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Universidade Federal de Campina Grande
Centro de Ciências e Tecnologia
Unidade Acadêmica de Engenharia Mecânica
Bacharelado em Engenharia Mecânica
Materiais de Construção Mecânica II
Ferros Fundidos
Campina Grande – PB
2024
Prof. Gabriel de Castro Coêlho

Prof. Gabriel de Castro Coêlho MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA II
1. Introdução
2. Ferro Fundido Branco
3. Ferro Fundido Cinzento
4. Ferro Fundido Mesclado e
Coquilhado
5. Ferro Fundido Nodular
6. Ferro Fundido Austemperado – ADI
7. Ferro Fundido Vermicular
8. Ferro Fundido Maleável
2
Roteiro

❑ Ligas Fe-C-X com %C > 2%
▪ Sol. máx. na austenita;
▪ Maiores teores favorecem formação de grafita
ou carbonetos primários (1 a 10 μm).
❑ Principais propriedades:
▪ Boa fundibilidade;
▪ Boa usinablidade
▪ Boa resistência ao desgaste
▪ Baixa ductilidade e tenacidade;
❑ Aplicações em geral:
▪ Conexões hidráulicas e tubos;
▪ Suporte de molas;
▪ Carcaças em geral;
▪ Cubos de roda;
▪ Válvulas;
▪ Bloco de motor, etc.
3
1. Introdução

❑ Linha líquidus (L) diminui
com ↑%C:
▪ Mais fácil fundir;
▪ Formabilidade piora
(carbonetos ou grafita).
❑ Nos FoFos, o C pode
estar presente:
▪ Dissolvido;
▪ Cementita;
▪ Grafita.
4
1. Introdução

Classificação
❑ Empírica;
❑ Aspecto de fratura:
▪ Mais comum;
▪ FoFo branco:
✓ Cementita;
✓ Fratura cristalina com aspecto claro.
▪ FoFo cinzento:
✓ Grafita;
✓ Fratura escura e acinzentada.
5
1. Introdução

Classificação
❑ Morfologia da grafita:
▪ Solidificação – etapa
crítica;
▪ Controle morfológico –
mudança de
propriedades;
▪ Morfologias:
✓ Lamelar;
✓ Nodular;
✓ Vermicular.
6
1. Introdução
▪ Classificação ASTM e AFS:
✓ A – irregular desorientada;
✓ B – em roseta;
✓ C – desigual e irregular;
✓ D – interdendrítica desorientada;
✓ E – interdendrítica orientada.

Classificação
❑ Morfologia da grafita:
▪ ISO 945 (2017):
I. Lamelar;
II. Crab;
III. Vermicular ou
compacta;
IV. Nodular irregular;
V. Nodular incerta;
VI. Nodular regular.
7
1. Introdução

Classificação
❑ Pela microestrutura:
8
1. Introdução F = ferrita
P = Perlita
M = Martensita
B = Bainita

Efeito da Velocidade de Resfriamento
❑ Velocidades mais lentas:
▪ Solidificação estável (equilíbrio);
▪ Grafita.
❑ Velocidade mais rápidas:
▪ Solidificação metaestável;
▪ Cementita.
❑ Controle da velocidade:
▪ Efeito de seção da peça:
✓ Seções grandes – resfriamento mais lento;
✓ Seções pequenas – resfriamentos mais rápidos.
▪ Material do molde:
✓ Areia de condutividade térmica baixa –
resfriamento lento;
✓ Coquilhas (metálicas) – resfriamento mais rápido.
9
1. Introdução
Secção próxima ao ponto eutético, no
diagrama de equilíbrio do sistema Fe-C. TEE
– Temperatura de equilíbrio estável; TEM –
Temperatura de equilíbrio metaestável
L
L+γ L+G
L+Fe3C
TEE
TEM
1153°C
1147°C

10
1. Introdução
❑ ASTM A367:
▪ Teste de fundição de
cunha;
▪ Variação de
espessura e taxa de
resfriamento.
FoFo branco – cementita (metaestável)
FoFo cinzento – grafita (estável)

11
1. Introdução
❑ Influência na microestrutura:
▪ Variação microestrutural
causada por diferentes
velocidade de resfriamento;
▪ Diferentes propriedades.

12
1. Introdução
❑ Influência na temperatura eutética:
▪ Redução da TE e TEM com o aumento
da velocidade de resfriamento:
TE > TEM
Grafita precipita
▪ Velocidade crítica:
TE = TEM
Cementita e grafita se precipitam
▪ Para maiores velocidades:
TE < TEM
Cementita precipita

13
1. Introdução
❑ Influência na temperatura eutética:
▪ Análise térmica para desenvolvimento e controle de qualidade.
O super-resfriamento constitucional ocorre na solidificação de uma liga, em razão
da composição química da fase sólida ser diferente da composição química da
fase líquida. A solubilidade do soluto na fase sólida é menor do que na fase
líquida. Portanto, existe um gradiente de concentração de soluto da interface
sólido-líquido para o metal líquido. A variação de concentração provoca uma
diminuição da temperatura liquidus, facilitando a solidificação numa direção,
contribuindo para um super-resfriamento constitucional a partir da interface (S-L).
Ferro Fundido Cinzento Ferro Fundido Branco Ferro Fundido Mesclado
Tℓ – Início da solidificação da austenita pró-eutética;
Tf – Temperatura final de solidificação

Efeito da Composição Química
❑ Efeito que causam na estabilidade
da cementita;
❑ Elementos comuns:
▪ C;
▪ Si;
▪ Mn;
▪ S;
▪ P, etc.
14
1. Introdução
𝐶𝑒𝑞 = %𝐶 +
(%𝑆𝑖 + %𝑃)
3

❑ Carbono (C):
▪ 2% < %C < 4%;
▪ ↓%C tendem a formar cementita (FoFo
branco) – dureza cresce com aumento
do teor
▪ ↑%C tendem a formar grafita (FoFo
cinzento).
❑ Silício (Si):
▪ Reduz a estabilidade da cementita;
▪ Favorece decomposição Cem → F + G;
▪ Pouco ou nenhum %Si – fratura branca;
15
1. Introdução

❑ Silício (Si):
▪ Diagrama Fe-C-Si;
▪ Influência na temperatura
eutética.
16
1. Introdução
Diagrama estável Fe-C-Si para uma liga contendo 2%Si.
Influência do Si nas temperaturas de equilíbrio eutéticos.

❑ Manganês (Mn):
▪ Dificulta a decomposição da cementita;
▪ Dissolve-se na cementita – (Fe,Mn)3C;
▪ Em teores elevados, neutraliza a ação do
Si – FoFo branco;
▪ Em excesso, estabiliza perlita;
▪ Principal papel:
✓ Neutralizar ação do S (dessulfurante);
✓ Forma MnS;
✓ 0,20% < %Mn < 0,30% - matriz ferrítica;
✓ 0,40% < %Mn < 0,60 – matriz perlítica.
17
1. Introdução
❑ Enxofre (S):
▪ %S é mais elevado que nos aços;
▪ Forma inclusões não metálicas
prejudiciais:
✓ FeS – frágil e duro;
✓ MnS com formato inadequado.
▪ %S > 0,15% - causa defeitos:
✓ Retenção de gases;
✓ Rechupes;
✓ Redução de fluidez;
✓ Formas anormais da grafita e carbonetos.
▪ Papel importante na morfologia da grafita;
▪ Ajuste de %S e %Mn em FoFo cinzento
tem impacto direto nas propriedades
mecânicas.

❑ Fósforo (P):
▪ Em teores baixos e médios:
✓ Grafitizante;
✓ Não desempenha papel importante;
▪ Em teores altos:
✓ Estabilizador da cementita;
✓ Fragilizante.
▪ Esteadita - %P > 0,15%:
✓ Composto eutético de Fe e C;
✓ Aparência branca e perfurada;
✓ Nos CG – duro e frágil;
✓ Diminui a ductilidade;
✓ Dependendo da quantidade e distribuição, diminui o
limite de resistência à tração e dificulta a usinagem.
▪ Aumenta a fluidez do metal líquido.
18
1. Introdução

19
1. Introdução

20
1. Introdução

❑ Propriedades:
▪ Alta dureza;
▪ Elevadíssima resistência ao desgaste;
▪ Ductilidade muito baixa;
▪ Baixa usinabilidade.
❑ Não possuem grafita, formam
cementita.
❑ Obtenção:
▪ Controle de composição química (%C
e %Si);
▪ Velocidade de resfriamento.
❑ Tipos:
▪ Hipoeutetéticos;
▪ Hipereutéticos;
▪ Eutéticos.
21

FoFo Branco Hipoeutético
▪ Ponto A: fase líquida
▪ Ponto B: início do surgimento de grãos
austeníticos pró-eutético em dendritas;
▪ Ponto C: aumento dos grãos
austeníticos pró-eutético;
▪ Ponto D: reação eutética
𝐿 → 𝛾 + 𝐹𝑒3𝐶
Crescimento de placas de cementita entre
as dendritas austeníticas em uma
microestrutura chamada de ledeburita
eutética.
Microestrutura: Austenita pró-eutética
dendrítica envolvida por ledeburita
eutética.
22
A
B
C
D

▪ Entre D e E: rejeição do C na austenita
pró-eutética, que se precipita nas
interfaces 𝛾/𝐹𝑒3𝐶 sob forma de
cementita;
▪ Ponto E: reação eutetóide, onde a
austenita (dendritas e na ledeburita
eutética) se transforma em perlita.
Microestrutura: perlita em matriz de
cementita e perlita, ledeburita eutetóide.
23
A
B
C
D
E

24

25

FoFo Branco Hipereutético
▪ Ponto B: formação de cementita pró-
eutética alongada
▪ Ponto C: reação eutética, todo líquido
se transforma em ledeburita eutética
Microestrutura: cementita pró-eutética +
ledeburita eutética
▪ Entre C e D: rejeição de carbono e
formação de cementita na interface
𝛾/𝐹𝑒3𝐶
▪ Ponto D: reação eutetóide, toda
austenita da ledeburita vira perlita.
Microestrutura: cementita pró-eutética
alongada + ledeburita eutetóide (perlita +
cementita)
26
A
B
D
C

27

28

FoFo Branco Eutético
▪ Ponto B: reação eutética
𝐿 → 𝛾 + 𝐹𝑒3𝐶
Formação da ledeburita
▪ Entre B e C: rejeição do C na
austenita, que se precipita nas
interfaces 𝛾/𝐹𝑒3𝐶 sob forma de
cementita;
▪ Ponto C: reação eutetóide, austenita
se transforma em perlita e a ledeburita
será composta por perlita em matriz
de cementita.
29
A
B
C

30

FoFo Branco Hipoeutético:
Perlita + ledeburita (perlita + cementita)
Ledeburita (perlita + cementita)
Cementita + ledeburita (perlita + cementita)
31

Produção
❑Coquilhamento:
▪ Derramar-se o metal líquido em moldes
metálicos;
▪ Metal resfria com tal velocidade que
praticamente toda a grafitização é
eliminada;
▪ Carbono fica retido na forma combinada.
❑ Profundidade da camada coquilhada:
▪ Seção em que não há grafitização;
▪ Influência:
✓ %Si e outros elementos de liga;
✓ Temperatura de vazamento;
✓ Temperatura do molde (coquilha);
✓ Espessura da peça e da coquilha;
✓ Tempo de contato metal/coquilha.
32
Concorrência entre profundidade de coquilhamento e teor
de Si

Produção
33
Influência comparativa de vários elementos
de liga que diminuem a profundidade de
coquilhamento
▪ Elementos de liga que
diminuem a camada
coquilhada;

Produção
34
▪ Elementos de liga que
aumentam a camada
coquilhada;
Influência comparativa de vários elementos
de liga que diminuem a profundidade de
coquilhamento

❑ Tratamentos térmicos:
▪ Reduzir as tensões resultantes de
velocidades de resfriamento altas;
▪ Melhorar propriedades mecânicas;
▪ Tratamento típico:
✓ Aquecimento a 815-870°C por 18h;
✓ Resfriamento a 5°C/h até 650°C;
✓ Remoção do material do forno;
✓ Carbonetos primários finos com matriz de
cementita esferoidizada;
✓ Eliminação da morfologia dendrítica;
✓ Aumento de resistência ao impacto de
30 a 50%.
35
❑ Aplicações:
▪ Equipamentos de manuseio de terra,
mineração e moagem;
▪ Rodas de vagões;
▪ Cilindros coquilhados;
▪ Revestimentos de moinhos;
▪ Bolas de moinhos de bola;
▪ Matéria-prima para produção de FoFo
maleáveis.

❑ Propriedades:
▪ Boa fundibilidade;
▪ Elevada fluidez;
▪ Boa resistência mecânica
(compressão);
▪ Excelente usinabilidade;
▪ Boa resistência ao desgaste;
▪ Boa capacidade de amortecimento;
▪ Baixa tenacidade;
▪ Baixa soldabilidade;
▪ Baixo custo.
❑ Formam grafita;
❑ Efeito do Si:
▪ Diminui a solub. do C na austenita;
▪ Mais C livre no ferro líquido;
▪ Aumenta TEE;
▪ Aumenta a estabilidade da grafita.
36

Solidificação
❑ Eutético austenita-grafita:
▪ Formação em células;
▪ Inicialmente crescem sem
impedimento do líquido;
▪ Morfologia comum – lamelar;
▪ Crescimento contínuo até todo
transformação do líquido;
▪ ↑Taxa de nucleação de células
- ↓Menor o tamanho das
células – melhor a distribuição
da grafita na microestrutura.
37

Solidificação
❑ FoFo Cinzento Hipoeutético
▪ Ponto A: líquido;
▪ Ponto B: surgem as primeiras
dendritas de austenita pró-
eutética;
▪ Ponto C: reação eutética
𝐿 → 𝛾 + 𝐺
Microestrutura: austenita pró-
eutética com células de austenita
eutética e grafita lamelar.
• Entre C e D: rejeição de carbono,
aumento das lamelas de grafita
• Ponto D: reação eutetóide
𝛾 → 𝐹 + 𝐺 (na prática, Cem)
Microestrutura: Perlita + Grafita
lamelar
38
A
B
C
D

Solidificação
❑ FoFo Cinzento
Hipoeutético
39

Solidificação
❑ FoFo Cinzento Eutético
▪ Ponto B: reação eutética
𝐿 → 𝛾 + 𝐺
Microestrutura: células de
austenita eutética e grafita lamelar.
• Entre B e C: rejeição de
carbono, aumento das lamelas
de grafita
• Ponto C: reação eutetóide
lamelar
40
A
B
C

Solidificação
❑ FoFo Cinzento Eutético
41

Solidificação
❑ FoFo Cinzento Hipereutético
▪ Ponto B: surgem as primeiras
lamelas de grafita pró-eutética
(lamelas longas, retas e
ramificadas);
▪ Ponto C: reação eutética
𝐿 → 𝛾 + 𝐺
Microestrutura: grafita pró-eutética
com células de austenita eutética e
grafita lamelar.
• Entre C e D: rejeição de carbono,
aumento das lamelas de grafita
• Ponto D: reação eutetóide
lamelar
42
A
B
C
D

Solidificação
❑ FoFo Cinzento
Hipereutético
43

Grafita
❑ Composição química e velocidade de
resfriamento propícios;
❑ Morfologia mais comum – lamelas;
❑ Densidade:
▪ Cementita e outros carbonetos: 7 a 8
g/cm³;
▪ Grafita: 2,27 g/cm³;
▪ Consequência: transformação de fase
acontece de variação significativa de
volume (expansão em certas etapas de
solidificação).
44

Grafita
❑ Usinabilidade:
▪ Grafita atua como
lubrificante natural:
✓ Diminui o atrito
peça/ferramenta;
✓ Evita engripamento.
▪ Grafita proporciona quebra
de cavacos;
▪ Melhor microestrutura:
✓ Matriz ferrítica;
✓ Grafita tipo A.
45
Efeito da estrutura do ferro fundido
cinzento na velocidade prática de
torneamento.

Grafita
❑ Condutividade térmica à
temperatura ambiente:
▪ Ferrita: 30 a 80 W/mK;
▪ Grafita: 10 a 2000 W/mK;
▪ Consequência: excelente
coduntividade térmica;
▪ Ex: bloco de motor, sapata de
freio.
46

Grafita
❑ Capacidade de amortecimento:
▪ Habilidade de absorver
vibrações, resultantes de tensões
cíclicas, por fricção interna,
transformando a energia
mecânica em calor;
▪ Atribuída aos veios de grafita –
frágeis e sem resistência
mecânica – como vazios;
▪ Deformação plástica do material
ao redor dos veios.
47
Aços
Ferro Fundido Nodular
Ferro Fundido Cinzento Tempo
Amplitude

Grafita
❑ Morfologia x propriedades:
▪ Lamelas podem ser grossas ou finas;
▪ Formas e tamanhos diferentes;
▪ Heterogeneidade devido ao processo de
solidificação do eutético e variáveis do
processo:
✓ Composição química;
✓ Velocidade de resfriamento:
▪ Núcleos de formação da grafita:
✓ Define morfologia, distribuição e tamanho;
✓ Uso de inoculantes (ex: grafita, silício
metálico, ferro-silício e silicieto de cálcio).
48
↑
𝑑𝑇
𝑑𝑡 𝑟𝑒𝑠𝑓.
→ lamelas finas
↓
𝑑𝑇
𝑑𝑡 𝑟𝑒𝑠𝑓.
→ lamelas grossas

Grafita
▪ Grafita tipo A – irregular desorientada:
✓ Distribuição aleatória de lamelas com tamanho
uniforme;
✓ Em geral, associada a melhores propriedades
mecânicas;
✓ Preferida nas aplicações de engenharia;
✓ Formada em FoFo inoculado resfriados a taxas
moderadas;
✓ Associada a ocorrência de alta taxa de
nucleação e solidificação próxima de TEE.
49

Grafita
50
▪ Grafita tipo A – irregular
desorientada :

Grafita
▪ Grafita tipo B – em roseta:
✓ Associada a baixa nucleação;
✓ Células eutéticas maiores;
✓ Lamelas inicialmente finas, aumentam à medida
que o crescimento progride.
51

Grafita
▪ Grafita tipo B:
52

Grafita
▪ Grafita tipo C – desigual e irregular:
✓ Em FoFo cinzento hipereutético – grafita pró-
eutética;
✓ Pode comprometer a resistência mecânica;
✓ Origina defeitos nas superfícies usinadas.
53

Grafita
▪ Grafita tipo C – desigual e irregular:
54

Grafita
▪ Grafita tipo D – interdendrítica desorientada;
▪ Grafita tipo E – interdendrítica orientada:
✓ Grafitas finas – favorece a resistência
mecânica;
✓ Resfriamento rápido – condições de nucleação
insuficiente;
✓ Compromete a obtenção da microestrutura
perlítica.
55

Grafita
▪ Grafita tipo E – interdendrítica orientada;
56

Grafita
57

Grafita
▪ Grafita tipo D – interdendrítica
desorientada;
58

Microestrutura
❑ Perlita:
▪ Em morfologia
dendrítica;
▪ Razão: austenita.
▪ Cr e V ajudam na
nucleação de matriz
perlítica fina.
59

Microestrutura
❑ Ferrita:
▪ Ferrita se forma pela
grafitização:
✓ C é capturado para
formação de grafita;
✓ Austenita fica
empobrecida de C;
✓ Ao invés de perlita,
forma-se a ferrita;
▪ Mais pronunciado na
superfície das peças
fundidas.
60

Microestrutura
❑ Ferrita-Perlita:
61

Tratamentos Térmicos
❑ TTAT ou envelhecimento:
▪ Alívio de tensões internas de fundição;
▪ Envelhecimento artificial:
✓ Aquecer a peça a uma abaixo da
temperatura eutetóide, por tempo
determinado;
✓ Abaixamento do limite elástico;
✓ Deformação plástica, fluência e
recristalização.
▪ Entre 500 e 565°C:
✓ Máximo alívio de tensões;
✓ Mínima modificação microestrutural.
▪ Resfriamento:
✓ Resfriamento ao forno até 290°C e depois
ao ar;
✓ Geometria complexa: resfriamento ao forno
até 90°.
62
Efeito da temperatura sobre a quantidade de tensões
internas aliviadas.

❑ TTAT ou envelhecimento:
▪ Efeito do tempo no TTAT.
▪ Para FoFos com elementos de liga:
✓ Faixas maiores de temperatura;
✓ Cr, Mo, Ni e V tendem a aumentar a
resistência à fluência.
63
3. Ferro Fundido Cinzento Efeito do tempo à temperatura no
tratamento de alívio de tensões.

❑ Recozimento:
▪ Melhorar a usinabilidade;
▪ Aquecimento até a zona crítica:
✓ Alteração microestrutural;
✓ Perda de resistência mecânica e dureza;
✓ Alívio de tensões internas.
▪ Curvas de recozimento:
▪ Curva B:
✓ FoFos comuns ou com baixo teor de
liga;
✓ Apenas melhora de usinabilidade:
P → F + G
✓ Entre 700 a 760°C.
64
3. Ferro Fundido Cinzento Ciclos de recozimento recomendados para
ferros fundidos cinzentos (B, B1 e C).

❑ Recozimento:
▪ Curvas de recozimento:
▪ Curva B1:
✓ P → F + G (mais intenso);
✓ Entre 790 a 900°C;
✓ Empregada para melhoria mais
intensa da usinabilidade em FoFos
ligados.
▪ Curva C:
✓ Aplicada quando o FoFo possui C na
forma de cementita;
✓ C → P + G ou C → F + G
✓ Entre 900 a 950°C;
✓ 3h + 1h por 2,5 cm de seção.
65
3. Ferro Fundido Cinzento Ciclos de recozimento recomendados para
ferros fundidos cinzentos (B, B1 e C).

❑ Recozimento:
66

❑ Normalização:
▪ Melhorar propriedades mecânicas:
✓ Resistência à tração;
✓ Dureza;
✓ Propriedades do estado bruto de
fusão destruídas por outros ciclos
térmicos.
▪ Aquecimento entre 885 a 925°C;
▪ Cerca de 25 min/cm de seção;
▪ Resfriamento ao ar tranquilo;
▪ Aplicação:
✓ FoFo cinzento sem elementos de liga
– amolecimento;
✓ FoFo cinzento ligado – endurecimento
por precipitação.
67
Efeito do resfriamento ao ar, a partir de várias temperaturas,
nas propriedades do ferro fundido.

❑ Têmpera e revenido:
▪ Aumentar:
✓ Resistência mecânica;
✓ Dureza;
✓ Resistência ao desgaste (cerca de 5x mais).
▪ Aquecimento:
✓ Fornos, banhos de sal, chama ou indução;
✓ Acima da zona crítica – austenita;
✓ Tempo: suficiente para ter ↑%C em solução;
✓ Recomendado: 10min/cm de seção;
✓ Si reduz a solub. do C na austenita;
✓ ↑%Si - ↑T - ↑t.
▪ Resfriamento:
✓ Óleo ou ar (FoFo ligado);
✓ Até 150°C – risco de trincamento;
✓ Imediatamente revenidas.
68
▪ Revenido:
✓ Temperaturas bem inferiores (370 a 600°C);
✓ Reduz a fragilidade;
✓ Alivia tensões;
✓ Diminui a dureza;
✓ Melhora a resistência mecânica.

❑ Austêmpera
▪ Igualmente como nos aços;
▪ Resulta em ferro fundido
acicular:
✓ Matriz de ferrita bainítica;
✓ Austenita retida;
✓ Propriedades mecânicas
bastante favoráveis.
❑ Martêmpera
▪ Produz martensita;
▪ Não resulta em tensões
residuais elevadas;
▪ Revenido posterior.
69

Aplicações
❑ a
70

Aplicações
❑ SAE J431 (2018):
71

Aplicações
❑ SAE J431 (2018):
▪ G9H12 – peças miscelâneas (fundido
ou recozido) onde a resistência
mecânica não é fator primordial;
▪ G9H17 – pequenos blocos de
cilindros, cabeçotes de cilindros,
cilindros resfriados a ar, pistões,
disco de embreagem, carcaça de
bomba de óleo, caixas de
transmissão e de engrenagens, caixa
de freio (serviço leve), tambores de
freio e discos de embreagem
(serviços moderados) – ↑%C
minimiza do efeito desfavorável do
calor;
72

Aplicações
❑ SAE J431 (2018):
▪ G10H18/G11H18 – blocos de
cilindros de automóveis; cabeções de
cilindros, volantes, pistões, tambores
de freios, caixas de transmissão de
tratores (serviço médio);
▪ G11H20 – blocos de motores a
Diesel, blocos e cabeças de cilindros
de caminhões e tratores, volantes
pesados, caixa de transmissão de
tratores, caixa de engrenagens
pesadas, tambores de freio e discos
de embreagem para serviço pesado
(alta resistência mecânica e
resistência à fadiga térmica);
73

Aplicações
❑ SAE J431 (2018):
▪ G13H19 – peças fundidas para
motores Diesel, camisas de cilindro,
cilindros, pistões e eixos de comando
de válvulas;
▪ G7H16c – tambores de freio e freios
onde capacidade de amortecimento
é requerida;
▪ G9H17a – tambores de freio e disco
de embreagens (serviço moderado) e
onde ↑%C minimiza do efeito
desfavorável do calor.
74

Aplicações
❑ SAE J431 (2018):
▪ G10H21c – tambores de freio para
serviço extra-alta resistência;
▪ G11H20b – tambores de freio e
discos de embreagem para serviço
de alta resistência onde ↑%C e alta
dureza minimiza do efeito
desfavorável do calor e aumenta a
resistência;
▪ G11H24d – FoFo ligado temperável
para eixos de comando de válvulas.
75

❑ Condições intermediárias entre
FoFo branco e FoFo cinzento;
❑ Microestruturas complexas:
▪ Carbonetos de solidificação;
▪ Grafita.
❑ Resfriamento acelerado:
▪ Coquilhamento (FoFo);
▪ Adequado para obter esta
microestrutura.
❑ Aspecto de fratura
intermediário:
▪ Áreas escuras e claras.
76
4. Ferro Fundido Mesclado e Coquilhado

Prof. Gabriel de Castro Coêlho MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA II 77

Propriedades
❑ Entrelaço de
propriedades:
▪ FoFo branco:
✓ Alta dureza;
✓ Resistência ao desgaste.
▪ FoFo cinzento:
✓ Tenacidade;
✓ Elevada condutividade
térmica;
✓ Capacidade de
amortecimento de
vibrações.
81

Propriedades
❑ Em peças coquilhadas:
▪ Camadas superficiais:
✓ Microestrutura de FoFo branco;
✓ Alta dureza;
✓ Resistência ao desgaste.
▪ Núcleo:
✓ FoFo cinzento;
✓ Menor fragilidade;
✓ Melhor condutividade térmica;
✓ Melhor amortecimento.
82

Propriedades
❑ Em peças coquilhadas:
▪ Cilindros de laminação com
diferentes composições químicas
entre a superfície e núcleo.
83

❑ Também chamados de FoFo dúcteis;
❑ Permite combinar propriedades
interessantes dos FoFos e dos aços;
❑ Segredo:
▪ Ajuste de composição química;
▪ Inoculação do metal líquido;
▪ Favorecimento da formação de grafita em
nódulos.
84

❑ Controle do
processo de produção
é essencial para
garantir a eficiência da
nodularização e
inoculação;
❑ Controle de
qualidade da
nodularização:
▪ Velocidade de
propagação de ultra-
som;
▪ ↑Vus - ↑grau de
nodularização.
85

Propriedades Mecânicas:
❑ Influência do grau de
nodularização na ductilidade:
▪ Grafita em nódulos gera um
menor concentrador de tensões;
❑ Boa tenacidade;
❑ Resistência mecânica:
▪ Limite de escoamento mais
elevado que:
✓ FoFo cinzento;
✓ FoFo maleável;
✓ Aços ao carbono.
86

87
Limite de resistência à
tração e limite de
escoamento 0,2% de
ferros fundidos perlíticos
(85 a 100%) em função
da nodularização e
temperatura.

88
Conforme SAE 1887 (2018).

89
Energia de impacto em função da
temperatura de ensaio para várias
matrizes de ferro fundido nodular
ligado. (A) ferrita; (B) Parlita-ferrita; (C)
Perlita; (D) Martensita revenida.

❑ Concentração de tensão:
90
Comparação entre a intensidade de tensões na grafita
nodular (a) e na forma de veios (b)
𝐾𝑡 =
𝜎𝑚𝑎𝑥
𝜎
𝐾𝑡 ≅ 1,7
𝐾𝑡 ≅ 5,4

91
Conforme SAE 1887 (2018).

Nodularização
❑ Composição química:
▪ Mg, Ni, Mg-Fe-Si: define a morfologia da
grafita;
▪ Sb, Te, Bi, Zr, Al, Ti, Pb, Sn: efeito nocivo
à nodularização;
▪ Ce e Ca: neutraliza o efeito do Al, Ti, Pb,
Sn.
❑ Reação violenta – fervura:
▪ Mg é vaporizado e atravessa o líquido;
▪ Diminuição do %S – nodularização;
▪ Adição de Fe-Si: produção de matriz
adequada.
92

Nodularização
❑ Grafita lamelar:
▪ O e S tendem a ser
adsorvidos no plano
prismático;
▪ Diminuem a energia
interfacial;
▪ Crescimento mais
intenso no plano
prismático.
❑ Grafita nodular:
▪ Mg é dessulfurante e
desoxidante;
▪ Favorecimento do
crescimento do plano
basal.
93

Nodularização
94

Nodularização
❑ Falhas na nodularização:
95

Matriz
❑ Ferrita:
▪ Mais próximo do equilíbrio
termodinâmico;
▪ Obtenção:
✓ Tratamento térmico;
✓ Composição química –
controle de Cu, Mn, Sn
(perlita) e Si.
96

Matriz
❑ Perlita-ferrita:
▪ Ampla faixa de propriedades mecânicas;
97

Matriz
❑ Perlita-ferrita:
▪ Segregação negativa do Si:
✓ Si se concentra junto aos nódulos
de grafita;
✓ Mn segue sentido inverso;
98

Matriz
❑ Perlita:
▪ Tratamento térmico de
normalização;
▪ Ajuste de composição
química (ex: ↑%Cu, ↑%Sn).
99
Ferro fundido nodular com matriz perlítica. Ataque: Nital.

Matriz
❑ Martensita revenida:
▪ Têmpera e revenido.
100
Ferro fundido nodular com matriz martensítica. Ataque: Nital.

Aplicações
❑ NBR 8650 (2015) – FoFo nodular
para aplicações automotivas;
❑ SAE J434 (2017) – FoFo nodular
para aplicações automotivas;
❑ ASTM A536 (2014):
▪ Aplicações gerais;
▪ Tubos, conexões, etc.
❑ ASTM A395 (2014) – FoFo nodular
ferrítico para moldes de retenção
pressurizados em temperatura
elevada;
❑ ASTM A476 (2014) – FoFo nodular
para rolos de secagem de papel.
101

Tratamento Térmico
❑ TTAT – Alívio de tensões:
▪ Reduzir tensões residuais de fundição;
▪ Temperatura não ultrapassa 600°C;
▪ Tempo: 20 min/cm por seção de peça;
▪ Sem efeito nas propriedades mecânicas.
❑ Recozimento:
▪ Recozimento de ferritização;
▪ Obtenção de matriz ferrítica;
▪ Aquecimento até 900°C;
▪ Resfriamento até 700°C, em 1h;
▪ Resfriamento até 650°C, 3°C/h.
102
Comportamento “tensão-deformação” de dois
tipos de ferro nodular

Tratamento Térmico
❑ Normalização:
▪ Obtenção de matriz perlítica;
▪ Aquecimento até 900°C;
▪ Resfriado no forno até 785°C;
▪ Resfriado ao ar;
▪ Se a dureza ainda for elevada – revenido.
▪ Obtenção de matriz de martensita revenida;
▪ Austenitização entre 870 e 900°C;
▪ Resfriamento em óleo;
▪ Revenido até dureza desejada;
▪ Confere resistência mecânica, dureza e
resistência ao desgaste maiores.
103

Tratamento Térmico
104

Tratamento Térmico
❑ Têmpera superficial:
▪ Por chama ou indução;
▪ Dureza superficial ~60HRC;
▪ Elevada resistência ao desgaste superficial;
▪ Austenitização superficial até 900°C;
▪ Resfriamento por jato d’água;
▪ Revenido posterior.
❑ Austêmpera:
105
Ferro Fundido
Austemperado

❑ ADI – Austempered Ductile Iron (Ferro
Dúctil Austemperado);
❑ Austêmpera dos FoFo nodular:
▪ Austenitização entre 850°C e 925°C –
aumento da solub. do C na austenita;
▪ Ferrita com ↓%C – suprimento da grafita;
▪ Tempo: 2 a 4h – máx. solubilização do C;
▪ Resfriamento em banho de sais fundidos;
▪ Microestrutura: ferrita bainítica, austenita
retida e grafita;
▪ Formação da ferrita bainíta – entre 235 e
400°C:
✓ Entre 235 e 270°C – bainita inferior – alta
dureza, alta resistência mecânica e ao
desgaste, com tenacidade moderada;
✓ Entre 300 e 400°C – bainita mais dúctil e
tenaz.
106
Exemplos de ciclos de austêmpera de ferro fundido
nodular para obtenção de diferentes propriedades.

Microestrutura
107

Microestrutura
108
Ausferrita: microestrutura constituída de
ferrita bainítica e austenita retida, obtida
por austêmpera interrompida.

Microestrutura
109

Microestrutura
110

Propriedades Mecânicas
❑ Resistência mecânica;
❑ Tenacidade;
❑ Resistência ao desgaste;
❑ Resistência à fadiga.
111
Efeito da temperatura de austêmpera nas propriedades
no ensaio de tração de um ferro fundido nodular.

❑ Resistência mecânica;
112
Comparativo entre ferros
nodulares com diferentes
tratamentos térmicos

❑ Tenacidade;
113
Relação entre
tenacidade à fratura
e resistência
mecânica de ferros
fundidos nodulares
com diferentes
matrizes.

❑ Tenacidade;
114
Energia absorvida
em função da
temperatura de
ensaio em um ferro
fundido nodular com
matriz ausferrítica
inferior (E) e
superior (F).

❑ Resistência ao desgaste;
115
Comparativo da resistência ao desgaste em
função da perda de massa por tempo de ensaio
para: FFNA – ferro fundido nodular austemperado;
FFNTR – ferro fundido nodular temperado e
revenido; FFBAC – ferro fundido branco de alto
cromo.

Comparação entre o limite de
fadiga do ADI e aços forjados
com influência de tratamentos
superficiais e entalhe
❑ Resistência à fadiga;

❑ Resistência à fadiga;
117
Influência da temperatura de
austêmpera no limite de
resistência à fadiga por flexão
rotativa, em corpos-de-prova
sem entalhe.

Aplicações
❑ Competição com aços forjados,
cementados, temperados e revenidos:
▪ Elevada resistência mecânica;
▪ Pequena queda de ductilidade.
❑ Aplicação ilimitadas:
▪ Diversas combinações de propriedades;
▪ Seleção adequada de parâmetros de
austêmpera.
❑ Vantagem técnica:
▪ Menor densidade e custo de fabricação
em relação à aços forjados.
118
❑ Aplicações automotivas:
▪ Componentes de suspensão;
▪ Eixos de comando de válvula;
▪ Engrenagens em geral;
▪ Suportes de motor;
▪ Carcaças de diferencial;
▪ Cubos de roda, etc.

❑ FoFo em grafita compacta;
❑ Grafita – transição entre:
▪ Lamelas do FoFo cinzento;
▪ Nódulos do FoFo nodular
(menos que 20%);
▪ Resultado: vermicular.
❑ Propriedades intermediárias:
▪ FoFo cinzento:
✓ Capacidade de
amortencimento;
✓ Condutibilidade térmica;
✓ Usinabilidade.
▪ FoFo nodular:
✓ Resistência mecânica;
✓ Ductilidade e tenacidade;
✓ Acabamento superficial.
119

120
Influência do carbono equivalente sobre
a resistência à tração de ferro fundido
cinzento, ferro fundido de grafita
compactada e ferro fundido nodular.

121

122
Influência do aumento da porcentagem de
perlita na matriz metálica nas propriedades do
ferro fundido vermicular com 0-10% de
nodularidade

123
Variação das
propriedades
mecânicas do
vermicular em
função da
nodularização.

124
Curvas de desgaste
de ferramenta para
Vc 60 m/min. FV:
ferro fundido
vermicular; FC: ferro
fundido cinzento).

125
Influência da nodularização da
grafita na condutividade térmica do
ferro fundido vermicular

❑ Obtenção:
▪ Adições de Mg e/ou Ce;
▪ Teores menores que no FoFo nodular.
❑ Matriz:
▪ Varia com o tratamento térmico (igual
aos cinzentos e nodulares);
▪ Ferrita e/ou perlita.
❑ Aplicações:
▪ Blocos de motores diesel;
▪ Coletores de exaustão;
▪ Disco de freio para trens de alta
velocidade.
126

❑ Datam do séc. XVIII e XIV.
❑ Intuito:
▪ Maior tenacidade;
▪ Resistência mecânica e ao
desgaste apreciável.
❑ Obtenção:
▪ Matéria prima: FoFo branco;
▪ Tratamento térmico: recozimento
longo – maleabilização;
▪ Aumento de ductilidade e
tenacidade.
❑ Dois tipos:
▪ FoFo maleável de fundo branco;
▪ FoFo maleável de fundo preto.
127
❑ Uso o FoFo nodular:
▪ Peças de maior dimensão;
▪ Quando a contração de solidificação é
uma consideração importante.
❑ Uso do FoFo maleável:
▪ Peças de pequena espessura;
▪ Conformação a frio, cunhagem ou corte;
▪ Usinabilidade;
▪ Tenacidade à baixa temperatura;
▪ Elevada resistência ao desgaste.

Ferro Fundido Maleável de Fundo Branco
❑ Produzidos de forma barata;
❑ Maleabilização por descarbonetação:
▪ Recozimento onde haverá:
✓ Descarbonetação;
✓ Grafitização.
▪ Atmosfera do forno:
✓ Empacotamento com minério de ferro;
✓ Atmosfera controlada.
▪ C é eliminado em forma de gás;
▪ Aspecto de fratura:
✓ Peças finas – branco;
✓ Peças grossas – mesclado.
128
Composição química recomendada para o ferro fundido
branco inicial para produção de ferro fundido maleável
de fundo branco.

129
▪ Ciclo térnmico:
✓ A: acima da temperatura
crítica, tem-se
descarbonetação intensa
superficial (até 5 mm) e
grafitização (Cem → F + G)
em peças grossas (mais
lento);
✓ B: continua a grafitização,
originando mais grafita;
✓ C: Caso haja carbono livre,
forma-se perlita.
▪ Microestrutura:
✓ Até 5 mm: ferrita;
✓ 5 a 15 mm: F + G (nódulos).

130

131

132

Ferro Fundido Maleável de Fundo Preto
133
Composição química recomendada para o ferro fundido
branco inicial para produção de ferro fundido maleável de
fundo preto.
❑ Mais importante;
❑ Normas:
▪ ASTM A197 (2015);
▪ ASTM A608 (2012).
❑ Produção:
▪ Solidifica em toda seção como FoFo
branco;
▪ Tratado termicamente para decompor
cementita em grafita
▪ Grafita: nódulos rendilhados.

134

135
8. Ferro Fundido Maleável Reconstrução tridimensional de
grafita esferoidizada em ferro
fundido nodular. Cortes
produzidos por FIB e imagens
obtidas por MEV.
Reconstrução tridimensional de nódulo
de grafita em ferro fundido maleável.
Cortes produzidos por FIB e imagens
obtidas por MEV. Observa-se que,
dependendo do plano de corte, é
possível produzir seções não
conectadas, no plano de corte, a partir de
uma única partícula de grafita.

136
❑ Maleabilização por grafitização:
▪ Atmosfera neutra;
▪ A:
✓ Grafitização da cementita livre;
✓ Hora a dias, a depender da
espessura e comp. Química;
✓ Não ultrapassar 950°C
(descarbonetação).
▪ B:
✓ Grafitização da cementita que
sai da austenita;
✓ Entre 760 e 690°C;
✓ A → P → F + G.
▪ C:
✓ Grafitização da cementita da
perlita.
Representação esquemática do ciclo de
maleabilização por grafitização.

137

138

139

140
❑ Maleabilização por grafitização:
▪ Para maiores resistências
mecânicas:
✓ Matriz perlítica;
✓ Matriz perlítica-martensítica.

141

❑ Ductilidade:
▪ Ultrapassa 10% no alongamento;
▪ Intermediário entre o aço e o FoFo cinzento.
142

❑ Usinabilidade:
▪ Melhor entre as ligas ferrosas com mesma resistência mecânica.
143

❑ Resistência à corrosão:
▪ Muito boa em diversas aplicações;
▪ Camada superficial desenvolvida
durante maleabilização;
▪ Ferrita + Si (0,80 a 1,70%);
▪ Quando atacada, desenvolve produto
passivador de alta aderência.
❑ Resistência ao desgaste:
▪ Maleáveis perlíticos – maior resistência
ao desgaste;
▪ Recomendadas para aplicações com
atrito.
144
Aplicações
❑ Conexões para tubulações hidráulicas;
❑ Conexões para linhas de transmissão
elétrica;
❑ Correntes;
❑ Suportes de mola;
❑ Caixas de direção;
❑ Caixas de diferencial;
❑ Cubos de roda;
❑ Sapatas de freio;
❑ Pedais de embreagem e freio;
❑ Bielas;
❑ Colares de tratores;
❑ Caixas de engrenagens, etc.

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