicações idênticas às da classe 40.
60
Fina: até 13mm
É a classe de maior resistência mecânica, usando-se
normalmente pequenos teores de Ni, Cr e Mo.
Tambores de freio especiais, virabrequins, bielas,
cabeçotes, corpos de máquina diesel, peças de
bombas de alta pressão, carcaças de britadores,
matrizes para forjar a quente, cilindros hidráulicos,
etc.

Especificações ASTM de ferro fundido nodular
Classe
Limite de
resist. a tração
min. Kg/mm2
Limite de
escoamento
min.
Kg/mm2
Alongamento
min. Em 2”
%
34 SENAI - 2009
Condição Aplicações
ASTM-A 339-55
80-60-03 56 42 3 Fundido Uso geral
60-45-10 42 31,5 10 Geralmente
recozido Uso geral
ASTM-A 396-58
120-90-02 84 63 2 Tratado
termicamente
Para elevada
resistência
mecânica
100-70-03 70 49 3 Idem Idem
ASTM-A 395-56T
60-45-15
60-40-18
42
42
31,5
28
15
18
Recozido
Recozido
Equipamento
pressurizado a
temperaturas
elevadas
Os números indicativos das classes referem-se aos valores:
• Do limite de resistência a tração (em milhares de libras por polegada quadrada);
• Do limite de escoamento (em milhares de libras por polegada quadrada);
• Do alongamento em porcentagem de um corpo de prova de 2”.
Denominação de ferro fundido segundo norma DIN 17006
GG – Ferro fundido cinzento
Exemplo:
GG-18 Ferro fundido cinzento com resistência a tração de 180N/mm2
GGK Ferro fundido cinzento em coquilha
GGZ Ferro fundido cinzento centrifugado
GH – Ferro fundido duro
Exemplo:
GH-25 Ferro fundido com uma camada de ferro fundido branco de 25mm e o núcleo com ferro
fundido cinzento
GH-95 Dureza shore de 95

Observação: numeração até 50 especifica a profundidade da camada
dura em milímetros. Numeração acima de 50 especifica a dureza shore.
GT – Ferro fundido maleável
Exemplo:
GTW-35 Ferro fundido maleável branco com resistência a tração de 340N/mm2
GTS-35 Ferro fundido maleável preto com resistência a tração de 330N/mm2
Ferro fundido com Símbolo Resist. a grafite lamelar
SENAI - 2009 35
tração N/mm2
Resist. a tração
N/mm2
Densidade
kg/dm3
Propriedades
GG-10
GG-20
100
200
-
350
7.2 Ferro fundido comum sem qualidade especial
para uso geral.
GG-25
GG-35
GG-40
250
340
390
420
530
590
7.35 Ferro fundido de alta qualidade para peças
altamente solicitadas como por exemplo
cilindros, êmbolos.
Limite de Ferro fundido nodular
alongamento
0,2%*
N/mm2
Alongamen-to
de ruptura
( l o = 5do)
%
Usinabilidade Propriedades
GGG-40
GGG-50
GGG-60
GGG-70
400
500
600
700
250
320
380
440
15
7
3
2
Boa
Muito boa
Muito boa
boa
GGG tem
propriedades
semelhantes ao aço
devido ao carbono
em forma de grafite
esferoidal.
Alongament Ferro fundido maleável
o de ruptura
( l o = 3do)
Aplicação
GTW-40
GTW-55
GTS-45
390
540
440
215
355
295
5
5
7
Peças de parede fina de fundição tenaz por
exemplo rodas, chaves, conexões.
*O alongamento de 0,2% de comprimento inicial l o é o usado para limite de elasticidade de
materiais não dúcteis.

Questionário – Resumo
1. Quais as substâncias que normalmente vêm agrupadas com os minérios de ferro?
2. Defina ferro fundido?
3. Quais são os tipos de ferro fundido? Cite as suas propriedades gerais.
4. Especifique FC-40 – GG-30 – GTS-40 – GGG-60 – FE4212.
5. Como é feita a fundição em areia?
6. Quais os defeitos mais comuns em peças fundidas?
36 SENAI - 2009

Aço
Objetivos
SENAI - 2009 37
Conhecer
• Processos de obtenção do aço.
Saber
• Influência dos elementos de liga nas propriedades dos aços;
• Processo de refinação e enriquecimento do aço;
• Normalização conforme ABNT, SAE, AISI e DIN.
Ser capaz de
• Selecionar os aços em função de suas propriedades mecânicas;
• Interpretar normas de identificação dos aços.
Definição de aço
É uma liga de ferro e carbono que contém no máximo 2,0% de carbono, além de certos elementos
residuais resultantes dos processos de fabricação.
Obtenção do aço
O ferro gusa que sai do alto-forno tem alto teor de carbono (3 a 5%) e elevado teor de impurezas
como enxofre, fósforo, manganês e silício.

Para transformar o ferro gusa em aço, é necessário reduzir o seu teor de carbono (0 – 2,0%),
manganês, silício e eliminar, ao máximo, o seu teor de fósforo e enxofre. Para tanto, existem
vários processos.
Processo Bessemer e Thomas-
Bessemer
O conversor Bessemer tem um
revestimento de tijolos de sílica que não
pode ser utilizado com ferro gusa rico em
fósforo.
O conversor Thomas-Bessemer, por sua
vez, tem um revestimento de tijolos de
dolomita rica em cal adequada para
trabalhar com ferro gusa rico em fósforo.
Em ambos os processos, Bessemer ou
Thomas-Bessemer, reduz-se o teor de
carbono do ferro gusa pela injeção de ar
por orifícios que existem no fundo do
conversor.
O ferro gusa líquido procedente do
misturador é vertido no conversor em
posição horizontal, adicionando-se cal ou
dolomita.
Processo Bessemer e Thomas-Bessemer
38 SENAI - 2009

Colocando-se o conversor na posição vertical, o ar enriquecido com oxigênio é soprado durante
dez a vinte minutos. Durante esse tempo o oxigênio reage com o carbono, e o silício, o manganês
e a cal reagem com o fósforo formando a escória.
A escória do conversor Thomas-Bessemer é moída e utilizada como adubo por possuir alto teor
de fósforo.
Produtos do conversor Bessemer e Thomas-Bessemer
• Aço ao carbono não-ligados.
SENAI - 2009 39
Conversor a oxigênio (LD)
Nos conversores a oxigênio, é fabricada
mais de 50% da produção mundial de
aço. No Brasil, eles são também
amplamente utilizados.
A carga desse conversor é constituída de
ferro gusa líquido, sucata de ferro, minério
de ferro e aditivos (fundentes).
Com uma lança refrigerada com água,
injeta-se oxigênio puro a uma pressão de
4 a 12bar no conversor.
Processo conversor a oxigênio (LD)

A oxidação do carbono e dos acompanhantes do ferro libera grande quantidade de calor. Para
neutralizar essa elevada temperatura que prejudicaria o refratário, adiciona-se sucata ou minério
de ferro.
Pela adição de fundentes como a cal, os acompanhantes do ferro como o manganês, silício,
fósforo e enxofre unem-se formando a escória.
Para aumentar a qualidade do aço, adicionam-se os elementos de liga no final ou quando o aço
está sendo vertido na panela.
Os aços produzidos no LD não contêm nitrogênio pois não se injeta ar, daí a alta qualidade obtida.
Esse conversor oferece vantagens econômicas sobre os conversores Thomas-Bessemer e
Siemens-Martin.
Produtos do conversor a oxigênio (LD)
• Aços não-ligados
• Aços para cementação
• Aços de baixa liga
Conversor Siemens-Martin
O forno Siemens-Martin é um forno de câmara fixo. A carga do forno pode ser constituída de 70%
de sucata de aço e o resto de ferro gusa e fundentes (cal) para formar a escória.
Representação esquemática de um forno Siemens-Martin
A temperatura de fusão é de 18000C, que se consegue pela queima de gás ou óleo.
40 SENAI - 2009

Os gases produzidos pela combustão saem do forno e passam, através de um empilhamento de
tijolos, pela parte inferior do forno (recuperador) onde cedem calor dirigindo-se depois para a
chaminé. A cada vinte minutos mais ou menos, o sentido dos gases é invertido de modo que o ar
passe pelo recuperador que está aquecido.
Produtos do conversor Siemens-Martin
• Aços carbono não-ligados
• Aços de baixa liga
• Aços-ferramenta que não exigem alta qualidade
SENAI - 2009 41
Forno elétrico
Os aços finos, em particular os altamente ligados, são obtidos em fornos elétricos.
Com o aço vindo do conversor a oxigênio ou Siemens-Martin e mais sucata selecionada alimenta-se
o forno elétrico. Nesse forno, o aço é purificado e adicionam-se os elementos de liga
desejados. Como a geração de calor se dá por uma corrente elétrica, não existe nenhuma chama
de gás que desprenda enxofre.
Existem dois tipos de fornos elétricos para a produção de aço:
• Forno de arco voltaico
• Forno de indução
O forno de arco voltaico tem dois ou três eletrodos de carvão. Ao ligar, a corrente elétrica salta
em arco voltaico das barras de carvão passando pelo material a fundir. A temperatura obtida neste
processo é da ordem de 36000C, o que torna possível fundir elementos de liga como o tungstênio
(temperatura de fusão 33700C) ou molibdênio (temperatura de fusão 26000C).
Forno de arco voltaico
No forno de indução a corrente
alternada passa por uma bobina situada

ao redor de um cadinho, com isto se
induzem correntes parasitas no material a
fundir que aquecem o banho. Esse forno
é empregado para fabricação de aços
altamente ligados e de ferro fundido
nodular.
Forno de indução
Solidificação do aço
Os aços produzidos nos conversores são colocados em panelas e destas panelas são vertidos em
moldes de fundição ou em lingoteiras onde se solidificam em forma de lingotes quadrados ou
redondos.
Esses lingotes serão transformados em produtos semi-acabados por meio de prensagem,
forjamento ou laminação em chapas, barras de perfil L, U, redondas, sextavadas, etc.
O aço líquido dentro do molde começa a se solidificar das paredes para o centro da peça. Com o
processo de solidificação, há a formação de gases devido a reações químicas, tais como
42 SENAI - 2009

decomposição da água em hidrogênio e oxigênio, reação do carbono com o óxido de ferro
gerando ferro e gás carbônico.
SENAI - 2009 43
As bolhas de gás ascendentes
originam um forte movimento do aço
que ainda está líquido, com isto os
gases, o fósforo, o enxofre, o silício
são deslocados para o interior do
bloco que irá se resfriar por último. A
esse processo chamamos
segregação.
Lingote com massalote
As acumulações de fósforo no aço produzem fragilidade (perigo de ruptura na conformação a frio).
As acumulações de enxofre no aço ocasionam fragilidade a quente (perigo de ruptura na
laminação ou no forjamento). Altos teores localizados de W, Ti, Mo produzem pontos duros que
podem ocasionar a ruptura das peças.
Aços fundidos acalmados
Para evitar o acúmulo de gases no interior do aço, são adicionados alumínio, silício ou manganês
ao se fundir ou vazar o aço. O oxigênio se une a esses elementos formando óxidos metálicos que
não podem ser reduzidos pelo carbono (equação ® 2FeO + Si + 2Fe + SiO2). Obtém-se por meio
desse processo um aço acalmado.
O aço solidificado acalmado possui uma boa homogeneidade e , desta forma, diminui-se a
segregação. Os aços de qualidade são sempre acalmados, pois caso contrário o oxigênio oxidaria
os componentes da ligação.
Bolhas e cavidades em lingotes de aço
Tratamento a vácuo

Os gases absorvidos pelo aço líquido são prejudiciais, por isso aços ligados de alta qualidade
devem ser desgaseificados.
Os óxidos (de ferro ou elementos de liga) tornam o aço quebradiço; o nitrogênio produz
envelhecimento; o hidrogênio produz fortes tensões e pequenas trincas entre os cristais.
Para desgaseificar o aço líquido se emprega o tratamento a vácuo. A figura seguinte mostra dois
tipos desse tratamento.
Tratamento a vácuo
Os aços que passam por esse processo apresentam maior grau de pureza, o que resulta em
maior tenacidade e melhor resistência à fadiga.
Refusão elétrica sob escória
44 SENAI - 2009

Por esse processo, um bloco de aço ligado fundido em forno elétrico se torna um eletrodo e goteja
através de uma escória, desembocando em uma coquilha de cobre refrigerada por água. A escória
faz a vez de uma resistência elétrica, gerando calor necessário para a fusão, ao ser percorrida
pela corrente elétrica.
Nessa escória, são retidas ao mesmo tempo as substâncias não desejadas e os gases dissolvidos
no aço.
Por esse processo, obtêm-se blocos (tarugos) de aço altamente ligados com uma textura uniforme
sem segregação ou inclusões.
Influência dos elementos de liga nos aços
Devido às necessidades industriais, a pesquisa e a experiência possibilitaram à descoberta de
aços especiais, mediante a adição e a dosagem de certos elementos no aço carbono.
Conseguiram-se assim aços-liga com características como resistência a tração e a corrosão,
elasticidade, dureza, etc. bem melhores do que as dos aços ao carbono comuns.
Influência dos elementos de liga nas propriedades do aço
Elemento Eleva Abaixa
SENAI - 2009 45
Não-metais
Carbono C Resistência, dureza, temperabilidade Ponto de fusão, tenacidade,
alongamento, soldabilidade e
forjabilidade

Silício Si Elasticidade, resistência a tração, profundidade de
têmpera, dureza a quente, resistência a corrosão,
separação da grafite no ferro fundido
46 SENAI - 2009
Soldabilidade
Fósforo P Fluidez, fragilidade a frio, resistência a quente Alongamento, resistência a
choque
Enxofre S Quebra de cavaco, viscosidade Resistência a choque
Manganês Mn Profundidade de têmpera, resistência a tração,
resistência a choque, resistência a desgaste
Facilidade de ser transformado
(laminado, trefilado); separação
da grafite no ferro fundido
Níquel Ni Tenacidade, resistência a tração, resistência a
corrosão, resistência elétrica, resistência a quente,
profundidade de têmpera
Dilatação térmica
Cromo Cr Dureza, resistência a tração, resistência a quente,
temperatura de têmpera, resistência a frio, resistência
a desgaste, resistência a corrosão
Alongamento (em grau reduzido)
Vanádio V Resistência a fadiga, dureza, tenacidade, resistência a
quente
Sensibilidade ao aparecimento de
trincas por aquecimentos
sucessivos
Molibdênio Mo Dureza, resistência a quente, resistência a fadiga Alongamento, forjabilidade
Cobalto Co Dureza, capacidade de corte, resistência a quente Tenacidade, sensibilidade ao
aparecimento de trincas por
aquecimentos sucessivos
Metais
Tungstênio W Dureza, resistência a tração, resistência a corrosão,
temperatura de têmpera, resistência a quente,
resistência a desgaste
Alongamento (em grau reduzido)
Classificação dos aços
Podemos classificar os aços segundo a sua aplicação em:
• Aços de construção em geral
• Aços para tornos automáticos
• Aços para cementação
• Aços para beneficiamento
• Aços para nitretação
• Aços inoxidáveis
• Aços para ferramentas
- para trabalho a frio
- para trabalho a quente
- aços rápidos
Aços de construção em geral
Os aços de construção em geral são aços básicos não-ligados que são selecionados pela sua
resistência a tração e pelo seu limite de elasticidade, ou são aços não-ligados de qualidade que

devem satisfazer a exigências tais como forjabilidade e soldabilidade. Nesse último caso, são
controlados os teores de carbono, fósforo e enxofre.
As aplicações comuns desses aços são em construção de edifícios, pontes, depósitos,
automóveis e máquinas.
SENAI - 2009 47
Norma DIN
Aços para torno automático
São aços de qualidade não-ligados ou de baixa liga utilizados na fabricação de peças em tornos
automáticos e devem desprender cavacos quebradiços e curtos.
Esta propriedade (cavaco curto) obtém-se mediante um teor conveniente de enxofre. Os aços
para tornos automáticos contêm: 0,07 a 0,65% de carbono, 0,18 a 0,4% de enxofre, 0,6 a 1,5% de
manganês, 0,05 a 0,4% de silício e, quando se pede uma melhor fragilidade do cavaco e
superfícies lisas, o aço deve conter, além dos elementos já citados, 0,15 a 0,3% de chumbo.
Exemplos:
10 S 20
11 S Mn 28
11 S Mn Pb 28

35 S 20
Aços para cementação
São aços com baixo teor de carbono (0,1 a 0,2%) que, por meio de um tratamento termoquímico,
sofrem uma elevação de seu teor de carbono na superfície da peça a fim de aumentar a dureza
superficial conservando o núcleo tenaz para resistir a choques.
Trata-se de aços de qualidade não-ligados, aços finos ou aços finos ligados.
Na superfície da peça endurecida por cementação alcança-se uma dureza de 59 HRC.
Exemplos:
C 10
CK 10
16 Mn Cr 5
17 Cr Ni Mo 6
Aços para beneficiamento
São aços que, por meio de um tratamento térmico de beneficiamento (têmpera mais revenimento),
consegue-se um aumento de resistência, dureza e tenacidade.
Os aços para beneficiamento não-ligados possuem um teor de carbono acima de 0,3% e só se
pode beneficiar uma camada delgada. Quando se deseja beneficiar uma camada mais espessa,
empregam-se aços para beneficiamento ligados.
As aplicações comuns desses aços são em: eixos, parafusos, engrenagens, molas.
Exemplos:
C 30
CK 60
42 Cr Mo 4
Aços para nitretação
São aços que, pela introdução de nitrogênio por meio de tratamento termoquímico, aumenta-se a
dureza superficial das peças (até 67 HRC).
Esses aços contêm cromo, molibdênio e alumínio que favorecem a absorção do nitrogênio.
As aplicações comuns desses aços são em: engrenagens, matrizes de trabalho a quente.
Exemplos:
31 Cr Mo 12
48 SENAI - 2009

SENAI - 2009 49
34 Cr Al Ni 7
Aços inoxidáveis
São aços que possuem um teor mínimo de 12% de cromo e se caracterizam pela sua grande
estabilidade frente a substâncias agressivas (água, ar, gases, ácidos e bases).
As aplicações comuns desses aços são na indústria química e na de alimentos e em aparelhos
cirúrgicos, talheres, etc.
Exemplos:
X 3 Cr Ni 18 10
X 10 Cr Ni Mo Ti 18 12
X 5 Cr Ni 18 9
Aços para ferramentas
São os que se empregam para trabalhar outros materiais com ou sem a remoção de cavacos. São
subdivididos em:
• Aços para trabalho a frio
• Aços para trabalho a quente
• Aços rápidos
Aços para trabalho a frio
Destinam-se à fabricação de ferramentas utilizadas no processamento a frio de aço, ferro fundido
e metais não-ferrosos.
As principais propriedades destes aços são:
• Alta resistência a abrasão
• Elevada resistência de corte
• Alta tenacidade
• Alta resistência a choque
• Grande estabilidade dimensional
As aplicações comuns desses aços são em facas e punções de corte, estampos de dobramento,
estampagem, cunhagem, matrizes, trefilação, etc.
Exemplos:
X 210 Cr 12
X 210 Cr W 12
X 155 Cr V Mo 12 1
Aços para trabalho a quente

São aços que se destinam à fabricação de ferramentas utilizadas no processamento a quente de
materiais.
Suas principais características são alta resistência a revenimento, elevada resistência mecânica a
quente, boa tenacidade, grande resistência a abrasão em temperaturas elevadas, boa
condutividade térmica, elevada resistência a fadiga e boa resistência à formação de trincas
provocadas por aquecimento e resfriamentos sucessivos.
As aplicações comuns desses aços são em matrizes de forjamento, matrizes para fundição de
latão ou alumínio sob pressão, matrizes para extrusão a quente, etc.
Exemplos:
X 37 Cr Mo W 5 1
X 40 Cr Mo V 5 1
50 Ni Cr 13
Aços rápidos
São aços onde os elementos de liga formam carbonetos complexos que são duros e resistentes
ao desgaste e a altas temperaturas.
Norma DIN
A seqüência dos componentes é sempre a mesma: W – Mo – V – Co
Exemplo:
S - 6 - 5 - 2
- 5
¯ ¯ ¯ ¯
¯
aço rápido 6% W 5% Mo 2% V 5% Co
São assim designados pela sua capacidade de usinar metais com velocidade de corte maiores do
que as possíveis com aços ferramenta ao carbono.
As aplicações comuns desses aços são em: bits, fresas, brocas especiais, machos, brochas.
Normas
ABNT – SAE – AISI
A ABNT se baseou nos sistemas americanos SAE e AISI, resultando a norma NBR 6006.
50 SENAI - 2009

Aço é a liga composta de ferro (Fe) e carbono (C). Contém, ainda, pequenas porcentagens de
manganês (Mn), silício (Si), enxofre (S) e fósforo (P), que são considerados elementos residuais
do processo de obtenção.
O elemento que exerce maior influência é o carbono e o seu teor nos aços ao carbono varia de
0,008 a 2% C aproximadamente.
O aço é representado por um número como nos exemplos abaixo.
SENAI - 2009 51
Exemplos:
Os aços mais usados industrialmente possuem teores de carbono que variam entre 0,1 a 0,95%C,
ou seja, aço 1010 a 1095. Acima de 0,95%C são considerados como aços ao carbono especiais.
Para fins de aplicações industriais e de tratamentos térmicos, os aços ao carbono classificam-se
em:
• Aços de baixo teor de carbono 1010 a 1035
• Aços de médio teor de carbono 1040 a 1065
• Aços de alto teor de carbono 1070 a 1095
A tabela seguinte apresenta aços ao carbono para construção mecânica.

Classificação ABNT dos aços ao carbono
Designação Carbono % Manganês %
1006 A
0,08 max
0,25 – 0,40
1008 A
0,10max
0,25 – 0,50
1010 A
0,08 – 0,13
0,30 – 0,60
1015 A
0,13 – 0,18
0,30 – 0,60
1020 A
0,18 – 0,23
0,30 – 0,60
1025 A
0,22 – 0,28
0,30 – 0,60
1026 A
0,22 – 0,28
0,60 – 0,90
1030 A
0,28 – 0,34
0,60 – 0,90
1035 A
0,32 – 0,38
0,60 – 0,90
1038 A
0,35 – 0,42
0,60 – 0,90
1040 A
0,37 – 0,44
0,60 – 0,90
1041 A
0,36 – 0,44
1,35 – 1,65
1043 A
0,40 – 0,47
0,70 – 1,00
1045 A
0,43 – 0,50
0,60 – 0,90
1050 A
0,47 – 0,55
0,70 – 1,00
1060 A
0,55 – 0,66
0,60 – 0,90
1070 A
0,65 – 0,76
0,60 – 0,90
1080 A
0,75 – 0,88
0,60 – 0,90
1090 A
0,85 – 0,98
0,60 – 0,90
1095 A
0,90 – 1,03
0,30 – 0,50
52 SENAI - 2009

A tabela seguinte apresenta a classificação dos aços-liga, segundo ABNT.
Classificação ABNT dos aços-liga
Designação C % Mn % Si % Cr % Ni % Mo %
1340
4130
4135
4140
4320
4340
5115
5120
5130
5135
5140
5160
E52100
6150
8615
8620
8630
8640
8645
8650
8660
E9315
SENAI - 2009 53
0,38 – 0,43
0,28 – 0,33
0,33 – 0,38
0,38 – 0,43
0,17 – 0,22
0,38 – 0,43
0,13 – 0,18
0,17 – 0,22
0,28 – 0,33
0,33 – 0,38
0,38 – 0,43
0,55 – 0,65
0,95 – 1,00
0,48 – 0,53
0,13 – 0,18
0,18 – 0,23
0,28 – 0,33
0,38 – 0,43
0,43 – 0,48
0,40 – 0,53
0,55 – 0,65
0,13 – 0,18
1,60 – 1,90
0,40 – 0,60
0,70 – 0,90
0,75 – 1,00
0,45 – 0,65
0,60 – 0,80
0,70 – 0,90
0,70 – 0,90
0,70 – 0,90
0,60 – 0,80
0,70 – 0,90
0,75 – 1,00
0,25 – 0,45
0,70 – 0,90
0,70 – 0,90
0,70 – 0,90
0,70 – 0,90
0,75 – 1,00
0,75 – 1,00
0,75 – 1,00
0,75 – 1,00
0,45 – 0,65
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,20 – 0,35
0,80 – 1,10
0,80 – 1,10
0,80 – 1,10
0,40 – 0,60
0,70 – 0,90
0,70 – 0,90
0,70 – 0,90
0,80 – 1,10
0,80 – 1,05
0,70 – 0,90
0,70 – 0,90
1,30 – 1,60
0,80 – 1,10
0,40 – 0,60
0,40 – 0,60
0,40 – 0,60
0,40 – 0,60
0,40 – 0,60
0,40 – 0,60
0,40 – 0,60
1,00 – 1,40
-
-
-
1,65 – 2,00
1,65 – 2,00
-
-
-
-
-
-
-
-
0,40 – 0,70
0,40 – 0,70
0,40 – 0,70
0,40 – 0,70
0,40 – 0,70
0,40 – 0,70
0,40 – 0,70
3,00 – 3,50
0,15 – 0,25
0,15 – 0,25
0,15 – 0,25
0,20 – 0,30
0,20 – 0,30
-
-
-
-
-
-
-
0,15 – 0,25
0,15 – 0,25
0,15 – 0,25
0,15 – 0,25
0,15 – 0,25
0,15 – 0,25
0,15 – 0,25
0,08 – 0,15
O tipo 6150 tem 0,15% de vanádio

A tabela seguinte apresenta as classes de aços com suas respectivas composições segundo
normas SAE – AISI – ABNT
Sistema SAE e AISI de classificação dos aços
Designação
SAE AISI
54 SENAI - 2009
Tipo de aço
10XX
11XX
13XX
23XX
25XX
31XX
33XX
303XX
40XX
41XX
43XX
46XX
47XX
48XX
50XX
51XX
501XX
511XX
521XX
514XX
515XX
61XX
86XX
87XX
92XX
93XX
98XX
950
XXBXX
XXLXX
C 10XX
C 11XX
13XX
23XX
25XX
31XX
E 33XX
-
40XX
41XX
43XX
46XX
47XX
48XX
50XX
51XX
-
E511XX
E521XX
-
-
61XX
86XX
87XX
92XX
93XX
98XX
-
XXBXX
CXXLXX
Aços-carbono comuns
Aços de usinagem (ou corte) fácil, com alto S
Aços-manganês com 1,75% de Mn
Aços-níquel com 3,5% de Ni
Aços-níquel com 5,0% de Ni
Aços-níquel-cromo com 1,25% de Ni e 0,65% de Cr
Aços-níquel-cromo com 3,50% de Ni e 1,57% de Cr
Aços resistentes à corrosão e ao calor ao Ni-Cr
Aços-molibdênio com 0,25% de Mo
Aços-cromo-molibdênio com 0,50% ou 0,95% de Cr e 0,12%, 0,20% ou 0,25% de Mo
Aços-níquel-cromo-molibdênio, com 1,82% de Ni, 0,50% ou 0,80% de Cr e 0,25% de Mo
Aços-níquel-molibdênio com 1,57% ou 1,82% de Ni e 0,20 ou 0,25 de Mo
Aços-níquel-cromo-molibdênio com 1,05% de Ni, 0,45% de Cr e 0,20% de Mo
Aços-níquel-molibdênio com 3,50% de Ni e 0,25% de Mo
Aços-cromo com 0,27%, 0,40% ou 0,50% de Cr
Aços-cromo com 0,80% a 1,05% de Cr
Aços de baixo cromo para rolamentos, com 0,50% de Cr
Aços de médio cromo para rolamentos, com 1,02% de Cr
Aços de alto cromo para rolamentos, com 1,45% de Cr
Aços resistentes à corrosão e ao calor ao Cr
Aços resistentes à corrosão e ao calor ao Cr
Aços-cromo-vanádio com 0,80% ou 0,95% de Cr e 0,10% ou 0,15% de V (min.)
Aços-níquel-cromo-molibdênio com 0,55% de Ni, 0,50% ou 0,65% de Cr e 0,20% de Mo
Aços-silício-manganês com 0,65%, 0,82%, 0,85% ou 0,87% de Mn, 1,40 ou 2,00% de Si e 0%,
0,17%, 0,32% ou 0,65% de Cr
Aços de baixo teor em liga e alta resistência
Aços-boro com 0,0005% de B min.
Aços-chumbo com 0,15% - 0,35% de Pb
Exemplo de utilização da tabela

Observações:
Letras adicionais na nomenclatura do aço têm os seguintes significados:
B... Aço obtido pelo processo Bessemer.
C... Aço obtido em forno Siemens-Martin.
E... Aço obtido em forno elétrico.
X... Análise fora da norma.
TS... Norma estabelecida para prova.
..B.. Aço contendo, no mínimo, 0,0005% boro.
LC.. Aço com baixo teor de carbono C máx de 0,03%C.
F... Aço de cavaco curto para tornos automáticos.
..L.. Indica presença de chumbo (0,15% a 0,35% Pb).
SENAI - 2009 55
Exemplos:
B 1 1 1 3
C 1 1 4 5
E 3 3 1 0
46 B 12
12 L 14
Normalização dos aços conforme norma DIN 17006
A norma DIN 17006 divide os aços em três tipos:
• Aço sem ligas
• Aço com baixa liga (elementos de ligas 5%)
• Aço com alta liga (elementos de ligas 5%)
Designação e normalização dos aços sem ligas
Aços de baixa qualidade – são tipos de aços de baixa pureza, sem ligas e que não podem ser
tratados termicamente. São designados através das letras St (aço) e da resistência mínima a
ruptura.
Aços ao carbono – têm melhor pureza, podem ser tratados termicamente.
São designados através da letra C (carbono) e da porcentagem do carbono.
Para caracterizar a diferença dos aços finos não-ligados, além da letra C colocam-se letras com
os seguintes significados:
K -Aço fino com teor de enxofre mais fósforo menor do que 0,01%
f -Aço para têmpera a chama e por indução
q -Aço para cementação e beneficiamento, adequado para deformação a frio.

Normalização
Aços de baixa qualidade
Exercício:
Aços ao carbono
Exercício:
56 SENAI - 2009

Designação e normalização dos aços com baixa liga
São aços que possuem no máximo até 5% de teor de ligas.
Para designar o teor dos elementos de liga, os números na norma devem ser divididos pelos
fatores correspondentes ao elemento químico. Os fatores são apresentados na tabela a seguir.
SENAI - 2009 57
Fatores para elementos de liga
Fator 4 Fator 10 Fator 100
Cobalto Co
Cr
Mn
Ni
Si
Tungstênio W
Alumínio Al
Mo
Ti
Vanádio V
Carbono C
P
S
N
A norma se compõe dos seguintes elementos:
• Não se coloca a letra C para o carbono.
• As outras letras definem os elementos de liga.
• Os números divididos pelos fatores definem o teor dos elementos e são colocados na mesma
seqüência, como as letras.
Aços com baixa liga
Exercício:
16 Mn Cr 5
17 Cr Ni Mo 6

Designação e normalização dos aços com alta liga
São aços com um teor de liga acima de 5%.
Para designá-los, coloca-se um X em frente do teor de carbono.
Todos os elementos, exceto o carbono, têm o fator 1, ou seja, os números apresentam o valor de
teor real.
Aços rápidos para ferramentas são designados da seguinte forma:
S 6 – 5 – 2 – 5
Coloca-se S (aço rápido) no início e os teores das ligas.
O teor de carbono só pode ser determinado através da especificação do produtor.
Aços com alta liga
58 SENAI - 2009

Designação completa segundo a norma DIN
SENAI - 2009 59
A normalização compõe-se de três partes:
Obtenção
Composição
Tratamento
Exemplo:
E C35 V70
Forno elétrico Aço de carbono
de 0,35% de C
Beneficiado até
uma resistência
de 700N/mm2

Significado das letras (continua)
Da obtenção Da composição Do tratamento
A – resistente ao
envelhecimento
Ag – prata
Al – alumínio
As – arsênico
60 SENAI - 2009
A – recozido
B – forno Bessemer B – boro
Be – berílio
Bi – bismuto
B – não se pode melhorar as
características mecânicas
por trabalho a frio
C C – carbono
Ce – cério
Co – cobalto
Cr – cromo
Cu – cobre
E – forno elétrico
EB – forno elétrico básico
E E – endurecido por
cementação
F – forno de reverbero Fe – ferro
F – temperado com chama
ou por indução
F – resistência a tração em
kp/mm2
G – fundido
GG – ferro fundido com
grafite em lâminas
GGG – ferro fundido com
grafite em bolas
(nodular)
GH – ferro fundido duro
GS – aço fundido
GTW – fundido maleável
branco
GTS – fundido maleável preto
GTP – fundido maleável
perlítico
GGK – fundido em coquilha
GSZ – aço fundido
centrifugado
G G – recozido
g – liso
H – fundido semi-acalmado H – chapas sem liga para
caldeiras
H – temperado
HF – temperado por chama
HJ – temperado por indução
J – forno elétrico de indução J J
K K – baixo teor de fósforo e
enxofre
K – deformado a frio

Da obtenção Da composição Do tratamento
SENAI - 2009 61
L – metal para solda ou
resistente a formação de
trincas em solução
alcalina
LE – forno elétrico de arco
Li – lítio L
M – forno Siemens-Martin
MB – forno Siemens-Martin
básico
MY – forno Siemens-Martin
ácido
Mg – magnésio
Mn – manganês
Mo - molibdênio
m – superfície fosca
N N – nitrogênio
Nb – nióbio
Ni – níquel
N – normalizado
NT – nitretato
P – soldável por pressão P – fósforo
Pb – chumbo
P
Q – deformado a frio q – indicada para deformação
a frio
Q
R – acalmado
RR – especialmente acalmado
R r – superfície áspera
S – soldável por fusão S – enxofre
Sb – antimônio
Si – silício
Sn – estanho
St – aço sem dados químicos
S – recozido
SH – descascado
T – forno Thomas Ta – tântalo
Ti – titânio
T
U – fundido sem acalmar U U – superfície laminada ou
forjada
V V – vanádio V – beneficiada
W – aço afinado com ar W – tungstênio W – aço para ferramentas sem
liga
X X – em aços de alta liga
multiplicar por 1
X
Y – aço soprado com oxigênio
forno LD
Y Y
Z – trefilado em barras Zn – zinco
Zr - zircônio
Z

A figura seguinte ilustra os principais meios de obter ferro fundido e aço.
62 SENAI - 2009

SENAI - 2009 63
Questionário-Resumo
1. Qual a definição de aço?
2. Qual a classe, porcentagem de elementos de liga do aço ABNT 1045?
3. Quais os efeitos conseguidos com os aços-liga ou especiais?
4. Qual a identificação numérica dos aços ao molibdênio?
5. Qual a classe, porcentagem de elementos de liga e porcentagem de carbono do aço AISI –
2515?
6. Quais os elementos de liga e suas respectivas porcentagens do aço ABNT 8615?
7. Qual o tipo de aço segundo as normas SAE521XX e AISI E521XX?

8. O que especifica a norma DIN 17006?
9. Qual o teor dos elementos de liga dos aços 17CrNiMo6, X5CrNiMo1813 e S12-1-4-5?
10. Na designação GTS70, qual o material e de quanto é sua resistência a ruptura?
11. Qual a forma de obtenção, composição e tratamento posterior do aço GS17CrMoV 5 11 N
segundo a norma DIN 17006?
64 SENAI - 2009

Comportamento das ligas em
função da temperatura e
composição
Objetivos
Ao final desta unidade, o participante deverá:
Conhecer
• Tipos das ligas metálicas com cristais mistos, mistura de cristais e combinações
SENAI - 2009 65
intercristalinas.
Saber
• Curvas características da liquefação e solidificação de metais puros;
• Pontos críticos de transformação (sólido, líquido , ponto de parada);
• Curvas características de liquefação e solidificação de ligas típicas em função da composição
no diagrama Cu-Ni e Sn-Pb;
• Influência dos elementos de liga no tempo de transformação.
Ser capaz de
• Interpretar diagramas para ligas com dois componentes;
• Transferir conhecimentos na interpretação do diagrama ferro-carbono.

Introdução à liquefação e solidificação dos metais
Toda matéria possui três estados físicos: sólido, líquido e gasoso. Fundamentalmente o que
diferencia um estado do outro é o grau de agregação dos átomos. O sólido é um estado no qual
os átomos estão fortemente ligados, já no estado líquido essa ligação não é tão forte e, no estado
gasoso, essa ligação não existe.
A mudança de estados da matéria ocorre com ganho ou perda de energia (calor).
Para o estudo dos metais, o estado gasoso é pouco importante, portanto, trataremos apenas das
fases sólida e líquida.
Ao fornecermos calor a um material sólido, sua fusão ocorre em duas fases bem distintas:
• Ao receber energia, os átomos aumentam sua vibração. Isso se traduz fisicamente em um
aumento de temperatura do corpo, até o ponto de sua temperatura de fusão. Nesta altura os
átomos ainda estão fortemente ligados.
• Uma vez atingido o ponto de fusão, inicia-se o enfraquecimento das ligações entre os átomos.
Isso ocorre através do calor fornecido ao material.
O calor não mais servirá para aumentar as vibrações dos átomos, mas sim para enfraquecer as
suas ligações, não haverá aumento em sua temperatura até que todas as ligações sejam
enfraquecidas, tornando-se líquido o material.
Ao calor necessário para aumentar o estado de vibração dos átomos (aumentar a temperatura)
chamamos de calor sensível.
66 SENAI - 2009

Já o calor necessário para enfraquecer (ou destruir completamente, no caso de vaporização) as
ligações atômicas é chamado calor latente.
Vamos usar o zinco para exemplificar esse processo.
No diagrama seguinte, coloca-se na coordenada vertical a temperatura (em 0C) e na coordenada
horizontal, o tempo (em segundos).
SENAI - 2009 67
Liquefação e solidificação do Zn
No aquecimento contínuo, a temperatura aumenta em função do tempo. Quando chegar ao ponto
de sólido (4190C), o metal começa a se liquefazer. Apesar da mesma quantidade de calor
recebida, a temperatura permanece constante, isso porque todo o calor é gasto pela mudança do
estado de agregação. Esta zona horizontal é chamada ponto de parada.
A temperatura voltará a aumentar somente quando todo o metal estiver liquefeito.
Embaixo do ponto sólido, o estado de agregação é sólido, acima do ponto de líquido, passa a ser
líquido.
Na zona dos pontos de parada, o estado de agregação é líquido ou sólido.
No processo de resfriamento a seqüência ocorre na ordem inversa.

Ligas metálicas
Antes de falarmos sobre ligas metálicas, é importante definir o que vem a ser uma solução sólida.
Dá-se o nome de solução a uma mistura na qual não se consegue distinguir os seus diversos
componentes.
Cada um dos componentes possíveis de serem distinguidos será chamado fase.
Uma solução que se encontra em estado sólido é chamada solução sólida.
Esquema de estrutura bifásica.
Uma fase é ferro puro (ferrita)
e a outra cementita.
Exemplo: nos aços temos uma solução sólida de Fe e C. Essa solução é chamada cementita.
- Ligas metálicas são misturas, em solução, de dois ou mais metais:
Exemplo: Cu – Ni
Cu – Zn (latão)
Cu – Sn (bronze)
Fe – C (aço)
Praticamente, todos os metais utilizados na indústria não são puros, mas sim ligas de uma ou
mais fases.
68 SENAI - 2009

Composição de ligas metálicas
Os diferentes elementos que compõem uma liga metálica são chamados componentes. Observe
os exemplos seguintes.
SENAI - 2009 69
Liquefação e solidificação da ligas

Solução sólida ou cristal misto
No processo de solidificação de uma liga de dois metais, que formam cristais mistos, a
transformação do estado líquido para o estado sólido não se faz no ponto de parada, mas durante
um intervalo de solidificação.
No ponto líquido começam a se
formar os primeiros cristais mistos. A
formação e o crescimento desses
cristais continuam até o ponto sólido.
Em temperaturas abaixo do ponto
sólido, a liga está totalmente no
estado sólido.
Os componentes de uma liga têm diferentes pontos líquidos e necessitam de diferentes
quantidades de calor para a sua solidificação, portanto se variarmos as porcentagens dos
elementos de ligas, variarão as temperaturas dos pontos líquidos e dos pontos sólidos.
Unindo todas as temperaturas de ponto líquido e todas as temperaturas de ponto sólido, obtemos
o diagrama de fases.
Desenvolvimento de um diagrama de fases para uma liga Cu – Ni (cristais mistos)
70 SENAI - 2009

Interpretação do diagrama de fases
Exemplo: para uma liga de 20% Ni e 80% Cu.
• A linha horizontal mostra a composição (em %). Quando temos 20% Ni, automaticamente
SENAI - 2009 71
teremos 80% Cu.
• Para cada composição temos uma temperatura inicial e uma final de solidificação.
• Para a liga com 80% Cu – 20% Ni, a solidificação inicia-se no ponto B e termina no ponto D,
abaixo do qual a liga está totalmente sólida.
• Acima do ponto B a liga está totalmente líquida.
• Para cada composição, temos então dois pontos que geram duas linhas, dividindo o diagrama
em três partes.
• Para resfriamento, a linha chamada líquidus indica, para cada composição, a temperatura em
que se inicia a solidificação e a sólidus, onde termina.
• Cada região do diagrama indica fases. Acima da linha líquidus, fase totalmente líquida, abaixo
da linha sólidus – fase totalmente sólida, e, entre as duas, temos o intervalo de solidificação,
onde estão presentes duas fases, sólida e líquida.
• Seguindo a linha ABCDE (figura anterior), traçada no diagrama, teremos para a liga 80 Cu –
20 Ni o que está descrito na tabela a seguir.
Ponto No de fases
presentes
Tipo da fase Interpretação
da liga
A 1 líquida totalmente líquido
B 1 líquida inicia-se solidificação
C 2 líquida e sólida líquido – sólido
D 1 sólida final de solidificação
E 1 sólida totalmente sólido

Mistura de cristais
No processo de solidificação de uma
liga de dois elementos que formam
uma mistura de cristais, temos uma
concentração definida, onde a curva de
resfriamento dessa mistura é igual à
curva de resfriamento de um metal
puro.
Curva de resfriamento do eutético
A liga com essa concentração tem o ponto líquido mais baixo que todas as outras concentrações e
é chamada de liga eutética.
Componentes Temperatura de fusão Temperatura de fusão do eutético
Ferro fundido Ferro 96%
Carbono 4%
15350C
38400C
72 SENAI - 2009
12000C
Solda prata Cobre 55%
Prata 45%
10830C
9610C
6200C
Alumínio fundido
por pressão
Alumínio 88%
Silício 12%
6600C
14140C
5770C
Chumbo duro Chumbo 87%
Antimônio 13%
3270C
6300C
2510C
Na solidificação de uma liga que tem composição diferente da composição eutética, o elemento
que está em maior proporção que a liga eutética começa a se solidificar até que a fase líquida
atinja a composição eutética, ocorre então a solidificação da fase eutética em uma única
temperatura.
Curva de resfriamento de concentração diferente do eutético

Diagrama de fases de um sistema que forma mistura de cristais
Na figura abaixo vemos o diagrama de fases Pb – Sn que forma uma mistura de cristais.
A forma de obter este diagrama é análoga à do diagrama de fases de cristais mistos vista na
figura “Desenvolvimento de um diagrama de fases para uma liga Cu-Ni (cristais mistos)”.
SENAI - 2009 73
Combinações intermetálicas
A curva de resfriamento de uma combinação intermetálica corresponde à curva de um metal puro
e será estudada no diagrama Fe-C, na unidade 5.

1. Comente o diagrama de liquefação e solidificação do Zn, considerando: T(C), t(s), ponto de
sólido, ponto de parada, ponto de líquido, curvas (resfriar e aquecer).
2. Explique por que no ponto de parada a temperatura é constante em um intervalo de tempo
definido.
3. Descreva um processo de solidificação de uma liga de dois metais que formam cristais mistos.
4. Consulte o diagrama de fases para uma liga Cu – Ni (cristais mistos) e diga em quais
porcentagens de Cu – Ni o intervalo de solidificação é maior.
5. O que é uma liga?
6. Explique os tipos de ligas e cite exemplos.
7. Defina o que significa eutético, usando o diagrama de fases para o sistema Sn – Pb.
8. Consulte a tabela de ligas eutéticas e cite os componentes, a temperatura de fusão e a
temperatura eutética.
74 SENAI - 2009

Diagrama ferro-carbono
Objetivos
Conhecer
• Diagrama de resfriamento do ferro puro;
• Pontos característicos de temperatura, transformações e estrutura das fases.
Saber
• Transformações estruturais das ligas ferro-carbono na solidificação;
• Diagrama ferro-carbono para aço com as variáveis: carbono, temperatura, linhas e zonas;
• Componentes estruturais nas zonas do diagrama ferro-carbono para aço;
• Classificação dos aços em função da porcentagem de carbono (eutetóide, hipo e
SENAI - 2009 75
hipereutetóide).
Ser capaz de
• Descrever e interpretar o diagrama ferro-carbono simplificado;
• Determinar as zonas e temperaturas de transformação, sistemas estruturais e constituintes
para aços com diferentes teores de carbono.

Liquefação e solidificação do ferro puro
Da mesma forma como foram apresentados os metais na unidade anterior, podemos apresentar a
curva de solidificação (liquefação) do ferro puro, como mostra o gráfico seguinte.
Solidificação do ferro puro
Existem quatro pontos de parada:
• A 1 5360C o ferro puro se solidifica em rede cúbica de corpo centrado (c.c.c.), chamada ferro d
(delta) e assim permanece até 1 3920C.
• A 1 3920C o ferro muda de estrutura para a estrutura cúbica de face centrada (c.f.c.) chamada
ferro g (gama) ou austenita.
• Abaixo de 9110C o ferro muda de estrutura novamente para a cúbica de corpo centrado (c.c.c.)
chamada ferro a (alfa).
• Abaixo de 7690C o ferro é magnético. Isso ocorre devido a um rearranjo dos elétrons de cada
átomo.
76 SENAI - 2009

A distância entre os átomos na estrutura c.f.c. é maior do que na estrutura de c.c.c., portanto
nesse estado é mais fácil aceitar átomos estranhos, como por exemplo, átomos de carbono.
A esse fenômeno damos o nome de solubilidade no estado sólido.
O ferro puro raramente é usado, o mais comum é estar ligado com o carbono. Em função da
adição de carbono no ferro puro, as temperaturas de transformação irão se alterar conforme
veremos a seguir.
SENAI - 2009 77
Diagrama ferro-carbono
O diagrama ferro-carbono pode ser dividido em três partes:
- de 0 a 0,05%C – ferro puro
- de 0,05 a 2,06%C – aço
- de 2,06 a 6,7%C – ferro fundido
Construção do diagrama ferro-carbono
O diagrama ferro-carbono é fundamental para facilitar a compreensão sobre o que ocorre na
têmpera, no recozimento e nos demais tratamentos térmicos.
Para melhor entendermos o diagrama completo, que será visto no fim da unidade, façamos uma
série de experiências com seis corpos de provas conforme tabela seguinte.
Corpo de prova Teor de carbono (%)
1 0,2
2 0,4
3 0,6
4 0,86
5 1,2
6 1,4
Aquecemos os corpos de prova com aplicação constante de calor e medimos em intervalos
regulares (cada cinco minutos) a temperatura dos corpos de prova. Já sabemos que a
característica da curva é semelhante à das outras ligas.
No corpo de prova no 1 com 0,2% de C, observamos que há uma variação na velocidade da
elevação da temperatura a 7230C (Ac1) e a 8600C (Ac3) – que chamamos de ponto de parada.

Determinando as temperaturas Ac1 e Ac3 ou Accm dos outros corpos de prova, conforme figuras
abaixo, poderemos construir parte do diagrama ferro-carbono simplificado, unindo todas as
temperaturas Ac1 e todas as temperaturas Ac3, conforme veremos no exercício a seguir.
Exercício
1. Com base na tabela abaixo, construa o diagrama Fe – C simplificado (figura abaixo):
• Coloque no gráfico todos os pontos de parada.
• Trace uma linha ligando todos os pontos Ac1.
• Trace outra linha ligando todos os pontos Ac3 e Accm.
Observação
O diagrama Fe – C completo pode ser visto na figura “Diagrama ferro-carbono completo”.
78 SENAI - 2009

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Pontos de parada dos corpos de prova
Temperatura
Corpo de prova Ac1
0C
Ac3 ou Accm
0C
1 723 AC3 = 860
2 723 AC3 = 820
3 723 AC3 = 775
4 723 ..........
5 723 ACcm = 890
6 723 ACcm = 990
Diagrama ferro-carbono (simplificado)
Estrutura do aço no resfriamento lento
O diagrama de fases encontrado na figura anterior corresponde ao diagrama de uma mistura de
cristais como já foi visto na unidade Comportamento das ligas em função da temperatura e
composição (diagrama de fases Pb – Sn) com a diferença que para o sistema Pb – Sn a
transformação era líquido-sólido e neste diagrama (Fe – C) ocorre uma transformação de
estrutura dentro do estado sólido.
A presença do carbono faz com que o ferro mude de estrutura cúbica de face centrada (austenita)
para cúbica de corpo centrado (ferrita) a uma temperatura diferente de 9110C.

Essa temperatura varia em função do teor de carbono no ferro e é representada no gráfico abaixo
pela linha G – S – E .
Acima da linha G – S – E há uma solução com uma única fase: o ferro g + C = austenita.
Estrutura austenítica
Abaixo da linha G – S – E o ferro começa a mudar de estrutura, de cúbica de face centrada (ferro
g) para cúbica de corpo centrado (ferro a).
Como o ferro a não consegue dissolver todo o carbono, forma-se uma segunda fase que é a
cementita (Fe3C) que contém 6,67% de C.
80 SENAI - 2009

SENAI - 2009 81
Estrutura da cementita Fe3C
Abaixo da linha P – K, vamos ter uma solução sólida com duas fases – ferro a + cementita.
Agora vamos estudar novamente os corpos de prova.
Começamos com o corpo de prova nº 4 com 0,86% de carbono.
Aço eutetóide – 0,86% de C
Aço eutetóide
Este aço quando está acima de 7230C tem uma estrutura cúbica de face centrada (austenita) e
todo o carbono está dissolvido nela.
Abaixo de 7230C o ferro muda de estrutura para cúbica de corpo centrado (ferrita).
A ferrita não consegue dissolver o carbono e por isso forma-se uma estrutura mista constituída de
lâminas de ferrita (ferro puro) e lâminas de cementita (Fe3C). A essa estrutura dá-se o nome de
perlita.
Micrografia de um aço eutetóide mostrando a estrutura de perlita.

O aço com 0,86% de carbono tem uma única temperatura de transformação e por isso ele é
chamado também de aço eutetóide.
A figura anterior mostra um aço eutetóide visto ao microscópio, observa-se que 100% da estrutura
é perlita.
Vamos agora estudar o corpo de prova no 3 com 0,6% de carbono.
Aço hipoeutetóide
O diagrama da figura abaixo
indica que acima da linha G – S o
aço apresenta-se com a estrutura
do ferro g ou austenita.
Abaixo da linha G – S, tem início a transformação do ferro g (austenita) em ferro a (ferrita).
Como a ferrita não contém carbono, a austenita que ainda não se transformou, vai se
enriquecendo de carbono.
Quando o aço atinge a temperatura de 7230C (linha P – S) a austenita que ainda não se
transformou, transforma-se em perlita.
Na figura abaixo observamos a estrutura de um aço hipoeutetóide (carbono entre 0,05% até
0,86%), constituído de ferrita (parte clara) e perlita (partes com lamelas).
Micrografia de um aço hipoeutetóide com estrutura de ferrita e perlita.
82 SENAI - 2009

Agora vamos estudar o corpo de prova no 5 com 1,2% de carbono.
Aço hipereutetóide
Os aços com teor de carbono acima de 0,86% até 2,06% são denominados aços hipereutetóides.
O diagrama da figura ao lado
indica que acima da linha S – E
o aço apresenta-se com a
estrutura de ferro g (austenita).
Abaixo da linha S – E, a austenita já não consegue dissolver todo o carbono e por isso começa a
se formar cementita (Fe3C) que contém 6,7% de carbono. Essa cementita vai se localizar nos
contornos dos grãos de austenita. A austenita por sua vez vai se empobrecendo de carbono.
Ao atingir 7230C no resfriamento, tem-se cementita (Fe3C) e austenita com 0,86%C. Ao abaixar
mais a temperatura, essa austenita se transforma em perlita (lamelas de ferrita + cementita).
Na figura seguinte vemos um aço hipereutetóide onde observamos a perlita e a cementita (parte
clara) nos contornos dos grãos.
Micrografia de um aço hipereutetóide com estrutura de perlita e cementita.
SENAI - 2009 83

O diagrama de equilíbrio ferro-carbono
Na figura seguinte apresentamos o diagrama de equilíbrio Fe – C completo.
Diagrama ferro-carbono completo
84 SENAI - 2009

SENAI - 2009 85
Exercícios
1. A figura seguinte mostra as várias regiões do diagrama Fe – C pelas quais passa um aço com
0,4%C ao ser resfriado.
Complete o quadro abaixo informando:
• Qual o estado físico?
• Quais as fases presentes?
• Comente qual é a estrutura do ferro e como se encontra o carbono.
Ponto
Temperatura
aproximada
Estado físico
Fases
presentes
Comentários
A 1 5000C líquido líquida Todo o C dissolvido
B 15000C
C 14500C
D 14300C
E 10000C
F 8000C
G 7600C
H 7230C (T. crítica)
I 7230C

2. A figura seguinte mostra as várias regiões do diagrama Fe – C pelas quais passa um aço
0,9%C ao ser resfriado.
Complete o quadro abaixo informando:
• Qual o estado físico?
• Quais as fases presentes?
• Comente qual a estrutura do ferro e como se encontra o carbono.
Ponto
Temperatura
aproximada
Estado
físico
Fases presentes Comentários
A 1 6000C líquido líquida Todo o C dissolvido no Fe
B 1 4800C
C 1 4500C
D 1 3500C
E 1 0000C
F 7800C
G 7500C
H 7230C
I 7230C
86 SENAI - 2009

Considerações gerais
• Tudo o que foi dito com relação ao resfriamento vale também para o aquecimento.
• A condição para que essas transformações de estrutura ocorram é a baixa velocidade de
SENAI - 2009 87
resfriamento.
• Se resfriarmos um aço rapidamente, outras estruturas diferentes das descritas no diagrama Fe
– C se formarão. Esse é o princípio dos Tratamentos térmicos, que veremos na próxima
unidade.
Resumo
Ferrita
• Ferro na forma cúbica de corpo centrado.
• carbono é insolúvel na ferrita.
• É mole e dúctil.
Cementita
• Carbeto de ferro – a composição da cementita corresponde à fórmula Fe3C. Isso corresponde
a um teor de carbono de 6,67%.
• É muito dura.
Perlita
• É uma combinação de ferrita e cementita.
• Possui um teor médio de carbono de 0,86%.
Austenita
• Ferro na forma cúbica de face centrada.
• Consegue dissolver até 2% de carbono.

1. Qual é a nomenclatura dos aços em função do teor de carbono?
2. Descreva e comente a composição da ferrita e da perlita.
3. Qual a composição estrutural de um aço com 0,45% de carbono, esfriado lentamente até a
temperatura ambiente?
4. Qual a composição de um aço com 1,2% de carbono, esfriado lentamente até a temperatura
ambiente?
5. Faça um comentário a respeito de estrutura austenítica.
6. Descreva as estruturas cristalinas do ferro puro, designado a temperatura de transformação.
7. Descreva as transformações da estrutura do aço no aquecimento em função do carbono.
8. Denomine a estrutura dos aços abaixo em função da temperatura. Consulte o diagrama ferro-carbono.
0,3%C - a 8100C
0,86%C - a 7230C
1,4%C - a 5600C
1,7%C – a 9000C
88 SENAI - 2009

Tratamentos térmicos dos aços
Objetivos
Conhecer
• Diferentes tipos de tratamentos térmicos e termoquímicos;
• Leitura da curva;
• Mecanismo da difusão;
• Tratamentos térmicos dos aços ligados.
Saber
• Transformação da estrutura e estrutura resultante após a têmpera;
• Fatores que influenciam nos tratamentos térmicos;
• Temperaturas aplicadas nos diferentes processos de tratamento térmico;
• Aplicação dos processos em função do teor de carbono do aço;
• Efeitos dos processos do material.
Ser capaz de
• Indicar e selecionar o processo de tratamento térmico adequado para a produção;
• Interpretar tabelas e diagramas.
SENAI - 2009 89

Introdução
Os tratamentos térmicos consistem de aquecimento, tempo de permanência a determinada
temperatura e resfriamento.
A estrutura de aço estudada na unidade anterior, no diagrama Fe – C só é obtida se o
resfriamento for bem lento. Se o resfriamento for mais rápido, obtêm-se outras estruturas que
estudaremos nesta unidade.
Fatores que influenciam nos tratamentos térmicos
Velocidade de aquecimento
A velocidade de aquecimento deve ser adequada à composição e ao estado de tensões do aço.
Como tendência geral o aquecimento muito lento provoca um crescimento excessivo dos grãos
tornando o aço frágil.
Entretanto, um aquecimento muito rápido em aços ligados ou em aços com tensões internas
(provocadas por fundição, forjamento, etc.) poderá provocar deformações ou trincas.
Temperatura de aquecimento
90 SENAI - 2009

A temperatura de aquecimento deverá ser adequada para que ocorram as modificações
estruturais desejadas . Se ela for inferior a essa temperatura, as modificações estruturais não
ocorrerão; se for superior, ocorrerá um crescimento dos grãos que tornará o aço frágil.
Tempo de permanência na mesma temperatura
O tempo de permanência na mesma temperatura deve ser o suficiente para que as peças se
aqueçam de modo uniforme em toda a secção, e os átomos de carbono se solubilizem totalmente.
Se o tempo de permanência for além do necessário, pode haver indesejável crescimento dos
grãos.
Resfriamento
As estruturas formadas no diagrama de equilíbrio Fe – C só vão se formar se o resfriamento for
muito lento.
SENAI - 2009 91
Diagrama Fe – C
Para a austenita se transformar em ferrita, cementita e perlita não há só a necessidade de o ferro
mudar de reticulado cristalino mas também envolve a movimentação dos átomos de carbono,
através da austenita sólida, e isso leva algum tempo.
A austenita possui um reticulado cúbico de face centrada (c.f.c.) e consegue dissolver o carbono;
já na ferrita (cúbico de corpo centrado – c.c.c.) o carbono é praticamente insolúvel.

Quando resfriamos rapidamente um aço ele se transforma de c.f.c. para c.c.c. e o carbono
permanece em solução. Isso cria uma estrutura deformada, supersaturada de carbono que recebe
o nome de martensita que é tetragonal e não cúbica.
Devido a essas microtensões criadas no reticulado cristalino pelo carbono é que a martensita é
dura, resistente e não dúctil.
Efeito do teor de carbono sobre a dureza de martensita
Nos tratamentos térmicos, variando as velocidades de resfriamento, obtemos diferentes estruturas
e com isso obtemos diferentes dureza, resistência a tração, fragilidade, etc.
Com o auxílio do diagrama de transformação isotérmica também chamado de curva T.T.T. (tempo,
temperatura, transformação), poderemos entender melhor os fenômenos que ocorrem quando o
aço é resfriado a diferentes velocidades de resfriamento.
Curvas de velocidade de resfriamento
92 SENAI - 2009

SENAI - 2009 93
A austenita
E ferrita
P perlita
B bainita
M martensita
D dureza em HRC
Curva T.T.T.
Curva T.T.T.
A figura anterior mostra a curva T.T.T. do aço 43 MnCr6. Se esfriarmos esse aço lentamente, com
a velocidade de esfriamento da curva V, obtém-se uma estrutura com 15% de ferrita e 85% de
perlita, que terá uma dureza de 22 rockwell C.
Se aumentarmos a velocidade de resfriamento, obtém-se uma estrutura mais fina e com maior
dureza (curva IV).
Se resfriarmos como na curva II, obtém-se a estrutura de bainita que é uma estrutura
intermediária entre a martensita e a perlita, isto é, é cementita dispersa em ferrita.
Com a velocidade de resfriamento da curva I, obtém-se uma estrutura de 100% de martensita que
terá uma dureza máxima para esse aço (61HRC). Essa velocidade é chamada de velocidade
crítica.

Os meios de resfriamento são os responsáveis pelas diferentes velocidades de resfriamento. O
quadro seguinte apresenta em ordem decrescente de velocidade alguns meios de resfriamento.
Meios de resfriamento
Solução aquosa a 10% NaOH
Solução aquosa a 10% NaCl
Solução aquosa a 10% Na2CO3
Água 00C
Água a 180C
Água a 250C
Óleo
Água a 500C
Tetracloreto de carbono
Água a 750C
Água a 1000C
Ar líquido
Ar
Vácuo
Os elementos de liga no aço, de uma forma geral, diminuem a velocidade crítica de resfriamento
para a formação da martensita.
94 SENAI - 2009
Em linha cheia vê-se o
diagrama T.T.T. de um aço
1050 comum. Em linha
tracejada pode-se observar
a influência da adição de
0,25% molibdênio sobre o
mesmo aço.
Portanto, o meio de resfriamento deve ser mais brando, como é, por exemplo, o óleo, ou mesmo o
ar.
Recozimento

É o tratamento térmico realizado com a finalidade de alcançar um ou vários dos seguintes
objetivos:
• Remover tensões de trabalhos mecânicos a frio ou a quente;
• Reduzir a dureza do aço para melhorar a sua usinabilidade;
• Diminuir a resistência a tração;
• Aumentar a ductilidade;
• Regularizar a textura;
• Eliminar efeitos de quaisquer tratamentos térmicos.
Recozimento total ou pleno
Consiste em aquecer o aço a mais ou menos 500C acima da linha G – S – K e manter esta
temperatura o tempo suficiente para que ocorra a solubilização do carbono e dos outros
elementos de liga no ferro gama (austenita). Em seguida, deve-se fazer um resfriamento lento.
O resfriamento é feito dentro do próprio forno, controlando-se a velocidade de resfriamento.
Obtém-se desse recozimento uma estrutura de perlita grosseira que é a estrutura ideal para
melhorar a usinabilidade dos aços de baixo e médio teor de carbono (0,2 a 0,6%); para aços com
alto teor de carbono é preferível a estrutura de esferoidita que veremos no recozimento de
esferoidização.
A figura seguinte mostra a curva T.T.T. do aço AISI 5140 com a curva de resfriamento do
recozimento.
SENAI - 2009 95

Curva T.T.T. de aço AISI 5140 com 0,43%C, 0,68%Mn e 0,93%Cr.
Recozimento de esferoidização
O recozimento de esferoidização objetiva transformar a rede de lâminas de cementita em
carbonetos mais ou menos esféricos ou esferoiditas.
Esse tratamento melhora a usinabilidade e a ductilidade dos aços de alto teor de carbono.
Para ocorrer essa transformação, o aço deve ser aquecido a uma temperatura entre 6800C a
7500C, em função do teor de carbono.
96 SENAI - 2009

SENAI - 2009 97
Processos de recozimento
Esta temperatura deve ser mantida o tempo suficiente para homogeneizar a temperatura em toda
a peça e o resfriamento deve ser lento, cerca de 100C a 200C por hora.
Recozimento subcrítico
Consiste em aquecer o aço a uma temperatura entre 550 a 6500C (abaixo da zona crítica – figura
a seguir) com a finalidade de promover uma recristalização em peças que foram deformadas a frio
(laminação, forjamento) ou para aliviar tensões internas provocadas nos processos de soldagem,
corte por chama, solidificação de peças fundidas.
Normalização
A normalização consiste em aquecer as peças 200C a 300C acima da temperatura de
transformação (linha G – S – E) e resfriá-las mais rápido que no recozimento porém mais lento
que na têmpera. O mais comum é um resfriamento ao ar.

Temperatura para normalização
O objetivo deste tratamento é obter uma granulação mais fina e uniforme dos cristais, eliminando
as tensões internas.
A normalização é usada em aço, após a fundição, forjamento ou laminação e no ferro fundido
após a fundição.
Têmpera dos aços
A têmpera é um tratamento térmico que executamos em um aço quando desejamos aumentar sua
dureza e resistência mecânica. Conseguimos isso mudando a estrutura do aço (de ferrita + perlita)
para uma estrutura martensítica.
A operação consiste basicamente em três etapas:
• Aquecimento
• Manutenção de uma determinada temperatura
• Resfriamento
Aquecimento
O aço deve ser aquecido em torno de
500C acima da zona crítica (linha G –
S – K – figura ao lado) para que nos
98 SENAI - 2009

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