Elementos de Liga do Aço e os Seus Efeitos Metalúrgicos

1. O que é considerado um elemento de liga no aço?

O aço como liga de ferro e carbono

A World Steel Association define o aço como uma liga de ferro e carbono que contém menos de 2% de carbono. Este limite é útil, mas não significa que o carbono seja o único elemento que determina o comportamento do aço. O aço comercial também contém normalmente manganês, silício, fósforo, enxofre e oxigénio, além de outros elementos deliberadamente adicionados durante a produção do aço ou retidos a partir das matérias-primas, da sucata, dos materiais refratários e do processamento.

O carbono ocupa posições intersticiais na rede cristalina do ferro. Os seus átomos são muito menores do que os átomos de ferro, pelo que se acomodam nos espaços entre os átomos de ferro, em vez de os substituírem. Mesmo uma concentração moderada de carbono pode alterar a constituição das fases e a dureza do aço, porque o carbono estabiliza a austenite, combina-se com o ferro e com outros elementos para formar carbonetos e controla a quantidade e a distribuição de perlita, bainite, martensite e ferrite formadas durante o arrefecimento.

Em contrapartida, a maioria dos elementos de liga metálicos entra no ferro por substituição: um átomo de ferro na rede é substituído por um átomo de manganês, níquel, crómio ou outro elemento. Esta substituição distorce a rede e dificulta o movimento das deslocações, produzindo endurecimento por solução sólida substitucional. A Steeluniversity explica que a magnitude deste efeito está relacionada com o tamanho atómico, a compressibilidade, a valência química e a eletronegatividade, e não simplesmente com a percentagem mássica do elemento. Assim, a mesma concentração pode produzir diferentes efeitos de endurecimento ou de transformação em diferentes fases da matriz.

A distinção não é absoluta. O azoto, o boro e o hidrogénio são átomos intersticiais pequenos, enquanto elementos como o titânio, o nióbio e o vanádio podem estar dissolvidos por substituição numa determinada fase e ser posteriormente removidos da solução sob a forma de carbonetos, nitretos ou carbonitretos. Deste modo, um elemento de liga pode alterar primeiro o aço através da solução sólida, depois através da precipitação e, por fim, através da sua influência na transformação de fases.

O módulo da Steeluniversity sobre elementos químicos em aços ao carbono simples identifica o silício, o manganês, o enxofre, o fósforo, o alumínio, o cobre, o estanho, o crómio, o níquel e o molibdénio como elementos que influenciam as propriedades ou o processamento. A sua presença não produz o mesmo resultado em todos os aços. O manganês pode contribuir para o endurecimento por solução sólida e para a temperabilidade, ao mesmo tempo que se liga ao enxofre sob a forma de sulfureto de manganês. O silício pode endurecer a ferrite e atuar como desoxidante, mas o excesso de silício pode afetar a ductilidade e a transformação de fases. O enxofre pode melhorar a maquinabilidade através da formação de sulfuretos; no entanto, inclusões alongadas de sulfureto de manganês podem reduzir a tenacidade transversal e a resistência à fadiga.

O crómio, o níquel e o vanádio demonstram por que razão não se pode atribuir uma única função universal a um elemento. O crómio aumenta geralmente a temperabilidade e pode melhorar a resistência ao ataque a alta temperatura, à oxidação e à corrosão. O níquel endurece o aço ferrítico e ajuda a manter a tenacidade a temperaturas abaixo de zero. O vanádio pode formar partículas finas de carboneto ou carbonitreto de vanádio, aumentando a resistência e influenciando o tamanho de grão. O resultado depende de o elemento permanecer em solução, formar uma segunda fase, alterar as temperaturas de transformação ou interagir com o carbono e o azoto.

Adições intencionais, elementos residuais e impurezas

Um elemento de liga é geralmente identificado pela sua finalidade metalúrgica e não pela simples deteção da sua presença. Os produtores de aço adicionam manganês para ajustar o comportamento do enxofre e a temperabilidade, alumínio para remover o oxigénio dissolvido e controlar o tamanho de grão, ou molibdénio para modificar a temperabilidade e a resistência ao amolecimento associado ao revenido. Num aço microligado, adições muito pequenas de nióbio, titânio ou vanádio podem controlar a recristalização ou produzir endurecimento por precipitação. Estas são adições intencionais, porque a composição e o processo são selecionados em função dos seus efeitos.

Os elementos residuais são diferentes. O cobre, o níquel, o crómio, o estanho e o molibdénio podem entrar numa corrida provenientes de aço reciclado ou de outros materiais de carga, sem terem sido adicionados para a finalidade principal de conceção do produto. Um elemento residual não é necessariamente inofensivo. O cobre e o estanho podem contribuir para a fissuração superficial durante a conformação a quente; o crómio e o níquel podem alterar a temperabilidade e o comportamento de transformação, mesmo quando não foram especificados como principais adições de liga. A classificação de um elemento residual como impureza depende do tipo de aço, do limite permitido e do seu efeito no fabrico ou no serviço.

“Impureza” é, portanto, um termo dependente do contexto. O fósforo é frequentemente limitado porque pode segregar e reduzir a tenacidade, sobretudo quando combinado com condições inadequadas de arrefecimento ou revenido. O enxofre pode ser indesejável numa chapa para recipientes sob pressão, mas deliberadamente aumentado e controlado num aço de fácil maquinagem. O oxigénio é necessário para descrever as reações da produção do aço, mas o excesso de oxigénio dissolvido promove a formação de inclusões de óxidos. A questão relevante não é simplesmente saber se um elemento está presente, mas onde está localizado, sob que forma química se encontra e se essa forma auxilia ou prejudica a rota de processamento pretendida.

Uma diferença de 1% na concentração de elementos de liga pode alterar substancialmente o comportamento da transformação de fases. Limited evidence

Os elementos podem segregar durante a solidificação. A sua concentração nos limites das dendrites, nos limites de grão ou nas interfaces pode diferir da análise química global comunicada para a corrida. A segregação nos limites de grão pode alterar os locais de nucleação, a suscetibilidade à fragilização e os mecanismos de transformação. A Nippon Steel relata que o comportamento de transformação de fases do aço pode variar substancialmente com uma diferença de apenas 1% na concentração de um elemento de liga, enquanto as distribuições nos limites e nas interfaces podem produzir alterações adicionais. Uma composição nominal é uma média, não um mapa do material.

Isto é particularmente evidente no aço HSLA. O nióbio pode suprimir a recristalização da austenite durante a laminagem a quente, permitindo que a deformação refine a estrutura final da ferrite. O titânio forma precipitados estáveis de TiN que controlam o tamanho de grão da austenite durante o reaquecimento. O vanádio forma precipitados finos de VC ou V(C,N) que aumentam o limite de elasticidade após um processamento termomecânico adequado. Se o reaquecimento dissolver uma quantidade excessiva de TiN, se a laminagem ocorrer fora do intervalo de temperaturas pretendido ou se os níveis de carbono e azoto forem diferentes, a mesma adição nominal não produzirá a mesma microestrutura.

O aço inoxidável constitui outro exemplo. O crómio é necessário para formar uma película passiva fina e aderente de óxido de crómio; não é simplesmente um ingrediente genérico para “impedir a corrosão”. O níquel, o molibdénio, o azoto, o carbono e as adições estabilizadoras, como o titânio ou o nióbio, influenciam a estabilidade da austenite, a resistência, o encruamento, a resistência à corrosão localizada, a sensibilização e a formação de fases secundárias. O carbono combinado com o crómio pode produzir carbonetos de crómio nos limites de grão durante uma exposição térmica inadequada, empobrecendo em crómio as regiões adjacentes. O titânio ou o nióbio podem fixar o carbono e reduzir esse risco, mas podem introduzir as suas próprias considerações relativas à precipitação e ao fabrico.

Por que razão a concentração e a especificação são importantes

Uma especificação de aço define mais do que uma lista de elementos. Estabelece intervalos de composição, limites para elementos residuais, propriedades mecânicas, estado de fornecimento, tratamento térmico e, por vezes, requisitos relativos ao tamanho de grão ou às inclusões. O EN 10025-2 S355J2 e o ASTM A709/A709M Grade 50, por exemplo, não podem ser avaliados apenas pelo teor de carbono; a sua composição química especificada e a rota de processamento sustentam requisitos específicos de resistência e tenacidade. As designações dos tipos de aço não eliminam a variação dentro do intervalo permitido.

A concentração altera a estabilidade das fases e a cinética das transformações. O crómio, o níquel, o manganês, o carbono e o molibdénio podem deslocar as temperaturas às quais se formam a ferrite, a perlita, a bainite ou a martensite. Uma velocidade de arrefecimento que produz ferrite-perlita numa determinada composição pode produzir bainite ou martensite noutra. A história térmica é igualmente importante: a fundição, a laminagem a quente, a normalização, a têmpera, o revenido e a soldadura alteram a dissolução, a recristalização, a precipitação, o tamanho de grão e a segregação.

Por essa razão, “contém vanádio” não significa “é endurecido por precipitação”, e “contém crómio” não significa “é inoxidável”. O elemento tem de estar presente numa concentração adequada, na fase ou no composto correto e sob uma história de processamento que permita a reação pretendida. A presença química dá início à análise. A finalidade metalúrgica só é estabelecida pela composição, distribuição, constituição das fases e processamento considerados em conjunto.

2. Principais mecanismos através dos quais os elementos alteram o aço

O efeito de um elemento de liga não é uma propriedade fixa associada ao seu símbolo na tabela periódica. Depende da quantidade presente, do local onde os seus átomos se encontram, das fases estáveis, do facto de se dissolverem ou precipitarem e do historial térmico e mecânico a que o aço foi sujeito. Uma pequena adição pode alterar as temperaturas de transformação, enquanto o mesmo elemento, numa concentração mais elevada, pode produzir uma segunda fase, alterar o comportamento face à corrosão ou reduzir a ductilidade.

A World Steel Association define o aço como uma liga de ferro–carbono que contém menos de 2% de carbono. O manganês está normalmente presente, juntamente com quantidades menores de silício, fósforo, enxofre e oxigénio. A Steeluniversity identifica também o silício, o manganês, o enxofre, o fósforo, o alumínio, o cobre, o estanho, o crómio, o níquel e o molibdénio como elementos que influenciam a resistência mecânica, a ductilidade, a tenacidade, a maquinabilidade, a temperabilidade, o tamanho de grão e a resposta ao tratamento térmico. Estes efeitos resultam de três mecanismos interligados: os átomos podem reforçar a rede cristalina existente, novas partículas podem impedir o movimento das deslocações e os elementos podem alterar os grãos, as interfaces, a segregação e as transformações de fase.

Reforço por solução sólida

Endurecimento por solução sólidaEndurecimento por solução sólida Endurecimento causado por átomos de soluto que deformam a rede do ferro e dificultam o movimento das deslocações.

O reforço por solução sólida ocorre quando os átomos de liga permanecem dispersos numa fase metálica, em vez de formarem um composto separado. O carbono e o azoto ocupam posições intersticiais entre os átomos de ferro. O seu pequeno tamanho relativamente aos espaços disponíveis produz grandes deformações locais; por isso, o carbono intersticial é um reforçador potente na ferrite. Os átomos substitucionais substituem os átomos de ferro nas posições normais da rede. O manganês, o silício, o níquel, o crómio e o molibdénio atuam habitualmente desta forma, embora a sua distribuição final dependa da temperatura, da composição e da constituição das fases.

A Steeluniversity descreve o reforço substitucional como uma consequência da distorção da rede cristalina. Um átomo maior ou menor do que o ferro empurra ou atrai os átomos vizinhos, criando um campo de tensões à sua volta. As deslocações também transportam campos de tensões. Quando uma deslocação encontra a região distorcida, o seu movimento exige uma tensão aplicada adicional; por conseguinte, a resistência à cedência aumenta. O efeito não é determinado apenas pelo raio atómico. A Steeluniversity relaciona-o com o tamanho atómico, a compressibilidade, a valência química e a eletronegatividade. A compressibilidade afeta a facilidade com que a rede circundante acomoda uma impureza, enquanto a valência e a eletronegatividade influenciam a natureza e a intensidade da ligação entre o soluto e o ferro.

Esta distinção é importante ao comparar aços nominalmente semelhantes. O silício pode reforçar consideravelmente a ferrite, reduzindo simultaneamente a solubilidade do carbono e alterando o comportamento durante a desoxidação. O manganês reforça a ferrite e retarda algumas reações de transformação, mas também se combina com o enxofre para formar sulfureto de manganês, em vez de permitir o desenvolvimento de redes frágeis de sulfureto de ferro. O níquel reforça o aço ferrítico e pode preservar a tenacidade a temperaturas abaixo de zero, enquanto o crómio aumenta a temperabilidade e contribui para a resistência a altas temperaturas, à corrosão e à oxidação. Estas afirmações descrevem tendências, não resultados garantidos. O crómio dissolvido na ferrite não produz o mesmo efeito que o crómio retido em carbonetos, e o níquel num grau inoxidável austenítico tem uma consequência estrutural diferente da do níquel num aço ferrítico de baixa liga.

O reforço por solução sólida também difere do simples aumento do teor de carbono. Uma maior quantidade de carbono dissolvido pode aumentar acentuadamente a resistência mecânica, mas o excesso de carbono pode reduzir a soldabilidade, promover a formação de cementite ou de outros carbonetos e alterar a formação de martensite. A quantidade útil de um elemento é, portanto, limitada pela estabilidade das fases e pelas condições de processamento.

Precipitação e formação de carbonetos

O reforço por precipitação atua através de pequenas partículas dispersas numa matriz. Estas partículas impedem o movimento das deslocações, obrigando-as a atravessar o precipitado ou a contorná-lo. A resistência depende da fração volúmica, do tamanho, do espaçamento, da coerência e da distribuição das partículas. Uma população fina e estreitamente espaçada pode aumentar substancialmente a resistência à cedência; partículas grosseiras oferecem uma obstrução menor e podem tornar-se locais de iniciação de fissuras.

A formação de carbonetos é uma forma importante de precipitação. O crómio, o molibdénio, o vanádio, o nióbio e o titânio podem combinar-se com o carbono, enquanto o titânio, o nióbio e o vanádio também podem formar carbonitretos. O carboneto de vanádio, VC, e o carbonitreto de vanádio, V(C,N), são precipitados finos que aumentam a resistência à cedência nos aços HSLA, segundo a AZoM. A sua contribuição para o reforço depende do momento em que se formam. As partículas precipitadas durante ou após a laminagem podem impedir o movimento das deslocações, mas as partículas que engrossam durante um aquecimento prolongado perdem eficácia.

O ciclo térmico controla este mecanismo. Durante a laminagem a quente do aço HSLA, o nióbio suprime a recristalização da austenite, permitindo a acumulação da deformação e produzindo uma estrutura de transformação mais fina. O titânio forma precipitados estáveis de nitreto de titânio, TiN, que controlam o tamanho de grão da austenite durante o reaquecimento. Estas funções são diferentes da precipitação posterior de VC ou V(C,N) finos. Um aço que contenha os três elementos não está a receber três adições independentes; cada elemento altera as condições de temperatura e composição a que os outros ficam sujeitos.

Os carbonetos também podem retirar elementos de liga úteis da solução sólida. Os carbonetos de crómio nos limites de grão da austenite podem reduzir localmente o teor de crómio junto ao limite, criando sensibilização e diminuindo a resistência à corrosão intergranular em aços inoxidáveis suscetíveis. Adições estabilizadoras, como o titânio ou o nióbio, podem fixar preferencialmente o carbono, reduzindo a formação de carbonetos de crómio. O molibdénio pode melhorar a resistência à corrosão localizada em composições inoxidáveis adequadas, enquanto o azoto pode reforçar a austenite e afetar a resistência à corrosão por picadas; no entanto, o azoto também pode promover nitretos ou outras fases secundárias se a solubilidade for excedida.

O reforço por precipitação deve ser distinguido do reforço por solução sólida e do controlo do tamanho de grão. Um átomo dissolvido distorce a rede da matriz. Um precipitado cria uma barreira física no seu interior. O refinamento de grão aumenta a resistência porque os limites de grão impedem o movimento das deslocações, sendo habitualmente representado pela relação de Hall–Petch. Estas contribuições podem ocorrer em simultâneo, mas não são intermutáveis. Um tratamento térmico que aumente o tamanho das partículas pode reduzir o reforço por precipitação, mesmo mantendo inalterada a análise química global.

Refinamento de grão, segregação e interfaces

Os limites de grão não são linhas passivas numa micrografia. São regiões com empacotamento atómico, composição química, velocidades de difusão e comportamento de transformação de fases diferentes. Os grãos finos melhoram geralmente a resistência mecânica e melhoram frequentemente a tenacidade, ao limitarem a distância ao longo da qual a clivagem ou outra deformação localizada se pode propagar. O tamanho de grão é estabelecido pela solidificação, pelo reaquecimento, pela deformação, pela recristalização e pela transformação. O aprisionamento por nitreto de titânio, a recristalização controlada pelo nióbio e a precipitação do vanádio podem, portanto, afetar as propriedades tanto através das partículas como da estrutura dos grãos.

A segregação complica qualquer interpretação baseada apenas na composição média indicada num certificado de fábrica. Durante a solidificação, os elementos repartem-se entre as fases líquida e sólida. O manganês, o enxofre, o fósforo, o carbono e os elementos de liga podem ficar concentrados em regiões interdendríticas ou nos limites de grão. A laminagem e o tratamento térmico subsequentes podem reduzir, redistribuir ou preservar estas variações. Um limite enriquecido numa impureza pode transformar-se a uma velocidade diferente da do interior do grão; um limite empobrecido em crómio pode tornar-se uma região sensível à corrosão, mesmo quando o teor global de crómio cumpre o grau nominal.

A Nippon Steel relata que o comportamento das transformações de fase pode variar substancialmente com uma diferença de apenas 1% na concentração de um elemento de liga. Esta observação constitui um alerta contra o tratamento de intervalos de composição como se fossem quimicamente equivalentes. Uma variação de um ponto percentual pode deslocar as temperaturas de transformação, alterar a temperabilidade, modificar a fração de ferrite, perlite, bainite ou martensite e alterar a força motriz da precipitação. As diferenças locais podem ser ainda mais importantes do que a média quando a segregação concentra um elemento numa interface.

O crómio, o níquel e o vanádio mostram por que razão a constituição das fases e o processamento devem ser considerados em conjunto. O crómio pode permanecer dissolvido, formar carbonetos ricos em crómio ou contribuir para uma película passiva de óxido de crómio na superfície de um aço inoxidável. O níquel pode estabilizar a austenite, reforçar a ferrite e preservar a tenacidade a baixa temperatura. O vanádio pode permanecer em solução durante o reaquecimento e formar posteriormente VC ou V(C,N), ou pode formar partículas mais grosseiras que contribuem pouco para a resistência mecânica. O resultado final depende da velocidade de arrefecimento, do ciclo de deformação, da temperatura de reaquecimento, do tempo de manutenção e do tratamento térmico subsequente.

A composição química do aço é, portanto, uma condição inicial, não uma explicação completa. O desempenho resulta da interação entre a composição, a deformação da rede, a população de precipitados, a estrutura dos grãos, a segregação, as interfaces e o historial de processamento. É por isso que dois aços com análises nominais semelhantes podem apresentar curvas de transformação, microestruturas e propriedades mecânicas diferentes.

3. Carbono: o principal elemento de liga intersticial

O carbono é o principal elemento de liga intersticial no aço. A World Steel Association define o aço como uma liga de ferro–carbono que contém menos de 2% de carbono, com manganês e quantidades menores de silício, fósforo, enxofre e oxigénio. Essa definição identifica o carbono como um elemento central, mas não como um ingrediente isolado: o mesmo teor de carbono pode produzir estruturas e propriedades diferentes quando se altera o teor de crómio, níquel, manganês ou molibdénio, ou quando muda a história térmica.

Os átomos de carbono são muito mais pequenos do que os átomos de ferro, pelo que ocupam espaços entre os átomos de ferro, em vez de os substituírem na rede metálica. Isto difere da liga substitucional, na qual um elemento como o manganês ou o níquel substitui um átomo de ferro e distorce a rede. A Steeluniversity explica que o endurecimento por solução sólida substitucional depende do tamanho atómico, da compressibilidade, da valência química e da eletronegatividade. O carbono intersticial produz uma distorção local particularmente intensa, porque ocupa posições exíguas na rede do ferro, dificultando o movimento das deslocações e alterando a estabilidade das fases circundantes.

Teor de carbono e transformação de fases

O carbono altera as fases do ferro que podem existir e a rapidez com que se formam. A ferrite tem uma rede cúbica de corpo centrado e dissolve apenas uma pequena quantidade de carbono. A austenite tem uma rede cúbica de faces centradas e pode acomodar uma quantidade substancialmente maior de carbono, porque as suas posições intersticiais são mais favoráveis. O aquecimento do aço até à região austenítica permite, portanto, a redistribuição do carbono, enquanto o arrefecimento determina se essa austenite se transforma em ferrite, perlite, bainite ou martensite.

A cementite, ou carboneto de ferro Fe₃C, é um composto rico em carbono que aparece habitualmente com a ferrite na perlite e noutras estruturas que contêm carbonetos. A sua distribuição é tão importante como a sua presença. Partículas finas de cementite dificultam o movimento das deslocações e aumentam a resistência; partículas grosseiras e redes contínuas de carbonetos podem reduzir a tenacidade ou criar trajetórias preferenciais para a fratura.

A martensite forma-se quando a austenite arrefece suficientemente depressa para impedir as transformações controladas por difusão. O carbono fica retido na rede do ferro, produzindo uma estrutura tetragonal de corpo centrado distorcida. Quanto maior for a supersaturação em carbono, maior será a distorção da rede e a dureza potencial, embora a austenite retida, o tamanho de grão da austenite prévia, o revenido e outros elementos de liga determinem o resultado final. A martensite não é simplesmente “ferro endurecido pelo carbono”. É o produto de uma determinada via de transformação.

O relatório da Nippon Steel alerta para o facto de o comportamento das transformações de fases do aço poder variar substancialmente com uma diferença de apenas 1% na concentração dos elementos de liga. A composição também varia localmente devido à segregação e ao enriquecimento nas interfaces, pelo que uma análise nominal não descreve todas as regiões de um componente fundido, laminado, soldado ou tratado termicamente. O manganês, o crómio, o níquel e o molibdénio podem deslocar as temperaturas de transformação e retardar a formação de ferrite, perlite ou bainite. Assim, alteram a velocidade de arrefecimento necessária para obter martensite, mesmo quando o teor de carbono permanece constante.

Resistência, ductilidade, soldabilidade e temperabilidade

O aumento do teor de carbono eleva, em geral, a dureza e a resistência alcançáveis nos aços ferrítico-perlíticos, ao aumentar o teor de perlite ou de carbonetos e ao reforçar a ferrite entre esses constituintes. Também aumenta o carbono disponível para a formação de martensite. O custo consiste normalmente numa menor ductilidade, menor tenacidade ao impacto e maior sensibilidade à fissuração quando a microestrutura se torna dura e frágil.

O teor de carbono e a temperabilidade estão relacionados, mas não são idênticos. O carbono controla a dureza que a martensite pode atingir; o manganês, o crómio, o níquel e o molibdénio contribuem para a temperabilidade ao retardarem as transformações por difusão a maiores profundidades abaixo da superfície temperada. Um aço com teor moderado de carbono e adições de liga adequadas pode endurecer numa secção mais espessa do que um aço com maior teor de carbono e pouco suporte de elementos de liga, embora atinja uma dureza máxima de martensite diferente. A severidade da têmpera, o tamanho da secção, a temperatura de austenitização, o tamanho de grão e o revenido devem ser considerados.

O revenido demonstra por que razão não se pode atribuir ao carbono um único efeito permanente. A martensite temperada é dura porque o carbono fica retido numa rede supersaturada. Durante o revenido, o carbono difunde-se e forma carbonetos de transição ou cementite, reduzindo as tensões internas e a dureza, ao mesmo tempo que melhora a tenacidade e a estabilidade dimensional. O molibdénio pode modificar as reações dos carbonetos e a resistência ao revenido; o crómio pode contribuir para a formação de carbonetos de liga. O vanádio, o nióbio e o titânio podem formar carbonetos ou carbonitretos muito estáveis, em vez de deixarem todo o carbono disponível para formar cementite.

A soldabilidade geralmente diminui à medida que aumentam o teor de carbono e a temperabilidade. A zona termicamente afetada pode arrefecer formando martensite dura, e o hidrogénio difusível pode então promover fissuração a frio. O manganês, o crómio, o molibdénio e o níquel intensificam esta resposta à transformação, razão pela qual a prática de soldadura recorre frequentemente a uma avaliação do carbono equivalente, e não apenas do carbono. Dependendo do grau e da espessura, podem ser necessários o pré-aquecimento, um aporte térmico controlado, procedimentos com baixo teor de hidrogénio e um tratamento térmico pós-soldadura.

O carbono também interage com a prática de microliga nos aços HSLA. O nióbio inibe a recristalização da austenite durante a laminagem a quente, o titânio forma precipitados estáveis de TiN que controlam o tamanho de grão durante o reaquecimento, e o vanádio forma precipitados finos de VC ou V(C,N) que aumentam a tensão de cedência, conforme descrito pela AZoM. A quantidade de carbono afeta a composição, a fração volúmica e a estabilidade desses precipitados. Uma pequena alteração composicional pode, por isso, alterar tanto o comportamento das transformações como o endurecimento por precipitação.

O carbono nas designações dos aços inoxidáveis e dos aços de liga

Os graus de aço inoxidável demonstram com particular clareza por que razão o carbono deve ser interpretado em conjunto com o restante sistema de liga. O crómio favorece a formação de uma película passiva protetora de óxido de crómio, mas o carbono pode reagir com o crómio durante a exposição a uma faixa de temperaturas de sensibilização, formando M₂₃C₆ rico em crómio, habitualmente representado como Cr₂₃C₆, nos limites de grão. O metal adjacente pode ficar empobrecido em crómio e mais vulnerável à corrosão intergranular. Os graus com baixo teor de carbono, como o Tipo 304L e o Tipo 316L da ASTM A240, reduzem este risco em comparação com os correspondentes de teor de carbono normal, desde que as condições de fabrico e de serviço também sejam controladas.

A designação “L” significa baixo teor de carbono; não significa que o carbono não desempenhe qualquer papel metalúrgico. Na utilização ASTM e UNS, o Tipo 304L corresponde a UNS S30403, enquanto o Tipo 316L corresponde a UNS S31603. As designações comuns, como Tipo 304 e Tipo 316, devem ainda ser interpretadas em conjunto com a norma de produto aplicável, o tratamento térmico e a análise efetiva da corrida. O níquel estabiliza a austenite nestes graus, o molibdénio melhora a resistência à corrosão localizada nas composições do Tipo 316 e o azoto pode reforçar o aço inoxidável austenítico, afetando também a estabilidade das fases.

Os elementos estabilizadores proporcionam outra via. O titânio ou o nióbio podem combinar-se preferencialmente com o carbono, formando TiC ou NbC e deixando menos carbono disponível para formar carbonetos de crómio. Graus como o Tipo 321 e o Tipo 347 utilizam esse princípio, embora a estabilização não elimine a necessidade de um processamento térmico adequado. Os aços inoxidáveis ferríticos e duplex apresentam limites diferentes: o carbono pode promover a formação de carbonetos, alterar o equilíbrio ferrite–austenite e contribuir para fases secundárias que prejudicam a resistência à corrosão ou a tenacidade.

Nas designações dos aços de liga, o carbono pode surgir através de sistemas numéricos, como SAE 1045, mas a designação não constitui uma previsão completa do desempenho. O crómio, o níquel, o manganês, o molibdénio e o processamento determinam se esse carbono produz perlite, bainite, martensite, carbonetos de liga ou austenite retida. O carbono é o principal elemento intersticial, não um único comando de controlo.

4. Manganês e Silício em Aços-Carbono Simples e Aços de Baixa Liga

A World Steel Association define o aço como uma liga de ferro-carbono que contém menos de 2% de carbono, estando normalmente presentes manganês e quantidades menores de silício, fósforo, enxofre e oxigénio. Esta definição descreve uma família de materiais, e não uma receita fixa. O módulo sobre aços-carbono simples da Steeluniversity identifica o manganês e o silício, juntamente com o enxofre, o fósforo, o alumínio, o cobre, o estanho, o crómio, o níquel e o molibdénio, como elementos que podem influenciar a resistência, a ductilidade, a tenacidade, a maquinabilidade, a temperabilidade, o tamanho de grão e a resposta ao tratamento térmico. Os seus efeitos são condicionais. Uma adição de manganês num aço estrutural de baixo teor de carbono não produz a mesma microestrutura que a mesma adição num aço de médio teor de carbono temperado e revenido.

O manganês como elemento que contribui para a resistência e a temperabilidade

O manganês está normalmente presente no aço-carbono comum tanto como elemento de liga como adição para o controlo do enxofre. Na ferrite, proporciona endurecimento por solução sólida substitucional: os átomos de manganês substituem os átomos de ferro na rede cristalina, produzindo deformações locais que dificultam o movimento das deslocações. A Steeluniversity descreve esta classe de endurecimento como uma consequência da distorção da rede cristalina, cuja magnitude é influenciada pelo tamanho atómico, pela compressibilidade, pela valência química e pela eletronegatividade. O aumento de resistência resultante não é independente do carbono, do tamanho de grão ou do processamento. Assim, um aço contendo manganês que seja normalizado, temperado ou intensamente trabalhado a frio pode apresentar resistência e ductilidade diferentes, mesmo quando a sua análise química não se alterou.

O manganês também aumenta a temperabilidade. Retarda as transformações por difusão da austenite em ferrite e perlita, permitindo que uma maior fração da austenite se transforme em bainite ou martensite durante o arrefecimento. É por isso que o manganês é importante em aços de médio teor de carbono destinados a têmpera e revenido, bem como em aços estruturais de baixa liga nos quais a espessura da secção dificulta a têmpera em toda a espessura. Este benefício tem limites. Um teor excessivo de manganês pode favorecer a segregação durante a solidificação, sobretudo em grandes secções fundidas, e pode contribuir para estruturas bandadas de ferrite-perlita após a laminagem. Essa bandagem química pode produzir diferenças direcionais na tenacidade, no alongamento e no comportamento à fratura.

O manganês é também um estabilizador da austenite. Pode baixar as temperaturas de transformação e alterar a temperatura de início da formação de martensite, pelo que a velocidade de têmpera selecionada e o ciclo de revenido não podem ser inferidos apenas a partir do teor de carbono. Num tipo de aço como o ASTM A572 Grade 50, o manganês contribui para a resistência e para a resposta ao processamento, mas as propriedades mecânicas especificadas continuam a depender da prática de laminagem, da espessura da chapa, do arrefecimento e da composição completa. Do mesmo modo, o ASTM A36 não pode ser interpretado a partir do seu teor de manganês como se esse elemento, por si só, determinasse a soldabilidade ou a tenacidade.

O comportamento dos grãos acrescenta outra ressalva. O manganês pode afetar o crescimento dos grãos de austenite e a cinética das transformações, mas não substitui a laminagem controlada, a normalização ou a precipitação de microelementos de liga. O refinamento dos grãos melhora geralmente a tensão de cedência e a tenacidade à fratura através da relação de Hall–Petch, enquanto os grãos grosseiros reduzem normalmente a tenacidade a baixa temperatura. A estrutura final dos grãos depende da temperatura de reaquecimento, da deformação, da velocidade de arrefecimento e das interações com o carbono, o azoto, o alumínio, o nióbio ou o titânio.

O silício na desoxidação e no endurecimento da ferrite

O silício desempenha duas funções especialmente importantes. Em primeiro lugar, é utilizado como desoxidante durante a produção do aço. O oxigénio dissolvido pode reagir com o carbono durante a solidificação, formando monóxido de carbono e produzindo porosidade gasosa e outros defeitos. O silício reage com o oxigénio para formar óxidos contendo sílica e ajuda a reduzir a quantidade de oxigénio dissolvido disponível para essa reação. A eficácia desta prática depende do sistema completo de desoxidação: o alumínio, o manganês, o potencial de oxigénio, a prática de escorificação e a remoção de inclusões são todos relevantes. Assim, “aço desoxidado com silício” descreve uma condição de processamento e de desoxidação, e não uma microestrutura garantida.

Em segundo lugar, o silício endurece a ferrite por solução sólida substitucional. Distorce a rede do ferro e aumenta a resistência ao movimento das deslocações, elevando frequentemente a tensão de cedência sem adicionar carbono. Isto pode ser útil quando é necessária resistência sem a perda total de soldabilidade e ductilidade associada a um grande aumento do teor de carbono. O silício também afeta as transformações de fase e a formação de carbonetos. Em vários sistemas de tratamento térmico, retarda a precipitação da cementite e altera o equilíbrio entre ferrite, perlita, bainite e austenite retida. Consequentemente, o mesmo teor de silício pode favorecer uma estrutura pretendida e, ao mesmo tempo, complicar a obtenção de outra.

O silício não é automaticamente benéfico para a tenacidade. Uma resistência mais elevada pode reduzir o alongamento uniforme, e as inclusões não metálicas grosseiras formadas durante a desoxidação podem tornar-se locais de iniciação de fissuras se não forem controladas. O silício também pode influenciar a resposta ao revenido e a oxidação superficial durante o reaquecimento. A questão relevante não é saber se o silício “aumenta a resistência”, mas se o seu efeito de endurecimento, a população de inclusões e o seu comportamento nas transformações são adequados ao teor de carbono e à história térmica do aço.

Interações com o enxofre, o carbono e o tratamento térmico

A interação mais evidente do manganês é com o enxofre. O enxofre combina-se preferencialmente com o manganês para formar sulfureto de manganês, MnS, em vez de permitir que o sulfureto de ferro permaneça concentrado nos limites de grão. O sulfureto de ferro pode causar fragilidade a quente durante a laminagem, porque películas de baixo ponto de fusão enfraquecem os limites. O MnS reduz esse perigo, mas as inclusões não são inofensivas: os sulfuretos alongados produzidos pela laminagem podem reduzir a ductilidade transversal e a tenacidade ao impacto, além de poderem atuar como locais de iniciação de fadiga ou de fissuração assistida por hidrogénio. O tratamento com cálcio, o controlo da forma das inclusões e a redução durante a laminagem podem alterar o efeito sem modificar a análise total do enxofre.

O carbono determina a escala das consequências de ambos os elementos. Com baixo teor de carbono, o manganês e o silício modificam sobretudo a resistência da ferrite, a fração de perlita, a soldabilidade e as temperaturas de transformação. Com teores médios ou elevados de carbono, o manganês aumenta a temperabilidade, enquanto o silício pode alterar a precipitação de carbonetos e o comportamento durante o revenido. A têmpera pode então produzir martensite ao longo de uma secção que, de outro modo, formaria perlita, mas o aumento da dureza acarreta um maior risco de fissuração de têmpera, a menos que o revenido e o arrefecimento sejam controlados.

A história de processamento pode ser mais determinante do que uma simples regra de composição. A normalização refina e restabelece a estrutura; o recozimento reduz a dureza; a têmpera suprime os produtos de transformação por difusão; o revenido troca uma parte da dureza por tenacidade e estabilidade dimensional. A temperatura de laminagem e a velocidade de arrefecimento determinam se a segregação do manganês se torna visível sob a forma de bandas e se os aços contendo silício formam a estrutura ferrite-perlita ou bainítica pretendida. O relatório da Nippon Steel adverte que o comportamento das transformações de fase pode variar substancialmente com uma diferença de apenas 1% na concentração de elementos de liga, enquanto a segregação nos limites de grão e nas interfaces pode alterar os mecanismos de transformação.

Essa sensibilidade explica por que razão as tabelas de composição devem ser consultadas em conjunto com as normas, a prática de produção do aço e o tratamento térmico. O manganês e o silício são influentes, como afirma a Steeluniversity, mas nenhum deles tem uma direção de efeito garantida para todas as propriedades. O controlo do oxigénio, a morfologia do enxofre, o teor de carbono, a segregação, o tamanho de grão e o percurso térmico determinam o que esses elementos efetivamente fazem no aço acabado.

5. Enxofre, Fósforo, Alumínio, Cobre e Estanho: Efeitos Úteis e Riscos Metalúrgicos

A World Steel Association define o aço como uma liga de ferro e carbono que contém menos de 2% de carbono, estando também normalmente presentes manganês e quantidades menores de silício, fósforo, enxofre e oxigénio. Estas adições «menores» podem, ainda assim, alterar o comportamento durante o processamento e o desempenho em serviço. A Steeluniversity inclui o silício, o manganês, o enxofre, o fósforo, o alumínio, o cobre, o estanho, o crómio, o níquel e o molibdénio entre os elementos que influenciam a resistência, a ductilidade, a tenacidade, a maquinabilidade, a temperabilidade, o tamanho de grão e a resposta ao tratamento térmico dos aços ao carbono simples.

A ressalva importante é que a composição não funciona como um conjunto de interruptores independentes. Um elemento pode estar dissolvido na ferrite, ligado num composto, concentrado num limite de grão ou redistribuído durante a fundição e a laminagem. Uma alteração de apenas 1% na concentração de um elemento de liga pode modificar substancialmente o comportamento das transformações de fase, segundo um relatório técnico da Nippon Steel. Alterações menores também podem ser relevantes quando afectam inclusões, precipitação ou segregação.

Enxofre e maquinabilidade

O enxofre é frequentemente adicionado aos aços de fácil maquinagem, pois pode melhorar a fragmentação da apara e reduzir as forças de corte. O seu principal veículo metalúrgico é o sulfureto de manganês, MnS. O manganês combina-se preferencialmente com o enxofre, limitando a formação de sulfureto de ferro e produzindo inclusões de sulfuretos que se deformam durante o trabalho a quente. Na maquinagem, estas inclusões podem ajudar a apara a fracturar-se em vez de formar uma fita longa e contínua. O resultado pode ser um melhor acabamento superficial, uma menor carga sobre a ferramenta e um corte automatizado mais consistente.

Este benefício tem um custo. As inclusões de MnS são descontinuidades na matriz do aço, e a sua forma, dimensão, quantidade e orientação afectam o comportamento mecânico. A laminagem a quente alonga normalmente os sulfuretos na direcção de laminagem, produzindo propriedades direccionais. A ductilidade à tracção e a tenacidade ao impacto medidas transversalmente à direcção de laminagem podem, por conseguinte, ser inferiores aos valores medidos longitudinalmente. As inclusões grandes ou agrupadas são mais prejudiciais do que uma população fina e dispersa.

O enxofre também pode reduzir a soldabilidade e degradar a tenacidade quando o aço apresenta um equilíbrio desfavorável entre manganês e enxofre. O manganês é necessário para ligar o enxofre sob a forma de MnS; se o manganês disponível for insuficiente, o sulfureto de ferro pode contribuir para a fragilização a quente durante a deformação a temperatura elevada. A resposta exacta depende da concentração de enxofre, da concentração de manganês, da morfologia das inclusões, da redução por laminagem e da direcção final de serviço.

O enxofre pode melhorar a maquinabilidade, mas pode reduzir a ductilidade transversal, a tenacidade ao impacto, a resistência à fadiga ou o desempenho da soldadura. Limited evidence

Isto torna incompleta a afirmação de que «o enxofre melhora a maquinabilidade». Ela é verdadeira para uma operação de corte concebida para aço de fácil maquinagem, mas a mesma adição de enxofre pode ser indesejável num componente que exija elevada tenacidade transversal, resistência à fadiga ou um desempenho fiável em soldadura. Um aço de uma classe de maquinabilidade não é automaticamente um aço estrutural de melhor qualidade. O efeito útil é específico do processo.

Fósforo, tenacidade e segregação

O fósforo é um elemento substitucional no ferro e pode contribuir para o reforço por solução sólida. A Steeluniversity explica que o reforço substitucional resulta da distorção da rede cristalina, estando a sua magnitude relacionada com o tamanho atómico, a compressibilidade, a valência química e a electronegatividade. O fósforo pode, portanto, aumentar a resistência, mas um aumento da resistência não garante uma melhoria do desempenho: a ductilidade e a tenacidade podem diminuir, sobretudo quando o fósforo se concentra em regiões vulneráveis.

A principal preocupação é a segregação. Durante a solidificação, o fósforo pode distribuir-se de forma desigual entre o sólido em crescimento e o líquido remanescente. O último líquido a solidificar pode ficar enriquecido, deixando bandas ou regiões localizadas com maior teor de fósforo. A laminagem subsequente pode alongar estas variações de composição, formando estruturas bandadas. O enriquecimento dos limites de grão também é significativo, pois a resistência à fractura depende da química e da coesão dos limites, e não apenas da composição média medida para todo o lote.

Um teor elevado de fósforo está associado a uma ductilidade reduzida e a um maior risco de fractura frágil, especialmente quando combinado com grãos grosseiros, baixa temperatura, elevado grau de constrangimento ou outras condições fragilizantes. O efeito não constitui uma penalização fixa a qualquer concentração. Um pequeno teor de fósforo dissolvido de forma relativamente uniforme pode ter uma consequência diferente da mesma adição nominal concentrada em regiões interdendríticas ou nos limites de grão.

O historial de processamento determina quanto do risco permanece. O reaquecimento e a laminagem podem fragmentar os padrões de segregação, alterar o tamanho de grão e modificar a distribuição das segundas fases, mas não tornam a composição irrelevante. A velocidade de arrefecimento após o trabalho a quente e o tratamento térmico posterior influenciam adicionalmente a microestrutura final. A advertência da Nippon Steel sobre grandes alterações no comportamento das transformações resultantes de uma diferença de composição de 1% ilustra por que motivo a composição nominal, por si só, não pode prever a tenacidade.

O fósforo ocupa, portanto, uma posição difícil: pode aumentar a resistência e favorecer determinadas rotas de fabrico, mas um teor excessivo ou distribuído de forma desigual pode reduzir a ductilidade e a tenacidade ao impacto. A avaliação correcta exige conhecer a classe do aço, a espessura do produto, o ciclo térmico, a direcção do ensaio e a temperatura de serviço prevista.

Alumínio, cobre e estanho como elementos de processo ou residuais

O alumínio está amplamente associado à desoxidação do aço. Durante a produção do aço, o oxigénio dissolvido pode reagir com o alumínio, formando óxido de alumínio, Al₂O₃. A remoção do oxigénio altera a limpeza e o comportamento de solidificação da massa fundida, enquanto o teor de alumínio remanescente também pode afectar o controlo do tamanho de grão. O alumínio pode combinar-se com o azoto para formar nitreto de alumínio, AlN; a dimensão, a distribuição e o estado de dissolução destas partículas influenciam o desenvolvimento do grão de austenite durante o reaquecimento. Trata-se de um efeito de processo, não de uma garantia universal de grãos mais finos em qualquer ciclo térmico.

Uma quantidade excessiva de alumínio ou um controlo inadequado pode criar inclusões de óxidos ou alterar o comportamento durante a fundição. O resultado depende da actividade do oxigénio, do teor de azoto, da temperatura de tratamento, das condições de solidificação e da prática de reaquecimento. A afirmação de que «o alumínio refina os grãos» é, por conseguinte, demasiado abrangente, a menos que sejam especificados a rota de produção do aço e o conjunto de partículas presente.

O cobre e o estanho são identificados pela Steeluniversity como elementos que influenciam as propriedades dos aços ao carbono simples, mas são frequentemente abordados como elementos residuais e não como adições principais deliberadas. O cobre pode permanecer a partir de matérias-primas recicladas e afectar as transformações, a resistência, o comportamento perante a oxidação e a resposta ao trabalho a quente quando a sua concentração se torna significativa. O estanho pode acompanhar as mesmas matérias-primas e modificar o comportamento do aço em baixas concentrações ou tornar-se mais prejudicial à medida que se acumula. Os seus efeitos não podem ser determinados apenas pelo nome do elemento.

O cobre e o estanho são especialmente sensíveis à concentração e ao historial de processamento, pois a sua distribuição se altera durante a fusão, a solidificação, o reaquecimento e a deformação. Um teor residual que não produza alterações importantes num produto pode ser relevante noutro com diferente teor de carbono, velocidade de arrefecimento, condição superficial ou ciclo de trabalho a quente. O comportamento rico em cobre junto da superfície durante o reaquecimento pode ser particularmente relevante para o risco de fragilização a quente, mas a gravidade depende da química global e da prática do forno, e não apenas do cobre.

A lição prática não é que o enxofre, o fósforo, o alumínio, o cobre ou o estanho devam ser sempre minimizados ou sempre adicionados. Cada um pode cumprir uma finalidade controlada ou criar um defeito, consoante a localização no aço, os compostos que forma e o historial térmico e mecânico a que o aço é submetido. A lista de elementos da Steeluniversity constitui, consequentemente, um mapa de variáveis e não um catálogo de efeitos garantidos. A composição deve ser analisada em conjunto com a constituição de fases, a segregação, a morfologia das inclusões, o tamanho de grão e o historial de processamento.

6. Crómio: Temperabilidade, Resistência à Oxidação e Passivação

O crómio é frequentemente descrito como se simplesmente «tornasse o aço inoxidável». Essa descrição confunde dois efeitos diferentes. O crómio dissolvido na massa do aço pode alterar as transformações de fase, a temperabilidade, a formação de carbonetos e a resistência a altas temperaturas. O crómio numa superfície limpa e exposta pode reagir com o oxigénio e formar uma película fina de óxido de crómio que abranda o ataque subsequente. O primeiro efeito é um efeito metalúrgico na massa do material; o segundo é a passivação da superfície. Estão relacionados, mas não são intercambiáveis.

A World Steel Association define o aço como uma liga de ferro–carbono que contém menos de 2% de carbono. O crómio pode então ser adicionado em quantidades que vão desde uma pequena adição de liga em aços de engenharia até cerca de 10,5% ou mais em qualidades inoxidáveis. A composição, por si só, não determina o resultado. A velocidade de arrefecimento, a temperatura de austenitização, o tamanho de grão inicial, a atividade do carbono, a segregação, os ciclos térmicos de soldadura e a presença de níquel, molibdénio, azoto, manganês e elementos estabilizadores alteram todos o efeito prático do crómio. A Nippon Steel refere que o comportamento das transformações de fase do aço pode mudar substancialmente com uma diferença de apenas 1% na concentração de elementos de liga, um alerta útil contra o tratamento da designação de uma liga como uma descrição completa da sua microestrutura.

Crómio em aços de baixa liga e resistentes ao calor

No aço de baixa liga, o crómio aumenta a temperabilidade ao retardar as transformações da austenite em ferrite, perlite e bainite durante o arrefecimento. Assim, uma secção mais espessa pode formar martensite, ou uma fração maior de bainite, a uma velocidade de arrefecimento que deixaria um aço-carbono não ligado parcialmente perlítico. O crómio não torna todas as regiões de um componente igualmente duras. O resultado continua a depender do teor de carbono, das dimensões da secção, do tamanho de grão da austenite, da severidade da têmpera e do tratamento de revenido.

O crómio atua principalmente como soluto substitucional na ferrite e na austenite. A Steeluniversity explica que a adição de elementos de liga por substituição reforça uma rede cristalina através da distorção, sendo a sua magnitude afetada pelo tamanho atómico, pela compressibilidade, pela valência química e pela eletronegatividade. O crómio pode, portanto, contribuir para o reforço por solução sólida, embora os seus efeitos mais importantes em muitas qualidades tratadas termicamente resultem da cinética das transformações e da química dos carbonetos, e não apenas da deformação da rede cristalina.

O carbono altera este equilíbrio. O crómio tem uma forte afinidade pelo carbono e pode formar carbonetos ricos em crómio, incluindo a família M${}_{23}$C${}_6$, na qual M pode ser constituído principalmente por crómio, com contribuições do ferro e de outros elementos metálicos. Em aços resistentes ao calor adequadamente concebidos, as partículas de carboneto ajudam a resistir à fluência e ao deslizamento dos limites de grão. Uma formação excessiva ou mal controlada de carbonetos pode remover crómio da matriz circundante, reduzir a resistência local à corrosão e produzir microestruturas frágeis ou difíceis de soldar.

O crómio também melhora a resistência à oxidação a temperaturas elevadas. Uma superfície que contenha crómio pode formar uma camada de óxido relativamente aderente, reduzindo a velocidade a que o ferro continua a oxidar-se. Isto não significa que qualquer aço de baixa liga contendo crómio se comporte como aço inoxidável no ar, no vapor ou em gases de combustão. A estabilidade do óxido depende da concentração de crómio, da temperatura, da química do gás, do estado da superfície, dos ciclos térmicos e de a camada permanecer ou não contínua. O silício e o alumínio também podem alterar a formação de camadas protetoras a alta temperatura, enquanto o níquel afeta a estabilidade das fases e a expansão térmica.

As qualidades ferríticas resistentes ao calor e os aços martensíticos ao crómio ilustram os compromissos envolvidos. Um teor mais elevado de crómio pode melhorar a resistência à oxidação, mas pode promover a estabilidade da ferrite e alterar a quantidade de austenite disponível durante o tratamento térmico. O carbono, o molibdénio, o vanádio, o nióbio e o tungsténio podem então controlar a precipitação de carbonetos ou carbonitretos e a resistência à fluência. Um aumento nominal do teor de crómio pode produzir um resultado diferente após normalização, têmpera, revenido, soldadura ou exposição prolongada em serviço.

A mesma relação entre composição e processamento surge no aço HSLA, mesmo quando o crómio não é o principal elemento de reforço. A AZoM descreve o nióbio como um elemento que suprime a recristalização da austenite durante a laminagem a quente, o titânio como formador de precipitados estáveis de TiN que controlam o tamanho de grão durante o reaquecimento, e o vanádio como formador de precipitados finos de VC ou V(C,N) que elevam a tensão de cedência. O crómio interage com estas adições ao alterar a estabilidade da austenite, as condições de precipitação e as temperaturas de transformação. Não é um interruptor isolado da temperabilidade.

Passivação pelo óxido de crómio no aço inoxidável

O aço inoxidável necessita de uma quantidade suficiente de crómio na matriz para manter uma superfície passiva protetora. O limiar habitual é de cerca de 10,5% de crómio em massa, mas este valor é um limite de classificação, não uma garantia de comportamento idêntico em serviço. A qualidade do aço, o estado da superfície, o ambiente, as inclusões, o historial de soldadura e a contaminação são todos relevantes.

O crómio favorece a passivação dos aços inoxidáveis através da formação de uma película fina e aderente de óxido de crómio numa superfície exposta. Strong evidence

O mecanismo apresentado pela thyssenkrupp Materials é direto: o crómio reage com o oxigénio para formar uma camada protetora de óxido de crómio. Esta película é extremamente fina, aderente e capaz de se reformar quando existe oxigénio após danos mecânicos ligeiros. Separa a liga subjacente, rica em ferro, do ambiente e reduz significativamente a velocidade de dissolução subsequente. A passivação é, portanto, uma reação superficial, não um aumento da dureza da massa do material.

Um aço pode conter uma quantidade considerável de crómio e, ainda assim, sofrer corrosão localizada se a película passiva for danificada ou quimicamente desestabilizada. Os iões cloreto, as frestas, os depósitos, as condições ácidas, a contaminação por ferro, as superfícies rugosas e os efeitos térmicos da soldadura podem iniciar corrosão por picadas ou corrosão em frestas. O molibdénio melhora a resistência à corrosão por picadas induzida por cloretos e é uma das principais razões pelas quais o EN 1.4401 / X5CrNiMo17-12-2 e o AISI 316 resistem geralmente melhor a esses ambientes do que o EN 1.4301 / X5CrNi18-10 e o AISI 304. Estas designações identificam intervalos de composição; não eliminam as diferenças causadas pelo fabrico ou pela exposição.

O níquel estabiliza a austenite e ajuda a manter a estrutura cúbica de faces centradas à temperatura ambiente. Também afeta a tenacidade, o encruamento, a expansão térmica e o equilíbrio entre ferrite e austenite durante a soldadura. O azoto pode reforçar o aço inoxidável austenítico e melhorar a resistência à corrosão localizada, enquanto o molibdénio contribui para a resistência à corrosão por picadas. Os seus efeitos dependem da concentração e das interações entre elementos. O crómio fornece a química essencial à passivação, mas o desempenho do aço inoxidável é uma propriedade sistémica da liga e do seu estado.

Crómio, carbono e sensibilização

A advertência mais importante relativa ao crómio no aço inoxidável austenítico diz respeito ao carbono nos limites de grão. Durante o aquecimento num intervalo aproximado de 500–850 °C, podem precipitar carbonetos M${}_{23}$C${}_6$ ricos em crómio nos limites de grão da austenite, se o carbono puder difundir-se até esses locais. A matriz adjacente fica então empobrecida em crómio. Embora a composição global possa conter crómio suficiente para ser classificada como inoxidável, zonas estreitas empobrecidas em crómio podem perder a passividade e tornar-se vulneráveis à corrosão intergranular.

SensibilizaçãoSensibilização Estado de um aço inoxidável no qual se formam carbonetos ricos em crómio nos limites dos grãos, deixando as regiões adjacentes empobrecidas em crómio.

Esta condição é designada por sensibilização. É especialmente relevante após a soldadura, porque a zona termicamente afetada pode permanecer tempo suficiente no intervalo de sensibilização para permitir a precipitação de carbonetos. Um arrefecimento rápido pode reduzir a exposição, mas o procedimento de soldadura, a espessura da chapa, o aporte térmico, o grau de restrição e o historial térmico anterior determinam o resultado efetivo.

As qualidades de baixo carbono, como o EN 1.4307 / X2CrNi18-9 e o EN 1.4404 / X2CrNiMo17-12-2, reduzem o carbono disponível e, por conseguinte, reduzem a tendência para formar carbonetos de crómio. As qualidades estabilizadas adicionam titânio ou nióbio, que se ligam preferencialmente ao carbono sob a forma de TiC ou NbC. O crómio permanece mais disponível na matriz para a passivação. A estabilização não é uma solução universal: precipitados excessivos, um tratamento térmico incorreto ou uma exposição térmica posterior podem criar outros problemas microestruturais.

O carbono continua a ser útil. Reforça a austenite e pode contribuir para a resistência ao desgaste, enquanto o carbono e o azoto influenciam a energia de falha de empilhamento e o encruamento. A dificuldade consiste em controlar para onde se desloca o carbono e quais os compostos que se formam. O crómio, o níquel, o molibdénio, o azoto, o titânio e o nióbio podem estar todos presentes, mas os seus efeitos dependem da estabilidade das fases, da precipitação, da segregação e do historial de processamento. O crómio é essencial para a passivação, mas não atua sozinho, e uma designação de aço inoxidável não permite prever o desempenho sem a microestrutura criada pelo processamento.

7. O Níquel e o Controlo do Comportamento Austenítico e Ferrítico

O níquel é frequentemente descrito como um elemento de reforço, mas essa descrição é incompleta. O seu efeito depende de permanecer dissolvido na ferrite, estabilizar a austenite, promover uma estrutura de fases mista ou alterar o percurso de transformação durante o arrefecimento e o fabrico. A mesma adição que melhora a tenacidade a baixas temperaturas num aço ferrítico para recipientes sob pressão pode também manter a austenite estável no aço inoxidável, alterando o encruamento, a solidificação da soldadura e a quantidade de martensite formada durante a deformação.

Essa distinção é importante porque o aço não possui uma única estrutura cristalina. Conforme definido pela World Steel Association, o aço é uma liga de ferro–carbono que contém menos de 2% de carbono, à qual são adicionados outros elementos em quantidades menores ou maiores. O níquel ocupa posições substitucionais na rede cristalina do ferro. A Steeluniversity explica que o reforço por solução sólida substitucional resulta da distorção da rede, sendo a sua magnitude influenciada pelo tamanho atómico, pela compressibilidade, pela valência química e pela eletronegatividade. O níquel altera, portanto, tanto a resistência ao movimento das deslocações como a estabilidade das fases através das quais essas deslocações se movem.

O níquel como elemento de reforço e de aumento da tenacidade

No aço ferrítico, o níquel contribui para o reforço por solução sólida substitucional. Os átomos de níquel diferem dos átomos de ferro em tamanho e comportamento de ligação, pelo que a sua presença produz campos locais de deformação elástica. Uma deslocação em movimento interage com esses campos e requer uma tensão aplicada maior para continuar a mover-se. O aumento da resistência à cedência é geralmente moderado quando comparado com o endurecimento por precipitação ou com a transformação martensítica, mas é útil porque o níquel pode reforçar a ferrite sem provocar a perda severa de ductilidade associada a teores excessivos de carbono ou a fases secundárias duras.

A contribuição mais importante é frequentemente a tenacidade. A análise da AZoM sobre os elementos dos aços-liga identifica o níquel como um elemento que reforça e aumenta a tenacidade do aço ferrítico, sendo o benefício especialmente significativo a temperaturas abaixo de zero. Isto não corresponde a uma regra universal de “mais níquel, mais resistência”. O níquel influencia a transformação da ferrite em austenite, a deformação à escala dos grãos e a temperatura à qual a clivagem passa a competir eficazmente com a fratura dúctil. Em composições e tratamentos térmicos adequados, reduz a temperatura de transição dúctil-frágil e ajuda o aço ferrítico a absorver energia de impacto em serviço a baixas temperaturas.

O resultado é uma combinação útil: aumento da resistência com melhoria da resistência à fratura frágil. Essa combinação explica a utilização de aços para baixas temperaturas contendo níquel, como os aços para recipientes sob pressão com 9% de níquel abrangidos pela norma ASTM A553/A553M. O seu desempenho não resulta apenas do níquel. O teor de carbono, o manganês, o tratamento térmico, a austenite retida, a morfologia da martensite, o tamanho de grão e os ciclos térmicos de soldadura influenciam todos a tenacidade final. O níquel é uma parte de um projeto controlado de fases e microestrutura.

A composição deve também ser tratada como uma variável de intervalo estreito, e não como uma receita fixa. A Nippon Steel relata que o comportamento de transformação de fases do aço pode variar substancialmente com uma diferença de apenas 1% na concentração de um elemento de liga. A implicação prática é importante: um teor nominal de níquel não permite prever as propriedades sem conhecer a composição completa e o historial térmico. A segregação durante a solidificação pode fazer variar localmente a concentração de níquel, enquanto a soldadura pode produzir regiões com diferentes velocidades de arrefecimento e frações de fase relativamente à chapa de base.

Tenacidade a temperaturas abaixo de zero no aço ferrítico

Os aços ferríticos possuem uma estrutura cúbica de corpo centrado, e muitos aços CCC apresentam uma forte dependência da temperatura no comportamento à fratura. A temperaturas mais elevadas, o escoamento plástico na extremidade de uma fissura pode embotar a fissura e favorecer a fratura dúctil. À medida que a temperatura diminui, o movimento das deslocações torna-se mais difícil, a clivagem torna-se mais competitiva e a tenacidade ao impacto pode diminuir acentuadamente. O níquel é valioso porque pode deslocar essa transição para temperaturas mais baixas.

Este benefício não deve ser confundido com a eliminação completa dos riscos a baixas temperaturas. Uma estrutura de grão ferrítico grosseira, a segregação de fósforo, a martensite não revenida, defeitos de soldadura ou uma fase secundária frágil contínua podem ainda causar uma fratura prematura. O níquel pode melhorar a resposta da matriz enquanto outra característica controla a falha. O refinamento do grão é particularmente importante, porque grãos de ferrite mais pequenos geralmente aumentam a tensão de fratura por clivagem e reduzem a temperatura de transição efetiva.

Os aços ferríticos contendo níquel exigem, portanto, controlo do processo. A normalização, a têmpera e o revenido, o tratamento intercrítico e a soldadura produzem distribuições diferentes de ferrite, bainite, martensite e austenite retida. O teor de níquel afeta as temperaturas de transformação e a temperabilidade, mas não determina, por si só, a estrutura final. Uma velocidade de arrefecimento que produza bainite tenaz numa chapa de determinada espessura pode produzir uma estrutura mais dura e menos tolerante noutra.

A temperaturas criogénicas, a distinção entre resistência e tenacidade torna-se especialmente clara. A resistência pode aumentar à medida que a temperatura diminui, enquanto a resistência à fratura diminui. O níquel é valioso porque pode melhorar ambas as componentes deste equilíbrio em aços ferríticos adequadamente concebidos, em vez de apenas aumentar a tensão necessária para atingir a cedência.

O níquel e a estabilidade da austenite no aço inoxidável

No aço inoxidável austenítico, o níquel desempenha uma função central diferente: estabiliza a fase austenítica cúbica de faces centradas. O crómio fornece a película de óxido rica em crómio responsável pela passivação do aço inoxidável, enquanto o níquel ajuda a conservar a austenite à temperatura ambiente após a conformação a quente, o recozimento de solubilização e o arrefecimento. Graus comuns como UNS S30400, designado Tipo 304 segundo a ASTM A240, e UNS S31603, habitualmente designado Tipo 316L segundo a ASTM A240, combinam teores substanciais de crómio com níquel; o Tipo 316L contém também molibdénio para melhorar a resistência à corrosão localizada.

A estabilidade da austenite controla o comportamento durante o fabrico. Em geral, os aços inoxidáveis austeníticos não podem ser reforçados por têmpera convencional, porque o arrefecimento não transforma a matriz em martensite carbónica comum. Em vez disso, obtêm resistência através da solução sólida, do controlo do tamanho de grão e do trabalho a frio. A austenite estável permanece dúctil durante a conformação, mas uma estabilidade insuficiente pode permitir a formação de martensite induzida pela deformação. Essa transformação aumenta a resistência e o encruamento, reduzindo simultaneamente a previsibilidade dimensional e, em alguns casos, o desempenho em matéria de corrosão.

As orientações da Steeluniversity sobre o fabrico tratam o níquel como parte de um equilíbrio composicional, e não como um controlo isolado. O crómio, o níquel, o carbono, o azoto, o molibdénio, o manganês e as adições estabilizantes, como o titânio ou o nióbio, influenciam conjuntamente o equilíbrio de fases e a resposta ao processamento. Uma liga do tipo 304 com menor estabilidade da austenite pode formar mais martensite induzida pela deformação durante uma conformação a frio severa do que uma composição com maior teor de níquel. Inversamente, uma estabilidade excessiva da austenite pode alterar o comportamento de solidificação do metal de soldadura e reduzir a ferrite que é frequentemente retida nos depósitos de soldadura austeníticos para diminuir a suscetibilidade à fissuração durante a solidificação.

O percurso de fabrico é tão importante como o grau nominal. A temperatura de conformação a quente, a prática de recozimento de solubilização, a velocidade de arrefecimento, a deformação e o aporte térmico da soldadura podem alterar o teor de ferrite, o risco de formação de fase sigma, a precipitação de carbonetos e as tensões residuais. O carbono pode produzir carbonetos de crómio nos limites de grão durante uma exposição térmica inadequada, causando sensibilização; as designações de baixo carbono, como 316L, reduzem esse risco, mas não tornam irrelevante o historial térmico. O azoto pode reforçar a austenite e influenciar a resistência à corrosão por picadas, enquanto o molibdénio altera o comportamento à corrosão sem constituir um simples substituto do níquel.

O níquel não pode, portanto, ser associado a um único resultado garantido. No aço ferrítico, pode proporcionar reforço por solução sólida e, sobretudo, melhor tenacidade a temperaturas abaixo de zero. No aço inoxidável austenítico, estabiliza a fase CCC e altera o comportamento durante a conformação, o encruamento, a soldadura e as transformações. O efeito depende da constituição de fases e do historial de processamento, e não do elemento considerado isoladamente.

8. Molibdénio, Azoto e Estabilidade das Microestruturas dos Aços Inoxidáveis

O molibdénio e o azoto são analisados em conjunto com o crómio e o níquel porque o comportamento dos aços inoxidáveis é controlado por um sistema químico e de fases interligado, e não apenas pelo teor de crómio. O crómio proporciona as condições para a formação de uma película protectora de óxido rica em crómio; o níquel influencia o equilíbrio entre a ferrite e a austenite; o molibdénio altera o comportamento perante a corrosão localizada e a estabilidade das fases; e o azoto afecta tanto a estabilidade da austenite como a resistência mecânica. O carbono, o manganês, o silício e o historial de fabrico alteram depois o resultado.

Esta distinção é importante mesmo dentro de uma mesma família de qualidades. A composição nominal de um aço inoxidável austenítico não determina de forma inequívoca o seu comportamento em serviço após a laminagem, soldadura, conformação ou tratamento térmico. O relatório da Nippon Steel alerta para o facto de o comportamento das transformações de fase poder alterar-se substancialmente com uma diferença de apenas 1% na concentração de elementos de liga. A segregação nos limites de grão e nas interfaces também pode fazer com que a composição local seja diferente da análise química global.

Molibdénio e concepção da liga relacionada com a corrosão

O molibdénio é um elemento de liga substitucional. Como explica a Steeluniversity, o endurecimento substitucional resulta parcialmente da distorção da rede cristalina, sendo a sua magnitude afectada pelo tamanho atómico, pela compressibilidade, pela valência química e pela electronegatividade. No aço inoxidável, contudo, o molibdénio raramente é adicionado apenas para aumentar a resistência à tracção. O seu papel mais importante na concepção da liga é conferir resistência ao ataque localizado, especialmente à corrosão por picadas e à corrosão em frestas em ambientes que contêm cloretos.

PREN = %Cr + 3.3(%Mo) + 16(%N) pode comparar tendências de resistência à corrosão por picadas, mas não pode prever, por si só, a vida útil em serviço. Preliminary evidence

Uma película passiva de óxido de crómio pode degradar-se num defeito local ou sob um depósito. O molibdénio altera a química do metal e o processo de repassivação em torno desses locais, reduzindo a tendência para que uma pequena picada se transforme numa cavidade estável e em crescimento. É por isso que as comparações entre ligas utilizam frequentemente uma relação equivalente à resistência à picada, como PREN = %Cr + 3.3(%Mo) + 16(%N). Esta expressão é um índice de triagem, não uma equação de vida útil em serviço. O estado da superfície, a concentração de cloretos, a temperatura, a acidez, as inclusões, a oxidação da soldadura e a geometria da fresta podem ter um efeito superior ao de uma diferença moderada de composição.

O contraste entre designações austeníticas comuns ilustra este aspecto sem transformar o molibdénio numa garantia isolada. ASTM A240 Type 304 e Type 316 são ambas designações de aços inoxidáveis austeníticos de crómio-níquel, mas a Type 316 inclui molibdénio na sua composição especificada, ao passo que a Type 304 não. As designações UNS habitualmente associadas a estas composições são UNS S30400 e UNS S31600; as variantes de baixo teor de carbono incluem UNS S30403 e UNS S31603. As suas diferentes respostas em serviço com cloretos resultam dos efeitos combinados do crómio, do níquel, do molibdénio, do azoto, do carbono, das inclusões e do processamento — e não de um único “efeito do molibdénio”.

O molibdénio também altera a estabilidade das fases. Em relação ao níquel, promove geralmente a formação de ferrite; por isso, o seu aumento pode reduzir a margem de austenite ou favorecer a formação de ferrite numa estrutura de solidificação da soldadura. Este compromisso é gerido através da composição global e do ciclo térmico. Uma soldadura pode solidificar com alguma ferrite delta, enquanto o material de base trabalhado é predominantemente austenítico. Um teor excessivo de ferrite, ou a transformação posterior da ferrite em constituintes intermetálicos frágeis, pode prejudicar a tenacidade e a resistência à corrosão.

Azoto, estabilidade da austenite e resistência mecânica

O azoto ocupa posições intersticiais na rede do ferro, pelo que o seu mecanismo de endurecimento difere do do molibdénio. Produz deformação da rede e interage fortemente com as deslocações. Nos aços inoxidáveis de crómio-níquel, o azoto é também um poderoso estabilizador da austenite. Pode, por conseguinte, substituir parte do níquel necessário para conservar a austenite, embora o equilíbrio dependa do crómio, do níquel, do manganês, do molibdénio, do carbono, da temperatura e da velocidade de arrefecimento.

Esse equilíbrio é específico de cada qualidade. Uma composição que permaneça totalmente austenítica após o recozimento de solubilização pode formar ferrite durante a soldadura, enquanto uma região encruada a frio pode desenvolver martensite induzida pela deformação se a estabilidade da sua austenite for insuficiente. Em muitas composições austeníticas, o azoto aumenta a resistência a essa transformação, mas não elimina os efeitos da baixa temperatura, da deformação ou de uma composição desfavorável.

O azoto contribui substancialmente para o endurecimento por solução sólida e pode aumentar a resistência ao escoamento sem produzir o mesmo mecanismo de sensibilização relacionado com carbonetos que está associado a um excesso de carbono. Também aumenta habitualmente a capacidade de encruamento. Durante a conformação, isto significa que o metal pode continuar a endurecer rapidamente à medida que se acumula a deformação plástica; o benefício em termos de resistência pode ser acompanhado por maiores esforços de conformação e por uma maior necessidade de controlar a uniformidade da deformação. Em serviço, uma elevada resposta ao encruamento pode melhorar a resistência à deformação plástica localizada, mas o resultado continua a depender do tamanho de grão, da textura, das inclusões e do trabalho a frio prévio.

O azoto não está isento de limitações de processamento. A sua solubilidade no aço líquido e sólido depende da temperatura e da composição, e um teor excessivo de azoto pode favorecer a porosidade gasosa, a formação de nitretos ou estruturas de solidificação indesejáveis. O molibdénio e o crómio aumentam a tendência para a formação de determinados nitretos porque alteram a actividade química e a estabilidade das fases. Assim, o azoto pode estabilizar a austenite na matriz, ao mesmo tempo que é localmente removido desta por precipitação.

Fases secundárias e resposta ao fabrico

O mecanismo de sensibilização mais conhecido envolve o carboneto de crómio, geralmente escrito como Cr23C6, que se forma nos limites de grão da austenite durante uma exposição térmica desfavorável. O crómio é consumido localmente junto ao limite, deixando uma zona empobrecida em crómio onde a corrosão intergranular se torna mais fácil. As qualidades de baixo teor de carbono, como UNS S31603, limitam o carbono disponível; as qualidades estabilizadas utilizam elementos como o titânio ou o nióbio para ligarem preferencialmente o carbono. Nenhuma destas abordagens torna a soldadura irrelevante: o aporte térmico, a velocidade de arrefecimento, o grau de restrição da junta, a espessura e a exposição térmica subsequente continuam a determinar a microestrutura.

Os aços inoxidáveis austeníticos que contêm molibdénio e crómio também podem formar fase sigma, fase chi, fase de Laves ou diversos carbonetos e nitretos durante uma exposição prolongada a intervalos de temperatura intermédios ou durante ciclos de soldadura repetidos. Estas fases removem crómio, molibdénio ou azoto da matriz austenítica e podem fragilizar o material. Assim, uma composição que melhora a resistência aos cloretos no estado recozido de solubilização pode tornar-se menos resistente após um ciclo de fabrico inadequado.

A soldadura torna visível esta interacção. A segregação durante a solidificação pode concentrar elementos promotores de ferrite nas regiões interdendríticas, enquanto o azoto e o níquel influenciam se o metal de soldadura solidifica como austenite, ferrite ou uma estrutura mista. Um teor excessivo de ferrite delta pode reduzir a ductilidade ou promover a formação de fases secundárias durante o serviço; uma quantidade demasiado pequena de ferrite em algumas composições de metais de soldadura pode aumentar a susceptibilidade à fissuração a quente. A limpeza após a soldadura também é importante, uma vez que a coloração térmica pode deixar uma superfície empobrecida em crómio ou coberta de óxidos, mesmo quando a composição global subjacente permanece inalterada.

O mesmo princípio se aplica ao fabrico a quente e a frio. O recozimento de solubilização dissolve muitos precipitados indesejáveis e restabelece uma distribuição mais uniforme, mas a temperatura necessária e a têmpera dependem da qualidade e da secção. O trabalho a frio aumenta a resistência através da acumulação de deslocações e pode alterar a resposta magnética ou desencadear uma transformação martensítica na austenite metaestável. Nenhum elemento de liga garante um resultado fixo. O molibdénio, o azoto, o crómio e o níquel devem ser analisados em conjunto com o teor de carbono, a constituição das fases, a segregação, o historial de precipitação e o processo de fabrico efectivamente utilizado.

9. Vanadium, Nióbio e Titanium no Aço HSLA

O aço de baixa liga e alta resistência (HSLA) constitui o exemplo mais claro de uma liga cuja resposta é sensível ao processamento. Pequenas adições de vanadium, nióbio ou titanium não são simplesmente ingredientes que produzem uma propriedade fixa. Os seus efeitos dependem da concentração, da disponibilidade de carbono e azoto, da temperatura de reaquecimento, do regime de laminagem, da velocidade de arrefecimento e da localização dos átomos após a solidificação. Um fabricante de aço pode adicionar o mesmo elemento a duas corridas e obter microestruturas diferentes se as histórias térmicas e de deformação forem distintas.

Esta distinção é importante porque os três elementos actuam através de mecanismos diferentes. O vanadium aumenta principalmente a resistência através da precipitação na ferrite. O nióbio altera sobretudo o que acontece à austenite durante a laminagem a quente, retardando a recristalização e ajudando a conservar o refinamento dos grãos produzido pela deformação. O titanium forma nitreto de titanium, TiN, excepcionalmente estável, que fixa os limites de grão da austenite durante o reaquecimento. Estes mecanismos podem actuar no mesmo aço, mas não ocorrem na mesma fase nem produzem o mesmo resultado microestrutural.

Os graus HSLA ilustram por que motivo a composição não pode ser interpretada como uma garantia. ASTM A572/A572M Grade 50 e ASTM A588/A588M são especificados por requisitos mecânicos e químicos, mas as suas propriedades finais também dependem das práticas de laminagem e arrefecimento. A World Steel Association define o aço como uma liga de ferro e carbono que contém menos de 2% de carbono; as pequenas adições para além do ferro e do carbono podem alterar de forma desproporcionada o comportamento das transformações. A Nippon Steel relata que o comportamento das transformações de fase do aço pode variar substancialmente com uma diferença de apenas 1% na concentração dos elementos de liga. Nos níveis de adição próprios dos aços HSLA, alterações muito menores no estado de precipitação ou na história térmica também podem ser relevantes.

Precipitação de carboneto e carbonitreto de vanadium

O vanadium reforça o aço HSLA principalmente quando precipita sob a forma de carboneto de vanadium fino, VC, ou de carbonitreto de vanadium, V(C,N). Durante o trabalho a quente, grande parte do vanadium pode permanecer dissolvida na austenite. À medida que o aço arrefece e se forma ferrite, a solubilidade do vanadium e do carbono ou azoto altera-se. Podem então nuclear partículas finas no interior da ferrite ou junto das interfaces. Estas partículas dificultam o movimento das deslocações, pelo que é necessária uma tensão aplicada mais elevada para provocar a cedência plástica.

Trata-se de endurecimento por precipitação, e não simplesmente de endurecimento por solução sólida. Um átomo de vanadium dissolvido na rede do ferro distorce essa rede e pode contribuir para o endurecimento por solução sólida, conforme explica a Steeluniversity no caso dos elementos de liga substitucionais. A magnitude desse efeito depende do tamanho atómico, da compressibilidade, da valência química e da electronegatividade. Uma partícula de VC ou V(C,N) actua de forma diferente: cria um obstáculo disperso cuja dimensão, densidade numérica, coerência e espaçamento determinam a eficácia com que as deslocações se movem em torno dela ou a atravessam.

Os precipitados úteis têm de ser finos e numerosos. Os carbonetos de vanadium grosseiros consomem elementos de liga sem proporcionar a mesma densidade de obstáculos, e as partículas que se formam durante uma fase a temperatura excessivamente elevada podem engrossar antes de se desenvolver a estrutura ferrítica final. O azoto pode aumentar a quantidade de V(C,N), mas o seu efeito depende do equilíbrio entre carbono e azoto e dos formadores de nitretos concorrentes, sobretudo titanium e alumínio. Assim, uma percentagem nominal de vanadium diz pouco sobre a tensão de cedência sem informação sobre a temperatura de precipitação e a história de arrefecimento.

O vanadium também pode refinar a estrutura efectiva da ferrite quando a precipitação e a transformação são coordenadas. Uma ferrite mais fina geralmente aumenta a resistência e melhora frequentemente a tenacidade através da redução do tamanho das unidades de clivagem, embora a resistência, a ductilidade e o desempenho ao impacto continuem a depender da composição completa e da rota de processamento. A descrição da metalurgia dos HSLA publicada pela AZoM identifica os precipitados finos de VC ou V(C,N) como uma fonte de aumento da tensão de cedência. Essa afirmação é exacta, mas apenas quando “adição de vanadium” não é confundida com “ocorreu precipitação sob a forma desejada”.

Nióbio e laminagem controlada

O nióbio tem uma função principal diferente. No aço HSLA laminado de forma controlada, o nióbio dissolvido e as partículas de carbonitreto de nióbio retardam a recristalização da austenite entre passes de laminagem. A AZoM identifica o nióbio como um elemento que suprime a recristalização da austenite durante a laminagem a quente. A consequência é importante: a deformação repetida pode acumular-se na austenite, em vez de ser eliminada por uma recristalização rápida.

À medida que a laminagem prossegue a temperaturas nas quais a recristalização é retardada, os grãos de austenite tornam-se alongados e contêm uma elevada densidade de defeitos de deformação. Durante o arrefecimento, a ferrite nucleia em numerosos locais associados a essa estrutura de austenite deformada. A ferrite resultante pode ser muito mais fina do que seria após uma laminagem convencional, aumentando a resistência através do refinamento dos grãos e ajudando a manter a tenacidade. A relação de Hall–Petch descreve a tendência geral: a diminuição do tamanho dos grãos de ferrite aumenta a resistência à cedência, porque os limites de grão dificultam o movimento das deslocações.

O nióbio pode estar presente em solução, sob a forma de carbonitreto de nióbio fino ou numa combinação de ambos os estados. A temperatura determina qual desses estados predomina. A temperaturas suficientemente elevadas, o carbonitreto de nióbio pode dissolver-se, deixando o nióbio disponível para retardar a recristalização em solução ou para precipitar mais tarde. A temperaturas mais baixas, podem formar-se partículas que exercem efeitos de fixação e arrastamento. A redução por passe, o tempo entre passes, a temperatura de acabamento e a acumulação de deformação determinam se esses efeitos produzem a estrutura de austenite pretendida.

Trata-se de controlo da recristalização, e não de endurecimento por precipitação no mesmo sentido que o VC na ferrite. As partículas de carbonitreto de nióbio podem contribuir para o endurecimento por precipitação, sobretudo após a transformação, mas o efeito central da laminagem controlada é a preservação da deformação na austenite. Um aço que contenha nióbio, mas seja laminado acima do intervalo de recristalização relevante, pode não desenvolver o mesmo refinamento dos grãos que um aço com o mesmo teor de nióbio laminado em condições controladas.

Nitreto de titanium e tamanho dos grãos durante o reaquecimento

O titanium actua numa fase térmica mais precoce. O titanium tem uma forte afinidade para o azoto e forma precipitados estáveis de TiN. Segundo a AZoM, estas partículas controlam o tamanho dos grãos durante o reaquecimento do aço HSLA. Durante o reaquecimento de placas ou biletes, as partículas de TiN finamente distribuídas fixam os limites de grão da austenite. O movimento dos limites torna-se mais difícil, pelo que os grãos de austenite não crescem tão rapidamente como cresceriam num aço sem partículas de fixação eficazes.

A fixação dos limites de grão depende da dimensão e da distribuição das partículas. Partículas de TiN muito finas e numerosas proporcionam uma grande área total de interface e podem exercer uma resistência considerável ao movimento dos limites. As partículas de TiN grosseiras são menos eficazes por unidade de volume e podem comportar-se como inclusões frágeis ou locais de iniciação de fissuras em determinadas condições de carga. Um excesso de titanium, um excesso de azoto, uma solidificação lenta ou um reaquecimento inadequado podem deslocar a população para partículas grosseiras. A adição química, por si só, não define a população de partículas útil.

Assim, o titanium controla o tamanho dos grãos durante o reaquecimento, enquanto o nióbio controla a recristalização durante a deformação e o vanadium reforça habitualmente a ferrite transformada através da precipitação. As fases sobrepõem-se, mas os mecanismos devem permanecer separados na análise. A fixação por TiN limita o crescimento dos grãos antes ou durante o reaquecimento; o nióbio retarda a recristalização da austenite durante a laminagem; a precipitação de VC ou V(C,N) dificulta o movimento das deslocações após a transformação. Designar todos os três efeitos como “refinamento dos grãos” oculta a sequência que permite o funcionamento do processamento HSLA.

As interacções complicam ainda mais a sequência. O titanium pode remover o azoto da solução sob a forma de TiN, reduzindo o azoto disponível para a formação de carbonitreto de vanadium. O nióbio e o vanadium competem com o carbono e o azoto de acordo com relações de solubilidade dependentes da temperatura. O manganês, o silício, o alumínio e outros elementos alteram as temperaturas de transformação e a estabilidade das fases, enquanto a segregação durante a fundição pode produzir composições locais diferentes da análise nominal da corrida. O módulo da Steeluniversity enumera estes elementos — incluindo silício, manganês, enxofre, fósforo, alumínio, cobre, estanho, chromium, nickel e molybdenum — como factores que afectam a resistência, a ductilidade, a tenacidade, o tamanho dos grãos, a temperabilidade e a resposta ao tratamento térmico.

A lição prática é directa: vanadium, nióbio e titanium são tanto ferramentas de processamento como adições de liga. A sua concentração estabelece possibilidades; o reaquecimento, a deformação, a precipitação e o arrefecimento determinam quais dessas possibilidades se transformam em microestrutura. É por isso que as especificações dos HSLA exigem práticas de produção controladas e que uma explicação isolada, elemento a elemento, oferece uma descrição incompleta do desempenho do aço.

10. Elementos de Liga e Transformação de Fase

O aço não é definido por uma receita fixa. A World Steel Association descreve-o como uma liga de ferro–carbono contendo menos de 2% de carbono, com manganês e quantidades menores de silício, fósforo, enxofre e oxigénio. Essa definição estabelece um limite de composição, não uma previsão da microestrutura. Dois aços que se enquadrem nesse limite podem responder de forma muito diferente ao mesmo ciclo térmico no forno, porque os elementos de liga alteram a estabilidade das fases, as velocidades de difusão, os locais de nucleação, a precipitação e as temperaturas às quais as transformações se iniciam.

Esta distinção é relevante no aço-carbono e torna-se ainda mais importante nos aços ligados. A Steeluniversity identifica o silício, o manganês, o enxofre, o fósforo, o alumínio, o cobre, o estanho, o crómio, o níquel e o molibdénio como elementos que afetam a resistência, a ductilidade, a tenacidade, a maquinabilidade, a temperabilidade, o tamanho de grão e a resposta ao tratamento térmico. Os seus efeitos estão interligados. O manganês, o crómio, o níquel e o molibdénio podem retardar as transformações por difusão, enquanto o carbono controla a dureza da martensite que se forma após um arrefecimento suficientemente rápido. O vanádio, o nióbio e o titânio também alteram o comportamento das transformações através da precipitação de carbonetos, carbonitretos e nitretos.

Temperabilidade versus dureza

A dureza é a resistência medida num local específico após um tratamento específico. Depende fortemente do teor de carbono, da fracção de martensite ou de outras fases duras formadas, da temperatura de revenido e das condições locais de arrefecimento. Por exemplo, um aço de elevado teor de carbono submetido a uma têmpera rápida pode produzir martensite muito dura junto à superfície, mas esse facto, por si só, diz pouco sobre a profundidade a que a estrutura martensítica se estende numa secção espessa.

TemperabilidadeTemperabilidade Capacidade do aço para formar martensite ao longo de uma secção durante o arrefecimento; difere da dureza máxima que o aço pode atingir.

A temperabilidade descreve a capacidade de um aço formar martensite até uma determinada profundidade durante a têmpera. É uma propriedade cinética, não uma medida directa da dureza máxima. O manganês, o crómio, o níquel e o molibdénio aumentam geralmente a temperabilidade ao deslocarem as transformações de perlite e bainite para tempos mais longos num diagrama de transformação tempo–temperatura. A velocidade de arrefecimento mais lenta no interior pode então permanecer abaixo do intervalo crítico de transformação durante tempo suficiente para que se forme martensite. O carbono também contribui, embora o aumento do seu teor eleve mais directamente a dureza alcançável da martensite e possa reduzir a tenacidade ou aumentar a austenite retida quando utilizado em concentrações mais elevadas.

Um ensaio Jominy de têmpera numa extremidade ilustra esta diferença. A extremidade temperada arrefece rapidamente e forma normalmente martensite; mais afastado da extremidade, a velocidade de arrefecimento diminui e podem desenvolver-se perlite, bainite ou estruturas mistas mais macias. O perfil de dureza regista tanto a resposta do aço às transformações como a dureza, dependente do carbono, das fases produzidas. Um aço de baixo teor de carbono pode ter uma temperabilidade considerável, mas uma dureza máxima da martensite limitada, enquanto um aço de maior teor de carbono pode ser muito duro à superfície, mas apresentar uma queda acentuada da dureza ao longo de uma secção espessa se a sua temperabilidade for baixa.

O elemento de liga não actua isoladamente. O crómio pode aumentar a temperabilidade, contribuindo simultaneamente para a formação de carbonetos ricos em crómio e melhorando a resistência à oxidação e à corrosão. O níquel estabiliza a austenite e reforça o aço ferrítico, inclusive a temperaturas abaixo de zero, mas a sua influência na transformação depende do carbono, do manganês, do crómio e do tamanho de grão da austenite prévia. O vanádio pode aumentar a resistência através de precipitados finos de VC ou V(C,N), alterando simultaneamente o carbono e o azoto disponíveis e afectando, por conseguinte, a reacção austenite–ferrite. Designar qualquer um destes elementos como um “endurecedor” garantido oculta o mecanismo efectivo.

Cinética das transformações e historial térmico

Um diagrama de fases indica quais as fases estáveis em equilíbrio; não especifica a rapidez com que uma peça de aço real atinge esse equilíbrio. A cinética das transformações preenche essa lacuna. A austenite pode transformar-se em ferrite e perlite durante um arrefecimento lento, em bainite a velocidades de arrefecimento intermédias ou em martensite quando a difusão é suprimida. O resultado depende do percurso térmico, não apenas da análise química final.

O relatório da Nippon Steel torna esta limitação particularmente clara: o comportamento das transformações de fase pode variar substancialmente com uma diferença de apenas 1% na concentração dos elementos de liga. Essa diferença pode alterar as posições das curvas de início da transformação, a temperatura de formação da martensite, a quantidade de austenite retida ou o intervalo no qual se forma a bainite. Um por cento é suficientemente significativo para ter importância em muitos sistemas de ligas, mas o aspecto mais abrangente é ainda mais importante: pequenas alterações de composição podem ter efeitos desproporcionados quando se aproxima uma fronteira de transformação.

Por conseguinte, a velocidade de arrefecimento deve acompanhar qualquer afirmação sobre a composição. Uma secção arrefecida no forno, uma chapa arrefecida ao ar, uma barra temperada em óleo e uma aresta temperada em água estão sujeitas a gradientes térmicos diferentes e produzem estruturas diferentes, mesmo quando são cortadas da mesma corrida. A espessura da secção altera o resultado, porque o calor abandona a superfície antes do núcleo. A agitação do banho de têmpera, o tempo de transferência e o estado da superfície acrescentam ainda mais variação.

O reaquecimento e a laminagem criam outro historial térmico antes do início do tratamento térmico final. No aço HSLA, a AZoM refere que o nióbio suprime a recristalização da austenite durante a laminagem a quente. A austenite deformada pode conservar grãos achatados, aumentando o número de locais de nucleação da ferrite durante o arrefecimento subsequente. O titânio forma precipitados estáveis de TiN que restringem o crescimento dos grãos de austenite durante o reaquecimento; a sua eficácia depende do tamanho das partículas, da temperatura de dissolução e dos teores de azoto e titânio. O vanádio forma precipitados finos de VC ou V(C,N) que aumentam a resistência à cedência, sobretudo quando a precipitação ocorre durante ou após a transformação. Um reaquecimento excessivo pode dissolver as partículas destinadas a controlar o tamanho de grão, enquanto um arrefecimento inadequado pode impedir a resposta de precipitação pretendida.

O revenido altera novamente a interpretação. A martensite temperada é sobressaturada e apresenta tensões; o revenido permite a redistribuição do carbono, a precipitação de carbonetos e a recuperação. Um aço com a mesma dureza após a têmpera pode adquirir resistência, tenacidade e estabilidade dimensional diferentes depois de ser revenido a 200 °C, 500 °C ou 650 °C. Os carbonetos de liga que contêm crómio, molibdénio ou vanádio podem precipitar durante o revenido a temperaturas mais elevadas, pelo que o estado final não pode ser previsto apenas com base na composição química após a têmpera.

Segregação nos Limites de Grão e Interfaces

A composição global é uma média. Os átomos nem sempre estão distribuídos uniformemente pela microestrutura. O fósforo, o enxofre, o estanho, o antimónio e outros solutos podem segregar para os limites de grão da austenite durante a solidificação, o reaquecimento ou a transformação. Os limites de grão apresentam um empacotamento atómico e uma energia diferentes dos interiores dos grãos, o que os torna locais preferenciais para a acumulação de solutos e para a nucleação de novas fases. A segregação pode reduzir a coesão dos limites, alterar a nucleação da ferrite ou modificar localmente a temperatura de transformação.

As interfaces entre ferrite, austenite, bainite, martensite e precipitados também possuem campos químicos diferentes da composição nominal da liga. O carbono pode repartir-se de uma fase em transformação para a austenite; o manganês e o crómio podem redistribuir-se mais lentamente, por serem elementos substitucionais. Um limite enriquecido num elemento e empobrecido noutro pode acelerar ou retardar localmente a transformação. Assim, o mesmo aço pode conter regiões com sequências de transformação diferentes, especialmente junto de inclusões, limites de grão da austenite prévia, zonas afectadas pelo calor da soldadura e bandas de segregação resultantes da fundição.

As interfaces controlam mais do que a formação de fases. As partículas finas de TiN fixam os limites da austenite; o nióbio em solução ou sob a forma de precipitados restringe a recristalização; as partículas de VC e V(C,N) impedem o movimento das deslocações e aumentam a resistência à cedência. As inclusões de sulfuretos podem proporcionar locais de nucleação, mas também podem reduzir a tenacidade, dependendo da sua morfologia e orientação. No aço inoxidável, o crómio deve permanecer suficientemente disponível junto à superfície para manter a passivação por óxido de crómio, enquanto o níquel, o molibdénio, o azoto, o carbono e os elementos estabilizadores afectam a estabilidade da austenite, o encruamento, a sensibilização e a formação de fases secundárias.

Consequentemente, a análise química é apenas o ponto de partida. Uma afirmação significativa sobre um elemento deve identificar o seu intervalo de concentração, a localização na fase, o estado de segregação, a população de precipitados, o tamanho de grão, a velocidade de arrefecimento, o programa de reaquecimento e laminagem e a condição de revenido. Sem essas variáveis, afirmar que “o crómio aumenta a dureza” ou que “o níquel melhora a tenacidade” não é um resultado; é uma hipótese incompleta.

11. Interpretar a Química das Ligas Através das Classes e Normas dos Aços

Uma designação de aço é uma informação condensada, não uma descrição completa do material. Pode indicar uma família química, uma classe de resistência, uma classificação de aço inoxidável, uma forma de produto ou uma categoria de especificação. A norma aplicável fornece as condições em falta: composição permitida, requisitos de resistência à tração e de tensão de cedência, alongamento, ensaios de impacto, estado de tratamento térmico, regras dimensionais, amostragem e temperatura de ensaio. Ler apenas o nome pode, portanto, conduzir a uma identificação quimicamente plausível, mas tecnicamente errada.

A World Steel Association define o aço como uma liga de ferro e carbono que contém menos de 2% de carbono, estando também presentes manganês e quantidades menores de silício, fósforo, enxofre e oxigénio. A Steeluniversity inclui o silício, o manganês, o enxofre, o fósforo, o alumínio, o cobre, o estanho, o crómio, o níquel e o molibdénio entre os elementos que afetam o comportamento do aço ao carbono comum. Os seus efeitos não são independentes. Uma pequena alteração no teor de carbono pode alterar a resposta ao crómio; o níquel pode modificar o intervalo de temperaturas em que a austenite é estável; o molibdénio pode alterar a precipitação de carbonetos e a resposta ao revenido; e o processamento pode determinar se a mesma composição nominal dá origem a ferrite, perlite, bainite, martensite ou a uma mistura destas fases.

Limites de composição e lógica das designações

Comece pela designação completa e pelo documento que a rege. Coloque quatro perguntas: qual é a norma aplicável, que forma de produto está abrangida, que condição de fornecimento ou de tratamento térmico é especificada e que edição da norma tem valor contratual? Uma designação inscrita num desenho pode identificar uma família, deixando a condição exigida para uma cláusula de compra ou de engenharia separada. A chapa, a barra, os produtos forjados, o arame, o tubo e os produtos fundidos podem ter limites e ensaios diferentes, mesmo quando as suas famílias gerais de ligas parecem semelhantes.

A composição é normalmente expressa como um intervalo ou um valor máximo, e não como uma receita. O carbono pode estar limitado por um valor máximo, enquanto o manganês, o crómio, o níquel ou o molibdénio podem ter limites inferior e superior. “Máximo” é importante. Não significa que todas as corridas contenham essa quantidade, nem que um valor intermédio represente a especificação. Elementos residuais como o fósforo, o enxofre, o cobre, o estanho e o azoto podem ser restringidos porque afetam a tenacidade, a soldabilidade, a fragilidade a quente, o comportamento à corrosão ou a estabilidade das fases.

Uma designação também pode codificar uma classe de propriedades, em vez de uma composição química exata. Uma especificação de aço de alta resistência e baixa liga, ou HSLA, pode permitir várias estratégias de liga para atingir a tensão de cedência e a tenacidade exigidas. Um produtor pode basear-se mais no nióbio e na laminagem controlada; outra composição permitida pode obter resistência através da precipitação de vanádio ou de um equilíbrio diferente entre manganês e silício. A designação, por si só, não revela o regime de laminagem, a velocidade de arrefecimento, o tamanho de grão ou a população de precipitados.

A distinção é especialmente importante junto dos limites de fase. A Nippon Steel refere que o comportamento das transformações pode variar substancialmente com uma diferença de apenas 1% na concentração de um elemento de liga. Essa alteração pode modificar as temperaturas de início das transformações, a temperabilidade, a austenite retida ou a fração de bainite e martensite. A análise global também não conta toda a história: a segregação nos limites de grão e nas interfaces pode alterar o local onde as transformações começam e o mecanismo que prevalece. Uma corrida que cumpra os mesmos limites químicos pode ainda apresentar microestruturas diferentes após diferentes históricos de reaquecimento, laminagem, arrefecimento ou revenido.

Os elementos substitucionais ocupam posições normais na rede cristalina e aumentam a resistência através da distorção da rede. A Steeluniversity relaciona este efeito com o tamanho atómico, a compressibilidade, a valência química e a eletronegatividade. O carbono e o azoto comportam-se principalmente como solutos intersticiais, produzindo uma forte deformação local e interagindo com deslocações, lacunas e carbonetos ou nitretos de liga. A designação regista a concentração; raramente regista a distribuição espacial que controla a propriedade final.

Famílias de carbono, crómio, níquel e molibdénio

O aço ao carbono comum é definido por um conceito de liga relativamente limitado, mas “comum” não significa quimicamente vazio. O manganês contribui para o reforço por solução sólida e combina-se com o enxofre, enquanto o silício afeta a desoxidação e a resistência. O enxofre pode melhorar a maquinabilidade em composições controladas, mas pode reduzir a ductilidade transversal. O fósforo pode aumentar a resistência, mas prejudicar a tenacidade. O cobre, o estanho, o crómio, o níquel e o molibdénio podem ocorrer como elementos residuais ou como adições deliberadas, e a sua importância depende da concentração e do processamento.

O aço de baixa liga adiciona quantidades controladas de elementos para alterar a temperabilidade, a resistência, a tenacidade, a resistência ao revenido, o comportamento ao desgaste ou o comportamento à corrosão. O crómio aumenta a temperabilidade e pode melhorar a resistência a temperaturas elevadas, à oxidação e à corrosão, mas o seu efeito depende da atividade do carbono, dos formadores de carbonetos concorrentes e do ciclo térmico. O níquel aumenta a resistência e a tenacidade do aço ferrítico, contribuindo de forma particularmente importante para a tenacidade ao impacto a temperaturas abaixo de zero. O molibdénio pode aumentar a temperabilidade e a resistência ao revenido, além de alterar a precipitação de carbonetos; é também importante em vários sistemas de corrosão dos aços inoxidáveis.

O aço inoxidável ferrítico e o aço inoxidável austenítico ilustram por que razão os nomes dos elementos não podem ser interpretados como resultados garantidos. O crómio constitui a base para uma película protetora de óxido de crómio, mas a resistência à corrosão depende da atividade do crómio à superfície, da química do meio, do fabrico, das inclusões e dos danos na película passiva. O níquel estabiliza a austenite, enquanto o azoto pode reforçar o aço inoxidável austenítico e afetar o equilíbrio de fases. O carbono pode aumentar a resistência, mas pode combinar-se com o crómio durante uma exposição térmica inadequada, reduzindo o crómio junto dos limites de grão e provocando sensibilização. As adições de titânio ou nióbio podem fixar o carbono e reduzir esse risco, embora as adições estabilizadoras também afetem a resposta à soldadura, os precipitados e as fases secundárias.

O mesmo elemento de liga pode, portanto, ter consequências de engenharia opostas. O crómio numa liga ferrítica pode promover a formação de ferrite e de carbonetos, enquanto o níquel pode suprimir a ferrite e favorecer a austenite. O molibdénio pode melhorar a resistência à corrosão localizada no aço inoxidável austenítico, mas a sua interação com o crómio, o níquel, o azoto e o histórico térmico afeta a formação da fase sigma ou de outras fases secundárias. O nome de uma família identifica a constituição de fases esperada; não garante uma única microestrutura após todos os processos de fabrico.

Os aços HSLA tornam explícita a dependência do processamento. Durante a laminagem a quente, o nióbio pode impedir a recristalização da austenite, permitindo que a deformação refine a estrutura ferrítica final. O titânio forma precipitados estáveis de TiN que ajudam a controlar o tamanho de grão durante o reaquecimento. O vanádio forma precipitados finos de VC ou V(C,N), que aumentam a tensão de cedência. Estes mecanismos exigem condições adequadas de dissolução, laminagem, arrefecimento e precipitação. Uma adição que permaneça em partículas grosseiras não pode proporcionar o mesmo reforço que uma população fina e bem dispersa.

Por que razão os nomes das classes não substituem os requisitos do material

O nome de uma classe deve ser tratado como uma referência a uma especificação, e não como um substituto dessa especificação. O documento aplicável pode exigir uma tensão de cedência mínima num determinado intervalo de espessuras, um intervalo de resistência à tração, um alongamento mínimo e uma energia de impacto Charpy a uma temperatura especificada. Pode também prescrever condições de fornecimento normalizadas, temperadas e revenidas, termomecanicamente controladas, recozidas ou submetidas a tratamento de solubilização. Sem essas cláusulas, “a mesma classe” pode descrever um material com resistência, tenacidade, soldabilidade e tensão residual diferentes.

As condições de ensaio fazem parte dos requisitos do material. A tensão de cedência pode variar com a orientação do provete, a espessura, a velocidade de deformação e o método de ensaio. A energia de impacto depende fortemente da temperatura e da orientação do entalhe. A análise química pode ser comunicada com base numa amostra da colher de vazamento ou numa amostra do produto, com regras de aceitação diferentes. Os registos de tratamento térmico, o estado da superfície, os ensaios ultrassónicos, os requisitos relativos ao tamanho de grão e os ensaios de impacto suplementares podem ser mais importantes para o desempenho em serviço do que uma designação curta inscrita junto do material.

Uma interpretação rigorosa passa, portanto, da designação para a norma, da norma para os limites químicos e mecânicos e, destes limites, para o histórico de processamento e o serviço previsto. Compare a análise da corrida com o intervalo permitido, confirme a forma e a condição do produto, verifique os ensaios exigidos e, em seguida, pergunte que microestrutura se espera que essas condições produzam. Esta abordagem impede que um rótulo de família seja confundido com uma garantia. A química define as possibilidades; a estabilidade das fases, a segregação, a precipitação e o histórico de fabrico determinam qual dessas possibilidades se torna o aço que temos em mãos.

12. Um Método Prático para Prever o Efeito Metalúrgico de um Elemento

Um elemento de liga não possui uma propriedade fixa. O crómio não é simplesmente um “elemento de resistência à corrosão”, o vanádio não é apenas um “elemento de aumento da resistência” e o enxofre nem sempre é prejudicial. O resultado depende do local onde os átomos acabam por ficar, das fases presentes, da forma como o aço foi processado e da temperatura e do ambiente a que o componente será exposto.

Uma previsão útil começa, portanto, por uma sequência de perguntas, e não por uma lista de efeitos isolados. Primeiro, localize o elemento. Depois, identifique o mecanismo que este pode ativar ou suprimir. Por fim, teste essa explicação face à composição, à história térmica, à história de deformação e às condições de serviço.

Pergunte onde se encontra o elemento

A primeira pergunta é física: onde se encontra o elemento após a solidificação e o processamento?

Um elemento pode permanecer na ferrite ou na austenite como soluto substitucional, ocupar posições intersticiais, combinar-se com carbono ou azoto num carboneto ou carbonitreto, segregar-se para um limite de grão, concentrar-se numa película de óxido ou formar uma fase secundária distinta. A mesma adição nominal pode produzir resultados diferentes consoante estas localizações.

Os átomos substitucionais substituem os átomos de ferro na rede cristalina. A Steeluniversity descreve o seu efeito de endurecimento como uma distorção da rede cristalina, estando a sua magnitude relacionada com o tamanho atómico, a compressibilidade, a valência química e a eletronegatividade. O manganês, o silício, o níquel e o crómio podem, portanto, endurecer a ferrite, permanecendo amplamente distribuídos em solução sólida. O seu efeito não é determinado apenas pelo tamanho atómico: a fase da matriz, a concentração e as interações com o carbono e outros solutos também são relevantes.

O carbono e o azoto comportam-se de forma diferente porque ocupam posições intersticiais e produzem campos locais de deformação intensos. Se permanecerem dissolvidos, podem aumentar a resistência e alterar o comportamento das transformações. Se se combinarem com crómio, nióbio, titânio ou vanádio, o efeito relevante passa a ser a precipitação ou o controlo de fases. Esta distinção é decisiva. O vanádio em solução pode afetar a temperabilidade e a cinética das transformações, enquanto partículas finas de VC ou V(C,N) dificultam o movimento das deslocações e aumentam a tensão de cedência.

A própria partícula também é importante. A AZoM identifica precipitados estáveis de TiN como um meio de controlar o tamanho de grão durante o reaquecimento de aço HSLA. O TiN grosseiro formado durante a solidificação não é equivalente a um precipitado fino e bem disperso. O primeiro pode proporcionar um endurecimento limitado e atuar como local de iniciação de fissuras; o segundo pode fixar os limites de grão da austenite. A localização, o tamanho, a densidade numérica e a estabilidade devem ser considerados em conjunto.

A presença nos limites de grão introduz outro conjunto de possibilidades. O fósforo, o enxofre, o estanho e o antimónio podem segregar-se durante o arrefecimento ou o tratamento térmico. Essa segregação pode enfraquecer os limites, alterar a nucleação ou modificar o comportamento à fratura, mesmo quando a composição global parece moderada. Um elemento inofensivo numa matriz uniforme pode ser prejudicial quando se concentra numa interface.

O crómio ilustra a necessidade de identificar a fase ou película relevante. No aço inoxidável, uma quantidade suficiente de crómio na região superficial favorece a formação de uma fina película de óxido rica em crómio, que abranda a oxidação e a dissolução posteriores. O níquel, o molibdénio e o azoto podem alterar o equilíbrio de fases e endurecer ou estabilizar a austenite, enquanto o carbono e adições estabilizadoras, como o titânio ou o nióbio, afetam a formação de carbonetos e a sensibilização. O teor de crómio, por si só, não permite prever o desempenho à corrosão se a película superficial estiver danificada, se a liga estiver empobrecida junto dos limites de grão ou se uma fase secundária consumir crómio.

Identifique os mecanismos concorrentes

Depois de conhecer a localização do elemento, pergunte qual é o mecanismo que efetivamente controla a propriedade. Os principais candidatos são a distorção da rede, a precipitação, o refinamento do grão, o retardamento das transformações, a passivação e uma alteração da estabilidade da austenite. Pode ocorrer mais do que um mecanismo em simultâneo, e estes podem opor-se uns aos outros.

Um elemento substitucional dissolvido pode aumentar a resistência ao dificultar o movimento das deslocações. Essa mesma distorção pode reduzir a ductilidade, mas a alteração não é inevitável: uma pequena adição pode aumentar a resistência com uma perda reduzida de alongamento se o refinamento do grão ou um equilíbrio de fases favorável compensar o efeito desfavorável do soluto. O silício e o manganês, por exemplo, podem endurecer a ferrite, enquanto o manganês também altera a estabilidade da austenite e as temperaturas de transformação.

A precipitação produz uma resposta diferente. As partículas finas obstruem as deslocações e fixam os limites de grão em movimento. O nióbio suprime a recristalização da austenite durante a laminagem a quente do aço HSLA, permitindo a acumulação de deformação e contribuindo para a formação de uma estrutura de transformação refinada. O nitreto de titânio controla o tamanho de grão da austenite durante o reaquecimento. O vanádio forma precipitados finos de VC ou V(C,N), que aumentam a tensão de cedência. Estes mecanismos dependem da temperatura de precipitação, do tamanho das partículas, da dissolução durante o reaquecimento e da velocidade de arrefecimento. Uma adição nominal de vanádio não garante um endurecimento útil por precipitação se o equilíbrio entre carbono e azoto, o ciclo de laminagem ou o tratamento de revenido forem inadequados.

O retardamento das transformações pode melhorar a temperabilidade ao atrasar a formação de ferrite, perlite ou bainite até temperaturas mais baixas. O crómio e o molibdénio contribuem normalmente desta forma, mas o seu efeito depende da composição completa da liga e do tamanho de grão da austenite. Um aço que endurece profundamente numa determinada espessura de secção pode não o fazer noutra, porque a velocidade de arrefecimento controla quais as transformações que dispõem de tempo para ocorrer.

A estabilidade da austenite constitui outra via para alterar as propriedades. O níquel estabiliza a austenite e aumenta a resistência e a tenacidade do aço ferrítico, especialmente a temperaturas abaixo de zero, mas, nos aços inoxidáveis, o seu equilíbrio com o crómio, o carbono, o azoto e o manganês ajuda a determinar se a estrutura é totalmente austenítica, ferrítica ou duplex. Adições excessivas ou mal controladas podem promover fases secundárias indesejáveis. A passivação, por sua vez, é um processo superficial e não um endurecimento convencional do volume do material. Uma película de óxido rica em crómio pode melhorar a resistência à corrosão, tendo pouco efeito direto na resistência à tração.

Os mecanismos podem entrar em conflito. Um carboneto pode aumentar a dureza, mas remover crómio da matriz e prejudicar a resistência à corrosão localizada. O refinamento do grão pode melhorar a resistência e a tenacidade, enquanto os precipitados grosseiros podem produzir o efeito oposto. O enxofre pode melhorar a maquinabilidade através da formação de inclusões de sulfureto de manganês, mas essas inclusões podem reduzir a ductilidade transversal e a resistência à fadiga-corrosão.

Verifique a composição, o processamento e a temperatura de serviço

O passo seguinte é quantitativo. Não pergunte apenas se um elemento está presente; pergunte em que quantidade está presente, em que equilíbrio e em que fase. O relatório da Nippon Steel alerta para o facto de o comportamento das transformações de fase do aço poder variar substancialmente com uma diferença de apenas 1% na concentração de um elemento de liga. Essa diferença pode alterar as temperaturas críticas, as frações de fase, a segregação, a estabilidade dos precipitados ou o tempo disponível para a transformação.

O processamento pode predominar sobre a composição química nominal. A solidificação controla a segregação e a formação de inclusões. A laminagem a quente controla a recristalização e a textura. O reaquecimento pode dissolver TiN, NbC ou VC, ou deixá-los intactos. A velocidade de arrefecimento determina se a austenite se transforma em ferrite, perlite, bainite ou martensite. A têmpera e o revenido redistribuem o carbono e aliviam as tensões, enquanto a soldadura cria ciclos térmicos locais que podem produzir grãos grosseiros, zonas duras ou regiões sensibilizadas.

A temperatura de serviço deve ser verificada separadamente. Um precipitado estável durante o fabrico pode engrossar durante uma exposição prolongada a temperatura elevada. A austenite que é estável à temperatura ambiente pode transformar-se sob deformação ou durante um arrefecimento abaixo de zero. A contribuição do níquel para a tenacidade a baixa temperatura não pode ser inferida a partir da sua resistência à tração à temperatura ambiente. A resistência à corrosão também depende do ambiente: a exposição a cloretos, a acidez, o potencial, as frestas e a temperatura podem determinar se a passivação se mantém.

O quadro de diagnóstico final é, portanto, o seguinte: localizar o elemento em solução sólida, num carboneto ou carbonitreto, num limite de grão, numa película de óxido ou numa fase secundária; identificar se o mecanismo ativo é a distorção da rede, a precipitação, o refinamento do grão, o retardamento das transformações, a passivação ou uma alteração da estabilidade da austenite; e verificar depois a concentração, o processamento térmico, o processamento mecânico e a temperatura de serviço. Só depois dessas verificações deverá prever a resistência, a ductilidade, a tenacidade, a resistência à corrosão, a maquinabilidade, a temperabilidade ou a resposta ao tratamento térmico.