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O Guia do Engenheiro para Metais: Seleção e Aplicação

Última atualização:
9 de junho de 2024
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Índice

Aço-carbono e aço-liga

Aço carbono

(1) Classificação do aço-carbono

1) O aço-carbono pode ser classificado em dois tipos principais com base na sua aplicação: aço-carbono para estruturas e aço-carbono para ferramentas.

O aço-carbono estrutural é utilizado no fabrico de várias estruturas de engenharia e peças de máquinas. O aço-carbono utilizado para estruturas de engenharia é tipicamente aço de baixo teor de carbono, que tem excelente soldabilidade e geralmente não é tratado termicamente, sendo utilizado no seu estado laminado a quente.

O aço-carbono para peças de máquinas contém normalmente menos de 0,6% de carbono em peso e tem boas propriedades mecânicas, exigindo tratamento térmico antes da utilização.

O aço-carbono para ferramentas é utilizado para fabricar várias ferramentas de corte, ferramentas de medição e moldes. Tem um teor de carbono mais elevado e, após um tratamento térmico adequado, apresenta uma elevada resistência, dureza e resistência ao desgaste.

2) Com base no teor de carbono, o aço-carbono pode ser dividido em três categorias:

  • Aço de baixo teor de carbono: C<0.25%;
  • Aço de médio teor de carbono: C=0,25% a 0,60%;
  • Aço com elevado teor de carbono: C>0.60%.

3) De acordo com as diferentes percentagens de qualidade do enxofre (S) e do fósforo (P), o aço-carbono pode ser classificado em quatro categorias:

  • Aço comum: S≤0.050%, P≤0.045%;
  • Aço de qualidade: S≤0.035%, P≤0.035%;
  • Aço de alta qualidade: S≤0.020%, P≤0.030%;
  • Aço de qualidade superior: S≤0.015%, P≤0.025%.

4) Classificação por método de fundição.

De acordo com o tipo de forno utilizado para a fundição, o aço ao carbono pode ser dividido em aço de forno aberto, aço de conversor e aço de forno elétrico. Com base no processo de desoxidação durante a fundição, o aço-carbono pode igualmente ser classificado em aço abatido, aço semi-abatido, aço com rebordo e aço abatido especial.

Graus de aço-carbono, propriedades e aplicações

1) Aço estrutural de carbono geral. Também conhecido como aço estrutural ao carbono, o seu grau é composto pela letra que representa o limite de elasticidade (Q), o valor numérico do limite de elasticidade, os símbolos do grau de qualidade e os símbolos do método de desoxidação, por esta ordem, como, por exemplo, Q235AF. A Tabela 1-5 apresenta exemplos de classes, composições químicas, propriedades mecânicas e aplicações do aço estrutural ao carbono em geral.

2) Aço estrutural ao carbono de qualidade. O grau de qualidade do aço ao carbono para estruturas é indicado por dois dígitos, que representam o teor médio de carbono do aço em percentagem de dez milésimos.

Por exemplo, o aço 45 indica um aço estrutural ao carbono de qualidade com um teor médio de carbono de 0,45%. A Tabela 1-6 apresenta exemplos de classes, composições químicas, propriedades mecânicas e aplicações de aço estrutural ao carbono de qualidade.

Tabela 1-5: Classes, composição química, propriedades mecânicas e exemplos de aplicações para o aço estrutural de carbono geral

Grau NívelComposição química (%) não superior aDesoxidação

Método
Propriedades mecânicasExemplo de utilização
WcWMnWsiWsWpσs/MPaσb/MPaδ5
(%)
Q195--0.120.50.30.0400.035F, Z195315~43033Componentes estruturais que suportam pequenas cargas (tais como rebites, anilhas, parafusos de ancoragem, contrapinos, tirantes, varões roscados, etc.), peças estampadas e peças soldadas
Q215A0.151.20.350.0500.045F, Z215335~45031
B0.045
Q235A0.221.40.350.0500.045F, Z235370~50026Chapas finas, perfis, parafusos, porcas, rebites, tirantes, engrenagens, veios, bielas, etc., Q235C, Q235D podem ser utilizados como importantes componentes estruturais soldados
B0.200.045
C0.170.0400.040Z
D0.0350.035TZ
Q275A0.241.50.350.0500.045F, Z275410~54022Peças que suportam cargas médias, tais como chaves, correntes, tirantes, veios rotativos, rodas dentadas, parafusos e varões roscados, etc.
B0.210.045Z
C0.20.0400.040Z
D0.0350.035TZ

Nota:

1. Símbolos no quadro: A, B, C, D representam graus de qualidade; F representa aço em ebulição; Z representa aço abatido; TZ representa aço abatido especial.

2. δ₅ indica que o comprimento do calibre da amostra de tração é cinco vezes o seu diâmetro, ou seja, L0=5d0.

Tabela 1-6: Classes, composição química, propriedades mecânicas e exemplos de aplicação de aço estrutural de carbono de alta qualidade

Grau Composição química (%)Propriedades mecânicas (não inferior a)Exemplo de utilização
WcWSiWMnσb/MPaσs/MPaδ(%)ψ(%)HBW
(laminados a quente)
   dK
(J/m²)
08
10
0.05~0.11
0.07~0.13
0.17~0.37
0.17~0.37
0.35~0.65
0.35~0.65
325
335
195
205
33
31
60
55
131
137
Estampagens de vários formatos, tirantes, juntas, etc.
200.17~0.230.17~0.370.35~0.654102452555156Tirantes, anéis de elevação, ganchos, etc.
350.32~0.390.17~0.370.50~0.805303152045197Veios, parafusos, porcas, etc.
40
45
0.39~0.44
0.42~0.50
0.17~0.37
0.17~0.37
0.50~0.80
0.50~0.80
570
600
335
355
19
16
45
40
217
229
6×105
5×105
Engrenagens, cambotas, bielas, acoplamentos, veios, etc.
60
65
0.57~0.65
0.62~0.70
0.17~0.37
0.17~0.37
0.50~0.80
0.50~0.80
675
710
400
420
12
10
35
30
255
255
Molas, anilhas de mola, etc.

3) Aços-ferramenta ao carbono.

As qualidades dos aços-carbono para ferramentas são designadas pela letra T seguida de um número. A letra T significa aço-carbono para ferramentas, enquanto o número indica o teor médio de carbono no aço, expresso em milésimos.

Por exemplo, o T10 representa um aço-carbono para ferramentas com um teor médio de carbono de 1,0%. Os aços-carbono premium de alta qualidade são designados com um "A" após o número da classe, como T10A. Para mais pormenores sobre as classes, composição química, propriedades mecânicas e aplicações dos aços-carbono para ferramentas, consulte a Tabela 1-7.

Tabela 1-7: Classes, composição química, propriedades mecânicas e aplicações dos aços-ferramenta ao carbono

GrauComposição química (%)Tratamento térmico Temperatura de aquecimento/°CDureza

CDH
Exemplo de utilizações
WcWSiWMnWSWPResfriamentoTêmpera
T70.65~0.74≤0.40800~820
(Água Quente)
180~20060~62Martelos, serras, brocas, cinzéis, etc.
T80.75~0.84≤0.40780~800
(Água Quente)
180~20060~62Punções, ferramentas para trabalhar madeira, etc.
T10
T10A
0.95~1.04≤0.35≤0.40<0.03<0.035760~780
(Água Quente)
180~20060~62Machos, matrizes, lâminas de serra, lâminas de plaina, pequenos punções, etc.
T13
T13A
1.25~1.35≤0.40760~780
(temperado com água)
180~20060~62Limas, ferramentas de medição, raspadores, etc.

Aço de liga leve

O aço-liga, uma forma avançada de aço-carbono, é melhorado pela adição de certos elementos de liga, melhorando assim a sua utilidade e processabilidade.

Os elementos de liga habitualmente adicionados incluem manganês, silício, crómio, níquel, molibdénio, tungsténio, vanádio, titânio, boro e elementos de terras raras. Estes elementos podem melhorar as propriedades mecânicas gerais, a temperabilidade, a estabilidade térmica e a resistência à corrosão do aço.

(1) O papel dos elementos de liga no aço

1) Reforço por solução sólida: A maioria dos elementos de liga pode dissolver-se na ferrite em diferentes graus, aumentando assim a resistência e a dureza do aço e reduzindo a sua plasticidade e tenacidade.

Alguns elementos de liga, como o Mn, o Cr e o Ni, quando corretamente doseados, podem não só reforçar a ferrite, mas também aumentar a tenacidade do aço, conferindo-lhe assim excelentes propriedades mecânicas globais.

2) Reforço da fase secundária: Quando a afinidade do elemento de liga com o carbono é maior do que a do ferro com o carbono, pode não só dissolver-se na ferrite, mas também formar carbonetos e carbonetos de liga. Todos estes componentes têm elevada resistência e estabilidade, aumentando assim a resistência, a dureza e a resistência ao desgaste do aço.

3) Reforço do refinamento do grão: Elementos como V, Ti, Nb, Zr, que formam carbonetos fortes, e Al, que forma nitretos fortes, podem criar partículas estáveis de carbonetos e nitretos. Estas partículas inibem o crescimento de grãos de austenite e refinam os grãos de ferrite. O aço de grão fino tem propriedades mecânicas superiores, especialmente no que respeita ao aumento significativo da tenacidade do aço.

4) Aumento da temperabilidade do aço: Com exceção do Co, todos os elementos de liga que se dissolvem na austenite podem aumentar a estabilidade da austenite sobrearrefecida, deslocando a curva de transformação isotérmica para a direita e reduzindo a velocidade crítica de arrefecimento do aço.

Por conseguinte, é possível obter uma maior profundidade de camada endurecida quando arrefecida no mesmo meio de têmpera, ou quando se pretende a mesma profundidade de camada endurecida, pode ser utilizado um meio de têmpera com menor capacidade de arrefecimento para reduzir a tensão de têmpera na peça de trabalho, minimizando a deformação e a fissuração.

5) Melhorar a resistência à têmpera do aço: Os elementos de liga têm um impacto significativo no processo de têmpera do aço.

Geralmente, os elementos de liga tornam a martensite menos propensa à decomposição durante a têmpera, impedem o crescimento de carbonetos e aumentam a temperatura a que estas transformações ocorrem. Isto retarda a redução de dureza do aço à medida que a temperatura de têmpera aumenta, aumentando assim a sua resistência à têmpera.

6) Conferir ao aço determinadas propriedades especiais: Quando uma determinada quantidade de elementos de liga específicos é adicionada ao aço, a estrutura e as propriedades do aço sofrem alterações únicas, dando origem a ligas de aço com propriedades especiais, como o aço inoxidável, o aço resistente ao calor e o aço resistente ao desgaste.

(2) Tipos de ligas de aço

O aço-liga pode ser classificado como: aço-liga estrutural, aço-liga para ferramentas e aço de desempenho especial, com base na sua utilização. Consoante o teor de elementos de liga, os aços de liga podem ser classificados em aços de baixa liga (wM<5%), aço de liga média (wM=5%~10%), e aço de alta liga (wM>10%).

(3) Designações, propriedades mecânicas e aplicações de ligas de aço estruturais

O aço ligado estrutural inclui o aço para estruturas de engenharia e fabrico de maquinaria. As designações dos aços ligados estruturais são geralmente compostas pela fração mássica média de carbono (expressa em décimas de milésimos) + símbolo do elemento de liga + fração mássica do elemento de liga (expressa em percentagens), embora haja excepções.

A Tabela 1-8 apresenta exemplos de designações de ligas de aço estruturais comummente utilizadas, as suas propriedades mecânicas e aplicações.

Tabela 1-8: Exemplos de designações, propriedades mecânicas e aplicações de ligas de aço estruturais de uso comum

Categoria AçoGrauTemperatura de tratamento térmico/°CPropriedades mecânicasExemplo de utilização
ResfriamentoTêmperaσb/MPaσs/MPaδ5(%)
Aço estrutural de alta resistência de baixa ligaQ345 Q390--510~660 530~680345 39022
20
Pontes, navios, recipientes sob pressão, etc.
Liga de aço para cementação20Cr 20CrMnTi880 (água, óleo) 860 (óleo)200
200
834
1079
539 83410
10
Engrenagens, pinos de pistão, engrenagens de transmissão para automóveis (tractores), etc.
Liga de aço temperado e revenido40Cr 35CrMo850 (óleo) 850 (óleo)500
550
1000 1000800 8509
12
Veios de máquinas-ferramentas, cambotas, bielas, engrenagens, etc.
Liga de aço para molas60Si2Mn 50CrVA850 (óleo) 850 (óleo)480
500
981
1274
785 11275(δ10) 10(δ10)Molas de lâmina, molas helicoidais, etc., para automóveis (tractores)

1) Aço estrutural de baixa liga e alta resistência. Este tipo de aço é derivado do aço de baixo teor de carbono com a adição de uma pequena quantidade de elementos de liga (wM <5%). Geralmente utilizado em estruturas de engenharia, mantém uma resistência relativamente baixa, mas possui excelente plasticidade, tenacidade e soldabilidade. Acessível e tipicamente utilizado na condição de laminado a quente, é submetido a um tratamento de normalização quando necessário para aumentar a sua resistência.

O aço estrutural de baixa liga de alta resistência é utilizado principalmente no fabrico de pontes, navios, caldeiras, recipientes de alta pressão, oleodutos e grandes estruturas de aço.

2) Liga de aço cementado. O aço de liga cementado refere-se ao aço de liga utilizado após tratamento de cementação. Este tipo de aço tem uma fração de massa de carbono mais baixa (0,15%~0,25%) para assegurar que o núcleo da peça tem elevada resistência e tenacidade, enquanto a superfície, após cementação e têmpera a baixa temperatura, apresenta elevada dureza (58~64HRC) e resistência à abrasão.

O aço de liga cementado é utilizado principalmente no fabrico de peças que requerem uma elevada resistência ao desgaste e um suporte de carga dinâmico, tais como engrenagens em transmissões de automóveis e tractores, árvores de cames em motores de combustão interna, etc. Os aços de liga cementados mais utilizados são os aços 15Cr, 20Cr, 20CrMnTi, entre outros.

3) Aço temperado de liga. Este tipo de aço tem geralmente um teor de carbono de 0,25%~0,45%. Após a têmpera e o revenido a alta temperatura (revenido), desenvolve uma estrutura de sorbite temperada, proporcionando ao aço uma boa combinação de alta resistência e tenacidade.

É utilizado principalmente para o fabrico de peças que suportam cargas alternadas significativas e várias tensões complexas, tais como bielas, veios de transmissão, eixos de máquinas-ferramentas, engrenagens, cames, etc., em automóveis e tractores. Os aços temperados de liga comummente utilizados incluem o 40Cr, 35CrMo, 40CrNiMo, entre outros.

4) Liga de aço para molas. A liga de aço para molas refere-se ao tipo de liga de aço utilizado no fabrico de várias molas e componentes elásticos. Este tipo de aço tem geralmente uma fração de massa de carbono de 0,50%-0,65% e contém elementos de liga como Mn, Si, Cr e V.

Após a têmpera e o revenido a média temperatura, desenvolve uma estrutura de troostite temperada, exibindo um elevado limite elástico e limite de elasticidade. Os aços de mola de liga comummente utilizados incluem 65Mn e 50CrV, entre outros.

(4) Classes, propriedades mecânicas e aplicações de ligas de aço para ferramentas

O aço ligado para ferramentas, que inclui o aço para ferramentas de corte, o aço para matrizes e o aço para ferramentas de medição, é formado pela adição de elementos de liga ao aço para ferramentas de carbono. As classes de aço ligado para ferramentas são geralmente compostas pela fração média em massa de carbono no aço (expressa em permilagem) + o símbolo do elemento de liga + o teor do elemento de liga.

Se a fração mássica de carbono for superior a 1,0%, não é indicada no grau. Consulte a Tabela 1-9 para obter exemplos de classes, estado do tratamento térmico e aplicações de ligas de aço para ferramentas normalmente utilizadas.

1) Aço de liga para ferramentas de corte. As ligas de aço para ferramentas de corte são utilizadas para fabricar várias ferramentas de corte, tais como ferramentas de torno, fresas, brocas, machos, matrizes, etc. As ligas de aço para ferramentas de corte normalmente utilizadas incluem o aço para ferramentas de corte de baixa liga e o aço para ferramentas de alta velocidade.

O aço de baixa liga para ferramentas de corte tem normalmente uma fração mássica de carbono (wC) de 0,75% a 1,45%. O seu processo de tratamento térmico envolve a têmpera e o revenido a baixa temperatura. A temperatura máxima de trabalho deste tipo de aço não ultrapassa os 300°C.

É utilizado apenas para o fabrico de ferramentas de corte de baixa velocidade ou ferramentas com requisitos de elevada resistência ao desgaste, como plainas, machos, matrizes, brocas, etc. Os tipos comuns de aço para ferramentas de corte de baixa liga incluem 9SiCr, CrWMn, entre outros.

O aço para ferramentas de alta velocidade é um tipo de aço de alta liga com elevado teor de carbono, com uma fração de massa de carbono (wC) de 0,7% a 1,6%, e contém uma grande quantidade de W, Cr, Mo, V e outros elementos de liga. O tratamento térmico do aço para ferramentas de alta velocidade envolve a têmpera seguida de múltiplas têmperas de alta temperatura, resultando numa estrutura de martensite + carboneto temperada.

Após a têmpera normal, a dureza é geralmente de 63~66HRC, demonstrando uma boa resistência ao calor. As ferramentas feitas de aço rápido para ferramentas mantêm uma dureza elevada de cerca de 60HRC a uma temperatura de corte de 600°C, pelo que são adequadas para corte a alta velocidade. Os tipos mais comuns incluem W18Cr4V, W6Cr5Mo4V2, entre outros.

Tabela 1-9: Exemplos de tipos comuns de ligas de aço para ferramentas, condições de tratamento térmico e aplicações

Tipos de açoNotasTratamento térmico e durezaExemplo de utilização
ResfriamentoTêmpera
Temperatura de aquecimento / ℃Dureza HRCTemperatura de aquecimento / ℃Dureza HRC
Aço para ferramentas de baixa liga9SiCr
CrWMn
860~880 (têmpera em óleo)
820~840 (têmpera em óleo)
≥62 
≥62
150~200 140~16060~62 62~65Machos, matrizes, alargadores, etc.
Aço para ferramentas de alta velocidadeW18Cr4V
W6Mo5Cr4V2
1280 (têmpera em óleo)
1220 (têmpera em óleo)
60~65 ≥64560 
560
63~66 64~66Fresas, ferramentas de torneamento, brocas, plainas, etc.
Aço para moldes de trabalho a quente5CrNiMo
3Cr2W8V
830~860 (têmpera em óleo)
1050~1100 (têmpera em óleo)
≥47 
>50
530~550 560~58030~47 45~48Grande Matrizes de forjamento, matrizes de prensagem a quente, lâminas de cisalhamento a quente, matrizes de fundição sob pressão, etc.
Aço para moldes a frioCr12
Cr12MoV
950~1000 (têmpera em óleo)
1020~1040 (têmpera em óleo)
62~65 62~63180~220 160~18060~62 61~62Frio Matrizes de perfuração, cortadores, cortadores de fio, cortadores de borda, cortadores de contas, etc.

2) Aço para moldes de ligas. As ligas de aço para moldes dividem-se em aço para moldes a quente e aço para moldes a frio.

O aço para matrizes a quente é usado para fabricar várias matrizes de forjamento a quente, matrizes de extrusão a quente e matrizes de fundição sob pressão, etc., com a temperatura da superfície da cavidade atingindo acima de 600 ℃ durante a operação; o aço para matrizes a frio é usado para fabricar várias matrizes de puncionamento a frio, matrizes de direção a frio, matrizes de extrusão a frio e matrizes de trefilação, etc., com a temperatura de trabalho não superior a 300 ℃.

O aço para moldes trabalhado a frio tem uma fração mássica de carbono wc ≥1.0% e os elementos de liga adicionados podem fortalecer a matriz, formar carbonetos e melhorar a dureza e a resistência ao desgaste do aço. Após a têmpera e o revenido a baixa temperatura, o aço para moldes a frio obtém uma martensite temperada e uma estrutura de carboneto granular. Os aços para moldes para trabalho a frio mais utilizados são o Cr12, Cr12MoV, etc.

A fração de massa de carbono do aço para moldes para trabalho a quente é geralmente 0,3%~0,6%, e os elementos de liga adicionados podem melhorar a temperabilidade, a resistência ao calor e a resistência à fadiga térmica do aço.

Após têmpera e revenido a alta temperatura ou a média temperatura, o aço para moldes para trabalho a quente obtém uma estrutura de sorbite temperada ou de troostite temperada. Os aços para moldes para trabalho a quente habitualmente utilizados incluem o 5CrNiMo, o 3Cr2W8V, etc.

(5) Aços de desempenho especial

Os aços de desempenho especial referem-se a aços com propriedades de utilização únicas. Existem muitos tipos de aços de desempenho especial, mas esta secção apenas apresentará os aços mais utilizados na indústria mecânica: aço inoxidável, aço resistente ao calor e aço resistente ao desgaste.

1) Aço inoxidável.

O aço inoxidável refere-se ao aço capaz de resistir a meios atmosféricos ou corrosivos. Os tipos mais comuns incluem o aço inoxidável martensítico 12Cr13, o aço inoxidável ferrítico 10Cr17 e o aço inoxidável austenítico 18-8 crómio-níquel.

O aço inoxidável martensítico é frequentemente utilizado para produtos que requerem propriedades mecânicas elevadas e uma resistência à corrosão relativamente baixa; o aço inoxidável ferrítico é amplamente utilizado nas indústrias de ácido nítrico, fertilizantes azotados e ácido fosfórico, e também como material resistente à oxidação a altas temperaturas; o aço inoxidável austenítico é o tipo de aço inoxidável mais utilizado na indústria, mas a corrosão intergranular deve ser evitada.

2) Aço resistente ao calor.

O aço resistente ao calor refere-se ao aço que mantém uma elevada estabilidade química e resistência térmica a altas temperaturas. A estabilidade química refere-se à capacidade do aço para resistir a várias corrosões químicas a altas temperaturas, enquanto a resistência térmica se refere ao desempenho da resistência do aço a altas temperaturas.

Os aços resistentes ao calor normalmente utilizados incluem o aço perlítico resistente ao calor, o aço martensítico resistente ao calor e o aço austenítico resistente ao calor.

O aço perlítico resistente ao calor funciona a temperaturas de 450-550°C e é utilizado principalmente para o fabrico de peças com pequenas cargas em dispositivos de energia, tais como tubos de aço para caldeiras; o aço martensítico resistente ao calor funciona a temperaturas de 550-600°C e é utilizado principalmente para o fabrico de lâminas de turbinas, válvulas de escape de motores a diesel, etc.; o aço austenítico resistente ao calor funciona a temperaturas de 600-700°C, podendo atingir 850°C, e é utilizado principalmente para o fabrico de turbinas de motores a jato e tubos de escape. Os aços resistentes ao calor mais comuns incluem o 12Cr1MoV, o 42Cr9Si2 e o 4Cr13Ni8Mn8MoVNb.

3) Aço resistente ao desgaste.

O aço resistente ao desgaste refere-se geralmente ao aço com elevado teor de manganês que sofre um endurecimento por impacto sob cargas de impacto. Os seus principais componentes são: wc=1,0%-1,3%, wMn=11%-14%. É moldado e, após tratamento térmico, obtém uma estrutura totalmente austenítica, que apresenta boa tenacidade e resistência ao desgaste.

Os aços comuns com elevado teor de manganês incluem ZGMn13, ZGMn13Cr2, etc. O aço com elevado teor de manganês é amplamente utilizado no fabrico de peças que suportam grandes impactos ou pressões, tais como baldes de escavadoras, rastos de tanques, etc. Além disso, o aço com elevado teor de manganês não é quebradiço em climas frios, o que o torna adequado para utilização em regiões geladas.

Metais não ferrosos e ligas

Alumínio e ligas de alumínio

O alumínio puro tem uma cor branca prateada, uma estrutura cristalina cúbica centrada na face e nenhuma transformação alotrópica. É caracterizado por um baixo ponto de fusão (660 ℃), baixa densidade (2,7g / cm3), baixa resistência (σb=80MPa), elevada plasticidade (ψ=80%) e excelente condutividade eléctrica e térmica.

Como tal, o alumínio puro não é adequado para estruturas de suporte de carga. É utilizado principalmente para o fabrico de fios, cabos, utensílios com requisitos de baixa resistência e várias ligas de alumínio. O alumínio puro é quimicamente ativo e tende a formar uma película de óxido robusta e densa na sua superfície, o que lhe confere uma boa resistência à corrosão no ar e na água doce.

As ligas de alumínio podem ser divididas em ligas de alumínio deformadas e ligas de alumínio fundido com base nas suas características de processamento. A Figura 1-41 mostra um diagrama de classificação das ligas de alumínio. As ligas à esquerda do ponto D, quando aquecidas, existem como soluções sólidas monofásicas com boa plasticidade, adequadas para o processamento sob pressão.

Estas são referidas como ligas de alumínio deformadas. As ligas à direita do ponto D, que contêm uma maior fração em massa de elementos de liga e têm estruturas eutécticas, apresentam temperaturas de fusão mais baixas e boa fluidez, tornando-as adequadas para fundição. Estas são referidas como alumínio fundido ligas.

As ligas de alumínio deformadas são normalmente transformadas em vários produtos semi-acabados, tais como folhas, barras, tubos, fios, perfis e peças forjadas. Entre as ligas de alumínio deformadas, as ligas das séries Al-Mg e Al-Mn têm maioritariamente uma estrutura monofásica e não podem ser reforçadas por tratamento térmico. Caracterizam-se por uma boa resistência à corrosão, soldabilidade e plasticidade, bem como por um excelente desempenho a baixas temperaturas.

Estas propriedades tornam-nas promissoras em domínios como a indústria aeroespacial. As ligas das séries Al-Cu-Mg e Al-Cu-Mn têm fortes capacidades de endurecimento por envelhecimento e elevada resistência, mas a sua resistência à corrosão e soldabilidade são inferiores. São utilizadas principalmente como componentes estruturais. As ligas da série Al-Mg-Cu-Zn têm a maior resistência à temperatura ambiente entre as ligas de alumínio, mas amolecem rapidamente a altas temperaturas e têm uma fraca resistência à corrosão.

São utilizadas principalmente para estruturas importantes e peças sujeitas a cargas pesadas. As ligas das séries Al-Mg-Si-Cu e Al-Cu-Mg-Fe-Ni têm boa termoplasticidade, capacidade de fundição e propriedades mecânicas relativamente elevadas. São principalmente utilizadas para peças complexas aeroespaciais e de instrumentos e podem também ser utilizadas como ligas resistentes ao calor.

As ligas de alumínio das séries Al-Cu-Mg, Al-Cu-Mn, Al-Mg-Cu-Zn, Al-Mg-Si-Cu e Al-Cu-Mg-Fe-Ni podem ser reforçadas por tratamento térmico. Na Tabela 1-10 são apresentados exemplos de ligas de alumínio deformadas comummente utilizadas, a sua composição química, propriedades mecânicas e utilizações.

Tabela 1-10: Exemplos de ligas de alumínio deformadas comummente utilizadas, incluindo as suas designações, composições químicas, propriedades mecânicas e aplicações

CategoriaCódigoComposição química (%)Tratamento térmico

Teoria
Propriedades mecânicasExemplos de aplicações
WCuWMgWMnWZnσb/MPaδ(%)Dureza
HBW
Liga de alumínio à prova de ferrugem5A054.5~5.50.3~0.6M2702370Peças de carga média, rebites e reservatórios de óleo soldados, tubos de óleo, etc.
3A211.0~1.61302330
Liga de alumínio duro2A012.2~3.00.2~0.5CZ3002470Resistência média e temperatura de trabalho inferior a 100°C material do rebite
2A113.8~4.80.4~0.80.4~0.842018100Peças e componentes estruturais de resistência média, tais como quadros, lâminas de hélice, rebites, etc.
2A123.8~4.91.2~1.80.3~0.947017105Componentes e peças de elevada resistência que trabalham a temperaturas inferiores a 150°C, tais como estruturas, vigas, etc.
Liga de alumínio super dura7A041.4~2.01.8~2.80.2~0.65~7CS60012150Estruturas principais de suporte de carga, tais como vigas de aeronaves, treliças, estruturas de reforço, trens de aterragem, etc.
Liga de alumínio forjado2A501.8~2.60.4~0.80.4~0.842013105Forjados complexos e forjados de resistência média e forjados sob pressão, etc.
2A701.9~2.71.4~1.844012120Peças forjadas complexas e peças estruturais que trabalham a altas temperaturas, pistões de motores de combustão interna, etc.
2A143.9~4.80.4~0.80.4~1.048019135Forjados simples e forjados com cargas elevadas, forjados sob pressão, etc.

Nota: M - recozimento; CZ - têmpera + envelhecimento natural; CS - têmpera + envelhecimento artificial.

Cobre e ligas de cobre

O cobre puro tem uma densidade de 8,94g/cm³ e um ponto de fusão de 1083℃. Tem uma estrutura cristalina cúbica centrada na face e nenhuma alotropia. O cobre puro exibe boa condutividade elétrica, condutividade térmica e resistência à corrosão. Embora o cobre puro tenha boa ductilidade, sua resistência e dureza são baixas, tornando-o inadequado para uso direto como material estrutural.

É frequentemente utilizado para fabricar materiais condutores e condutores de calor, dispositivos resistentes à corrosão e pode também servir de matéria-prima para o fabrico de ligas de cobre. O cobre puro não pode ser reforçado através de tratamento térmico. Dependendo das diferentes composições químicas, as ligas de cobre podem ser divididas em três categorias: latão, bronze e cobre branco.

(1) Latão

As ligas de cobre com zinco como principal elemento de liga são designadas por latão. Dependendo da composição química, o latão pode ser dividido em latão simples e latão especial. O latão simples é uma liga binária de cobre e zinco. Quando a fração mássica de zinco se situa entre 30% e 32%, a sua estrutura é uma solução sólida α cúbica centrada na face, conhecida como latão monofásico.

Este tipo de latão tem excelente forjabilidade, soldabilidade e boa capacidade de estanhagem. Quando a fração mássica de zinco excede 32% (mas não mais de 45%), a sua estrutura é uma estrutura de fase dupla α+β, conhecida como latão de fase dupla.

Este latão tem uma boa ductilidade a alta temperatura, adequada para processamento a quente. A designação do latão comum consiste em "H+número", em que H representa o latão e o número indica a fração de massa do cobre. Por exemplo, H80 é o latão comum que contém cobre 80% e zinco 20%.

O latão especial é formado pela adição de outros elementos de liga à liga de cobre-zinco. Para além do zinco, os elementos de liga comuns incluem o chumbo, o alumínio, o manganês, o estanho, o ferro, o níquel, o silício, etc. A adição destes elementos de liga melhora a força, a resistência à corrosão e a resistência ao desgaste do latão.

Dependendo dos elementos de liga primários adicionados, o latão especial pode ser dividido em latão de chumbo, latão de alumínio e latão de manganês, etc. A designação do latão especial consiste em "H+ símbolo do elemento de liga primária + fração mássica de cobre + fração mássica do elemento de liga primária".

Por exemplo, HPb59-1 representa latão especial com uma fração mássica de 59% de cobre e 1% de chumbo, sendo o restante zinco. As designações, composições químicas, propriedades mecânicas e exemplos de aplicações do latão comummente utilizado são apresentados no Quadro 1-11.

(2) Bronze

O bronze refere-se a ligas de cobre com elementos de liga importantes, com exceção do Zn e do Ni. A sua designação é composta por "Q+ símbolo do elemento de liga principal + fração mássica do elemento de liga principal". Se se tratar de bronze fundido, é acrescentado um "Z" antes da designação. O bronze pode ser dividido em bronze normal e bronze especial.

Tabela 1-11: Designações representativas, composições químicas, propriedades mecânicas e exemplos de aplicações de ligas de alumínio deformadas comumente usadas

CategoriaGrauComposição química (%)Propriedades mecânicasExemplos de aplicação
WCuWPbWSiWAlWMnσb/MPaδ(%)Dureza
HBW
Latão comumH9088~913205253Revestimentos e decorações, etc.
H6867~706603150Caixas de cartuchos, tubos de condensador, etc.
H6260.5~63.56003164Anilhas, molas, parafusos, etc.
Latão especialLatão com chumboHPb59-157~600.8~1.965016140Pinos, parafusos e outras peças estampadas ou maquinadas
Alumínio LatãoHAl59-3-257~602.5~3.565015150Peças de alta resistência e quimicamente estáveis
Latão com manganêsHMn58-257~601.0~2.070010175Peças para navios e utilização eléctrica fraca

O bronze comum refere-se ao bronze estanhado, com o estanho (Sn) como principal elemento de liga. A fração de massa de Sn é fundamental para o desempenho do bronze de estanho. O bronze de estanho com uma fração de massa de Sn de 5% a 7% tem a melhor plasticidade, adequada para o processamento de deformação a frio e a quente. O bronze de estanho com uma fração de massa de Sn superior a 10% tem uma elevada resistência mas uma fraca plasticidade, adequada apenas para fundição.

O bronze de estanho apresenta uma excelente resistência à corrosão na atmosfera, na água do mar e em soluções salinas inorgânicas, mas apresenta uma menor resistência à corrosão em amoníaco, ácido clorídrico e ácido sulfúrico.

O bronze especial refere-se ao bronze que não contém Sn. Dependendo do elemento de liga primário, pode ser dividido em bronze de alumínio, bronze de berílio, bronze de silício, etc. O bronze de alumínio tem uma fração de massa de alumínio de 5% a 10%, elevada estabilidade química, boa resistência à corrosão e ao desgaste, maior resistência e plasticidade e boa trabalhabilidade.

É utilizado principalmente para peças resistentes ao desgaste de alta resistência que trabalham em água do mar ou a altas temperaturas. O bronze de berílio tem uma fração de massa de berílio de 1,7% a 2,5%. Pode ser submetido a um reforço por solução e a um endurecimento por envelhecimento, possuindo uma elevada resistência, resistência ao desgaste, resistência à corrosão e condutividade eléctrica e térmica.

Tem também propriedades especiais como o antimagnetismo e a ausência de geração de faíscas aquando do impacto, sendo utilizado principalmente para elementos elásticos em instrumentos de precisão e peças à prova de explosão em motores. O bronze de silício tem uma fração de massa de silício de 3% a 4,6%, com propriedades mecânicas mais elevadas do que o bronze de estanho e um bom desempenho de fundição e de processamento a frio/quente.

A adição de níquel ao bronze silício pode melhorar significativamente a sua força e resistência ao desgaste, principalmente utilizado na indústria da aviação e em linhas telefónicas aéreas de longa distância, linhas eléctricas, etc. O número da marca, a composição química, as propriedades mecânicas e exemplos de aplicações do bronze comummente utilizado podem ser consultados no Quadro 1-12.

(3) Prata níquel

A prata níquel, também conhecida como cobre branco, refere-se a uma categoria de ligas de cobre compostas principalmente por níquel. Divide-se em dois tipos: prata níquel comum e prata níquel especial.

Tabela 1-12: Exemplos de graus comuns de bronze, composições químicas, propriedades mecânicas e utilizações

CategoriaGrauComposição química (%)Propriedades mecânicasExemplo de utilizações
WSnWAlWSiOutrosσb/MPaδ(%)Dureza
Bronze comumQSn4-33.5~4.5Zn:
2.7~3.3
350~5504~4060~160
HBW
Elementos elásticos, resistentes ao desgaste, anti

Componentes magnéticos
QSn6.5-0.16.0~7.0P:
0.10~0.25
350~45060~7070~90
HBW
Peças de contacto, molas, peças resistentes ao desgaste
Bronze especialBronze berílioQBe2Be:1.8~2.1
Ni:0,2~0,5
500~8503~4090~250
HV
Molas importantes, elementos elásticos

Rolamentos, etc.
Bronze silícioQSi3-12.7~
3.5
Mn:
1~1.5
80~180
HV
Molas e peças que trabalham em meios corrosivos

O níquel-prata comum, que contém apenas cobre e níquel, possui boa resistência e excelente plasticidade. Pode ser submetida a um tratamento a frio e a quente sob pressão. A sua resistência à corrosão é excelente e possui uma elevada resistividade eléctrica com um pequeno coeficiente de resistência à temperatura.

É utilizado principalmente para o fabrico de peças de instrumentos navais, peças de maquinaria química e equipamento médico, entre outros. O grau de prata níquel é composto por "B + fração média em massa de Ni". Por exemplo, B19 representa o níquel-prata comum com um teor de níquel de 19%.

O níquel prateado especial é produzido através da adição de outros elementos de liga ao níquel prateado. As propriedades e utilizações do níquel prateado variam consoante o tipo de elemento de liga adicionado. Por exemplo, o níquel-prata manganês com uma elevada fração mássica de manganês pode ser utilizado para fabricar fios de termopares, instrumentos de medição, etc. Por exemplo, o BZn15-20 representa um níquel-prata especial com um teor de silício de 15% e um teor de zinco de 20%.

Titânio e ligas de titânio

O titânio puro tem uma densidade de 4,5g/cm³ e um ponto de fusão de 1667°C, sofrendo alotropia. Abaixo de 882,5°C, o titânio puro tem uma estrutura cristalina hexagonal compactada, conhecida como α-Ti. Acima de 882,5°C, tem uma estrutura cristalina cúbica centrada no corpo, referida como β-Ti.

O titânio puro (α-Ti) tem um módulo de elasticidade relativamente baixo, boa resistência ao impacto, elevada resistência específica e excelente plasticidade, mas as suas propriedades mecânicas são extremamente sensíveis às impurezas.

As principais características das ligas de titânio são a elevada resistência, a baixa densidade, a boa resistência ao calor e a resistência à corrosão. No entanto, têm fraca maquinabilidade, são sensíveis ao desgaste e são relativamente caras. As ligas de titânio são classificadas em tipo α (TA), tipo β (TB) e tipo α+β (TC) com base nas suas estruturas recozidas.

O Quadro 1-13 apresenta exemplos de graus, composições químicas, propriedades mecânicas e utilizações de ligas de titânio comummente usadas.

(1) Ligas de titânio do tipo α

A estrutura recozida das ligas de titânio do tipo α é uma solução sólida α monofásica e não pode ser reforçada por tratamento térmico. Estas ligas têm estruturas estáveis, excelente resistência à corrosão, boa plasticidade e formabilidade. Apresentam também um excelente desempenho de soldadura e propriedades a baixa temperatura.

São normalmente utilizados no fabrico de revestimentos de aeronaves, estruturas, discos e lâminas de compressores de motores, carcaças de turbinas e contentores para temperaturas ultra baixas.

Tabela 1-13: Exemplos de ligas de titânio comummente utilizadas, suas composições químicas, propriedades mecânicas e aplicações

CategoriaGrauGrupo de composição químicaTratamento térmicoPropriedades mecânicas à temperatura ambientePropriedades mecânicas a alta temperaturaExemplos de utilização
σb/MPaδ(%) não inferior aTemperatura de ensaio/℃Instantâneo

Força
/MPa
Força de resistência  /MPa
Liga de titânio alfaTA28Ti-3AlRecozimento70012Trabalhar abaixo de 500℃

Peças como combustível para mísseis

Tanques, carcaças de turbinas de aviões, etc.
TA5Ti-4Al-0.005BRecozimento70015
TA6Ti-5AlRecozimento70012~20350430400
Liga de titânio BetaTB2Ti-5Mo-5V-8Cr-3AlResfriamento100020Trabalhar abaixo de 350℃

Peças como as lâminas do compressor

Veios, discos e outras peças rotativas de carga pesada, componentes de aeronaves, etc.
Têmpera + envelhecimento13508
Liga de titânio alfa + betaTC1Ti-2Al-1,5MnRecozimento600~80020~25350350350Trabalhar abaixo de 400℃

Peças como componentes de motores com uma certa resistência a altas temperaturas; foguetes de baixa temperatura, depósitos de combustível de hidrogénio líquido para mísseis, etc.
TC2Ti-4Al-1,5MnRecozimento70012~15350430400
TC3Ti-5Al-4VRecozimento9008~10500450200
TC4Ti-6Al-4VRecozimento95010400630580
Têmpera + Envelhecimento12008

①持久强度表示材料在给定温度下经过100h后,试样发生断裂时的应力值。

(2) Ligas de titânio beta

As ligas de titânio de fase beta têm uma estrutura recozida de fase beta. Através da têmpera, podem ser obtidas ligas de titânio de fase beta metaestável. Estas ligas podem ser tratadas termicamente para aumentar a sua resistência, têm uma elevada resistência à temperatura ambiente e boas propriedades de conformação a frio. No entanto, estas ligas têm uma densidade elevada, a sua estrutura não é suficientemente estável e têm uma fraca resistência ao calor. As ligas de beta-titânio são principalmente utilizadas para fabricar componentes de aeronaves que não requerem temperaturas elevadas mas necessitam de elevada resistência, como molas, fixadores e componentes de secção espessa.

(3) Ligas de titânio Alfa + Beta

A estrutura recozida das ligas de titânio alfa + beta é a fase (alfa + beta), que combina as características das ligas de titânio alfa e beta. Têm excelentes propriedades mecânicas globais e são as ligas de titânio mais utilizadas. Por exemplo, o TC4 (Ti-6Al-4V) é amplamente utilizado no sector aeroespacial e noutros sectores industriais.

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