faculdade salesiana maria auxiliadora
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FACULDADE SALESIANA MARIA AUXILIADORA
CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA
BEATRIZ DA SILVA CELESTINO
CLEVERSON VIEIRA AZEVEDO
GABRIEL PIRES LEITE
JENNIFER SANTOS ROSA
TAINÁ RIBEIRO DE MELLO
AÇOS CARBONO E AÇOS-LIGA
MACAÉ
2016
BEATRIZ DA SILVA CELESTINO
CLEVERSON VIEIRA AZEVEDO
GABRIEL PIRES LEITE
JENNIFER SANTOS ROSA
TAINÁ RIBEIRO DE MELLO
AÇOS CARBONO E AÇOS-LIGA
Trabalho apresentado em cumprimento as exigências da disciplina Ciências dos Materiais, ministrada pelo (a) professor (a) Adriano Silva Vieira no curso de graduação em Engenharia Química na Faculdade Salesiana Maria Auxiliadora.
Macaé
2016
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – (Classificação dos aços)............................................................................. 7
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – (Classificação química dos tipos de inclusões presentes em aços).......... 9
Tabela 2 – (Efeito do tipo de estrutura sobre as propriedades de tração do aço).......16
Tabela 3 – (Propriedades mecânicas dos microconstituintes dos aços).....................18
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 5
2. CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS .............................................................................. 6
3. SISTEMAS DE CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS ................................................... 7
4. INCLUSÕES NÃO-METÁLICAS........................................................................... 8
5. PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS AÇOS-CARBONO................................... 12
6. IMPORTÂNCIA E LIMITAÇÕES DOS AÇOS-CARBONO................................. 14
7. AÇOS-LIGA ............................................................................................................ 18
8. CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS-CARBONO E DOS AÇOS-LIGA ...................... 21
8.1. DE ACORDO COM A COMPOSIÇÃO QUÍMICA ........................................ 22
8.2. DE ACORDO COM A ESTRUTURA ............................................................. 23
8.3. DE ACORDO COM A APLICAÇÃO .............................................................. 24
9. NORMAS BRASILEIRAS DE APLICAÇÃO........................................................ 27
10. CONCLUSÕES........................................................................................................ 28
11. REFERÊNCIAS........................................................................................................ 29
1. INTRODUÇÃO
A aplicação dos aços nos diversos campos da engenharia é de extrema
importância. O grande uso deles entre os materiais de construções é atribuído a
resistência mecânica, trabalhabilidade, disponibilidade e baixo custo.
O aço é uma liga de natureza relativamente complexa e sua definição não é
simples, visto que, uma liga consiste da união de dois ou mais elementos químicos onde
um deles é um metal.
Apesar dos seus principais elementos de liga serem o ferro e o carbono, eles
contêm sempre outros elementos secundários, presentes devido aos processos de
fabricação. Devido a isso, pode-se definir o aço como sendo uma liga Ferro-Carbono,
contendo geralmente de 0,008% até aproximadamente 2,11% de carbono, além de
certos elementos secundários como Silício, Manganês, Fósforo, cobre e Enxofre.
5
2. CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS
Diferença entre os aços carbono comuns e os aços ligados:
1. Aço-carbono são ligas de Ferro-Carbono contendo geralmente de 0,008% até
2,11% de carbono, além de certos elementos residuais resultantes dos processos
de fabricação;
2. Aço-liga são os aços carbono que contém outros elementos de liga, ou apresenta
os elementos residuais em teores acima dos que são considerados normais.
Os aços carbono podem ser subdivididos em:
Aços de baixo teor de carbono, com [C] < 0,3%, são aços que possuem grande
ductilidade, bons para o trabalho mecânico e soldagem (construção de pontes,
edifícios, navios, caldeiras e peças de grandes dimensões em geral). Estes aços
não são temperáveis;
Aços de médio carbono, com 0,3 < [C] < 0,7%, são aços utilizados em
engrenagens, bielas, etc. São aços que, temperados e revenidos, atingem boa
tenacidade e resistência;
Aços de alto teor de carbono, com [C] > 0,7%. São aços de elevada dureza e
resistência após a tempera, e são comumente utilizados em molas, engrenagens,
componentes agrícolas sujeitos ao desgaste, pequenas ferramentas, etc.
Os aços-liga, por sua vez, podem ser subdivididos em dois grupos:
Aços de baixo teor de ligas, contendo menos de 8% de elementos de liga;
Aços de alto teor de ligas, com elementos de liga acima de 8%.
De modo geral, estes aços proporcionam uma grande economia de aço na
estrutura, a um custo muito reduzido.
Figura 1 – Classificação dos aços
6
Fonte: Artigo 1
3. SISTEMAS DE CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS
Existem várias maneiras pelas quais a classificação do aço é feita, conforme
suas propriedades físicas e químicas, com base no teor de carbono presente e de acordo
com o sistema de classificação utilizado. Em geral, a classificação de aço é categorizada
por suas propriedades mecânicas e resistência à corrosão.
Composição química do aço: tal como o tipo de carbono, tipo de liga e tipo
de aço inoxidável.
Métodos de fabricação: incluindo forno aberto, forno elétrico e processo de oxigenação;
Processo de acabamento: produtos laminados a quente ou produtos laminados a frio;
Forma do produto: barra, lâminas (chapas) ou tiras;
Processo de desoxidação: remoção de oxigênio elementar do produto.
Fase micro estrutural: isso pode incluir diferentes tipos de aço, como aço
ferrítico (contém 30 por cento de cromo com uma estrutura de cristal chamada de
1 Disponível em: <http://www.engmarcoantonio.com.br/cariboost_files/A_C3_A7os_estruturais.pdf> Acesso em mar. 2016.
7
ferrítico), austenítico (composto 0,15 por cento de carbono de e 16 por cento de cromo),
duplex (mistura de austenita e ferrita) e martensítico (mistura de menos de 1 % de
carbono e 18 % cromo).
Tratamento térmico: recozimento, têmpera e revenimento.
Às vezes, a classificação do aço pode variar de acordo com organizações:
ASTM; SAE; ASME.
4. INCLUSÕES NÃO-METÁLICAS
Inclusões são partículas não metálicas presentes na matriz dos metais e
ligas, e podem ser resultantes do processo de desoxidação dos mesmos. As inclusões
podem ser muito prejudiciais às propriedades mecânicas como a tenacidade a fratura,
resistência a impacto, resistência à fadiga, trabalhabilidade a quente e resistência à
corrosão do aço, principalmente para os aços de alta-resistência para aplicações críticas.
As inclusões são normalmente partículas fósforo, enxofre, manganês, silício, alumínio,
e possuem tamanho sub-microscópico.
Na prática, costuma se dividir as inclusões pelo tamanho de micro-inclusões
e macro-inclusões. A macro-inclusões deve ser eliminada por conta de seu efeito
nocivo. Entretanto a presença da micro-inclusões pode ser tolerada, já que não
necessariamente elas têm efeito nocivo nas propriedades do aço e podem até mesmo
serem benéficas. Elas podem, por exemplo, restringir o tamanho do grão, aumentar o
limite de escoamento e dureza, e agir com núcleos para precipitação de carbonetos e
nitretos.
Além da divisão em função do tamanho, as inclusões costumam ser
divididas quanto a sua origem, em inclusões endógenas e exógenas, pois de acordo com
a origem, os efeitos nocivos das inclusões nas propriedades do produto final podem ser
diferentes.
Inclusões endógenas são as inclusões formadas como produtos de
reações de desoxidação durante o processo de produção de aço.
8
Inclusões exógenas são as inclusões originadas de interações químicas ou
mecânicas indesejadas do metal líquido com refratários, escória ou ainda com a
atmosfera.
As inclusões podem ser classificadas agrupando-as em função de sua
composição química, e existem diversas maneiras de classificá-las desta maneira.
Inicialmente podem se dividir as inclusões em: óxidos, sulfetos, nitretos e fosfetos.
Os óxidos incluem as inclusões de alumina, sílica, aluminatos de cálcio,
espinélios, silicatos de manganês e alumínio, óxidos de ferro, óxidos de manganês, e
óxidos mistos. Os sulfetos incluem principalmente sulfetos de manganês e o sulfeto de
cálcio. Os nitretos podem incluir, em função dos elementos de liga do aço, nitretos
de carbono, de alumínio, de titânio ou de outros elementos. E por fim os incluem
fosfetos de ferro e de outros elementos.
Uma classificação bastante abrangente, feita por NUSPL et al, que engloba
praticamente todos os tipos de inclusões em aços, exceto óxidos de ferro e fosfetos, é
apresentada na Tabela 1.
Tabela 1: Classificação química dos tipos de inclusões presentes em aços.
Classe Tipo de inclusão Descrição
1 Al2O3 Inclusão de alumina2 CA Aluminato de cálcio3 CA-CaS Aluminato de cálcio com sulfeto de cálcio4 CA-(Ca,Mn)S Aluminato de cálcio com sulfeto de cálcio-manganês5 MgO.Al2O3 Espinélio de magnésio6 MnO.Al2O3 Espinélio de manganês (galaxita)7 Mn-Silicato Silicato de manganês8 Al-Silicato Silicato de alumínio9 Mn-Al-Silicato Silicato de manganês e alumínio10 CaO-CaS Óxido de cálcio ou óxido de cálcio com sulfeto de 11 (Mn,Fe)S Sulfeto de manganês e ferro12 TiS Sulfeto de titânio13 (Mn,Fe,Ti)S Sulfeto de manganês-ferro-titânio14 CaS Sulfeto de cálcio15 (Mn,Fe,Ca,Ti,Mg)S Sulfeto de manganês-ferro-cálcio-titânio-magnésio16 OS Oxissulfeto (óxido endógeno com sulfeto)17 OCN Oxicarbonitreto18 OCN-S Oxicarbonitreto com sulfeto19 CN Carbonitreto20 CN-S Carbonitreto com sulfeto
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21 Exógena+Na Inclusão exógena contendo sódio22 Exógena Inclusão exógena23 Desconhecida Partícula não classificada
A razão pela qual não aparecem óxidos de ferro nesta classificação, é a de
um método utilizado para a determinação da composição química das inclusões, que
desconsidera a presença do Fe, e normaliza as porcentagens em massa de todos os
outros elementos identificados, para se eliminar a influência da matriz (o próprio aço)
na análise da composição química das inclusões.
Dependendo do tipo de aço e seus elementos de liga, além dos desoxidantes
utilizados, pode haver mais tipos diferentes de inclusões, o que levaria à necessidade
da criação de mais classes na classificação apresentada.
As inclusões de alumina (Al2O3) são resultado da desoxidação do aço com
alumínio, e da contaminação do aço líquido por partículas originadas dos refratários.
Elas também podem ter origem em desoxidantes como algumas ferroligas (por
exemplo, o FeSi), as quais podem conter alumínio como impureza.
A forma das inclusões de alumina pode ser: dendrítica, formada durante a
desoxidação de aço com um alto teor de oxigênio; de estruturas em forma de coral,
formadas a partir do amadurecimento de Ostwald de inclusões dendríticas; de
aglomerados de partículas, formadas por colisões de pequenas esferas de alumina; e
de grandes esferas de óxidos complexos, a partir do arraste de escória líquida.
Os aluminatos de cálcio na aciaria surgem durante o processo de
modificação de inclusões de alumina através do tratamento com cálcio, ou ainda a
partir da interação com escória quando existe a adição de cal.
As inclusões contendo silicatos geralmente aparecem em aços desoxidados
com FeSi, ou aços semi-acalmados desoxidados com Si/Mn, Si/Mn/Al, Si/Mn/Ca. As
inclusões de silicatos englobam a sílica, os silicatos de manganês, os silicatos de cálcio,
os silicatos de alumínio, os silicatos de alumínio-manganês, e os silicatos de cálcio. Os
silicatos contendo manganês podem apresentar uma segunda fase composta de sulfeto
de manganês, não miscível com a fase de silicatos.
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Dentre os silicatos de alumínio, manganês e alumínio-manganês, a mulita
(3Al2O3.2SiO2) pode aparecer precipitada em uma matriz de alumina e sílica, mas é
mais comum em inclusões exógenas.
A solubilidade do enxofre no aço líquido aumenta com a diminuição da
solubilidade do oxigênio, e isto influencia na morfologia das inclusões de sulfetos,
como será visto a seguir.
Os sulfetos de manganês podem ser classificados de acordo com sua
morfologia, como sulfetos do tipo I, do tipo II, e do tipo III.
Os sulfetos de manganês do tipo I são globulares e se apresentam em uma
ampla faixa de tamanhos. Normalmente ocorrem em aços desoxidados ao Si, ou em
aços semi-acalmados, que possuem alto de teor de oxigênio dissolvido e baixa
solubilidade de enxofre. Formam-se então inclusões do tipo duplex ou compostas
(inclusões constituídas de duas fases, não miscíveis entre si) de MnS e silicatos. A fase
MnS neste tipo de inclusão pode ter outros elementos em solução sólida, como por
exemplo, o Cr.
Os sulfetos de manganês do tipo II têm uma estrutura dendrítica. São
encontrados em aços completamente acalmados ao Al, sem excesso de
desoxidante, e com baixo teor de oxigênio dissolvido. O enxofre tem baixa
solubilidade nestes aços, e a fase sulfeto se precipita nas últimas regiões do aço a se
solidificar, os contornos de grão. Geralmente são chamados de "sulfetos de contorno de
grão", pois têm a forma de pequenos precipitados que se formam ao longo dos
contornos de grão do aço. A alumina formada durante a desoxidação do aço pode agir
como um ponto para a nucleação da fase sulfeto, ou então a alumina pode ser
encontrada misturada com a fase sulfeto, mas sempre como uma fase separada –
inclusão duplex de MnS e Al2O3.
E os sulfetos de manganês do tipo III são irregulares, geralmente com
formas angulares e distribuídos aleatoriamente no aço. São morfologicamente
semelhantes aos do tipo I, mas no tipo III se formam inclusões monofásicas enquanto
que no tipo I podem se formar inclusões multifásicas. Os sulfetos do tipo III geralmente
são formados em aços acalmados ao Al com excesso de desoxidante. O teor de oxigênio
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destes aços é baixo, mas a solubilidade do enxofre também é baixa comparada com os
aços que formam sulfetos do tipo II, devido ao excesso de Al. As inclusões de Al2O3
sempre estão presentes como uma fase separada e não influenciam a forma externa das
inclusões de sulfetos.
Inclusões de sulfetos em aços ligados podem conter diferentes quantidades
de elementos de liga sem mudar sua aparência ao microscópio. Nesta categoria de
soluções sólidas, Me pode ser um metal de transição do 1° período (como Ti, V, Cr, Fe,
Co e Ni). Inclusões de (Mn,Cr)S e (Mn,Fe)S em aços ligados podem ter consideráveis
quantidades de Cr e Fe em solução sólida, mas esta solução sólida somente pode se
formar se o sulfeto precipitar diretamente do aço líquido.
Inclusões de sulfeto de cromo, (Mn,Cr)S, aparecem como pequenas regiões
triangulares ou regulares no interior de inclusões de MnS. E também podem
aparecer na forma globular, como inclusões duplex de sulfeto de cromo e óxido de
cromo.
Já inclusões de CaS são comumente encontradas nos aços. O CaS costuma
aparecer como uma casca em torno de inclusões globulares de aluminatos de cálcio, de
alumina, ou mesmo de CaO. Ele não se deforma facilmente como o MnS, e também é
encontrado em solução sólida com o MnS, O, CaS reage com a água. As inclusões de
CaS podem causar problemas de entupimento de tubos de válvulas submersas em
válvulas de lingotamento contínuo, assim como ocorre com inclusões de alumina.
5. PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS AÇOS-CARBONO
As propriedades mecânicas dos aços-carbono são afetadas, em princípio,
pelos dois fatores seguintes:
- Composição química;
- Microestrutura.
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No que se refere à composição química, nos aços esfriados normalmente,
isto é, em condições tais que se processe transformação total da austenita, o elemento
predominante é o carbono que, como se viu, à medida que aumenta, melhora as
propriedades relativas à resistência mecânica, isto é, o limite de escoamento, o limite da
resistência à tração e a dureza e piora das propriedades relativas à ductilidade e à
tenacidade, isto é, o alongamento, a estricção e a resistência ao choque. Quanto aos
elementos residuais, a sua influência já foi comentada.
No que se refere à microestrutura, esta é inicialmente afetada pela
composição química, pois sabe-se que os constituintes presentes são ferrita e perlita, ou
perlita e cementita ou somente perlita, conforme se trate de aço hipoeutetóide,
hipereutetóide ou eutetóide.
Por outro lado, a microestrutura dos aços depende também dos seguintes fatores:
- Estado ou condição do aço, sob o ponto de vista de fabricação; se fundido, trabalhado
a quente (laminado, forjado, etc.) ou trabalhado a frio (encruado);
- Tamanho de grão austenítico;
- Velocidade de esfriamento;
No estado fundido o aço apresenta granulação grosseira, do tipo dentrítico,
visto que a austenita se forma a altas temperaturas e o esfriamento do interior dos
moldes é muito lento.
No estado trabalhado a quente, em que a maioria dos aços é utilizada
(laminados, forjados, etc.), como as operações de conformação a quente são realizadas a
temperaturas em que o aço se apresenta no estado austenítico, verificam-se as seguintes
consequências:
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- Homogeneização apreciável da estrutura, pela tendência a eliminar ou reorientar as
inclusões e segregações que ocorrem durante a solidificação do metal no interior dos
moldes;
- Destruição da estrutura dendrítica;
- Recristalização, com acentuada influência sobre o tamanho do grão, que, por sua vez,
depende das temperaturas finais de deformação; geralmente, o trabalho a quente produz
uma redução do tamanho de grão de aço.
Em consequência, as propriedades mecânicas finais do aço são melhoradas
sensivelmente, em relação às do material fundido.
No estado encruado, característico de alguns dos mais importantes produtos
siderúrgicos, como fios, fitas, chapas, etc., os efeitos mais importantes são s seguintes:
- Aumento da resistência mecânica;
- Aumento da dureza;
- Diminuição da ductilidade, representada por um decréscimo de alongamento e
estrição.
No que se refere ao tamanho de grão austenítico, permite avaliar o seu efeito
em alguns dos mais importantes característicos dos aços.
Finalmente, o fator velocidade de esfriamento. Viu-se, então, como,
modificando-se essa velocidade a partir do estado austenítico, originam-se as diversas
estruturas típicas dos aços e que determinam as suas propriedades finais.
6. IMPORTÂNCIA E LIMITAÇÕES DOS AÇOS-CARBONO
De todos os materiais, o aço carbono é o material de maior uso, sendo 14
empregado na maioria dos equipamentos. O motivo dessa verdade é que o aço carbono -
além de ser um material de fácil usinagem, de boa soldabilidade e de fácil obtenção - é
encontrado em todas as formas de apresentação e é classificado como o material
metálico de menor preço em relação à sua resistência mecânica.
Sabe-se que os aços-carbono constituem o mais importante grupo de
materiais utilizados na engenharia e na indústria. Aliás, os estados normais de utilização
desses materiais são o fundido e o trabalhado. As peças fundidas geralmente
requerem um tratamento térmico de recozimento ou normalização para alívio das
tensões originadas na solidificação e para homogeneização da microestrutura. O aço
trabalhado por forjamento, laminação, estiramento, trefilação, etc., é utilizado
diretamente na forma de perfis obtidos através desses processos, sem necessidade de
tratamentos térmicos complexos, a não ser nos casos de trabalho final a frio, quando é
necessário eliminar o efeito do encruamento.
Fato é que para peças fundidas o tratamento térmico de recozimento
específico é chamado de ‘Recozimento para alívio de tensões’ que consiste no
aquecimento do aço a uma temperatura abaixo do limite inferior da zona crítica. O
objetivo é aliviar as tensões originadas durante a solidificação ou produzidas em
operações de endireitamento, corte por chama, soldagem ou usinagem. Essas tensões
começam a ser aliviadas em temperaturas a cima do ambiente; entretanto, é
aconselhável aquecimento lento até pelo menos 500ºC para garantir os melhores
resultados. De qualquer modo, a temperatura de aquecimento deve ser a mínima
compatível com o tipo e as condições da peça, a fim de que não haja modificação na sua
estrutura interna e, ao mesmo tempo, não produza alterações sensíveis de suas
propriedades mecânicas.
Diante de amplos exemplos, torna-se primordial apresentar de forma
genérica características e aplicações dos aços-carbono:
Baixo carbono: possui baixa resistência e dureza e alta tenacidade e ductilidade.
É usinável e soldável, além de apresentar baixo custo de produção. Geralmente,
este tipo de aço não é tratado termicamente. Aplicações: chapas
automobilísticas, perfis estruturais, placas para produção de tubos, construção
civil, pontes e latas de folhas de flandres.
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Médio carbono: possui maior resistência e dureza e menor tenacidade e
ductilidade do que o baixo carbono. Apresentam quantidade de carbono
suficiente para receber tratamento térmico de têmpera e revestimento, embora o
tratamento, para ser efetivo, exija taxas de resfriamento elevadas e em seções
finas. Aplicações: rodas e equipamentos ferroviários, engrenagens, virabrequins
e outras peças de máquinas, que necessitem de elevadas resistências mecânica e
ao desgaste e tenacidade.
Alto carbono: é o de maior resistência e dureza. Porém, apresentam menor
ductilidade entre os aços carbono. Geralmente, são utilizados temperados ou
revenidos, possuindo propriedades de manutenção de um bom fio de corte.
Aplicações: talhadeiras, folhas de serrote, martelos e facas.
No panorama dos aços-carbonos, portanto, existem desvantagens em
relação a sua composição e aplicação. Nesse caso, o incentivo às pesquisas de seus
microconstituintes, tais quais: Ferrita, Perlita e Cementita são bem vistas, já que há
possibilidade de descobertas quanto a sua composição e estrutura química. Essa verdade
pode proporcionar, por exemplo, forte aperfeiçoamento nas características físicas e
químicas dos aços-carbono e, por fim, produzirá ilimitações para seu manuseio e
produção.
Os aços-carbono constituem o mais importante grupo de materiais utilizados
na engenharia e na indústria. De fato, as propriedades mecânicas desses aços
simplesmente ao carbono, sem qualquer elemento de liga, e na maioria dos casos
também sem qualquer tratamento térmico, são suficientes para atender à maioria das
aplicações da prática. Como se sabe, os estados normais de utilização desses materiais
são o fundido e o trabalhado. As peças fundidas geralmente requerem um tratamento
térmico de recozimento ou normalização para alívio das tensões originadas na
solidificação e para homogeneização da microestrutura. O aço trabalhado por
forjamento, laminação, estiramento, trefilação, etc., é utilizado diretamente na forma de
perfis obtidos através desses processos, sem necessidade de tratamentos térmicos
complexos, a não ser nos casos de trabalho final a frio, quando é necessário eliminar o
efeito do encruamento.
16
Por outro lado, em secções pequenas, os aços-carbono podem, dentro de
certos limites, ser esfriados a velocidades que sejam suficientes para produzir qualquer
uma das possíveis distribuições de cementita na ferrita, inclusive a formação da
martensita. Sabe-se que, para cada tipo particular de distribuição de carbonetos, o teor
de carbono é o principal fator de influência na dureza e na resistência mecânica do aço.
Mantendo-se constante o teor de carbono, a resistência aumenta à medida que aumenta a
finura da dispersão de carbonetos, ao passo que a ductilidade e propriedades
semelhantes diminuem. Para a mesma dureza, por outro lado, a dispersão do tipo
esferoidal possui maior tenacidade do que a estrutura lamelar.
Tabela 2 – Efeito do tipo de estrutura sobre as propriedades de tração do aço.
Aço com1%de carbono
Propriedade
Ferro
comercialmente
puro
PerlíticoCoalescid
o
Temperado e
Revenido
Limite de
escoamento,
kgf/mm2 (MPa)
18,2 (182)59,5
(585)28,0 (280) -
Limite de resistência
à tração, kgf/mm2
(MPa)
29,4 (284)105,0
(1030)54,6 (536) 182,0 (1785)
Alongamento, % 40-44 10 31 33
Estricção, % 70-75 12-15 57 45
Dureza Brinell 80-85 300 156 540
Em resumo, pequenas secções de aço-carbono podem de fato ser submetidas
a tratamentos térmicos tais que possam produzir excelentes propriedades à temperatura
ambiente. A Tabela 22 ilustra bem esse fato.
Nota-se, pelo exame das duas primeiras colunas, que somente a presença do
carbono já é suficiente para dar ao aço, laminado por exemplo, maior resistência, com
prejuízo, entretanto, da ductilidade. Em resumo:
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A resistência à tração dos aços-carbono eleva-se com o teor de carbono até
0,7/0,8% de carbono; o limite de escoamento mostra uma alteração menos acentuada:
limita-se a 0,6/0,7%.
O alongamento e a resistência ao choque decrescem acentuadamente. Pode-
se dizer, de um modo geral, que a resistência atinge valor máximo para cerca de 0,8%
de carbono, para em seguida decrescer ligeiramente, ao passo que a ductilidade decresce
sempre e mais rapidamente para os teores mais altos de carbono.
Como se viu, as propriedades mecânicas dos aços estão intimamente
relacionados com os vários constituintes estruturais, dos quais não se conhece, na
realidade, as verdadeiras características, com a devida precisão.
De acordo com a SAVEUR, as propriedades dos vários constituintes podem
ser resumidas de acordo com o que mostra a Tabela 23.
Tabela 3 – Propriedades mecânicas dos microconstituintes dos aços.
Constituint
e
Limite de
resistência à
tração kgf/mm2
(MPa)
Alongamento
em 2", %
Dureza
Brinell
Poder
endurecedor
(com a têmpera)
Ferrita 35 (340) Cerca de 40 90 Nenhum
Perlita 85 (830) Cerca de 10 250/300
Máximo
Cementita 3 (30) 0 650 Nenhum
É preciso lembrar, entretanto, que as propriedades da perlita variam
grandemente com o grau de finura da sua estrutura.
É evidente que os aços-carbono apresentam limitações, sobretudo quando se
desejam propriedades especiais de resistência à corrosão, resistência ao calor, 18
resistência ao desgaste, característicos elétricos ou magnéticos, etc. Nesses casos,
recorre-se aos aços-liga, cuja importância cresce dia a dia.
7. AÇOS-LIGA
Aço-Liga, também chamado de aço especial, é uma liga de ferro-carbono
com elementos de adição (níquel, cromo, manganês, boro, tungstênio, molibdênio,
vanádio, silício, cobalto e alumínio) esse aço tem características especiais, tais como:
resistência à tração e à corrosão, elasticidade e dureza, entre outras, tornando-os
melhores do que os aços-carbono comuns. A adição de elementos de liga tem o objetivo
de promover mudanças microestruturais que, por sua vez, promovem mudanças nas
propriedades físicas e mecânicas, permitindo que ao material desempenhar funções
específicas.
Cada elemento de adição tem suas características, tais como:
Níquel é utilizado por aumentar dureza do aço, sua resistência ao impacto e
ductilidade.
Cromo é conveniente pelo aumento da temperabilidade e para retratar o desgaste
e no aumento da dureza.
Manganês ocasiona o aumento da temperabilidade e reduz a temperatura de
austenitização, ele é útil na produção de aços-ferramentas, na produção do aço
austenitícos.
19
Boro é caracterizado por aumentar a temperabilidade. É utilizado para
revestimentos de superfície e para retratar o envelhecimento do aço. Quando
adicionado em pequenas quantidades, melhora a temperabilidade do aço diminui
a tendência a trincas de têmpera, distorções durante o tratamento térmico e
melhora as propriedades de conformação mecânica.
Tungstênio forma carbonetos muito duros, aumenta a dureza e aumenta a
resistência a altas temperaturas.
Molibdênio influência na estabilização dos carbonetos, aumenta a resistência à
tração, aumenta a temperabilidade e aumenta a resistência em alta temperatura.
Vanádio inibe o crescimento dos grãos, forma carbonetos, aumenta a resistência
mecânica e aumenta a resistência à fadiga e à abrasão.
Silício é caracterizado por aumenta a resitência em aços pobres e produz forte
dureza, resistência ao desgaste e aos ácidos. Tem boa permeabilidade magnética.
Cobalto forma carbonetos (fracamente), desloca a curva TTT (tempo-
temperatura-transformação) para esquerda, aumenta a dureza, aumenta a
resistência à tração, resistência à corrosão e a à erosão.
Alumínio é bastante dúctil, apresenta boa resistência à corrosão, boa
condutividade térmica e elétrica.
Como pode observar nas descrições dos elementos acima, a introdução de
outros elementos de liga nos aços-carbono é feita quando se deseja um ou diversos
dos seguintes efeitos:
Aumentar a dureza e a resistência mecânica;
20
Conferir resistência uniforme através de toda a secção em peças de grandes
dimensões;
Diminuir o peso (consequência do aumento da resistência), de modo a reduzir a
inércia de uma parte em movimento ou reduzir a carga-morta em um veículo ou
numa estrutura;
Conferir resistência à corrosão;
Aumentar a resistência ao calor;
Aumentar a resistência ao desgaste;
Aumentar a capacidade de corte;
Melhorar as propriedades elétricas e magnéticas.
Geralmente esse aumento da resistência é obtido pela adição de um ou
vários elementos de liga em teores relativamente baixos, não ultrapassando sua soma o
valor de 5%. Nessas condições, os princípios fundamentais dos tratamentos térmicos
permanecem porque, ainda que a presença de novos elementos de liga obrigue a um
ajuste nas temperaturas dos tratamentos, a transformação da austenita e as estruturas
resultantes são as mesmas que ocorrem nos aços-carbono.
Aços de alta liga são aqueles cuja soma dos elementos ultrapassa 5%. Três
grupos podem representar os aços ligados: aços temperados e revenidos, aços tratáveis
termicamente e aços resistentes à corrosão e ao calor. Esses aços de alto teor em liga são
mais difíceis de fabricar e tratar termicamente de modo que são muito dispendiosos,
mesmo porque alguns dos elementos de liga utilizados são relativamente raros.
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8. CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS-CARBONO E DOS AÇOS-LIGA
É muito difícil estabelecer uma classificação precisa e completa para todos
os tipos de aços. Mesmo no caso dos aços-carbono comuns, os sistemas usuais de
classificação – ABTN, SAE, AISI, etc. – cobrem apenas os aços até carbono médio
equivalente a 1,00%.
No caso de aços-liga, a elaboração de sistemas de classificação é mais
difícil, devido ao constante acréscimo de novos tipos, não só com modificações nos
teores de elementos de liga, em relação aos tipos já existentes, mas igualmente com a
presença de novos elementos de liga. Ainda assim, para os tipos mais comuns e teores
relativamente baixos de elementos de liga, tanto a SAE, a AISI e outras associações
técnicas, como a ABTN no Brasil, elaboram sistemas de classificação que atendem
satisfatoriamente às necessidades do meio. Do mesmo modo, já se estabeleceram
sistemas de classificação para alguns tipos de aços especiais – aços-ferramenta, aços
inoxidáveis, aços resistentes ao calor, etc. – como se verá por ocasião da sua descrição.
Essas classificações especificam principalmente as composições químicas dos aços,
subdivididos em inúmeros grupos, abrangendo dezenas de análises químicas diferentes.
Para os fins do presente estudo, poder-se-ia classificar os aços de três modos diferentes:
- De acordo com a composição química;
- De acordo com a estrutura;
- de acordo com a aplicação.
8.1. CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO COM A COMPOSIÇÃO QUÍMICA
Considerada a composição química dos aços como base de classificação,
poderiam ser considerados os seguintes subgrupos:
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- Aços-carbono, ou seja, aqueles que estão presentes o carbono e os elementos residuais,
manganês, silício, fósforo, enxofre e outros, nos teores considerados normais;
- Aços-liga de baixo teor em liga, ou seja, aqueles em que os elementos residuais estão
presentes acima dos teores normais, ou onde ocorre a presença de novos elementos de
liga, cujo teor total não ultrapassa um valor determinado (normalmente até 5,0%).
Nestes aços, a quantidade total de elementos de liga não é suficiente para alterar
profundamente as estruturas dos aços resultantes, assim como a natureza dos
tratamentos térmicos a que devam ser submetidos;
- Aços-liga, de alto teor em liga, em que o teor total dos elementos de liga é, no mínimo,
de 10 a 12%. Nessas condições, não só as estruturas dos aços correspondentes podem
ser profundamente alteradas, como igualmente os tratamentos térmicos comerciais
sofrem modificações, exigindo ainda técnica e cuidados especiais e, frequentemente,
operações múltiplas;
- Aços-liga, de médio teor em liga, que poderiam ser consideradas como constituindo
um grupo intermediário entre os dois anteriores.
8.2. CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO COM A ESTRUTURA
Tomada a estrutura como base para classificação, os seguintes subgrupos
poderiam ser considerados:
- Perlíticos, sem elementos de liga ou com elementos de liga em teores relativamente
baixos (até o máximo de 5%); suas propriedades mecânicas, em função do teor de
carbono e de elemento de liga, podem ser consideravelmente melhoradas por tratamento
térmico de têmpera e revenido; também em função do teor de carbono, sua
usinabilidade pode ser considerada boa;
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- Martensíticos, quando o teor de elemento de liga supera 5%; apresentam dureza muito
elevada e baixa usinabilidade;
- Austeníticos, caracterizados por reterem a estrutura austenítica à temperatura
ambiente, devido aos elevados teores de certos elementos de liga (Ni, Mn ou Co); os
inoxidáveis, não magnéticos e resistentes ao calor, por exemplo, pertencem a esse
grupo;
- Ferríticos, igualmente caracterizados por elevados teores de certos elementos de liga
(Cr, W ou Si), mas com baixo teor de carbono. Não reagem à têmpera; no estado
recozido, caracterizam-se por representar uma estrutura predominante ferrítica, com
eventualmente pequenas quantidades de cementita;
- Carbídicos, caracterizados por apresentarem quantidades consideráveis de carbono e
elementos formadores de carbonetos (Cr, W, Mn, Ti, Nb e Zr). Sua estrutura compõe-se
de carbonetos dispersos na matriz que pode ser do tipo sorbítico, martensítico ou
austenítico, dependendo da composição química. São aços usados especialmente em
ferramentas de corte e em matrizes.
8.3. CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO COM A APLICAÇÃO
Esta será a classificação adotada na presente obra. De acordo com a mesma,
podem ser considerados os seguintes subgrupos:
- Aços para fundição, caracterizados por apresentarem boa combinação de resistência,
ductilidade e tenacidade; além disso, apresentam boa usinabilidade e adequada
soldabilidade; muitos tipos são suscetíveis de tratamentos térmicos de têmpera e
revenido;
- Aços estruturais, ao carbono ou com pequenos teores de elementos de liga, com boas
ductilidade e soldabilidade e elevado valor de relação limite de resistência à tração para
limite de escoamento;
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- Aços para trilhos, cujas condições de serviços exigem característicos de boa
resistência mecânica, boa resistência ao desgaste etc.; são tipicamente aços ao carbono;
- Aços para produtos planos, que devem apresentar excelente deformabilidade, boa
soldabilidade, entre outras qualidades;
- Aços para tubos, com, em princípio, as mesmas qualidades dos aços para chapas;
como os anteriores, são normalmente ao carbono, embora, nestes últimos, algumas
aplicações podem exigir a presença de elementos de liga;
- Aços para barras, arames e fios, os quais, conforme aplicações, podem apresentar
característicos de resistência à tração realmente notáveis;
- Aços para molas, caracterizados por elevado limite elástico;
- Aços de usinagem fácil, caracterizados pela sua elevada usinabilidade, teores acima
dos normais dos elementos enxofre e fósforo, principalmente o primeiro, e,
eventualmente, à presença de chumbo;
- Aços para cementação, normalmente de baixo carbono e baixos teores de elementos de
liga, de modo a apresentarem os melhores característicos para enriquecimento
superficial de carbono, além de um núcleo tenaz, depois da cementação e da têmpera;
- Aços para nitretação, simplesmente ao carbono ou com os elementos de liga cromo,
molibdênio e alumínio;
- Aços para ferramentas e matrizes, caracterizados por alta dureza à temperatura
ambiente, assim como, nos tipos mais sofisticados, alta dureza à temperatura elevada,
satisfatória tenacidade e onde as propriedades comuns de resistência mecânica e
principalmente de ductilidade, pouco significado apresentam. Os tipos mais sofisticados
apresentam elementos de liga em teores muito elevados, sendo os mais importantes e
famosos os “aços rápidos”, com elevado teor de tungstênio, mais cromo e vanádio e,
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eventualmente, molibdênio, cobalto e outros elementos de liga. Apresentam alta
capacidade de corte. Outros tipos, alta capacidade de suportarem deformações;
- Aços resistentes ao desgaste, entre os quais o mais importante é o que apresenta
manganês em quantidade muito acima do normal (entre 10 e 14%), além de alto
carbono (entre 1,0 e 1,4%);
- Aços para mancais, empregados em mancais de esfera ou de rolete;
- Aços resistentes à corrosão (também chamados “inoxidáveis”), com elevados teores de
cromo ou cromo-níquel;
- Aços resistentes ao calor (também chamados “refratários”), caracterizados por
apresentarem elevados teores de cromo e níquel e por possuírem elevada resistência à
oxidação pelo calor e por manterem as propriedades mecânicas a temperaturas acima da
ambiente, às vezes, relativamente elevadas;
- Aços para fins elétricos, empregados na fabricação de motores, transformadores e
outros tipos de máquinas e aparelhos elétricos, caracterizados por apresentarem silício
em teores acima dos normais (até 4,75%), ou altos teores de cobalto (até 50%) ou altos
teores de níquel;
- Aços para fins magnéticos, com alto teor de carbono, cromo médio, eventualmente
tungstênio relativamente elevado, eventualmente molibdênio e (os melhores tipos)
elevada quantidade de cobalto (até cerca de 40%); esses aços, quando temperados,
apresentam o característico de imantação permanente representado pelo produto (BH)
max. bastante elevado;
- Aços ultra resistentes, desenvolvidos principalmente pela necessidade das aplicações
da indústria aeronáutica, mas cuja utilização está se estendendo a outros setores da
engenharia; nesses aços procura-se uma elevada relação resistência/peso; alguns podem
apresentar limites de escoamento superiores a 150 kgf/mm2 (1470MPa); as
excepcionais propriedades mecânicas são conseguidas mediante o emprego de
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tratamentos térmicos em composições contendo diversos elementos de liga em teores
geralmente baixos. Um tipo especial de aço ultra resistente é o aço “maraging”, em que
os elementos de liga presentes estão em teores mais elevados (como níquel até 18% ou
mais), além de possuírem cobalto, molibdênio, titânio e baixo carbono. São obtidos por
um tratamento de endurecimento por precipitação que permite atingir-se valores de
resistência à tração da ordem de 280 kgf/mm2 (2745MPa), além de excelente
ductilidade.
- Aços criogênicos, caracterizados por sua resistência ao efeito de baixas temperaturas;
- Aços sintetizados, produtos da metalurgia do pó, incluindo ferro praticamente isento
de carbono, aços comuns e alguns aços especiais, de aplicação crescente na indústria
moderna.
9. NORMAS BRASILEIRAS DE APLICAÇÃO
NBR 5889 - Aço fundido e ferro fundido – Coleta de amostras – Método de
ensaio [5]
NBR 6152 – Materiais metálicos – Determinação das propriedades mecânicas a
tração – Método de ensaio
NBR 6157 – Materiais metálicos – Determinação de resistência ao impacto em
corpo-de-prova entalhados simplesmente apoiados – Método de ensaio
NBR 6215 – Produtos siderúrgicos – Terminologia
NBR 6444 – Ensaio não destrutivo – Terminologia
NBR 6645 – Peça bruta de aço fundido – Afastamento dimensionais – Padronização
NBR 8653 – Metalografia e tratamentos térmicos e termoquímicos das ligas ferro
carbono –terminologia
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CONCLUSÃO
O aço carbono é o material de maior uso, de todos os materiais, sendo utilizado
na maioria dos equipamentos. O motivo dessa verdade é que o aço carbono, além de ser
um material de fácil usinagem, boa soldabilidade e fácil obtenção, é encontrado em
todas as formas de apresentação. E ainda é classificado como o material metálico de
menor preço em relação à sua resistência mecânica.
É evidente que os aços-carbono apresentam limitações, sobretudo quando se
desejam propriedades especiais de resistência à corrosão, resistência ao calor,
resistência ao desgaste, característicos elétricos ou magnéticos, etc. Nesses casos,
recorre-se aos aços-liga, cuja importância cresce dia a dia.
Aços-Liga é uma liga de ferro-carbono com elementos de adição (níquel, cromo,
manganês, boro, tungstênio, molibdênio, vanádio, silício, cobalto e alumínio). Esse aço
tem características especiais, tais como: resistência à tração e à corrosão, elasticidade e
dureza, entre outras, tornando-os melhores do que os aços-carbono comuns.
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REFERÊNCIAS
PANONI, Fabio. Aços estruturais. Disponível em: <http://www.engmarcoantonio.com.br/cariboost_files/A_C3_A7os_estruturais.pdf>. Acesso em: abril 2016.
COSTA, Eleani. Classificação dos aços – Puc Rs. Disponível em: <www.feng.pucrs.br/~eleani/Protegidos/classificacaoacos.ppt>. Acesso em: abril de 2016.
AÇOS CARBONOS E AÇOS-LIGA. Disponível em: <http://www.infomet.com.br/site/acos-e-ligas-conteudo.php?codAssunto=36>. Acesso em: março 2016.
AÇOS MATERIAIS. Portal Metalica. Disponível em: <http://wwwo.metalica.com.br/aco-materiais>. Acesso em: março de 2016
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