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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

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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

Page 2: Faculdade Salesiana Maria Auxiliadora

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

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – (Classificação dos aços)............................................................................. 7

Page 4: Faculdade Salesiana Maria Auxiliadora

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

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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

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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.

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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

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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.

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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.

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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

Page 16: Faculdade Salesiana Maria Auxiliadora

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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Page 17: Faculdade Salesiana Maria Auxiliadora

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.

 

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Page 18: Faculdade Salesiana Maria Auxiliadora

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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Page 19: Faculdade Salesiana Maria Auxiliadora

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

Page 20: Faculdade Salesiana Maria Auxiliadora

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.

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Page 21: Faculdade Salesiana Maria Auxiliadora

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;

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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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Page 26: Faculdade Salesiana Maria Auxiliadora

 

- 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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