LIGAS FERR0-CARBONO. Prof. Valtair Antonio Ferraresi Universidade Federal de Uberlândia INTRODUÇÃO

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1 LIGAS FERR0-CARBONO Prof. Valtair Antonio Ferraresi Universidade Federal de Uberlândia 1 INTRODUÇÃO Aços são definidos como ligas de ferro e carbono, contendo até 2,0% deste elemento. Existem diferentes tipos de aços que podem ser classificados de acordo com a sua composição química, microestrutura, propriedades mecânicas ou características de fabricação. Classificação com base em sua composição química: 1 - Aços carbono e aços carbono-manganês: Aço Carbono: Os aços carbono apresentam em sua composição, além do carbono, somente elementos resultantes de seu processo de fabricação. Seus teores de manganês e silício são, em geral, inferiores a 1,0 e 0,4%, respectivamente, elementos adicionados ao aço líquido, durante a fabricação, para a sua desoxidação. Estes aços são extremamente utilizados tanto na fabricação em geral como em estruturas soldadas. 2 1

2 INTRODUÇÃO Em geral os aços são utilizados com teor de carbono inferior a 0,35%. Quanto ao teor deste elemento, podem ser divididos em: - Aços baixo carbono (%C < 0,25%) - Aços médio carbono (0,25 < %C < 0,50) - Aços alto carbono (%C > 0,50) De uma maneira geral, a resistência mecânica dos aços carbono aumenta e as suas dutilidade e soldabilidade diminuem à medida que o teor de carbono aumenta. 3 INTRODUÇÃO 2 - Aço carbono-manganês: Os aços carbono-manganês são basicamente aços baixo carbono com um maior teor de manganês, que é adicionado para aumentar a resistência mecânica sem, contudo, prejudicar a sua tenacidade. O teor máximo deste elemento é cerca de 1,6%, pois, com maiores teores, ilhas de martensita podem ser formadas após a laminação a quente. Alumínio pode ser adicionado (0,01-0,02%) para obtenção de uma granulação mais fina e, portanto, uma melhor tenacidade. Quando temperados e revenidos, estes aços podem apresentar elevada resistência mecânica, de até 640MPa, quando comparados com os aços baixo carbono (até 400MPa). Em geral, tanto os aços carbono quanto os aços carbono-manganês são utilizados em estruturas soldadas no estado após laminação a quente. 4 2

3 INTRODUÇÃO 3 - Aços microligados: Estes aços, também conhecidos como aços de alta resistência e baixa liga (ARBL ou, do inglês,hsla), apresentam maior resistência mecânica, aliada com uma elevada tenacidade, quando comparados com os aços anteriores de composição similar. São basicamente aços baixo carbono ou aços carbono-manganês com pequenas adições (em geral inferiores a 0,1%) de alumínio, vanádio, titânio ou nióbio, podendo conter ainda adições de cobre, molibdênio, níquel ou cromo. Suas características mecânicas são devidas à sua granulação extremamente fina e a fenômenos de precipitação resultantes de sua composição química e de seu processo de fabricação. Este envolve, em geral, a laminação controlada (laminação com um controle estrito da temperatura e quantidade de deformação em seus passes) seguido por um resfriamento acelerado ao final da laminação ou por um tratamento térmico de normalização. 5 INTRODUÇÃO 4 - Aços liga: Estes aços apresentam adições intencionais de elementos de liga diferentes do carbono para a obtenção de certas características desejadas. De acordo com o teor total de elementos de liga presentes, podem-se distinguir três classes de aços liga: -Aços baixa liga: com adições de elementos de liga de até 5%; -Aços média liga: com adições entre 5 e 10%; -Aços alta liga: com adições superiores a 10%. 5 - Ferros fundidos: liga Fe-C (com %C > 2% e elevado silício) 6 3

4 Diagrama de equilíbrio Fe-C As fases representadas neste diagrama são: líquido, austenita (γ), ferrita (α e δ) e cementita Fe 3 C. A austenita é a solução sólida intersticial de carbono no ferro γ (CFC), a ferrita éa solução sólida do carbono no ferro α e δ (CCC) e a cementita é um carboneto de ferro de estrutura ortorrômbica. A solubilidade do carbono é maior na austenita do que na ferrita. Por exemplo, a 727ºC, a austenita pode dissolver 0,77%C e a ferrita somente 0,02%C (pontos indicados por S e P na figura, respectivamente). Esta diferença pode ser compreendida, comparando-se as dimensões dos interstícios do ferro γ (1,48Å) e do ferro α (0,38Å), que podem ser ocupados pelos átomos de carbono, com diâmetro de 1,54Å. 7 Diagrama de equilíbrio Fe-C O diagrama Fe-C apresenta três reações invariantes, caracterizadas pelos pontos: 1 - peritético, a 0,17%C e 1495ºC (H), 2 - eutético, a 4,30%C e 1147ºC (C) e 3 - eutetóide, a 0,77%C e 727ºC (S). 8 4

5 Formas Cristalinas do Ferro Ferro: elemento alotrópico existe em diferentes formas cristalinas Ferro alfa (α, ferrita cúbica de corpo centrado CCC): existe da temperatura ambiente até 912ºC Ferro gama (γ, austenita cúbica de face centrada CFC): existe entre 912ºC e 1394ºC Ferro delta (δ, ferrita cúbica de corpo centrado CCC): existe entre 1394ºC até a temperatura de fusão Cementita: Fe 3 C Composição química: 6,67%C Estrutura cristalina: ortorrômbica 9 Diagrama de equilíbrio Fe-C Estrutura dos aços resfriados lentamente De acordo com o seu teor de carbono, os aços podem ser divididos em três grupos: 1 - aços hipoeutetóides, com teor de carbono inferior a 0,77%; 2 - aços eutetóides, com teor de carbono em torno de 0,77% ; 3 - aços hipereutetóides, com teor de carbono superior a 0,77%. Um aço com 0,45%C, aquecido a 900ºC, apresenta uma estrutura austenítica, que é a fase estável a esta temperatura, segundo o diagrama Fe-Fe 3 C Se este aço for resfriado lentamente a partir desta temperatura, ao alcançar a linha GS (775ºC), os primeiros cristais da fase α começarão a ser formados. A medida que o aço se resfria, mais ferrita se forma e a quantidade de austenita diminui. Quando a temperatura de 727ºC é alcançada, a austenita remanescente se transforma em ferrita e cementita, de acordo com a reação eutetóide, dando origem à perlita. Após esta reação, o material não sofre mais nenhuma alteração significativa em seu resfriamento até a temperatura ambiente. Assim, a sua microestrutura final será constituída de ferrita pró-eutetóide (formada antes da reação eutetóide) e perlita. 10 5

6 Diagrama de equilíbrio Fe-C 11 Diagrama de equilíbrio Fe-C Um aço com cerca de 0,8%C, resfriado lentamente a partir da austenita, apresentará, na temperatura ambiente, uma microestrutura constituída essencialmente por perlita 12 6

7 Diagrama de equilíbrio Fe-C Um aço com 0,95%C, resfriado lentamente a partir da região austenítica, terá a cementita como constituinte pró-eutetóide. A cementita começa a se formar quando, no resfriamento, a linha SE é alcançada (800ºC). Na seqüência do resfriamento, mais cementita se forma enquanto a quantidade de austenita diminui. Na temperatura de 727ºC, a austenita se transforma em perlita. À temperatura ambiente, o aço será constituído de cementita próeutetóide, localizada geralmente nos antigos contornos de grão da austenita, e por perlita. 13 Diagrama de equilíbrio Fe-C Perlita. 14 7

8 Perlita: A perlita não é uma fase, e sim uma mistura de duas fases, ferrita e cementita (Fe 3 C), que ocorrem sob a forma de lamelas paralelas. A ferrita tem estrutura CCC tem menor capacidade de dissolver o carbono. O carbono, rejeitado pela ferrita, dá origem a cementita. Isto ocorre principalmente em aços eutetóide (Fe-0,77C) em resfriamento lento. Mehl (1941) propôs um mecanismo para explicar o crescimento da perlita, baseado na nucleação de cementita a partir do contorno de grão austenítico. À medida que essa partícula de cementita crescesse, ela diminuiria o teor de carbono das regiões vizinhas até ocorrer a formação de ferrita. Com o crescimento da ferrita haveria segregação de carbono para a austenita, até ser atingido o nível de carbono na cementita, quando esta então nuclearia. 15 ASPECTO CINÉTICO Aço resfriado lentamente - ferrita, perlita e cementita. Estes constituintes torna o aço macio e pouco resistente. Aço resfriado rapidamente - aparecerão outros constituinte metaestáveis, como a bainita e martensita, que não são previstos no diagrama de fase ferro-cementita. A microestrutura torna-se mais fina, aumentando o limite de escoamento do aço. 16 8

9 Decomposição da austenita ASPECTO CINÉTICO FERRITA forma-se por difusão e sua morfologia é bastante variável com a taxa de resfriamento, passando de forma equiaxial em resfriamento lento para a forma de agulhas em resfriamento mais severo, conhecida com o nome de Ferrita Acicular. 17 ASPECTO CINÉTICO Com o resfriamento lento, os grãos ferríticos são equiaxiais, nucleados preferencialmente no contorno de grãos austeníticos, embora exista também nucleação no interior do grão, notadamente sobre inclusões. O aumento da taxa de resfriamento produz também ferrita em forma de ripa ou de placa alongada nucleada no contorno e no interior do grão austenítico, a qual é denominada genericamente ferrtita de Widmanstatten. 18 9

10 ASPECTO CINÉTICO 19 ASPECTO CINÉTICO BAINITA Quando um aço carbono é resfriado rapidamente, ocorre a formação de uma estrutura denominada bainita (superior e inferior). É um processo misto que envolve difusão e forças de cisalhamento

11 ASPECTO CINÉTICO A ferrita acicular e a bainita apresentam essencialmente os mesmos mecanismos de formação. A diferença é que a bainita nucleia no contorno de grão austenítico e cresce de forma de um feixe de agulhas paralelas e a ferrita acicular nucleia em inclusões não metálicas e cresce radialmente em forma de agulhas. A analogia entre a bainita e a ferrita acicular é acentuada: a remoção de inclusões por refusão a vácuo de um aço com ferrita acicular causa a mudança de estrutura para a bainita. O fenômeno oposto também ocorre. 21 ASPECTO CINÉTICO A martensita é uma fase metaestável, não prevista pelo diagrama de equilíbrio Fe-C e se forma por um curto movimento simultâneo de grupos de átomos (isto é, por deformação localizada), devido a enorme instabilidade da austenita. Esta fase tem uma estrutura cristalina Tetragonal de Corpo Centrado (semelhante à estrutura CCC, mas com uma de suas arestas maior que as outras duas), uma morfologia de lâminas ou agulhas, quando observada ao microscópio. É um constituinte de maior dureza dos aços comuns

12 ASPECTO CINÉTICO A quantidade de martensita formada a uma dada temperatura é fixa para um dado aço e, quanto mais baixa, maior é a quantidade de martensita formada. Pode-se definir assim, para um aço de uma certa composição, uma temperatura em que a estrutura, após um resfriamento suficientemente rápido, é completamente martensítica (temperatura Mf). Esta temperatura também pode ser estimada por fórmulas empíricas, por exemplo: Mf ( o C) = %C - 33%Mn - 17%Ni - 21%Mo A figura abaixo esquematicamente a variação da microestrutura em função da velocidade de resfriamento, para um aço hipoeutetóide. 23 ASPECTO CINÉTICO Com o aumento do teor de carbono, diminuem as temperaturas de início (Mi) e fim (Mf) de formação. Assim, um aço com 0,8%C resfriado bruscamente até a temperatura ambiente apresentará aproximadamente 80% de martensita e 20% de austenita não transformada (austenita retida). Para que essa austenita se transforme em martensita é necessário abaixar a temperatura da amostra, muitas vezes para temperatura abaixo de 0ºC

13 Diagramas TTT Os diagramas TTT (ITT ou TRC) fornecem as fases e constituintes formados em um aço, em função de suas condições de resfriamento a partir do campo austenítico. Estes diagramas podem ser baseados em transformações a temperatura constante (após o material ser resfriado rapidamente a partir do campo austenítico até a temperatura de interesse), conhecido como diagramas ITT (Isothermal Time Transformation) ou em transformações desenvolvidas durante um resfriamento contínuo, diagrama TRC (Transformação em Resfriamento Contínuo). Para se obter as curvas utiliza-se, normalmente, o dilatômetro equipamento que mede a variação do comprimento da amostra provocada por mudanças de temperatura ou por transformação de fase contração ou expansão da amostra por diferenças estruturais 25 Diagrama ITT Levantamento da curva de transformação isotérmica (ITT) para um aço eutetóide 26 13

14 Diagrama ITT 27 Diagrama ITT 28 14

15 Diagrama ITT 29 Diagramas TRC As transformações dos aços nos processos industriais ocorrem majoritariamente por resfriamento contínuo e não isotermicamente. Em vista disso, foram desenvolvidas as curvas CCT (Continuous Cooling Transformation) ou TRC (Transformação por Resfriamento Contínuo). A construção das curvas TRC é feita no dilatômetro de maneira análoga às das curvas ITT. Austenitiza-se o aço e faz o resfriamento com uma taxa de resfriamento constante, observando-se as inclinações na curva do comprimento da amostra ( L). Para um aço eutetóide, quando a inclinação da curva muda começa a ter uma transformação. Quando a inclinação volta a mudar, existe a indicação de que a transformação terminou

16 Diagramas TRC 31 Diagramas TRC 32 16

17 Diagramas TRC 33 Fatores que influenciam as curva TTT A forma e a posição das curvas é influenciada essencialmente por três fatores: 1 Composição química; 2 Condições de autenitização; 3 Tamanho de grão da austenita. i) Composição química: De uma forma geral a adição de elementos de liga desloca estas curvas para a direita e para baixo, podendo ou não alterar a sua forma. - Elementos com forte afinidade com o carbono, como o Cr, Mo, Nb, Ti V e etc., retardam a transformação ferrítico-perlítico e fazem aparecer o domínio bainítico a temperaturas mais baixas. - A presença de inclusões e ou segregações, enquanto heterogeneidades químicas, tem um efeito semelhante. ii) Condições de autenitização: - Um aumento da temperatura de austenitização ou do tempo de manutenção a essa temperatura desloca igualmente as curvas para a direita e para baixo. O aumento da temperatura de austenitização conduz a um enriquecimento da autenita em elementos de liga devido a fenômenos de dissolução (carbonetos). Por outro lado, conduz também a um aumento do tamanho de grão, diminuindo a taxa de nucleação da transformação

18 Fatores que influenciam as curva TTT 35 Fatores que influenciam as curva TTT iii) Tamanho de grão da austenita Maior tamanho de grão mais para a direta são deslocadas as curvas de início e de fim da transformação. Assim, aços com tamanho de grãos austenítico grande tendem a apresentar, no resfriamento, uma estrutura martensítica

19 Curvas TTT em Soldagem Ciclo térmico na Soldagem 37 Curvas TTT em Soldagem Se a temperatura máxima da região a ser analisada da ZAC de um material e o tempo de manutenção grande, pode ocorrer um crescimento de grão, modificando as condições de transformação microestrutural no resfriamento. Numerosos diagramas TRC aplicados em soldagem foram determinados por análise térmica de soldagem reais ou por simulação (corpo de prova). O objetivo é prever a microestrutura da ZAC é necessário conhecer a energia de soldagem, velocidade de resfriamento, espessura da chapa e temperatura inicial. Os diagramas são obtidos a partir de ensaios de simulação térmica com austenitização em maior temperatura (geralmente entre 1350 e 1400 o C), que reproduz a zona de grãos grosseiros da ZAC. A elaboração desses diagramas exige considerável tempo e recursos e, dado que são específicos para uma determinada composição do aço, o seu uso é restrito. Simulador térmico 38 19

20 Outros diagramas relacionado a ZAC 39 Esquema de um diagrama da ZF de solda 40 20

21 ELEMENTOS DE LIGA NOS AÇOS A introdução de elementos de liga nos aços é feita quando se almeja um ou mais dos seguintes efeitos: - aumento da resistência mecânica; - aumento da dureza; - diminuição do peso; -aumento da resistência à corrosão; - aumento da resistência ao calor; - aumento da resistência ao desgaste; - melhoria da usinabilidade; - melhoria das propriedades elétricas; - melhoria das propriedades magnéticas. 41 DISTRIBUIÇÃO DOS ELEMENTOS DE LIGA NOS AÇOS A distribuição dos elementos nos aços dependerá de sua tendência de participar de uma solução sólida, ou de formar composto intermediário, uma fase intermediária ou mesmo uma inclusão não metálica. Para que um elemento se distribua em uma ou mais fases é necessário que haja tempo suficiente para a sua movimentação dentro do aço, seja na fase líquida ou sólida. Depende também da concentração de outros elementos

22 ELEMENTOS DE LIGA NOS AÇOS Os átomos de C, N, O, H e B possuem raios atômicos pequenos em relação ao ferro e formam com estas soluções do tipo intersticial. A solubilidade destes elementos é limitada pela grande distorção que eles provocam na rede cristalina e, em alguns casos, pela sua afinidade química com o ferro ou outro elemento de liga 43 ELEMENTOS DE LIGA NOS AÇOS Carbono e nitrogênio são os elementos que apresentam as maiores solubilidades. O oxigênio tem baixa solubilidade devido à tendência de formar óxidos mais estáveis do que a solução sólida. O hidrogênio tem a forte tendência a permanecer na forma molecular (H 2 ), representando solubilidade muito baixa. Os elementos metálicos Cr, Ni, Mn e outros possuem raios atômicos próximo ao do ferro, podendo substituir átomos destes na sua rede cristalina, formando soluções substitucionais. A solubilidade depende da temperatura e estrutura cristalina. A presença de elementos em solução sólida tende a aumentar a dureza e resistência mecânica de uma fase (endurecimento por solução sólida). Nos aços estruturais, o aumento da resistência mecânico por solução sólida é pequeno frente a outros mecanismos como o refino da estrutura ou a formação de fases mais duras. Níquel, silício e alumínio têm menor afinidade pelo carbono que o ferro. Por outro lado manganês, cromo, molibdênio, tungstênio, tântalo, vanádio, titânio e nióbio possuem maior afinidade, aumentando do manganês para o nióbio. Com exceção do manganês, que é capaz de se combinar na cementita, os demais elementos formadores de carboneto se dissolvem somente em pequena quantidade nesta e tendem a formar outros tipos de carbonetos

23 ELEMENTOS DE LIGA NOS AÇOS Quando a afinidade do elemento de liga pelo carbono for superior à do ferro, carbonetos diferentes da cementita podem ser formados, podendo influenciar no comportamento do aço (resistência mecânica). 45 INFLUÊNCIA DOS ELEMENTOS DE LIGAM SOBRE OS CAMPOS α E γ DO DIAGRAMA Fe-C. Os elementos de liga podem alterar o diagrama Fe-C de duas formas: A expandindo o campo γ (gama) e favorecendo a presença da austenita num intervalo maior de temperatura e numa faixa ampla de composição. São elementos estabilizadores da austenita, ou gamagêneos. B contraindo o campo γ e favorecendo a formação da ferrita em uma ampla faixa de composição e em um maior intervalo de temperatura. São elementos estabilizadores da ferrita, ou alfagêneos

24 INFLUÊNCIA DOS ELEMENTOS DE LIGAM SOBRE OS CAMPOS α E γ DO DIAGRAMA Fe-C. Os diagramas podem ser divididos em 4 classes: 1 Campo γ aberto Ni, Mn, etc. Quando em altas concentrações, estes elementos tendem a estabilizar a austenita mesmo à temperatura ambiente, provocando um abaixamento das temperaturas de transformação A3 e A1. 2 Campo γ expandido elementos principais C e N. O campo austenítico é expandido, mas sua faixa de existência é interrompida pela formação de compostos. 3 Campo γ fechado Si, Al, P, Ti, V, Mo, Cr, etc. Estes elementos aumenta a estabilidade da ferrita (CCC), tendendo a tornar os campos α e δ contínuos. 4 Campo γ contraído B, Nb, etc. A contração do campo austenítico é acompanhada pela formaçõa de compostos. 47 INFLUÊNCIA DOS ELEMENTOS DE LIGAM SOBRE OS CAMPOS α E γ DO DIAGRAMA Fe-C. De acordo com a figura abaixo, 1%Ti é suficiente para eliminar o campo autenítico, enquanto o teor necessário de Cr é de 20%

25 Temperabilidade nos aços Temperabilidade é associado à capacidade de endurecimento do aço durante o resfriamento rápido (têmpera), ou seja, sua capacidade de formar martensita a uma determinada profundidade em uma peça. Métodos utilizados para avaliar a temperabilidade dos Ensaios: Taxa de resfriamento crítico, Grossmann e o Jominy. Taxa de Resfriamento Crítico: Utiliza a curva TRC Diagrama de resfriamento contínuo do aço A taxa de resfriamento crítico para esse aço seria de 7000oC/s. 49 Temperabilidade nos aços Ensaio Grossmann: Consiste em resfriar, a partir do estado austenítico, uma série de barras cilíndricas, de diâmetros crescentes, em condições controladas de resfriamento. As barras são cortadas e mede a dureza no centro delas

26 Temperabilidade nos aços Ensaio Jominy: A barra é austenitizada e, em seguida, resfriada com um jato de água em condições padronizadas. 51 Temperabilidade nos aços O conhecimento da profundidade de endurecimento nos aços, sobretudo naqueles que apresentam elementos de liga, é de importância fundamental para a sua aplicação Faixa de temperabilidade (faixa de dureza) Dispersão dos resultados. Por exemplo, um aço 1040 poderá ter, por norma, seu teor de carbono variando de 0,37 a 0,44%, assim como apresentar variações nos outros elementos de liga (Mn, Si, etc.) 52 26

27 Temperabilidade nos aços Fatores que afetam a temperabilidade: Para se aumentar a temperabilidade do aço, deve-se retardar a formação da ferrita, cementita, perlita e bainita, ou seja, deve-se deslocar a curva ITT para tempos mais longos. Obtém-se isso com: - Elementos de liga dissolvidos na austenita; - Granulação grosseira da austenita. Para diminuir áreas de nucleação heterogênea dos compostos difusionais (ferrita, perlita, cementita e bainita), visto que os contornos de grãos funcionam como locais preferenciais para a nucleação destes compostos; - Homogeneidade da austenita, com ausência de inclusões ou precipitados, para dificultar a nucleação dos compostos difusionais. Obviamente que, para se diminuir a temperabilidade, as providências são opostas à citadas. 53 Efeitos dos elementos de liga e tamanho de grão Crescimento do grão austenítico Depende: tempo, temperatura e partículas finas dispersas (ALN, por exemplo) Em geral, para uma certa temperatura o crescimento de grão é bastante rápido no início de aquecimento Figura abaixo 54 27

28 Crescimento de grãos austeníticos O aumento do grão austenítico para melhoria da temperabilidade não é um processo indicado, pois acarreta na deterioração das propriedades mecânicas, principalmente na ductilidade dos aços de alto carbono. Assim, para aumentar a temperabilidade de um aço, são empregados os elementos de liga, e não o crescimento dos grãos austenítico. Efeito do C na temperabilidade de um aço 0,5Cr 0,5Ni 0,25Mo Efeito do boro sobre a temperabilidade de um aço 0,63%C

29 Referências Costa e Silva, Andre Luiz & Mei, Paulo Roberto, Aços e ligas especiais, Editora Edgard Blucher, São Paulo, Linert, George E., Welding Metallurgy - American Welding Society - vol 1/2. Chiaverini, Vicente, Aços e Ferros Fundidos - ABM, Van Vlack, Lawrence H., Princípio da Ciência dos Materiais - Editora Edgard Blucher