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Aços Refratários e Aços Criogênicos

Processos de Fabricação I - FAESA 2013/01
by

Bruno Camata

on 18 June 2013

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Transcript of Aços Refratários e Aços Criogênicos

Indústria Aeronáutica
Indústria Petroquímica
Indústria Automobilística
Turbinas a Gás e a Vapor
Equipamentos para aquecimento como fornos e estufas
Entre outras
Processos de Fabricação I
Augusto Melotti
Breno Perini
Buno Camata
Prof. Eng° M.Sc. Mauricio Fonseca Filho
Bruno Martins
Michel Peterli
Pablo Nascimento
Aço
Aços Refratários
Aços Criogênicos
Aços resistentes ao calor, também chamados "aços refratários", são aqueles que quando expostos de modo contínuo ou intermitente, em meios de várias naturezas (gasosos ou líquidos), à ação de temperaturas elevadas, apresentam capacidade de suportarem aquelas condições de serviços, química e mecanicamente.
Definição:
Aplicações
Características
Resistência à Fluência
Resistência à Corrosão e à Oxidação a Altas Temperaturas
Expansão Térmica
Estabilidade Microestrutural/Metalúrgica
Resitência à Fadiga
Aços-Liga
Resistência à Fluência
É o fenômeno de deformação lenta sob a ação de uma carga constante aplicada durante um longo período de tempo.
Curva de Fluência, determinada em ensaio sob carga constante a uma temperatura superior a 400ºC
Resistência à Corrosão e à Oxidação a altas temperaturas
Expansão Térmica
Estabilidade
Microestrutural/Metalúrgica
Resistência à Fadiga
"Aço é a liga ferro-carbono contendo geralmente 0,008% até aproximadamente 2,11% de carbono, além de certos elementos residuais, resultantes dos processos de fabricação."
Fadiga é uma falha que pode ocorrer sob solicitações bastante inferiores ao limite de resistência do metal ou outros materiais, isto é, na região elástica.

É consequência de esforços alternados, que produzem trincas, em geral na superfície, devido à concentração de tensões.
A resistência à corrosão e à oxidação a altas temperaturas dependem de fatores como:

Elementos devem ser formadores de óxidos;
Superfícies sem descontinuidade;
A taxa de formação da camada dos óxidos deve obedecer uma função logarítmica;
Relação do volume de óxido formado deve ser maior do metal.
Tem importância sob o ponto de vista de projeto, quando são necessárias nas peças tolerâncias muito estreitas e sob o ponto de vista de empenamento, fenômeno este estritamente ligado à expansão térmica do metal.
Condição essencial, sobretudo porque certas ligas, ainda que apresentem excelente resistência mecanica à temperatura ambiente, podem falhar rapidamente quando em serviço a altas temperaturas, sob ação de cargas muito menores, devido à ocorrência de alguma modificação na sua estrutura interna ou à precipitação de constituintes frágeis nos contornos dos grãos.
Tipos de aços refratários
A resistência à fluência dos metais e ligas metálicas depende de uma série de fatores, entre os quais a composição, o tamanho de grão e o tratamento térmico.
Estudo de Caso
Estudo de Caso
A partir de 5-6% de cromo, esse elemento sozinho ou juntamente com o níquel, os aços tornam-se propriamente refratários. Assim sendo, esses tipos de materiais podem ser reunidos em dois grupos principais:
aço-cromo, com cromo que pode variar de 5% até cerca de 30%;
aços-cromo-níquel, do tipo austenítico, apresentando cromo desde 16% até 26% e níquel desde 8% até cerca de 22%.
Conclusão
Temperatura
Carga
=
Granulação Grosseira
Temperatura
Carga
=
Granulação Fina
Ruptura ao longo dos grãos
Ruptura no interior dos grãos
Aços fundidos resistentes ao calor
Fornos metalúrgicos;
Equipamentos para refino de óleo;
Fornos de cimento;
Equipamento para fabricação de borracha sintética;
Entre outros.
Aplicações
Aços-cromo
Aços cromo-níquel
Aços-cromo-níquel
Cromo variando de 10 a 30% com pequena ou nenhuma porcentagem de níquel presente. Utilizados principalmente para resistirem à oxidação; apresentam baixa resistência a altas temperaturas.
Do tipo austenítico, contendo 18% ou mais de cromo e 5% ou mais de níquel. Utilizados em condições oxidantes ou redutoras; apresentam maior resistência e ductilidade que os aços-cromo
Também do tipo austenítico, porém o níquel predomina sobre o cromo, com mais de 25% de Ni e mais do que 10% de Cr, com ótimas características para suportar tanto atmosferas oxidantes como redutores (exceto quando considerável quantidade de enxofre estiver presente)
Estruturas de granulação grosseira são as mais indicas (para altas temperaturas);
Devido a granulação, as estruturas fundidas são mais resistentes que as trabalhadas;
Estruturas estáveis são mais resistentes que as metaestáveis;
Estruturas do tipo austenítico são mais resistentes que as do tipo ferrítico;
Uma maior durabilidade a uma temperatura elevada geralmente resulta em ruptura com menor ductilidade;
As rupturas a altas temperaturas são geralmentes intercristalinas (ao contrário das rupturas através dos grãos que ocorrem normalmente a temperatura ambiente.
Definição:
São aços utilizados em serviços envolvendo temperaturas abaixo de 0, e são divididos em dois tipos:
Aços para temperaturas até -100ºC
Aços criogênicos propriamente ditos para temperaturas até -273ºC (Inox 304, 316 etc..)
O processo criogênico não é um substituto de outros tratamentos térmicos de aço, mas uma extensão do ciclo térmico.(RUSINOL, 2004)
Tratamento Criogênico
O tratamento criogênico no aço consiste em resfriar lentamente o aço até -196ºC e manter nesta temperatura por um determinado tempo
Foto tirada de um microscópio com aumento de 200x com ataque
Alteração nas propriedades Mecânicas
Nos estudos feitos por COLLINS(1998) pode-se conferir que as principais propriedades afetadas pelo tratamento criogênico são:

dureza;
tenacidade;
resistência ao desgaste;

além de agregar estabilidade dimensional (1998)
Aços inoxidáveis Austeníticos
Os aços inoxidáveis austeníticos tais como 304 (1.4301) e 316 (1.4401) são considerados “fortes” nas temperaturas criogênicas e podem ser classificados como “aços criogênicos”.
O material se deforma pouco, antes de fraturar.
O processo de propagação de trinca pode ser muito veloz, gerando situações catastróficas.
A partir de um certo ponto, a trinca é dita instável porque se propagará mesmo sem aumento da tensão aplicada sobre o material.
Célula tetragonal de corpo centrado (martensita) resultante da distorção de uma célula CCC
Em situações onde as temperaturas podem atingir os-196°C (para o nitrogênio líquido) ou -250°C (para o hidrogênio líquido) é importante considerar o fenômeno de transição , isto é, a passagem da fratura frágil para a fratura dúctil.
Fratura dúctil:
O material se deforma substancialmente antes de fraturar.
O processo se desenvolve de forma relativamente lenta à medida que a trinca propaga.
Este tipo de trinca é denomidado estável porque para ela de se propagar a menos que haja uma aumento da tensão aplicada no material.
Fratura frágil:
Isso é o resultado da estrutura atômica (cubo de face centrado) da austenita, que é o resultado da adição de níquel nesses aços.
Eles podem ser considerados adequados para temperaturas em ambiente sub zero, algumas vezes mencionados em trabalhos com aplicações e situações sub – ártico e ártico (tipicamente baixa até – 40ºC).
Os navios tipo Liberty, da época da 2ª Guerra, que literalmente quebraram ao meio. Eles eram fabricados de aço com baixa concentração de carbono, que se tornou frágil em contato com as águas frias do mar.
Exemplos de problemas por fratura frágil
Indústria Aeroespacial
Uma das mais importantes aplicações de aços criogênicos é na indústria aeroespacial, devido a manter suas propriedades físicas mesmo a baixas temperatura, este material pode e deve ser utilizado na fabricação de naves e estações espaciais, se utilizados materiais convencionais para a fabricação dos mesmos ao menor contato com outro corpo certamente a estrutura racharia.
A indústria naval já adotou a muito tempo a utilização do aço inoxidável austenítico pois um navio navegando pelo oceano glacial antártico, por exemplo, se bater em um iceberg, devido ao frio intenso, se não for austenítico o casco perderá as características de ductibilidade e resistência mecânica levando-o a pique devido a uma rachadura no seu casco, lembrando q esta rachadura se propagaria com a velocidade do som neste casco.
Indústria Naval
Indústria Química
Indústria Petroquímica
Indústria de Gás Natural
Aplicações
Praticamente em todos os setores industriais os aços criogênicos podem ser utilizados, em especial:
Indústria Aeroespacial
Indústria Naval
Composto químicos, líquidos e gasosos, que estejam a temperaturas criogências podem ser transportados utilizando-se dutos (canos) de aço inoxidável criogênico, assim os tubos não ficariam frágeis, e não se partiriam com o menor dos tremores, por exemplo (temperatura de liquefação de compostos quimicos são muito baixas).
Transporte de Químicos
Referências Bibliográficas
CHIAVERINI, VICENTE. Aços e ferros fundidos. 6ª edição. São Paulo: ABM, 1988.
Aços-liga são aços que possuem elementos de ligas presentes nos aços carbono em proporções mais altas, ou aços que possuam elementos de ligas que normalmente não entram na composição dos aços carbono. Conforme a percentagem total de elementos de liga distingue-se:
Classificação
Aços de baixa liga – até 5% de elementos de liga
Aços de média liga – de 5% até 10% de elementos de liga
Aços de alta liga – mais de 10% de elementos de liga
!
Curiosidade
Modos e falha mais frequentes em componentes das TG
Valores típicos da temperatura de funcionamento de alguns
componentes de uma TG
A adição de elementos de liga tem o objetivo modifiquem melhorem substancialmente uma ou mais de suas propriedades dos materiais, quer sejam físicas, mecânicas ou químicas.
Definição e objetivo dos elementos de Liga
Elementos químicos adicionados a uma matriz visando a formação de ligas metálicas.
Elementos de liga mais comuns
Cr
Ni
V
Mo
Al
Co
W
Cu
Nb
Ti
Principais Ligas
As classes de liga mais utilizadas são:

Fe-Ni;
Fe-Cr-Ni;
Cr-Ni;
Co-Cr;
Cr-Ni-Co

com adições de elementos de liga tais como tungstênio, molibdênio, tântalo, nióbio, titânio;
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