DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO DAS LIGAS Fe-C ... - Dem Isep

1) Descreva o processo de arrefecimento de:
a) uma liga hipoeutectóide
b) uma liga eutectóide
c) uma liga hipereutectóide
DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO DAS LIGAS Fe-C
2) Calcule a composição do aço com 0.5% C às temperaturas de 1000ºC e 723ºC indicando a composição de cada uma
das estruturas presentes.
3) Descreva o processo de arrefecimento de uma liga com 1% de carbono desde a temperatura de 1400ºC até à
temperatura ambiente.
Faça a análise quantitativa durante o arrefecimento para os seguintes pontos:
Ponto 1: 1400ºC
Ponto 2: 1000ºC
Ponto 3: 723ºC (antes e após a transformação eutectóide)
Ponto 4: temperatura ambiente
4) Calcule a composição da perlite a 700ºC indicando a composição das estruturas em presença. Faça a verificação do
teor total em carbono.
5) Quais as coordenadas correspondentes ao ponto eutectóide? Como se chama a estrutura que se forma nesse ponto?
6) Quais as coordenadas correspondentes ao ponto eutéctico? Como se chama a estrutura que se forma nesse ponto?
7) Qual o teor máximo de carbono que a austenite é capaz de conter? A que temperatura se verifica essa situação?
8) Calcule a composição do aço com 2.06% C a 722ºC indicando a composição das estruturas em presença.
9) Percorrendo o diagrama de equilíbrio das ligas Fe-C verifica-se que a cementite se forma em várias condições (% C
e temperatura). Identifique cada uma dessas “cementites” pelo nome como são conhecidas e indique os locais do
diagrama onde se formam.
Ponto X1:
Líquido com 1,5% C e 98,5% Fe
Primeiro cristal de austenite com 0,64% C e 99,36% de
Fe
Quantidade de líquido em %: ≈ 100%
Quantidade de austenite em %: ≈ 0%
EXEMPLO (RESOLVIDO)
ANÁLISE QUANTITATIVA DO AÇO COM 1,5 % DE
CARBONO
(para os pontos x1, x2, x3, x4, x5 e x6)
A linha vertical - a - representa a linha característica da liga.
Ponto X2:
Líquido com 2,46% C e 97,54% Fe
Austenite com 1,1% C e 98,9% Fe
Quantidade de líquido em %: (1,5-1,1) / (2,46-1,1) x 100= 29,4%
Quantidade de austenite em %: (2,46-1,5) / (2,46-1,1) x 100= 70,6%
(ou 100 - 29,4= 70,6%)
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Ponto X3:
Líquido com 3,25% C e 96,75% Fe
Austenite com 1,5% C e 98,5% Fe
Quantidade de líquido em %: ≈ 0%
Quantidade de austenite em %: ≈ 100%
Ponto X5:
Austenite com 1% C e 99% Fe
Cementite com 6,67% C e 93,33% Fe
Austenite em %: (6,67-1,5) / (6,67-1) x 100= 91,2%
Cementite em %: (1,5-1) / (6,67-1) x 100= 8,8%
Ponto X6 (após a transformação eutectóide):
Perlite com 0,86% C e 99,14% Fe
Cementite com 6,67% C e 93,33% Fe
Perlite em %: (6,67-1,5) / (6,67-0,86) x 100= 89%
Cementite em %: (1,5-0,86) / (6,67-0,86) x 100= 11%
Uma vez processada a transformação eutectóide teremos até à temperatura ambiente:
Perlite com 0,86% C e 99,14% Fe
Cementite com 6,67% C e 93,33% Fe
Quantidade de perlite em %: (6,67-1,5) / (6,67-0,86) x 100= 89%
Quantidade de cementite em %: (1,5-0,86) / (6,67-0,86) x 100= 11%
Ponto X4:
Austenite com 1,5% C e 98,5% Fe
Primeiros cristais de cementite com 6,67% C e 93,33% Fe
Quantidade de austenite em %: ≈ 100%
Quantidade de cementite em %: ≈ 0%
Ponto X6 (antes da transformação eutectóide):
Austenite com 0,86% C e 99,14% Fe
Cementite com 6,67% C e 93,33% Fe
Quantidade de austenite em %: (6,67-1,5) / (6,67-0,86) x 100= 89%
Quantidade de cementite em %: (1,5-0,86) / (6,67-0,86) x 100= 11%
A perlite por sua vez é constituída por ferrite + cementite:
Quant. de ferrite na perlite: (6,67–0,86) / (6,67–0,03) x 100= 87,5%
Quant. de cem. na perlite: (0,86-0,03) / (6,67-0,03) x 100= 12,5%
87, 5x89 Quant. de ferrite na liga: = 77,9%
100
12, 5x 89
Quant. de cementite perlítica na liga: = 11,1%
100
NOTA: apesar de a perlite apresentar 0,86% de carbono e a cementite 6,67% de carbono, o teor total de carbono existente
no conjunto perlite-cementite mantém-se igual a 1,5%. Isto compreende-se porque não temos 100% de perlite e
100% de cementite mas sim 89% de perlite e 11% de cementite.
Verificação do teor total de carbono:
100% de perlite ⎯ 0,86% de C
89% de perlite ⎯ X% de C
100% de cementite ⎯ 6,67% de C
11% de cementite ⎯ Y% de C
X + Y= 0,77 + 0,73= 1,5%
Isto acontece para todos os pontos da liga.
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X=
Y=
89 x 0, 86
100
11x 6, 67
100
= 0,77
= 0,73
Seguindo o método exposto neste cálculo, podemos proceder à análise quantitativa de qualquer outra liga do diagrama.

DIAGRAMA TTT, DIAGRAMA TRC e DIAGRAMA DE QUANTIDADE DE FASES
1) Consultando o diagrama TTT (TI)
relativo ao aço X210Cr12, responda:
a) Qual o tempo de incubação às seguintes
temperaturas:
a.1) 600ºC
a.2) 290ºC
b) Qual a estrutura formada e respectiva
percentagem de cada constituinte, após:
b.1) Estágio a 660ºC durante 1 hora
b.2) Estágio de 10 minutos a 640ºC
b.3) Estágio de 2 horas a 500ºC
b.4) Estágio de 2 horas a 290ºC
c) Qual a composição estrutural do aço à
temperatura ambiente supondo que
sofreu, sucessivamente, os seguintes
estágios e arrefecimento:
− 1 estágio de 10 min a 640ºC
− 1 estágio de 30 min a 400ºC
− arrefecimento brusco posterior até à
temperatura ambiente
2) Após polimento e ataque de uma amostra de um aço para molas tipo 41S7, observou-se ao microscópio uma
microestrutura do tipo indicado na figura. Um ensaio Rockwell indicou uma dureza aproximada de 93 HRB. Diga,
fazendo um esquema apropriado, qual o tratamento efectuado.
93 HRB
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3) Aquecem-se durante uma hora a 850ºC várias amostras finas, com 0,25 mm de espessura, de bandas laminadas a
quente de um aço 1080, que são depois submetidas aos tratamentos térmicos abaixo indicados. Recorrendo ao
diagrama de transformação isotérmica determine as microestruturas das amostras após cada tratamento térmico.
a) Têmpera em água à temperatura ambiente.
b) Têmpera a quente em banho de sais a 690ºC e manutenção durante 2 horas; têmpera em água.
c) Têmpera a quente a 610ºC e manutenção durante 3 minutos; têmpera em água.
d) Têmpera a quente a 580ºC e manutenção durante 2 segundos; têmpera em água.
e) Têmpera a quente a 450ºC e manutenção durante 1 hora; têmpera em água.
f) Têmpera a quente a 300ºC e manutenção durante 30 minutos; têmpera em água.
g) Têmpera a quente a 300ºC e manutenção durante 5 horas; têmpera em água.
(in “Princípios de ciência e engenharia dos materiais” de William F. Smith)
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4) Considere um aço com a seguinte composição química:
C % Mn % Si % S % P % Ni % Cr % Mo % Cu %
0.37 0.79 0.30 0.010 0.019 < 0.17 1.00 0.18 0.10
Consultando a tabela referente à composição química do aço e os diagramas anexos, responda:
a) Classifique o aço quanto ao teor em elementos de liga.
b) Qual o tempo de incubação às seguintes temperaturas:
b1) 700ºC; b2) 400ºC
c) Qual a estrutura do aço à temperatura ambiente, após:
c1) 850 ºC, 30 min / estágio a 700 ºC, 2 h / têmpera em água;
c2) 850 ºC, 30 min / estágio a 650 ºC, 15 min / têmpera em água;
c3) 850 ºC, 30 min / estágio a 500 ºC, 30 min / têmpera em água;
c4) 850 ºC, 30 min / estágio a 450 ºC, 1 min / têmpera em água;
c5) 850 ºC, 30 min / estágio a 350 ºC, 1 min / têmpera em água;
c6) 850 ºC, 30 min / estágio a 350 ºC, 1 h / têmpera em água.
d) Descreva, desde a temperatura de austenitização até à temperatura ambiente, a transformação em arrefecimento
contínuo que confere ao aço uma dureza final de 30 HRC.
e) Qual a estrutura e dureza do aço, à temperatura ambiente, após arrefecimento contínuo segundo a curva de
arrefecimento de menor velocidade de arrefecimento.
5) Considere o diagrama TRC relativo ao
aço de cementação RMC16,
representado na figura anexa. Indique
quais as estruturas formadas, e em que
percentagem, durante o arrefecimento
conducente a uma dureza de:
a) 423 HV à temperatura ambiente;
b) 412 HV à temperatura ambiente;
c) 260 HV à temperatura ambiente;
d) 165 HV à temperatura ambiente.
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6) Considere o diagrama TRC relativo ao aço AFNOR
28CDV5-08, representado na figura anexa.
a) Determine a velocidade de arrefecimento (ºC/s)
entre as temperaturas de 750ºC e 200ºC para a
obtenção de uma estrutura 100% bainítica.
b) Determine a composição do aço à temperatura
ambiente correspondente à dureza de 20 HRC.
c) Qual a dureza aproximada obtida através da
velocidade crítica superior de arrefecimento?
7) Suponha que necessita de temperar um bloco em aço
X38CrMoV51 com as dimensões 300x200x100
(unidades em mm). Se optar pelo arrefecimento ao ar,
qual será a composição estrutural em percentagem, no
núcleo e na periferia?
♦ Diagrama retirado do livro: Aços. Características e tratamentos. J. Pinto Soares.
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8) Considere os diagramas TRC e o diagrama de quantidade de fases relativos ao aço X38 CrMoV 5 1.
a) Descreva a transformação em arrefecimento contínuo que confere ao aço uma dureza final de 471 HV.
b) Considere uma peça com 200 mm de espessura fabricada neste aço, e responda às seguintes questões supondo
que o arrefecimento da peça foi efectuado no ar.
c) Qual a composição estrutural na periferia e no núcleo?
d) Qual a dureza respectiva?
e) Qual a velocidade crítica (aproximada) de arrefecimento deste aço?
♦ Diagramas retirados do livro: Aços. Características e tratamentos. J. Pinto Soares.
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9) Considere uma peça com 80 mm de espessura fabricada no aço 100 MnCrW 4.
Responda às seguintes questões supondo que o arrefecimento da peça foi efectuado no óleo.
a) Qual o tempo de arrefecimento para a periferia e para o núcleo?
b) Qual a composição estrutural na periferia e no núcleo?
c) Qual a dureza respectiva?
♦ Diagramas retirados do livro: Aços. Características e tratamentos. J. Pinto Soares.
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10) Considere uma peça com 80 mm de espessura fabricada no aço 30 DCKV 2 8.
Responda às seguintes questões supondo que o arrefecimento da peça foi efectuado no óleo.
a) Qual o tempo de arrefecimento para a periferia e para o núcleo?
b) Qual a composição estrutural na periferia e no núcleo?
c) Qual a dureza respectiva?
♦ Diagrama retirado do livro: Aços. Características e tratamentos. J. Pinto Soares.
11) No gráfico seguinte e para uma peça com 50 mm de espessura indique as durezas na periferia e no núcleo para
arrefecimentos ao ar e em óleo.
♦ Diagrama retirado do livro: Aços. Características e tratamentos. J. Pinto Soares.
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CASOS DE ESTUDO
1) Na figura anexa representa-se o desenho de fabrico de uma peça (pistão) confeccionada em aço do tipo DIN
X210Cr12. As condições em serviço exigem uma elevada dureza e resistência ao desgaste.
a) Elabore o esquema de tratamento térmico mais adequado por forma a obter uma dureza superficial de 62 HRC
b) Indique a composição da periferia e do núcleo para as condições de arrefecimento que julgar convenientes.
Nota: Consulte a informação sobre este aço no livro adoptado (Aços. Características e tratamentos. Editora Livroluz. Pinto
Soares) e em catálogos.
2) Considere a matriz de corte (φ180x60) realizada em aço DIN 100MnCrW4 (aço para ferramentas de trabalho a frio).
Para as condições de funcionamento serem satisfeitas pretende-se obter uma superfície com 62 HRC de dureza. Com
base na informação anexa, elabore um esquema de tratamento térmico que lhe pareça adequado.
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3) Considere um molde para fundição injectada de ligas de Alumínio com as dimensões de 240x200x50 (mm 3 ), com uma
forma complexa, tendo sido sujeito a prolongado trabalho de maquinagem com levantamento de apara, fabricado em
aço X38CrMoV 5 1 (DIN 17006). Esta ferramenta foi submetida ao ciclo de tratamentos indicado no esquema
apresentado na figura 1. Deve ainda considerar o diagrama de revenido e as informações sobre o aço X38CrMoV 5 1
existentes no livro Aços. Características e tratamentos. Editora Livroluz. Pinto Soares.
Figura 1
Com base nos elementos disponíveis responda às seguintes questões:
a) Qual a composição química aproximada deste aço? Qual a designação segundo a norma AFNOR?
b) Qual o tratamento efectuado antes da têmpera? Qual a sua finalidade?
c) Qual o motivo para que o aquecimento de têmpera seja feito em degraus?
d) Que precauções devem ser tomadas no aquecimento, incluindo a escolha da temperatura de austenitização, e porquê?
e) Como é designada a opção de têmpera utilizada? (note que foi utilizado o arrefecimento em banho de sais). Que
vantagens tem esta opção?
f) Por consulta do diagrama TTT (TI) diga que temperatura escolhia para o 2º estágio no arrefecimento. Diga qual o
tempo de estágio aconselhado.
g) Que tempo deve permanecer a peça temperada antes do revenido? Justifique.
h) Há algum interesse em medira a dureza da peça após a têmpera? Justifique.
i) Como se chamam os 3 tratamentos referidos após têmpera? Qual o critério para a escolha das suas temperaturas? Qual
a finalidade destes tratamentos?
j) Deverá ser medida a dureza no fim de algum destes 3 tratamentos? Justifique.
k) Poderá esta ferramenta ser sujeita a uma nitruração? Refira vantagens e inconvenientes deste tratamento.
l) Se tivesse optado pelo arrefecimento de têmpera ao ar, qual seria a composição estrutural em % no núcleo e na
periferia?
m) Preencha o esquema do ciclo de tratamentos indicado na figura 1, indicando as temperaturas, tempos de estágio e
meios de arrefecimento utilizados.
4) Pretende-se tratar termicamente uma peça de secção circular com um diâmetro de 150 mm confeccionada em aço do
tipo SAE AISI T1. Considerando que para o efeito se pretende obter uma dureza final entre 62 e 64 HRC,
esquematize o ciclo de tratamento mais adequado.
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Curvas TTT para o aço SAE T1, com 0,7% de Carbono. Austenitização por 2 minutos, a 1290ºC (Allegheny).
Curva de revenido para o aço SAE T1 (Phoenix). Efeito do tempo de aquecimento e da temperatura, sobre a dureza de
aços SAE T1, temperados e revenidos. Temperatura de austenitização
de 1260ºC (não há dados sobre os corpos de prova usados).
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5) Considere uma determinada ferramenta
fabricada em aço DIN X210Cr12. Esta
ferramenta foi sujeita a intenso trabalho de
maquinagem e apresenta uma forma complexa.
Elabore o esquema de tratamento térmico
adequado sabendo que a dureza de trabalho
pretendida é de 57 HRC e que a espessura da
ferramenta é de 40 mm.
Informações sobre o aço:
Livro: Aços. Características e tratamentos. Editora
Livroluz. Pinto Soares e diagrama de revenido (figura
anexa).
Justifique a temperatura e o tempo de estágio que
considerou para o revenido.
Zona de fragilidade: entre 280 e 470 ºC.
6) Considere a peça apresentada na figura (guia dupla) e realizada no aço X32CrMoCoV333. Elabore o esquema de
tratamento adequado sabendo que a peça vai trabalhar a uma temperatura de 600ºC e que a dureza de trabalho
pretendida é de 55 HRC.
7) Considere um molde para fundição injectada de ligas de alumínio cuja temperatura de injecção é de 540ºC. O molde
para fabrico de peças de forma complexa tem as dimensões de 300x250x50 (unidades em mm) e foi confeccionado
em aço de designação DIN X38CrMoV 5 1. A fabricação do molde exigiu um longo trabalho de maquinagem com
arranque de apara. Pretende-se que o molde fique com uma dureza de 47 HRC. Com os elementos disponíveis e
supondo que nas instalações de tratamentos térmicos só estavam disponíveis fornos com banhos de sais, esquematize
um ciclo completo de tratamento térmico adequado indicando temperaturas, tempos de estágio e meios de
arrefecimento para obtenção da dureza de trabalho pretendida.
Nota: Consulte a informação sobre este aço no livro adoptado (Aços. Características e tratamentos. Editora Livroluz. Pinto
Soares) e em catálogos.
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8) Considere os seguintes aços:
Nº DESIGNAÇÃO COMPOSIÇÃO QUÍMICA
1 S 18 - 0 - 1 0.75% C, 18% W, 4.25% Cr, 1.1% V
2 100 MnCrW 4 0.95% C, 1.1% Mn, 0.5% Cr, 0.5% W, 0.1% V
3 14 NiCr 14 0.14% C, 3.25% Ni, 0.75% Cr
4 X 55 CrMo 14 0.5% C, 14.5% Cr, 0.5% Mo, 0.1% V
5 C 45 0.45% C
a) Qual o aço com maior temperatura de têmpera? Justifique.
b) Indique, justificando as suas opções, o aço mais conveniente (dentro dos
cinco aços indicados) para fabricar:
b1) brocas helicoidais;
b2) engrenagens (com tratamento termoquímico de cementação);
b3) facas de cozinha.
c) Considere a ferramenta de corte apresentada na figura.
Pretende-se que elabore o ciclo de tratamento térmico adequado para a
matriz sabendo que:
• aço utilizado no seu fabrico: 100 MnCrW 4 (informação disponível em
ANEXO);
• espessura: 80 mm;
• a matriz já se encontra maquinada;
• dureza de trabalho pretendida: 59 HRC.
d) A ferramenta considerada na alínea anterior (matriz de corte) poderá ser
sujeita a uma cementação ou a uma nitruração? Justifique.
ANEXO
a- punção b- matriz
c- peça a cortar
Nota relativa ao revenido⇒ zona de fragilidade: 220 a 300ºC.
9) Pretende-se elaborar um esquema de tratamento para uma roda dentada a realizar em aço do tipo AFNOR 16 NC 6.
Admita que:
a) após tratamento de cementação há necessidade de proceder a uma operação de rectificação;
b) não deve existir regeneração do grão do núcleo.
Nota: deve consultar o catálogo do fornecedor do aço.
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10) Considere a informação contida em cada um dos grupos seguintes:
Grupo 1: Tipo aço:
aço inoxidável
aço para ferramentas de trabalho a quente
aço para molas
aço para cementação
aço ao carbono
aço rápido
Grupo 2: Composição química:
A
C Si Mn Cr Mo Ni
< 0.07 < 1.00 < 2.00 17.5 2.20 11.5
B
C Si Mn Cr Mo V W Co
0.80 ≤ 0.40 ≤ 0.40 4.30 0.70 1.60 18.0 4.70
C
C Si Mn Cr Mo V
0.39 1.0 0.40 5.20 1.40 0.90
D
C Si Mn
0.70 0.25 0.75
E
C Si Mn Cr Ni
0.15 0.25 0.50 0.80 3.50
F
C Si Mn Cr V
0.50 < 0.40 0.95 1.05 0.10
Grupo 3
Esquema de tratamento térmico:
A
650ºC
forno
1250ºC
óleo
Sais
(500-550ºC)
ar
ar
580ºC 580ºC 580ºC
ar ar ar
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B
C
D
F
a) Combine adequadamente os 3 grupos de forma a que as linhas fiquem coerentes.
Grupo1: Tipo de aço
aço inoxidável
aço para ferramentas de trabalho a
quente
Grupo 2: Composição química Grupo 3: Tratamento térmico
aço para molas
aço para cementação
aço ao carbono
aço rápido
650ºC
ar
1050 -1150 ºC
690ºC
1050ºC
óleo
880ºC 880ºC
água
forno
ar
810ºC
E
óleo
óleo
500ºC
620ºC
570ºC
ar ar ar
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ar
180ºC
200ºC
850ºC 850ºC
ar
ar
ar
óleo
500ºC
ar

) No grupo 3 (esquema de tratamento térmico) indique qual o tipo de tratamento, colocando em cada círculo um
número correspondente, segundo a seguinte regra:
1 - recozido de distensão
2 - recozido de amaciamento
3 - recozido de normalização
4 - têmpera
5 - revenido
6 - lavagem da peça
7 - cementação
8 - hipertêmpera
c) Indique as designações SAE AISI, AFNOR e DIN para cada um dos aços considerados.
11) Relativamente aos aços em anexo, são conhecidas as
seguintes informações:
• Z80WKCV 18-10-04-02
Dureza (fornecido) - 300 HB
Temp. revenido - (550-580ºC)
• 16 NC6
Dureza (fornecido) - 215 HB
Tensão de rotura 900-1200MPa
Extensão na rotura: 9% no mínimo
Temp. revenido - (170-210ºC)
• Z40C14
Dureza (fornecido) - 260 HB
Temp. revenido - (180-300ºC)
Z 80 WKCV 18-10-04-02
C% Mn% Si% Cr% V% W% Co%
0.89 0.50 0.18 3.90 1.030 19.10 9.66
a) Classifique os aços quanto ao teor em elementos de liga.
b) Diga, para os três aços fornecidos, quais os elementos
da sua composição que podem ser considerados
elementos de liga. Quais as propriedades influenciadas
por cada um desses elementos?
c) Discuta as temperaturas de austenitização aconselhadas
para cada caso. Que cuidados colocaria na protecção das
peças expostas a essas temperaturas?
d) Na necessidade de efectuar uma têmpera, indique que
tipo de meios de arrefecimento escolheria para cada
caso. E o aquecimento como o faria?
e) Que transformações ocorrem à temperatura de 700ºC?
f) Para o aço 16 NC6, faça a análise das curvas de arrefecimento correspondentes às durezas finais de 236 HV e 32
HRC.
g) Para o aço Z40C14 faça a análise das curvas de arrefecimento correspondentes às durezas de 57 HRC, 34 HRC e 201
HV.
h) Qual o tempo de incubação do aço Z80WKCV 18-10-04-02 quando exposto à temperatura de 700ºC?
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Z 40 C 14
16 NC 6
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CODIFICAÇÃO
1) Codifique segundo a norma AFNOR, os seguintes aços:
a) aço não ligado para tratamento térmico com um teor de carbono de 0.38% e com baixos teores de enxofre e
fósforo.
b) aço de liga com 1.2% de carbono e 12% de crómio.
2) Considere os seguintes aços:
A - X 38 CrMoV 5 1
B - Z 80 WKCV 18-10-04-02
C - 140 Cr 3
a) Qual a composição química aproximada destes aços?
b) Como classifica os aços quanto ao teor de elementos de liga?
3) Considere os aços com as seguintes composições químicas:
Carbono (%) Elementos de Liga (%)
A⇒ 0,75 Cr: 4,25 ; V: 1,10 ; W: 18,00
B⇒ 0,14 Cr: 0,75 ; Ni: 3,25
C⇒ 0,39 Cr: 5,20 ; Mo: 1,40 ; V: 0,9
D⇒ 0,45 -
Escreva a designação dos quatro aços segundo a norma DIN.
4) Qual o significado da designação Z 6 CN 18-09.
5) Escreva a designação DIN para um aço de construção que
apresenta uma tensão de rotura de 52 Kg/mm 2 e uma
qualidade 2.
6) Indique na norma AFNOR o código correspondente às
designações DIN:
a) 100 MnCrW 4
b) 90 MnCrV 8
c) X 2 CrCoMo 10 10 5
Tabela com factores de conversão
ISEP-DEM-MTMET 2007/2008 19/19