AÇOS AO CARBONO E BAIXA LIGA

Annelise ZeemannPaulo Roberto Emygdio

TECMETAL2010

ALUMÍNIO NÍQUELCOBRETITÂNIO

LIGAS NÃO FERROSAS

FERROS FUNDIDOS

AO CARBONOsem elementos de liga estruturais ou de construção mecânica

BAIXA LIGAsomatório dos elementos de liga < 5%

ALTA LIGAsomatório dos elementos de liga > 8%RESISTENTES• à corrosão (INOXIDÁVEIS)• ao calor • ao desgaste

AÇOS

• austeníticos • ferríticos• martensíticos• duplex

METAIS E LIGAS DE APLICAÇÃO COMERCIAL

LIGAS FERROSAS

NÃO METAIS

CERÂMICOSPOLÍMEROS

COMPÓSITOS

Diagrama Fe-C mostrando o campo dos aços até 2% C

exemplo de FABRICAÇÃO DE AÇO

com redução e refino

NOS PRODUTOS SIDERÚRGICOS NÃO É O FERRO PURO QUE SE OBTEM, E SIM O FERRO COM CARBONO (POIS A REDUÇÃO É FEITA COM COQUE), ALÉM DAS IMPUREZAS QUE FICAM APRISIONADAS E DE ALGUNS OUTROS ELEMENTOS ADICIONADOS PROPOSITADAMENTE.

PRODUTOS SIDERÚRGICOS PLANOS E NÃO PLANOS

PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO MECÂNICAA QUENTEApresentam estrutura uniforme e sem tensões internas devido aos processos de recristalização em alta temperatura.

A FRIOApresentam estrutura endurecida por encruamento .

temperatura de recristalização

SEM COSTURA

MANNESMANN

COM COSTURA

CONFAB

estrutura cristalina

inclusões

linhas de deformação

precipitados coerentes

vazios

discordâncias

em 1 mm 2 existem centenas de grãos

átomo substitucional

átomo intersticialprecipitados incoerentes

precipitados em contornos de grão

CARACTERÍSTICAS MICROESTRUTURAIS

OS FATORES QUE AFETAM A MICROESTRUTURADOS MATERIAIS METÁLICOS SÃO:

• COMPOSIÇÃO QUÍMICA

• PROCESSO DE FABRICAÇÃO

• PROCESSAMENTO MECÂNICO (CONFORMAÇÃO) E TEMPERATURAS DE PROCESSAMENTO

• A QUENTE

• A FRIO

• TRATAMENTOS TÉRMICOS

• CICLOS DE AQUECIMENTO E DE RESFRIAMENTO

PROPRIEDADES

FERRITA

estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC)a (0,286nm na temperatura ambiente)Número de átomos: 2

estrutura cristalina cúbica de face centrada (CFC)a (0,356nm, valor médio)Número de átomos: 4

AUSTENITA

FERRITA

LÍQUIDO

reduzindo a temperatura T

1538C

1394C

912C

EQUILÍBRIO

LÍQUIDO

FERRITA 1538C

1394C

AUSTENITA

912C

FERRITA

TEMPERATURA

FERRO PURO

PARA O FERRO PURO PODE-SE TER IDÉIA DAS TRASFORMAÇÕES DE FASE EM FUNÇÃO DAS TEMPERATURAS CONFORME APRESENTADO AO LADO. SERIA UMA FORMA DE MOSTRAR AS FASES PARA UM ÚNICO ELEMENTO, O FERRO

fusão solidificação

transformação alotrópicaCFC CCC

transformação alotrópicaCCC CFC

EQUILÍBRIO

estrutura cúbica de face centrada (CFC Fe)a (0,356nm, valor médio)74% empacotamento / Número de átomos: 4

estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC Fe)a (0,286nm na temperatura ambiente) 68% empacotamento / Número de átomos: 2

ESTRUTURA CRISTALINA

direção mais densa [111]plano mais denso {110}

direções mais densas [110] [011] e [101]plano mais denso {111}

y

y

x

x

z

z

família

diagonais da face [101] [011] [110] paa qualquer estrutura cúbica

AÇOS AO CARBONOsem elementos de liga

São utilizados os aços ao carbono comum quando não são exigidas propriedades específicas (alta resistência, alta tenacidade, resistência à corrosão), ou seja quando se deseja um material de baixo custo para uma aplicação que não tem requisitos.

Por exemplo uma chapa de aço de baixo carbono para aplicação em uma estrutura pintada (sem requisito de resistência à corrosão atmosférica), na temperatura ambiente (sem requisitos de tenacidade), submetida a um baixo carregamento (sem requisitos de resistência mecânica). Neste caso o único requisito é de ter boa soldabilidade (pois as estruturas precisam ser fabricadas por soldagem) e isto pode ser obtido apenas controlando o teor de carbono.

BAIXO CARBONO (até ~ 0,25%) - aço “doce” tipo SAE 1020MÉDIO CARBONO (0,30 a 0,50%) - tipo SAE 1045 por exemploALTO CARBONO (até o eutetóide, pois acima da composição eutetóide o aço sem elementos de liga fica frágil) – tipo SAE 1060

AÇO AO CARBONO

Fe + CImpurezas P, SElementos desoxidantes e dessulfurantes Mn (até 1%), Si, Al, que minimizam efeitos de impurezas

AÇO BAIXA LIGA

Adição de elementos de liga (somatório até 5%) que conferem propriedades de resistência mecânica, tenacidade, ou outra (resistência ao calor, resistência àcorrosão atmosférica).Mn – aumenta um pouco a temperabilidadeCr, Ni, Mo, V – aumenta muito a temperabilidadeCr, Mo – estabiliza a estrutura a quente V, Nb, Ti – auxilia o tratamento termo-mecânicoCr, Cu – resistência à corrosão atmosférica ...

SOLUÇÃO SÓLIDA INTERSTICIAL SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONAL

Em um aço os átomos de outros elementos que não o ferro (solvente) são chamados de soluto e podem entrar em solução sólida intersticial (C, N, B, H) ou substitucional (todos os outros elementos), ou podem não entrar em solução sólida caso haja uma saturação (dependendo de sua solubilidade).

COMPOSIÇÃO QUÍMICA x SOLUBILIDADE

CARBONOModifica as fases que se formam nos aços (é um elemento gamageno, que tende a estabilizar a fase gama) e influencia o equilíbrio entre as fases e suas temperaturas de formação.

Forma SOLUÇÃO SÓLIDA INTERSTICIAL na rede de ferro e tem solubilidade diferente na ferrita (máxima de 0,023%) e na austenita (máxima de 2,11%), sendo que a solubilidade varia com a temperatura.

Quando ultrapassa o limite de solubilidade PRECIPITA na forma de carboneto de ferro conhecido como cementita (Fe3C).

EQUILÍBRIO

LÍQUIDO

FERRITA 1538C

1394C

AUSTENITA

912C

FERRITA

TEMPERATURA

FERRO

O carbono reduz a temperatura de fusão e estabiliza a fase gama, o que significa que a medida que se aumenta o teor de carbono em uma liga ferro-carbono as temperaturas de transformação se alteram aumentando o campo da austenita.

fusão solidificação

transformação alotrópicaCFC CCC

transformação alotrópicaCCC CFC

% CEQUILÍBRIO

fusão solidificação

% CFERRO

transformação alotrópicaCFC CCC

transformação alotrópicaCCC CFC

como o carbono altera as temperaturas de transformação ...

EQUILÍBRIO

LIGA Fe-C

DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO

O simples aumento do teor de carbono (em aços normalizados, por exemplo) aumenta pouco a tensão limite de escoamento ...

EFEITO DO TEOR DE CARBONO NOS AÇOS AO CARBONO COMUM (RESFRIAMENTO “LENTO”)

... mas reduz muito a tenacidade (reduzindo a energia no patamar superior e aumentando a temperatura de transição), não sendo usual projetar estruturas e equipamentos de mais alta resistência em aços de alto teor de carbono, principalmente se for um componente a ser soldado .

clivagem

microcavidades

São utilizados os aços baixa liga quando se deseja alta resistência mecânica, alta tenacidade, resistência a temperaturas moderadas (alta ou baixas) ou resistência à corrosão atmosférica.

Por exemplo uma estrutura de uma plataforma que precisa ser mais leve ou que vai operar em temperatura mais baixa,

ARBL (alta resistência e baixa liga, tipo estrutural SAR 60)TRATAMENTO TERMOMECÂNICO (microligados, tipo X80)TRATADOS TERMICAMENTE temperados e revenidos(baixo C tipo HY 80 e médio C, tipo 4140) PARA TEMPERATURAS ALTAS (Cr-Mo)PARA BAIXAS TEMPERATURAS (A 333)

AÇOS BAIXA LIGAsomatório dos elementos de liga < 5%

RESISTÊNCIA MECÂNICA E TENACIDADEmicroestrutura: composição química e processamento

REFINO DE GRÃO

FERRÍTICO-PERLÍTICOnormalizado ou laminado

0,5% C - até 50 Ksi

MARTENSÍTICOtemperado e revenido

f (%C, %EL, T) 60Ksi a 140 Ksi

4130 - 75Ksi6150

FERRÍTICObaixo C (0,15%) - até 30Ksi

FERRÍTICO-PERLÍTICOnormalizado ou laminado

0,3% C - até 45 Ksi

FERRÍTICO-PERLÍTICOtratamento termo-mecânico

0,1% C - até 80 Ksi

X-80

aumento de resistência mecânica boa tenacidade

TÊMPERA E REVENIMENTO

MECANISMOS DE ENDURECIMENTO

ENCRUAMENTO

SOLUÇÃO SÓLIDA

FORMAÇÃO DE SEGUNDAS FASES

ENDURECIMENTO POR PRECIPITAÇÃO

FORMAÇÃO DE MARTENSITA

REFINO DE GRÃO

processamento mecânico - perfis, chapas finas

TRATAMENTOS TÉRMICOSem materiais que apresentem

elementos de liga que favoreçam a temperabilidade

e/ou o endurecimentotratamentos siderúrgicos, térmicos ou

termomecânicos em materiais que apresentem elementos de liga específicos

AUMENTO DA RESISTÊNCIA EM AÇOS

ASTM A 500

menos comuns

dual phaseASTM A 182

ASTM A 517

API 5L,5CT

RecristalizaçãoTr – temperatura de recristalizaçãoTemperatura de transformação alotrópica

Transformação alotrópica

deformação a quente

deformação a frio

REFINO DE GRÃO POR TRATAMENTO TERMOMECÂNICO

Estrutura formada fora do equilíbrio, que corresponde a uma solução sólida supersaturada de carbono em ferro alfa, ocorrida durante a transformação da austenita.Estrutura tetragonal de corpo centrado em ligas Fe-C.

MARTENSITA

FORA DO EQUILÍBRIO

1000x

ferrita-perlita (dureza 200 HB) esferoidita (dureza 160 HB)

martensita (dureza 500 HB)martensita revenida(dureza 200 HB)

TRATAMENTOS TÉRMICOS

UM AÇO COM 0,5% CARBONOAO SER RESFRIADO COM DIFERENTES TAXAS DE RESFRIAMENTO (E COM OU SEM REAQUECIMENTO), PODE APRESENTAR AS MORFOLOGIAS AO LADO, ONDE CADA UMA DAS MORFOLOGIAS ÉRESPONSÁVEL POR UMA PROPRIEDADE DIFERENTE

FORA DO EQUILÍBRIO

Os ELEMENTOS DE LIGA

modificam a temperabilidade,

que é a profundidade de endurecimento,

mas a dureza da martensita é dada

pelo teor de carbono.

O gráfico mostra a influência do

teor de carbono na dureza do aço,

dependendo da estrutura formada

CURVA DE RESFRIAMENTO, OU TTT, OU C, OU S

FORA DO EQUILÍBRIO

ENSAIO JOMINY

Nem todo TRATAMENTO TÉRMICO tem a finalidade de conferir propriedades especiais. A NORMALIZAÇÃO por exemplo, que é um tratamento onde o aço é levado a temperatura de austenitização e resfriado ao ar, tem como finalidade restaurar propriedades e pode ser utilizado para refinar a estrutura, caso ela seja grosseira (fundidos).

TRATAMENTO DE TÊMPERA E REVENIMENTO

A formação de martensita em uma profundidade abaixo da superfície depende, além da temperabilidade do material, da VELOCIDADE DE RESFRIAMENTO, que é função da troca de calor no meio de resfriamento, dependente da MASSA DA PEÇA e da SEVERIDADE DO MEIO.

MARTÊMPERA AUSTÊMPERA

Os tratamentos ISOTÉRMICOS buscam minimizar problemas de tensões que ocorrem devido às transformações muito rápidas. Em geral são realizados em fornos de banho de sal.

INFLUÊNCIA DO TEOR DE CARBONO E DA TEMPERATURA DE REAQUECIMENTO (REVENIMENTO) PARA AÇOS TEMPERADOS