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Problemas nos materiais em relação às suas características em serviço

Atualmente os cursos de engenharia oferecem aos seus participantes conhecimentos a respeito dos diferentes grupos de materiais e suas propriedades. As duas figuras a seguir  irão aprofundar tais conhecimentos e, mostrar onde os chamados aços de alta liga se encontram.

Na prática, a melhor maneira de se escolher determinado material é pela análise de como ele será solicitado em serviço e, para tanto, deve-se utilizar três critérios de avaliação:

– temperatura em que será exposto,

– tensões a ser submetido,

– corrosão do meio.

O objetivo de tal análise é determinar a exigência predominante ao qual o material estará exposto e os problemas que poderão surgir, assim como avaliar qual o melhor material a ser empregado e estimar sua vida útil.

Se quisermos, por exemplo, construir um vaso de pressão contendo nitrogênio liquido, a necessidade do material em uso será predominantemente a sua resistência às temperaturas criogênicas (- 196° C). Em tal uso, o stress mecânico e resistência a corrosão superficial serão praticamente desprezíveis. Um problema esperado em tal aplicação será a fratura dúctil. Portanto, a escolha do material levará em consideração seu comportamento às baixas temperaturas.

Por outro lado, no caso da construção de ponte férrea as características do material que deverão ser analisadas serão: o stress mecânico decorrente do peso da ponte e o stress dinâmico do trem ao passar sobre ela. O perigo da fratura frágil, durante o inverno, embora não seja um característica predominante na análise efetuada na escolha do material, ela deve ser avaliada.

Na construção de um tanque para armazenamento de ácido nítrico, obviamente, nem a temperatura de trabalho ou o stress ao qual será submetido terão tanta importância na escolha dos materiais a serem utilizados quanto a sua resistência ao ataque químico do ácido.

Não é possível tirar o melhor de todas as propriedades dos aços ao mesmo tempo. Portanto é necessário criar-se grupos de aços, nos quais são avaliadas e otimizadas uma ou duas características principais. A figura abaixo mostra a correlação dos principais grupos de aços e o seu melhor comportamento em serviço. Em muitas aplicações, na prática, irá se perceber que a avaliação de apenas uma característica é decisiva para a escolha do material a ser empregado; embora haja situações em que mais de uma propriedade deverá ser analisada.

Um caso em que mais de uma característica de uso será analisada é a construção de tubos de alta pressão submetidos a temperaturas elevadas, tais como, máquinas à vapor, processadores químicos, etc. Nesses casos,  as temperaturas de trabalho, geralmente, são menores do que aquelas que seriam exigidas dos aços resistentes ao calor. No entanto, tensões mecânicas resultantes das pressões internas poderiam levar ao escoamento do material. Existem aços especialmente desenvolvidos para tais usos, são os aços resistentes ao escoamento. (Aços de baixa ou alta liga).

Trabalhos em que o material será submetido à tensões dinâmicas devem ser melhor estudados; pois não existem grupos de aços especialmente desenvolvidos para tal uso. Não se conhece, ainda, todos os mecanismos metalúrgicos envolvidos em sua ocorrência.

Antes era comum a construção de equipamentos com aços temperados e revenidos de altos teores de carbono; que possuíam, entretanto, baixa ductibilidade. Hoje, recomenda-se a utilização de aços estruturais que apresentam granulação fina. Sabe-se, atualmente, que o aumento da resistência dinâmica nos aços não aumenta, na mesma proporção, sua resistência à ruptura estática ou seu limite de elasticidade.

A utilização de aços de alta resistência, nos projetos, é importante para evitar concentração de tensões.

Aços ligados que possuam grande resistência química, foram criados para resistirem a ataques superficiais de líquidos.

Aços ferríticos devem ser utilizados em situações em que a fratura frágil não representa  um problema, pois, apresentam baixa ductibilidade. Novas descobertas relatam que a redução drástica dos teores de carbono e nitrogênio aumentam a resistência e a ductibilidade.

 Muitos dos efeitos dos elementos de liga nas propriedades dos aço só podem ser descritos por um estudo separado  dos elementos que as produzem. Em relação aos aços inoxidáveis de alta liga, um dos efeitos mais importantes é a mudança da estabilidade da austenita, ou intervalo de temperatura na qual a austenita é estável. Se o aço é aquecido muda sua estrutura de austenita e transforma-se  ao ser resfriado lentamente para estrutura ferrítica, apenas, então, é possível a normalização  do aço em questão. (estrutura ferrita – perlita) ou, o seu endurecimento (estrutura martensítica).

Nos aços puros, não ligados, a fase austenita existe entre 911° C e 1393° C. A adição de carbono acima de 0,8 % eleva este intervalo. Na curva AC3 a temperatura cai de 911° C para 723° C. A curva AC3 é utilizada nos tratamentos térmicos de normalização e temperados dos aços de baixa liga.

A adição de manganês ao ferro produz um intervalo de austenização maior do que o intervalo produzido pela adição de carbono.

Aços com teores de manganês superiores a 35% tornam-se austeníticos à temperatura ambiente.

Estes aços não possuem qualquer aplicação especial, pois não apresentam resistência a corrosão. Um tipo de aço especial conhecido como Aços-Manganês com teores de aproximadamente 12% Mn e 1,2 % C são usualmente aquecidos entre 950° C – l000° C e, então temperados em água. Com tal tratamento o aço torna-se austenítico e apresenta alta tenacidade. O trabalho a frio posterior torna a austenita não estável em martensita, fazendo com que o aço possa ser utilizado em condições onde a resistência a abrasão é solicitada.

Caso o ferro seja ligado, ao mesmo tempo, com manganês e carbono haveria uma diminuição da temperatura da curva AC3 ? Não !!! Isto é decorrente dos efeitos da adição dos elementos de liga não serem lineares e interagirem entre si, embora produzam efeitos  parecidos.

A adição de silício no ferro puro faz com que o intervalo da fase austenita diminua continuamente, sendo que, em teores acima de 3% não há formação de austenita, quando a aliga é aquecida. Pela adição de silício a temperatura AC3 aumenta e a AC4 diminue até combinar-se. Por esta razão, os aços com teores acima de 3% de silício não podem mais ser transformados pelo tratamento de tempera ou revenimento. Permanecem ferríticos em qualquer temperatura.

Aços de baixa liga com teor de silício acima de 3%, não podem ser utilizados como aços estruturais. Não podem ser modificados pelos tratamentos térmicos usuais: tempera, revenimento e normalização. São utilizados, entretanto, devido as suas propriedades magnéticas especiais, na produção de transformadores, reles elétricos, comutadores, etc..

O silício e o carbono agem de maneira contraria na austenita se adicionados em conjunto ao aço. O carbono aumenta enquanto o silício diminuía o intervalo de austenização.

Por esta razão, o silício é utilizado em aços de baixa liga em concentrações de aproximadamente 0,3% – 1,0%, apenas para efeito de desoxidação.

O cromo é o principal elemento nos aços de alta liga, sendo o maior responsável pela resistência a corrosão destes materiais. O cromo diminui o intervalo de austenização, como pode ser verificado no diagrama  Fe-Cr abaixo.

A adição de cromo no aço, primeiramente, provocará uma diminuição na temperatura da curva AC3 e, então, um novo aumento quando ocorre a união com a AC4.  Com teores de aproximadamente 12% de cromo, muitos desses aços tornam-se ferrríticos em qualquer temperatura. São conhecidos como aços cromo-ferríticos e, não podem mais ser normalizados. Apresentam transformação no estado sólido.

No sistema Fe-Cr existe também um intermetálico de composição semelhante ao FeCr conhecido como fase sigma, o qual deve ser evitado, pois, sua resistência ao escoamento é reduzida.

Com relação ao intervalo de austenização, o carbono e o cromo agem em direções contrárias. As ligas do sistema Fe-Cr-C que, ainda, podem ser normalizadas são mostradas no diagrama abaixo.

Em aços resistentes ao calor, por exemplo, X20CrMoV 12 1, a estrutura devera ser definida  afim de permitir a tempera e o revenimento; portanto, não pode conter muito cromo e pouco carbono e ser totalmente transformada em austenita quando aquecida.

Alguns elementos de liga apresentam grande afinidade com o carbono, formando carbetos abaixo da temperatura de equilíbrio – (solubilização). A estrutura cristalográfica dos carbetos, mostrada no gráfico abaixo, possue mais interesse acadêmico que prático.

A formação desses carbetos no aço dependem da concentração dos elementos envolvidos e das temperaturas utilizadas nos tratamentos.  Alguns desses carbetos como, por exemplo, Cr23C6, TiC e NbC  são de grande importância nas propriedades dos aços de alta liga.

No sistema Ferro-Cromo-Carbono existem 03 carbetos. Desses o Cr23C6 é importante nos aços de alta liga. Estes carbetos podem conter 60% – 94% de cromo e 5,5% de carbono. Eles também podem dissolver pequenas quantidades de ferro e manganês. São conhecidos como M23C6. Como pode ser visto no diagrama a cementita pode dissolver até 18% de cromo.

Um vasto estudo realizado por Woodhead e Quarrel a respeito dos efeitos dos carbetos na resistência ao escoamento nos aços, submetidos a uma temperatura de até 700° C, teve como resultado o gráfico abaixo; de onde se permite tirar as seguintes conclusões:

1.  Em aços com aproximadamente 0,10% C, dependendo dos teores de cromo, pode haver a ocorrência da formação dos carbetos M3C3  (cementita), M7C3 ou M23C6.

Se o aço tem, ainda, a adição de molibdênio irá se formar em seguida carbetos semelhantes ao Mo2C, ou M6C.

2. Aços com 18% de cromo forma-se carbetos M23C6, que sob certas circunstâncias, podem levar à corrosão intercristalina do material.          

3. Teores de cromo acima de 30% no aço levará a formação da fase sigma. Isso resultará na  diminuição da tenacidade do aço. A fase sigma deve ser evitada.

O níquel é um importante elemento nos aços de alta liga por promover um aumento do intervalo de temperatura da austenização. No sistema binário ferro-níquel, entretanto, é necessário um teor de 100% de níquel para ter-se uma estrutura austenita estável à temperatura ambiente.

Essas são algumas considerações técnicas importantes a respeito das ligas ferro-niquel:

1. Nas ligas com aproximadamente 36% de níquel, conhecidas como INVAR, é possível pela variação do teor de níquel, controlar o coeficiente de expansão térmica, o que torna viável a produção de ligas que possuem a dilatação semelhante ao vidro. Tais produtos são utilizados na confecção de aparatos elétricos (lâmpadas, reles, …).

2. A transformação alfa-gama em teores de 10 a 70% de níquel é muito lenta, de modo que, após um resfriamento suave irá permanecer austenita. Devido a austenita não ser estável ela irá retransformar-se em martensita, caso  a liga venha a ser deformada. Trabalhada a frio.

Em aço de baixa liga utiliza-se a adição de níquel para aumentar sua tenacidade.

Niquel muda a curva av-T  para uma temperatura menor. Aços com 3,5%, 5% e 9% de níquel também são conhecidos por possuírem uma boa tenacidade a baixas temperaturas.

Em temperaturas de -196° C e menores, somente aços auteníticos ou ligas de alumínio possuem aplicações técnicas.

No sistema ternário ferro-cromo-níquel existe uma linha eutética a qual separa a fase liquida do sistema em duas áreas. Ligas que são ricas em cromo e pobres em níquel (esquerda da linha eutética), são chamadas cúbico de corpo centrado. Ligas ricas em níquel e pobres em cromo (direita da linha eutética), são chamadas cúbica de face centrada.

Os efeitos da solificação austenita ou ferrita nos aços de alta liga podem ser demonstrados por meio de um corte transversal no sistema ferro-cromo-níquel, mantendo-se o ferro com um teor constante de 72%. Diagrama abaixo. A linha eutética do sistema é cortada no ponto E. Aços cromo ferrítico iguais ao X 8 Cr 17 (comparados no lado esquerdo do diagrama)  e mostra que não ocorre a transformação quando resfria-se a temperatura ambiente. Aços austeníticos resistentes ao escoamento, tais como X 8 CrNiNb 16 13 (comparados no lado direito do diagrama), também não ocorre a transformação quando resfriados a temperatura ambiente. Em aços resistentes quimicamente, X 5 CrNi 18 10, entretanto a ferrita solidifica-se primeiramente e transforma-se durante o resfriamento em mais ou menos austenita. O restante da ferrita que existia em altas temperaturas que não foi transformada no resfriamento a temperatura ambiente é chamada ferrita gama.

Para poder-se avaliar todos os efeitos dos elementos de liga nos aços,necessitaríamos de um sistema de vários componentes, o qual não poderia ser mostrado graficamente. Uma maneira simples e pratica de avaliação é o diagrama desenhado por Anton L.Schaeffler publicado em l949  no periódico especializado Metal Progress.

Para todos os teores dos elementos do aço, ao quais aumenta no intervalo de temperatura, a austenita será chamada de cromo-equivalente e será calculada.

Para os teores de elementos que diminuem com a temperatura a austenita será chamada níquel-equivalente e será calculada. Uma análise de ambas corresponderá a um ponto no diagrama.

O calculo do percentual em peso e uso de fatores fixos não possuem aceitação científica, se for comparado com sistemas binários diferentes. Para aplicações práticas, entretanto, o diagrama é correto e fornecerá uma boa fonte para análise dos elementos de liga e a microestrutura dos metais de solda e aços.

O engenheiro de soldagem deve estar apto a desenhar o diagrama e possuir conhecimentos para a sua análise.

Esse texto foi traduzido por alunos da fatec-sp
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