
Há muitos tipos de materiais usados na produção e no processamento de chapas metálicas, sendo que as especificações se concentram principalmente em materiais de chapas e perfis. Os materiais não metálicos comuns incluem papelão, placa de baquelite, placa de borracha, placa de plástico, placa composta, etc. A placa de borracha tem boa elasticidade, resistência ao desgaste, resistência a baixas temperaturas e propriedades de isolamento, e pode ser usada como material elástico, material de vedação e material de amortecimento de vibrações, etc.
Devido à alta resistência, à boa plasticidade, à tenacidade e à resistência ao desgaste das placas de plástico de engenharia, elas podem substituir os metais na fabricação de peças de chapa metálica, especialmente aquelas com alta resistência específica (a relação entre a resistência à tração e a densidade), como os plásticos reforçados com fibra de vidro, que podem exceder em muito a resistência específica dos metais e são amplamente usados na fabricação de peças estruturais de chapa metálica para reduzir o peso.
Além disso, a maioria dos plásticos de engenharia tem boa resistência à corrosão de meios como ácidos, álcalis e sais. Entre eles, o politetrafluoroetileno e o cloreto de polivinila rígido têm excelente resistência a ácidos e álcalis fortes, de modo que podem ser usados para fabricar peças resistentes à corrosão química, revestimentos resistentes à corrosão, peças de trocadores de calor, tubulações químicas e cotovelos, etc.
A Tabela 1 lista os nomes, os graus, as propriedades e as aplicações de placas de materiais não metálicos comuns.
Tabela 1 Nomes, graus, propriedades e aplicações de placas de materiais não metálicos
Nome do material | Grau | Propriedades e descrição | Aplicativo |
Placa de borracha de amianto resistente a óleo | NBR | Feito de placa sintética de borracha nitrílica, com boa resistência a óleo, espessura de 0,4~3,0 mm | Usado para vedar juntas em produtos de chapa metálica, como oleodutos, tanques de armazenamento de óleo Anéis de vedação, etc. |
Placa de borracha resistente a ácidos e álcalis | SBR2030 SBR2040 | Feito de borracha de estireno-butadieno, com resistência ao frio, resistência à temperatura média e resistência ao envelhecimento, etc. | Usado para vedar juntas que trabalham a -30~60℃, com uma fração de volume de solução ácida e alcalina 20% |
Placa de borracha resistente a óleo | NBR3001 NBR3002 | Feito de placa de borracha nitrílica, com boa resistência a óleo | Usado para juntas que trabalham em determinadas temperaturas de óleo de motor, óleo de transformador, gasolina, etc. Soluções orgânicas |
Placa de borracha resistente ao calor | SBR4001 SBR4002 | Feito de borracha de estireno-butadieno, com resistência ao frio, resistência a altas temperaturas e resistência ao envelhecimento, etc. | Usado para gaxetas e almofadas de isolamento térmico que trabalham a -30~100℃, com meios de ar quente e vapor de baixa pressão |
Placa laminada fenólica | PF3302-1 PF3302-2 | Feito de plástico fenólico laminado, com alta resistência, boa resistência ao impacto e resistência ao desgaste | Utilizados como peças estruturais para pastilhas de freio automotivas, caixas de interruptores elétricos, caixas de telefone, etc. |
Placa de politetrafluoretileno | F-4-13 | Boa resistência à corrosão ácida e alcalina forte, excelente redução de atrito e autolubrificação, pode suportar temperaturas abaixo de 250°C | Usado para revestir recipientes que contêm meios corrosivos, juntas de vedação de trocadores de calor, etc. |
Vidro orgânico industrial | PC | PC é policarbonato, conhecido como "metal transparente", com bom isolamento elétrico e resistência a intempéries, etc. | Usado para instrumentos de vidro orgânico transparente que trabalham em temperaturas de -60~120℃, etc. |
Feltro plano industrial | 112-44 232-36 | Espessura de 1~40 mm, 112-44 indica feltro fino branco, 232-36 indica feltro grosso cinza | Usado como vedação, prevenção de vazamento de óleo, amortecimento de vibrações e almofadas de amortecimento para estruturas de chapas metálicas, selecionando feltro fino, grosso ou semicoerente conforme necessário |
Embora os materiais não metálicos sejam amplamente utilizados em estruturas de chapas metálicas, os materiais metálicos ainda são os mais usados em produção de chapas metálicas e processamento, que são divididos em materiais metálicos ferrosos e não ferrosos.
I. Materiais ferrosos
Materiais ferrosos são ligas de ferro-carbono com ferro como matriz. Geralmente, as ligas de ferro-carbono com uma fração de massa de carbono maior que 2,11% são chamadas de ferro fundido, e aquelas com uma fração de massa de carbono menor que 2,11% são chamadas de aço. Os materiais ferrosos incluem principalmente aço-carbono, aço-liga, ferro fundido e aço fundido.
Há muitos métodos de classificação para o aço, que pode ser classificado de acordo com o método de fabricação do aço, a qualidade do aço, a composição química ou de acordo com diferentes estruturas metalográficas e usos. Considerando esses fatores de forma abrangente, o aço pode ser classificado, em geral, conforme mostrado na Figura 1.
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Os mais comumente usados em produtos de chapa metálica são o aço estrutural de baixo carbono, o aço estrutural de baixa liga e o aço estrutural de desempenho especial. A composição, o desempenho, as especificações e a faixa de aplicação de cada tipo de aço são apresentados a seguir.
1. Aço estrutural de baixo carbono
O aço estrutural de baixo carbono pode ser abreviado como aço de baixo carbono. De acordo com a fração de massa de impurezas nocivas, como enxofre e fósforo, ele pode ser dividido em aço de baixo carbono comum, aço de baixo carbono de alta qualidade e aço de baixo carbono de alta qualidade; de acordo com seu estado de laminação, pode ser dividido em chapas laminadas a quente e laminadas a frio; de acordo com seu estado de tratamento pós-laminação, pode ser dividido em aço de baixo carbono comum e aço de baixo carbono revestido. O aço de baixo carbono é geralmente numerado de acordo com a composição e a qualidade.
A fração de massa de enxofre no aço de baixo carbono comum S é ≤0,055%, e a fração de massa de fósforo P é ≤0,045%. Seu grau pode refletir as propriedades mecânicas; a fração de massa de enxofre e fósforo no aço de baixo carbono de alta qualidade S, P é ≤0,040%; enquanto a fração de massa de enxofre no aço de baixo carbono de alta qualidade S é ≤0,030%, e o fósforo P é ≤0,035%. Seu grau pode refletir a fração de massa de carbono, representada por dois dígitos que indicam a fração de massa média de carbono. A classificação e o método de numeração do aço estrutural de baixo carbono são mostrados na Tabela 2.
Tabela 2 Classificação e método de numeração do aço estrutural de baixo carbono
Classificação | Exemplo | Explicação da numeração |
Aço estrutural comum de baixo carbono | Q235AF Q235B Q235C Q235D | "Q" é a inicial do pinyin chinês para "rendimento", e o número que o segue é a resistência ao rendimento (MPa). A, B, C, D representam graus de qualidade, da esquerda para a direita, a qualidade melhora sequencialmente. F, b, Z, TZ representam aço em ebulição, aço semimorto, aço morto e aço morto especial, respectivamente, mas o aço morto não é marcado. Portanto, se não houver nenhuma marca de letra após o grau de qualidade, isso indica aço morto, como "Q235A", que representa aço estrutural de carbono comum, σs=235MPa, aço de qualidade A morto |
Aço estrutural de baixo carbono de alta qualidade | 08F, 10F, 15, 20 | Dois dígitos representam a fração de massa média de carbono, em unidades de 0,01%, como, por exemplo, 08F representa aço estrutural de baixo carbono de alta qualidade em ebulição com uma fração de massa média de carbono de 0,08%; 20 representa aço estrutural de baixo carbono de alta qualidade com uma fração de massa média de carbono de 0,20% |
(1) Aço estrutural comum de baixo carbono
O aço estrutural comum de baixo carbono é normalmente usado após a laminação a quente, no estado recozido ou normalizado, geralmente sem tratamento térmico. A maioria é usada no estado laminado a quente ou normalizado após a laminação a quente. Se houver necessidades especiais, alguns tratamentos térmicos correspondentes de recozimento, normalização ou têmpera também podem ser realizados. Os principais componentes, características de desempenho e aplicações do aço estrutural comum de baixo carbono comumente usado são mostrados na Tabela 3.
Tabela 3 Principais componentes, características de desempenho e aplicações do aço estrutural comum de baixo carbono comumente usado
Grau do material | Grau | w(C)(%) | w(Mn)(%) | σs/MPa≥ | σb/MPa≥ | δ5(%)≥ | Características de desempenho e aplicações |
Q195 | - | 0.06~0.12 | 0.25~0.50 | 195 | 315~390 | 33 | Alto alongamento, boa soldabilidade e resistência, usado principalmente para fabricar peças de processamento de metal e peças soldadas com baixos requisitos, como chaminés, painéis de telhado, aço Malha de arame, etc. |
Q215 | A | 0.09~0.15 | 0.25~0.55 | 215 | 335~410 | 31 | |
B | |||||||
Q235 | A | 0.14~0.22 | 0.30~0.65 | 235 | 375~460 | 26 | Certos alongamento e resistência, boa tenacidade e capacidade de fundição, adequados para estampagem e soldagem, amplamente utilizados. Principalmente Usado para fabricar vários tipos de seções de aço, chapas médias e grossas para estruturas de aço, carcaças de contêineres químicos, flanges, etc. |
B | 0.12~0.20 | 0.30~0.70 | |||||
C | ≤0.13 | 0.35~0.80 | |||||
D | ≤0.17 |
(2) Aço estrutural de baixo carbono de alta qualidade
O aço estrutural de baixo carbono de alta qualidade garante a composição química e as propriedades mecânicas no momento da entrega e é mais rigorosamente regulamentado do que o aço estrutural de carbono comum. A fração de massa de enxofre e fósforo deve ser controlada abaixo de 0,35%, com menos inclusões não metálicas e níveis de qualidade mais altos, geralmente usados após o tratamento térmico (exceto para aço específico para contêineres, como o 20R).
O aço estrutural de carbono de alta qualidade usa dois algarismos arábicos para representar a fração de massa média de carbono em dez milésimos, com F adicionado para aço em ebulição e nenhuma letra para aço morto. Por exemplo, "45" representa o aço estrutural de carbono de alta qualidade com uma fração de massa de carbono de 0,45%, aço morto. Os indicadores de desempenho, as principais características e as aplicações do aço estrutural de baixo carbono de alta qualidade comumente usado são mostrados na Tabela 4.
Tabela 4 Indicadores de desempenho, principais características e aplicações do aço estrutural de baixo carbono de alta qualidade comumente usado
Grau do material | σb/MPa | σs/MPa | δ5(%) | ψ(%) | Estado de entrega Dureza HBW≤ | Principais características e aplicações |
08F | 295 | 175 | 35 | 60 | 131 | Geralmente usado para fabricar grandes deformações peças de estamparia e peças soldadas, como conchas, caixas, tampas, defletores fixos, etc. Geralmente usado sem tratamento térmico, o processamento a frio pode aumentar a resistência. Para refinar a estrutura do aço, eliminar o estresse interno causado pelo processamento a frio e melhorar o desempenho de corte do aço, também é necessário o reforço do tratamento térmico |
10F | 315 | 185 | 33 | 55 | 137 | Boa plasticidade e soldabilidade. Usado principalmente para peças que exigem boa plasticidade, como tubos, gaxetas, arruelas etc., e peças cementadas com requisitos de baixa resistência do núcleo, como luvas, suportes, gabaritos, engrenagens, embreagens etc. |
15F | 355 | 205 | 29 | 55 | 143 | Boa plasticidade, tenacidade, soldabilidade e desempenho de estampagem, mas baixa resistência. Usado para fabricar peças com requisitos de baixa tensão e alta tenacidade, peças cementadas, fixadores e peças forjadas, bem como peças de baixa carga que não requerem tratamento térmico, como parafusos, roscas, flanges |
08 | 325 | 195 | 33 | 60 | 131 | Esse aço tem baixa resistência, plasticidade de deformação a frio muito alta, bom desempenho de estampagem, estampagem profunda e dobra, excelente soldabilidade, às vezes sensível ao envelhecimento, melhor desempenho de corte no estado normalizado ou estirado a frio do que no estado recozido. Pode ser usado para fabricar peças estampadas e peças soldadas, etc. |
10 | 335 | 205 | 31 | 55 | 137 | Esse aço tem uma baixa relação entre resistência ao escoamento e resistência à tração, boa plasticidade e tenacidade, fácil de moldar no estado frio. Para obter o melhor desempenho de repuxo profundo, a chapa deve ser normalizada ou temperada a alta temperatura; melhor desempenho de corte no estado repuxado a frio ou normalizado do que no estado recozido; sem tendência à fragilidade por têmpera, boa soldabilidade. Usado para fabricar peças soldadas de baixa resistência, peças de estampagem etc., como divisórias, conchas, gaxetas etc. Alta plasticidade de deformação a frio, geralmente usada para dobra, estampagem profunda, flangeamento, etc. Para obter o melhor desempenho de repuxo profundo, a chapa deve ser normalizada ou temperada a alta temperatura, boa soldabilidade para soldagem a arco e soldagem por resistência, propensa a rachaduras durante a soldagem a gás em espessuras pequenas, requisitos rigorosos de formato ou peças de formato complexo, melhor desempenho de corte no estado repuxado a frio ou normalizado do que no estado recozido |
20 | 410 | 245 | 25 | 55 | 156 | (3) Aço estrutural de baixo carbono revestido |
A chapa de aço de baixo carbono revestida, comumente conhecida como folha de Flandres, é produzida pelo revestimento de uma camada de zinco, estanho, chumbo, alumínio ou outros materiais metálicos não ferrosos em chapas de aço finas laminadas a frio ou a quente. Portanto, ela pode ser dividida em chapas finas de zinco, chapas finas de estanho, chapas finas de chumbo e chapas finas de alumínio, etc., de acordo com os diferentes revestimentos.
As chapas finas de zinco também são comumente conhecidas como chapas de zinco branco. A superfície é branca e brilhante e está disponível em dois tipos: lisa e corrugada. Ambas têm forte resistência à corrosão e aparência atraente. Essas chapas são adequadas para a fabricação de contêineres anticorrosão, tetos e tubulações de água doméstica.
As placas finas de estanho têm uma superfície brilhante e atraente, adequada para a fabricação de recipientes e latas de alimentos. As placas finas de chumbo, também conhecidas como placas de chumbo branco, também têm forte resistência à corrosão e são adequadas para a fabricação de recipientes resistentes a ácidos. Entretanto, devido à toxicidade do chumbo, elas não podem ser usadas para recipientes de alimentos.
2. Aço estrutural de baixa liga
O aço estrutural de baixa liga, geralmente abreviado como aço de baixa liga, é produzido pela adição de elementos de liga que não excedem 2% ou 3% por fração de massa ao aço comum de baixo carbono para aumentar sua resistência. É usado principalmente para vários componentes estruturais de engenharia, com a mais ampla gama de aplicações e o maior consumo. Geralmente, é usado no estado recozido ou normalizado após a laminação a quente, sem tratamento térmico adicional.
O aço de baixa liga pode ser dividido em aço de baixa liga comum, aço de baixa liga para contêineres (incluindo alta temperatura), aço de baixa liga para baixas temperaturas etc., com base em seu uso. Com exceção do aço de baixa liga comum, o método de numeração geralmente usa "número + símbolo do elemento + número", em que o número da frente representa o décimo milésimo da fração de massa média de carbono no aço, o símbolo do elemento representa o elemento de liga e o número após o símbolo representa a fração de massa média desse elemento no aço.
O conteúdo dos elementos de liga é marcado após o símbolo do elemento e é expresso como uma porcentagem da fração de massa do elemento, mas o decimal é convertido em um número inteiro.
Se a fração de massa média de um elemento de liga for menor que 1,5%, seu conteúdo não será marcado; se a fração de massa média for igual ou maior que 1,5%, 2,5%, 3,5% etc., ela será representada por 2, 3, 4 etc. Por exemplo, "12Cr2Ni4" indica que as frações de massa dos principais componentes da liga de aço são C 0,12%, Cr 1,5% e Ni 3,5%.
Se for aço para contêineres, acrescenta-se um "R" após o grau para indicar isso e, se for usado em baixas temperaturas, usa-se "DR". Por exemplo, 16MnDR indica aço para contêineres de baixa temperatura com uma fração de massa de carbono de 0,16%, uma fração de massa de Mn inferior a 1,5% e contendo pequenas quantidades de elementos de liga, como V, Ti e Nb.
(1) Aço comum de baixa liga
A fração de massa de carbono no aço comum de baixa liga é de 0,10% a 0,25%, e a fração de massa de elementos de liga como Mn, Si, V, Ti, Nb, Cu, P e RE é geralmente inferior a 3%.
Entre eles, os elementos Mn e Si têm um efeito de fortalecimento da solução sólida na ferrita e aumentam a resistência, os elementos V, Ti e Nb podem refinar os grãos e melhorar a tenacidade, os elementos Cu e P podem aumentar a resistência à corrosão e os elementos de terras raras RE são benéficos para a desoxidação, dessulfurização e purificação de impurezas nocivas no aço, o que pode melhorar o desempenho do aço.
O método de numeração para o aço comum de baixa liga é o mesmo do aço comum de baixo carbono, consistindo em três partes em sequência: a letra pinyin chinesa que representa o limite de escoamento (Q), o valor do limite de escoamento e o símbolo do grau de qualidade (A, B, C, D, E), como Q345C.
A resistência ao escoamento do aço de baixa liga comum é 25% a 50% maior do que a do aço de baixo carbono, especialmente a relação de resistência ao escoamento (σs/σb) é significativamente aprimorado. Ele também tem boa plasticidade, tenacidade, soldabilidade e relativamente boa resistência ao desgaste e à corrosão. A Tabela 5 mostra as propriedades mecânicas e as aplicações de alguns aços estruturais de baixa liga.
Tabela 5 Propriedades mecânicas e aplicações de alguns aços estruturais de baixa liga
Grau/MPa | Grau (duas representações) | Espessura do aço Espessura/mm | Propriedades mecânicas | Aplicativo | ||
σb/MP | σs/MPa | δ5 | ||||
300 | Q295(A, B) (09MnNb)① | ≤16 | 410~560 | ≥295 | ≥24 | Navios, caldeiras de baixa pressão, contêineres, pontes, veículos |
>16~25 | 390~540 | ≥275 | ≥23 | |||
350 | Q345(A~E) (16Mn, 16MnRE) | ≤16 | 510~660 | ≥345 | ≥22 | Navios, pontes, grandes estruturas de aço, estruturas de edifícios, contêineres de produtos químicos |
>16~25 | 490~640 | ≥325 | ||||
400 | Q390(A~E) (16MnNb)① | ≤16 | 530~680 | ≥390 | ≥20 | Pontes, estruturas de engenharia portuária, navios, veículos, contêineres de produtos químicos |
>16~20 | 510~660 | ≥375 | ≥19 |
① As notas entre parênteses são os métodos de representação padrão antigos.
(2) Recipiente de aço de baixa liga
O aço de baixa liga para contêineres pertence ao aço de alta resistência de baixa liga. Ele é reforçado para o aço C-Mn pela adição de Mn-Si na base do aço 20 e pela adição de V, N, Nb, Mo etc., na base do aço 16Mn, tornando o aço muito forte.
As placas de aço recomendadas para vasos de pressão de aço incluem principalmente 16MnR, 15MnVR, 18MnMoNbR, 13MnNiMoNbR, 07MnCrMoVR, etc., e os tubos de aço são 16Mn, 15MnV, etc.
O 16MnR tem boas propriedades mecânicas abrangentes, soldabilidade, processabilidade e resistência ao impacto em baixa temperatura, mas é mais propenso a rachaduras durante a soldagem do que o aço de baixo carbono. É usado principalmente para a fabricação de cascas de vasos de pressão de média e baixa pressão e componentes de suporte de pressão, cilindros de gás liquefeito de petróleo e tanques esféricos de pequeno e médio porte entre -20 e 400°C.
O 15MnVR, o 15MnVNR e o 18MnMoNbR têm maior resistência, mas sua plasticidade e tenacidade são inferiores às do aço C-Mn. Eles têm maior sensibilidade ao entalhe e ao envelhecimento, baixa soldabilidade e requisitos rigorosos de processo. São usados principalmente na fabricação de grandes tanques de armazenamento e cascas de suporte de pressão de vasos de alta pressão, torres de síntese de amônia e torres de síntese de ureia que suportam temperaturas ≤470°C e pressões mais altas.
O 07MnCrMoVR tem alta resistência, alta tenacidade e excelente soldabilidade. Para placas com espessura t≤50 mm, a soldagem pode ser feita sem pré-aquecimento ou com um leve pré-aquecimento, sem causar trincas a frio na soldagem. É usado principalmente na fabricação de contêineres esféricos de alto parâmetro, como os de 1000 a 2000 mm3 oxigênio, nitrogênio, hidrogênio, gás liquefeito de petróleo, etileno e outros tanques esféricos de temperatura normal e baixa.
(3) Aço de baixa liga e baixa temperatura
Os materiais geralmente usados em temperaturas abaixo de 0°C são chamados de materiais de baixa temperatura. Os materiais metálicos de baixa temperatura geralmente usam aço de baixa liga, aço de níquel, aço austenítico de cromo-níquel, liga de titânio e liga de alumínio. O aço manganês comum de baixa liga e baixa temperatura usa o manganês como o principal elemento adicionado para melhorar a resistência do aço a baixas temperaturas. O aço carbono manganês-níquel usa manganês e níquel como os principais elementos adicionados para aumentar ainda mais sua resistência a baixas temperaturas.
O aço carbono manganês-níquel tem melhor resistência a baixas temperaturas do que o aço com baixo teor de carbono. O aço 9Ni é um aço austenítico com alto teor de níquel e alta resistência e bom desempenho em baixa temperatura, com boa plasticidade, tenacidade e trabalhabilidade em baixas temperaturas. A Tabela 6 mostra as propriedades mecânicas e as aplicações dos aços de baixa temperatura comumente usados.
Tabela 6 Propriedades mecânicas e aplicações dos aços de baixa temperatura comumente usados
Categoria | Grau | Propriedades mecânicas à temperatura ambiente | Tratamento térmico | Aplicativo | ||
σb/MPa≥ | σs/MPa≥ | δ5(%)≥ | ||||
Aço carbono-manganês | 16MnDR | 450 | 255 | 21 | Normalização ou têmpera | Chapas de aço usadas a -40°C, com frações de massa de S e P inferiores a 16MnR e boa resistência a baixas temperaturas |
09Mn2VDR | 430 | 270 | 22 | Chapas e tubos de aço usados a -70°C, com boa plasticidade, processabilidade semelhante à do aço carbono de baixa temperatura | ||
Aço níquel | 2,25Ni | 450~590 | 255 | 24 | Normalização | O aço de níquel mais econômico usado a -60°C, com melhor resistência a baixas temperaturas do que o aço de baixo carbono |
3,5Ni | 450~690 | 250~440 | 21~29 | Normalização ou têmpera | Aço de níquel padrão usado a -100°C, comumente usado para tubos de aço de troca de calor de baixa temperatura | |
9Ni | 690~830 | 590 | 21 | Têmpera | Aço de níquel usado a -200°C, com boa plasticidade e resistência | |
Aço carbono, manganês e níquel | 15MnNiDR | 460 | 290 | 20 | Normalização | Chapas de aço usadas entre -45 e -70°C, com boa plasticidade e resistência |
09MnNiDR | 430 | 260 | 23 | Normalização ou normalização + têmpera | ||
Aço carbono, manganês, níquel, cromo e molibdênio | 07MnNiCrMoVDR | 610~740 | 490 | 17 | Têmpera | Chapas de aço usadas a -40°C, com boa resistência ao impacto em baixas temperaturas |
Aço austenítico com alto teor de manganês | 15Mn26Al4 | 480 | 200 | 30 | Solução laminada a quente | As chapas de aço usadas a -253°C são de aço austenítico Fe-Mn-Al monofásico, com boa plasticidade e resistência |
3. Aço estrutural de desempenho especial
O aço com propriedades físicas e químicas especiais é chamado de aço de desempenho especial. O aço de desempenho especial comumente usado para peças de chapa metálica inclui aço inoxidável, aço resistente ao calor e aço resistente ao desgaste.
(1) Aço inoxidável e aço resistente ao calor
A GB/T20878-2007 "Stainless Steel and Heat-Resistant Steel Grades and Chemical Composition" lista os tipos de aço inoxidável e aço resistente ao calor de acordo com a classificação metalúrgica, divididos em austenítico, austenítico-ferrítico, ferrítico, martensítico e endurecimento por precipitação.
Os aços inoxidáveis martensíticos comuns, como 12Cr13, 20Cr13 e 30Cr13, são usados principalmente na fabricação de instrumentos médicos.
Os aços inoxidáveis austeníticos comuns, como 06Cr19Ni9 e 12Cr18Ni9, são usados principalmente para fabricar equipamentos que trabalham em meios corrosivos fortes, como torres de absorção, tanques de armazenamento, tubulações e contêineres.
Os aços resistentes ao calor comuns, como o 40Cr10Si2Mo e o 45Cr14Ni14W2Mo, têm alta resistência à oxidação e força em altas temperaturas. Entre eles, o aço austenítico resistente ao calor 45Cr14Ni14W2Mo pode ser usado para fabricar peças que trabalham abaixo de 600°C, como lâminas de turbina e válvulas de escape de motores grandes.
(2) Aço resistente ao desgaste
O aço resistente ao desgaste é usado principalmente na fabricação de peças que suportam desgaste severo e forte impacto, como esteiras de veículos, placas de mandíbulas de trituradores, revestimentos de moinhos de bolas, caçambas de escavadeiras e torneiras de ferrovias. O aço resistente ao desgaste tem boa tenacidade e resistência ao desgaste.
O aço com alto teor de manganês é atualmente o aço resistente ao desgaste mais importante, com um teor de carbono de 0,9% a 1,4% e um teor de manganês de 11% a 14%. Esse aço é difícil de usinar e, em sua maioria, é fundido. Os aços comuns com alto teor de manganês incluem graus como ZGMn13-1, ZGMn13-2, ZGMn13-3 e ZGMn13-4.
II. Materiais metálicos não ferrosos
Metais outros que não o aço, como alumínio, magnésio, cobre e chumbo, e suas ligas são coletivamente chamados de materiais metálicos não ferrosos. Nos materiais metálicos, os materiais de metais não ferrosos ocupam uma posição importante. Entre eles, o alumínio e as ligas de alumínio, o cobre e as ligas de cobre, o titânio e as ligas de titânio têm características como baixa densidade, alta resistência específica, resistência ao calor, resistência à corrosão e condutividade elétrica, que são significativamente superiores ao aço comum e até mesmo superam alguns aços de alta resistência, tornando-os materiais metálicos indispensáveis em chapas metálicas.
1. Alumínio e ligas de alumínio
O alumínio puro tem boa condutividade elétrica e térmica e alta plasticidade, e é frequentemente usado para fabricar condutores e capacitores. Entretanto, devido à sua baixa resistência, não é adequado para uso como material estrutural. Para aumentar sua resistência, elementos de liga (como silício, cobre, magnésio, manganês etc.) são frequentemente adicionados ao alumínio puro para formar ligas de alumínio. Essas ligas de alumínio geralmente ainda têm propriedades especiais, como baixa densidade (cerca de 2,5 a 2,88g/cm3), resistência à corrosão e boa condutividade térmica.
(1) Método de designação do grau do alumínio e da liga de alumínio
O alumínio e as ligas de alumínio usam um grau de sistema de quatro dígitos e um grau de sistema de quatro caracteres para designação. O grupo e a série de graus do alumínio e das ligas de alumínio são mostrados na Tabela 7.
Tabela 7 Grupo e série de graus de alumínio e ligas de alumínio
Grupo | Série de notas |
Alumínio puro (teor de alumínio não inferior a 99,00%) | 1××× |
Liga de alumínio com cobre como principal elemento de liga | 2××× |
Liga de alumínio com manganês como principal elemento de liga | 3××× |
Liga de alumínio com silício como principal elemento de liga | 4××× |
Liga de alumínio com magnésio como principal elemento de liga | 5××× |
Liga de alumínio com magnésio e silício como principais elementos de liga e Mg2Fase Si como fase de reforço | 6××× |
Liga de alumínio com zinco como principal elemento de liga | 7××× |
Liga de alumínio com outros elementos de liga como o principal elemento de liga | 8××× |
Grupo de ligas de reserva | 9××× |
(2) Comparação de classes novas e antigas de alumínio forjado e ligas de alumínio
Por razões históricas, os graus de alumínio forjado e as ligas de alumínio ainda são usados com frequência na produção. Os antigos graus de alumínio e seus produtos de liga são representados por uma combinação de prefixos de código ou símbolos de elementos seguidos por números de composição ou números de sequência combinados com nomes de categorias ou grupos de produtos, incluindo:
1) Os códigos dos produtos são representados por uma combinação de letras pinyin chinesas, símbolos de elementos químicos e algarismos arábicos, como alumínio representado por L, alumínio duro por LY e alumínio à prova de ferrugem por LF.
2) Os códigos para status do produto, métodos de processamento e características são representados por letras pinyin chinesas, como R para processamento a quente, M para estado recozido, T para extra duro, Y para duro, Y1 para 3/4 duro, Y2 para 1/2 duro, Y3 para 1/3 duro e Y4 para 1/4 duro.
Os graus de alumínio puro industrial na China são compilados com base nos limites de impureza, como L1, L2, L3, etc. L é a inicial do pinyin chinês para "alumínio", e quanto maior o número que o segue, menor a pureza. As classificações de alumínio de alta pureza L01 a L04 têm um teor de alumínio superior a 99,93% e, quanto maior o número seguinte, maior a pureza, como L04 com um teor de alumínio não inferior a 99,996%.
As ligas de alumínio podem ser divididas em ligas de alumínio forjado e ligas de alumínio fundido com base em suas características de composição e processo. As ligas de alumínio forjado produzidas na China são classificadas em alumínio duro, alumínio à prova de ferrugem, alumínio superduro e alumínio forjado com base em suas principais características de desempenho.
A Tabela 8 apresenta uma comparação dos novos e antigos graus de alumínio forjado e ligas de alumínio.
Tabela 8 Comparação dos novos e antigos graus de alumínio forjado e ligas de alumínio
Novo grau (GB/T3190-2008) | Grau antigo |
1035 | L4 |
1050A | L3 |
1060 | L2 |
1070A | L1 |
1100 | L5-1 |
1200 | L5 |
5056 | LF5-1 |
5083 | LF4 |
1A85 | LG1 |
1A50 | LB2 |
1A30 | L4-1 |
2A01 | LY1 |
2A02 | LY2 |
2A04 | LY4 |
2A06 | LY6 |
2A10 | LY10 |
2A11 | LY11 |
2B11 | LY8 |
2A12 | LY12 |
2B12 | LY9 |
2A13 | LY13 |
2A14 | LD10 |
2A16 | LY16 |
2B16 | LY16-1 |
2A17 | LY17 |
2A20 | LY20 |
2A21 | 214 |
2A25 | 225 |
2A49 | 149 |
2A50 | LD5 |
2B50 | LD6 |
2A70 | LD7 |
2B70 | LD7-1 |
2A80 | LD8 |
2A90 | LD9 |
3A21 | LF21 |
4A01 | LT1 |
4A11 | LD11 |
4A13 | LT13 |
4A17 | LT17 |
6061 | LD30 |
6063 | LD31 |
6070 | LD2-2 |
7003 | LC12 |
1A99 | LG5 |
1A97 | LG4 |
1A93 | LG3 |
1A90 | LG2 |
4A91 | 491 |
5A01 | LF15 |
5A02 | LF2 |
5A03 | LF3 |
5A05 | LF5 |
5B05 | LF10 |
5A06 | LF6 |
5B06 | LF14 |
5A12 | LF12 |
5A13 | LF13 |
5A30 | LF16 |
5A33 | LF33 |
5A41 | LT41 |
5A43 | LF43 |
5A66 | LT66 |
6A01 | 6N01 |
6A02 | LD2 |
6B02 | LD2-1 |
6A51 | 651 |
7A01 | LB1 |
7A03 | LC3 |
7A04 | LC4 |
7A05 | 705 |
7B05 | 7N01 |
7A09 | LC9 |
7A10 | LC10 |
7A15 | LC15, 157 |
7A19 | LC19, 919 |
7A31 | 183-1 |
7A33 | LB733 |
7A52 | LC52 |
8A06 | L6 |
(3) Propriedades mecânicas, principais características e aplicações de alumínio e ligas de alumínio comumente usadas
A Tabela 9 apresenta as propriedades mecânicas, as principais características e as aplicações do alumínio e das ligas de alumínio comumente usadas.
Tabela 9 Propriedades mecânicas, principais características e aplicações de alumínio e ligas de alumínio comumente usadas
Grau | Estado do material | Resistência ao cisalhamento τ//MPa | Resistência à tração σb/MPa | Alongamento δ10(%) | Resistência ao escoamento σs/MPa | Principais características e aplicações |
1070A(L1), 1050A(L3), 1200(L5) | Recozimento | 78 | 74~108 | 25 | 49~78 | Ele tem alta resistência à corrosão, alta plasticidade, condutividade elétrica e condutividade térmica, é fácil de processar sob pressão, tem boa soldabilidade, mas baixa resistência mecânica e baixa usinabilidade. É usado principalmente para peças que não suportam carga e placas de identificação. |
Endurecimento por trabalho a frio | 98 | 118~147 | 4 | Um | ||
3A21(LF21) | Recozimento | 69~98 | 108~142 | 19 | 49 | É o alumínio à prova de ferrugem mais usado, com baixa resistência e não pode ser reforçado por tratamento térmico, portanto, os métodos de trabalho a frio são frequentemente usados para melhorar suas propriedades mecânicas. Tem alta plasticidade no estado recozido, baixa plasticidade durante o endurecimento por trabalho a frio, boa resistência à corrosão, boa soldabilidade e baixa usinabilidade. É usado para peças de baixa carga que trabalham em meios líquidos ou gasosos. |
Endurecimento por trabalho semicongelado | 98~137 | 152~196 | 13 | 127 | ||
5A02(LF2) | Recozimento | 127~158 | 177~225 | 20 | 98 | Tem alta resistência à fadiga, plasticidade e resistência à corrosão, não pode ser reforçado por tratamento térmico, tem boa usinabilidade no estado de endurecimento por trabalho a frio ou semicongelamento e baixa usinabilidade no estado recozido, pode ser polido. É usado para contêineres ou peças de carga média que trabalham em meios líquidos ou gasosos. |
Endurecimento por trabalho semicongelado | 158~196 | 225~275 | - | 206 | ||
7A04(LC4) | Recozimento | 170 | 250 | - | Um | Usado para peças estruturais de suporte de carga principal com requisitos de leveza, como vigas de aeronaves, treliças, estruturas de reforço, juntas de revestimento e trens de pouso. |
Resfriamento e envelhecimento artificial | 350 | 500 | - | 460 | ||
2A12(LY12) | Recozimento | 103~147 | 147~211 | 12 | 104 | É um alumínio duro de alta resistência que pode ser reforçado por tratamento térmico. No estado recozido e recém-temperado, tem plasticidade média, boa soldabilidade e resistência moderada à corrosão. É usado para fabricar várias peças ou componentes de alta carga. |
Resfriamento e envelhecimento natural | 275~314 | 392~432 | 15 | 361 | ||
Endurecimento por trabalho a frio após a têmpera | 275~314 | 392~451 | 10 | 333 |
2. Cobre e ligas de cobre
O cobre puro pode ser dividido em produtos de fundição e produtos de processamento. Os produtos de fundição podem ser divididos em cobre nº 1, cobre nº 2 e cobre nº 3 com base na fração de massa das impurezas. Os produtos de processamento são divididos em cobre puro, cobre livre de oxigênio e cobre desoxidado com fósforo com base na fração de massa de oxigênio e nos métodos de produção.
O método de numeração para cobre puro começa com a inicial em pinyin chinês "T" para "cobre", seguida de 1, 2, 3, indicando T1, T2, T3. Os métodos de numeração para cobre livre de oxigênio e cobre desoxidado com fósforo são "T" + U (a inicial em pinyin para "no") + número de série e "T" + P + número de série, respectivamente.
O cobre puro é um metal precioso, com vantagens excepcionais de excelente condutividade elétrica, condutividade térmica e boa resistência à corrosão, mas baixa resistência e dureza muito baixa, com plasticidade muito boa. Ele é usado principalmente como vários materiais condutores e materiais condutores térmicos.
Para utilizar as vantagens do cobre puro e melhorar suas propriedades mecânicas, elementos de liga podem ser adicionados ao cobre puro para formar ligas de cobre. Essas ligas de cobre geralmente ainda têm boa condutividade elétrica, condutividade térmica, resistência à corrosão, resistência magnética e propriedades mecânicas suficientemente altas.
(1) Método de representação do grau da liga de cobre
As ligas de cobre podem ser divididas em ligas de cobre forjadas e ligas de cobre fundidas com base nos processos de produção e em três categorias com base na composição química: bronze com Zn como principal elemento aditivo, bronze com Sn, Al, Be, Si, Ce, Cr como principais elementos aditivos e cuproníquel com Ni como principal elemento aditivo.
O cuproníquel é uma liga de cobre e níquel, usada principalmente para fabricar peças resistentes à corrosão em máquinas e instrumentos de precisão, bem como resistores e termopares. Em componentes de chapa metálica, o latão e o bronze são mais amplamente utilizados.
1) Latão (liga de cobre e zinco). O método de representação de grau para latão é o seguinte:
① O grau do latão comum começa com "H" (H é a primeira letra do pinyin para "amarelo"), seguido pelo valor do teor de cobre (em porcentagem), como H96, que indica latão comum com uma fração de massa de cobre de aproximadamente 96%.
② O grau do latão especial ainda começa com "H", seguido pelo símbolo do principal elemento aditivo e, em seguida, pelo valor do teor de cobre (em porcentagem), como HNi65-5, que indica latão de níquel com uma fração de massa de cobre de aproximadamente 65% e uma fração de massa de níquel de aproximadamente 5%.
2) Cuproníquel (liga de cobre e níquel). O método de representação do grau do cuproníquel é o seguinte:
① O grau do cuproníquel comum começa com "B" (B é a primeira letra do pinyin para "branco"), seguido pelo valor do teor de níquel (em porcentagem), como B5, que indica cuproníquel comum com uma fração de massa de níquel de aproximadamente 5%.
② O grau do cuproníquel especial ainda começa com "B", seguido pelo símbolo do principal elemento aditivo e, em seguida, pelo valor do teor de níquel (em porcentagem), como BFe10-1-1, que indica cuproníquel de ferro com uma fração de massa de níquel de cerca de 10%.
3) Bronze. Todas as outras ligas de cobre, com exceção do latão e do cuproníquel, são chamadas de bronze. Para diferenciá-las, o nome do elemento é prefixado ao bronze, como bronze de estanho, bronze de alumínio, bronze de berílio, bronze de manganês, bronze de silício etc.
O método de representação do grau do bronze é o seguinte: começa com "Q" (Q é a primeira letra do pinyin para "verde"), seguido pelo símbolo do elemento aditivo principal e, em seguida, o valor do conteúdo do elemento aditivo principal (fração de massa), como QSn1.5-2, que indica bronze de estanho com uma fração de massa de estanho de cerca de 1,5%.
(2) Propriedades mecânicas, principais características e aplicações de cobre comum e ligas de cobre
A Tabela 10 apresenta as propriedades mecânicas, as principais características e as aplicações do cobre comum e das ligas de cobre.
Tabela 10 Propriedades mecânicas, principais características e aplicações de cobre comum e ligas de cobre
Nome do material | Grau | Estado do material | Resistência ao cisalhamento τ/MPa | Resistência à tração σb/MPa | Alongamento δ10(%) | Resistência ao rendimento σs/MPa | Principais características e aplicações |
Cobre puro | T1, T2, T3 | Suave | 157 | 196 | 30 | 69 | Tem alta condutividade elétrica, condutividade térmica, resistência à corrosão e boa ductilidade e usinabilidade, mas baixas propriedades mecânicas e não pode ser usado como peças estruturais. É usado principalmente na fabricação de tubos de óleo, juntas de vedação, rebites e peças condutoras. |
Difícil | 235 | 294 | 3 | - | |||
Latão | H62 | Suave | 255 | 294 | 35 | - | Tem boas propriedades mecânicas, melhor plasticidade no estado quente do que no estado frio, boa usinabilidade, fácil brasagem e soldagem, resistência à corrosão, mas propenso a rachaduras por corrosão sob tensão. É barato e amplamente utilizado. Usado principalmente para fabricar várias peças de repuxo profundo e peças de suporte de carga feitas por flexão, como parafusos, porcas, radiadores etc. |
Semi-dura | 294 | 373 | 20 | 196 | |||
Difícil | 412 | 412 | 10 | - | |||
H68 | Suave | 235 | 294 | 40 | 98 | Tem boa plasticidade, alta resistência, boa usinabilidade, fácil soldagem, pode suportar a corrosão geral, mas é propenso a rachaduras por corrosão sob tensão. Usado principalmente para fabricar várias peças complexas de repuxo profundo e peças condutoras de calor, como tubos, foles, gaxetas etc. | |
Semi-dura | 275 | 343 | 25 | - | |||
Difícil | 392 | 392 | 15 | 245 | |||
Latão com chumbo | HPb59-1 | Suave | 300 | 350 | 25 | 145 | Tem boa usinabilidade, boas propriedades mecânicas, pode suportar processamento de pressão quente e fria, fácil brasagem e soldagem, boa estabilidade contra corrosão geral, mas tem uma tendência a rachaduras por corrosão sob tensão. Adequado para a fabricação de várias peças estruturais por estampagem a quente e usinagem, como parafusos, arruelas, juntas, buchas, porcas etc. |
Difícil | 400 | 450 | 5 | 420 | |||
Latão com manganês | HMn58-2 | Suave | 340 | 390 | 25 | 170 | Boa resistência à corrosão. Adequado para a fabricação de peças de instrumentos, peças de amortecedores e também para a fabricação de peças soldadas de alta resistência. |
Semi-dura | 400 | 450 | 15 | - | |||
Difícil | 520 | 600 | 5 | - | |||
Bronze fosforoso de estanho, zinco de estanho Bronze | QSn6.5-0.4 QSn4-3 | Suave | 255 | 294 | 38 | 137 | Possui alta resistência ao desgaste e elasticidade, além de boa resistência magnética. É usado principalmente na fabricação de molas e seus elementos elásticos, peças resistentes ao desgaste, etc. |
Difícil | 471 | 539 | 3~5 | - | |||
Extra duro | 490 | 637 | 1~2 | 535 | |||
Bronze de alumínio | QAl7 | Recozimento | 520 | 600 | 101 | 186 | Processamento sob pressão no estado frio. Resistente ao atrito leve, boa resistência à corrosão e certa resistência ao ácido sulfúrico e ao ácido acético. Adequado para a fabricação de peças que trabalham com água do mar, peças químicas, contatos móveis, etc. |
Não recozido | 560 | 650 | 5 | 250 | |||
Alumínio Bronze Manganês | QAl9-2 | Suave | 360 | 450 | 18 | 300 | Tem alta resistência, muito boa resistência à corrosão na atmosfera e na água do mar, pode ser soldado eletricamente e a gás, não é fácil de soldar, tem boa capacidade de processamento de pressão nos estados quente e frio. Usado principalmente para fabricar peças resistentes à corrosão de alta resistência e acessórios de tubulação que trabalham em meios de vapor abaixo de 250°C e peças em embarcações marítimas. |
Difícil | 480 | 600 | 5 | 500 | |||
Bronze de silício e manganês | QSi3-1 | Suave | 280~300 | 350~380 | 40~45 | 239 | Tem alta resistência e elasticidade, boa resistência ao desgaste, boa plasticidade e não diminui em baixas temperaturas. É fácil de brasar e soldar, não produz faíscas quando atingido, tem boa resistência à corrosão, mas efeito de tratamento térmico ruim. Geralmente é usado no estado endurecido por trabalho a frio. Usado para fabricar molas, elementos elásticos, peças que trabalham em meios corrosivos, bem como rodas sem-fim, engrenagens, buchas etc. |
Difícil | 480~520 | 600~650 | 3~5 | 540 | |||
Extra duro | 560~600 | 700~750 | 1~2 | - | |||
Bronze de berílio | QBe2 | Suave | 240~480 | 300~600 | 30 | 250~350 | Possui altíssima resistência, elasticidade, limite de escoamento e limite de fadiga, além de alta condutividade, condutividade térmica, resistência ao desgaste e dureza. Não é magnético, não produz faíscas quando atingido e é fácil de soldar e brasar. Tem boa resistência à corrosão na atmosfera e na água do mar. Usado para fabricar vários instrumentos de precisão, molas e elementos elásticos em instrumentos, várias peças resistentes ao desgaste e rolamentos e buchas que trabalham sob alta temperatura, alta pressão e alta velocidade. |
Difícil | 520 | 660 | 2 | - |
3. Titânio e ligas de titânio
Os materiais de titânio podem ser divididos em titânio quimicamente puro (titânio iodado), titânio industrial puro e ligas de titânio com base na fração de massa de sua composição. O titânio quimicamente puro é o titânio de alta pureza, representado pelo TAD, com uma pureza de até 99,95% e uma pequena fração de massa de impurezas. O titânio puro industrial tem uma fração de massa de impurezas um pouco maior e pode ser dividido em nove graus com base no conteúdo de impurezas, com graus representados por TA1, TA2, TA3 etc., com a pureza diminuindo à medida que o número de sequência aumenta.
A resistência ao escoamento e a resistência à tração do titânio industrial puro à temperatura ambiente são próximas, com uma grande taxa de escoamento e baixo módulo de elasticidade. No entanto, à medida que a temperatura aumenta, a resistência diminui para cerca de metade daquela à temperatura ambiente. Por outro lado, à medida que a temperatura diminui, a resistência aumenta, mas a plasticidade diminui significativamente. No caso do titânio puro industrial de alta pureza, não há fragilidade de transição em baixa temperatura, e a resistência ao impacto aumenta em baixas temperaturas. Portanto, o TA1 e o TAD podem ser usados com segurança a -196°C.
Para melhorar certas propriedades do titânio puro, elementos de liga são frequentemente adicionados ao titânio puro para fortalecimento, formando ligas de titânio. Os principais elementos de liga adicionados incluem Al, Sn, V, Cr, Mo, Fe, Si, etc. A adição de elementos de liga pode melhorar a força, a resistência ao calor e a resistência à corrosão das ligas de titânio até certo ponto.
As ligas de titânio são divididas em ligas de titânio deformadas (processadas) e ligas de titânio fundidas com base no método de formação, e em ligas de titânio estruturais (temperatura de trabalho abaixo de 400°C), ligas de titânio resistentes ao calor (temperatura de trabalho acima de 400°C) e ligas de titânio resistentes à corrosão com base nas características de uso.
(1) Método de designação do grau do titânio e da liga de titânio
O grau do titânio e das ligas de titânio é composto pela letra "T" + uma letra que representa o tipo de metal ou a estrutura do elemento de liga (A, B, C) e um número de sequência, sendo que "ELI" indica intersticial extra baixo. A representa o titânio do tipo α e as ligas de titânio do tipo α, B representa as ligas de titânio do tipo β e C representa as ligas de titânio do tipo α+β. Os diferentes estados estruturais de vários titânios e ligas de titânio têm características diferentes.
(2) Propriedades mecânicas, principais características e aplicações de titânio e ligas de titânio comumente usadas
A Tabela 11 mostra as propriedades mecânicas, as principais características e as aplicações do titânio e das ligas de titânio comumente usadas.
Tabela 11 Propriedades mecânicas, principais características e aplicações de titânio e ligas de titânio comumente usadas
Nome do material | Grau | Estado do material | Resistência ao cisalhamento τ/MPa | Resistência à tração σb/MPa | Alongamento δ10(%) | Resistência ao escoamento σs/MPa | Principais características e aplicações |
Liga de titânio | TA1 | Recozido | 360~480 | 450~600 | 25~30 | - Um | Baixa densidade, alta resistência específica, bom desempenho em altas e baixas temperaturas, excelente resistência à corrosão, usado principalmente para a fabricação de peças estruturais do setor aeroespacial, como parafusos, rebites, peças de chapa metálica etc. |
TA2 | 440~600 | 550~750 | 20~25 | - | |||
TB5 | 640~680 | 800~850 | 15 | - |
Observação: os dois primeiros dígitos do grau indicam o código do tipo de estrutura de titânio ou liga de titânio, e o terceiro dígito indica o número de sequência do titânio ou da liga de titânio.