Aços & Ligas | Aços e Ferros Fundidos | Aços-carbono e Aços-liga

Recapitulando, os principais efeitos dos elementos de liga sobre as propriedades mecânicas, microestrutura, tratamentos térmicos e outros característicos do aço são:

- aumentar a temperabilidade, pelo deslocamento para a direita das curvas de início e fim de transformação da austenita, no diagrama TTT;

- esse efeito, como se viu, torna possível a têmpera de secções mais grossas e a utilização de meios de têmpera mais brandos, por exemplo, óleo ou mesmo ar, em vez de água, garantindo uma estrutura temperada com maior quantidade de martensita;

- ao mesmo tempo, diminuem-se os riscos de empenamento ou fissuração;

- outro efeito do aumento da temperabilidade relaciona-se com a temperatura de revenido, a qual, nos aços ligados, é mais elevada que nos aços-carbono comuns, para os mesmos níveis de dureza; essa maior temperatura de revenido facilita a remoção de tensões internas. Do mesmo modo, para o mesmo nível de dureza ou de endurecibilidade, os aços-liga apresentam maior tenacidade;

- aumentar a dureza e a resistência mecânica da ferrita, quando se dissolvem nesse constituinte, com conseqüente aumento de dureza e resistência mecânica do aço, mesmo antes de qualquer tratamento térmico;

- esse característico é mais saliente em relação aos aços com elementos de liga que têm a tendência de formar carbonetos, como o cromo, o molibdênio, o vanádio e outros, os quais não só elevam a temperatura de revenido como também provocam um retardamento no amolecimento do aço pelo revenido, podendo-se verificar até mesmo o fenômeno de “endurecimento secundário” ou “dureza secundária”;

- aumentar a resistência à corrosão; os elementos mais atuantes nesse sentido são, como se verá, o cromo, o níquel, o cobre e o fósforo, os quais, mesmo em teores relativamente baixos, melhoram muito a resistência à corrosão atmosférica; o cromo, em teores elevados, torna o aço inoxidável;

- aumentar a resistência ao desgaste;

- modificar os característicos elétricos e magnéticos;

A Tabela 24, adaptada do “Metals Handbook” resume os principais efeitos dos elementos de liga nos aços. A figura 116 indica os efeitos do níquel, do cromo e do manganês sobre os valores obtidos no ensaio de tração em corpos de prova de pequena secção de aço laminado com 0,2% de carbono. Verifica-se que o níquel que, como se sabe, se dissolve na ferrita, aumenta razoavelmente os limites de resistência à tração e de escoamento, sem afetar muito sensivelmente a ductilidade. O cromo, que além de se dissolver na ferrita forma carbonetos, possui efeito mais apreciável que o níquel no que se refere ao limite de escoamento e à resistência à tração, provocando, entretanto, queda maior nos valores de alongamento e estricção. O manganês, cujo efeito é analisado em três tipos de aço, com teores baixo e médio de carbono, aumenta as propriedades de resistência mais ou menos na mesma proporção do que o cromo.

Tabela 24 – Efeitos específicos dos elementos de liga nos aços 

 Fig. 116 – Efeito do níquel e do cromo sobre propriedades mecânicas de aço laminado com 0,20% de carbono; efeito do manganês sobre aços de baixo e médio carbono, laminados.

Cabe uma referência especial ao elemento boro, o qual, como se verificou já há cerca de vinte e cinco anos, em pequenas quantidades, exerce um efeito acentuado sobre a endurecibilidade dos aços. Os aços de boro devem ser, primeiro, cuidadosamente desoxidados, e o seu teor de nitrogênio deve ser baixo, pois, do contrário, o boro reagirá como o oxigênio e o nitrogênio, deixando de contribuir para melhorar a temperabilidade.

A porcentagem de boro a adicionar para os efeitos que se desejam é extremamente pequena, ficando entre 0,008% e 0,0003%, dependendo do tipo de aço. Entretanto, se sua quantidade ultrapassar de certos limites, poderá provocar a falta de ductilidade a quente. O limite é de cerca de 0,008% para aços de baixo carbono e de cerca de 0,005% para aços de alto carbono.

A atuação do boro não é propriamente como elemento de liga. Contudo, seu efeito sobre certos característicos dos aços, como temperabilidade, é apreciável, fazendo-se sentir da seguinte maneira:

- desloca para a direita a curva de início de transformação do diagrama TTT;

- desloca também para a direita a curva de fim de transformação, porém relativamente pouco;

- de qualquer modo, a conseqüência imediata é o aumento da temperabilidade dos aços.

Admite-se que a presença de um composto submicroscópico de boro nos contornos dos grãos (BC, BN ou boretos) seria a causa do atraso na transformação da austenita que, como se sabe, começa nos contornos dos grãos.

A figura 117 mostra o efeito desse elemento sobre a temperabilidade de um aço com 0,63% de carbono.

A figura 118 mostra as faixas de endurecibilidade para aço tipo SAE 5046 sem e com boro. Nesses aços, a temperatura de normalização para material forjado ou laminado é de 870 graus C; a temperatura de austenitização é de 843 graus C.

Bullens cita o exemplo de um aço com 0,42% C, 1,60% Mn e 0,30% Si que, por têmpera em óleo, endurece a 55 Rockwell C somente até diâmetros de meia polegada, ao passo que com adição de apenas 0,001% a 0,002% de boro, poderá adquirir a mesma dureza até diâmetros de uma e meia polegada.

Uma conseqüência importante da adição do boro nos aços é que esse elemento, se não ultrapassar os teores mencionados, não altera os característicos do aço de trabalho a quente, nem de trabalho a frio ou de usinabilidade, visto que não altera a dureza, a resistência mecânica e a plasticidade da cementita e da ferrita, ao contrário dos elementos de liga que ele substitui, como Mn, Ni, Cr, etc.(120). Do mesmo modo, nos estados recozido ou normalizado, as propriedades de um aço ao boro são praticamente idênticas às do mesmo aço sem boro. Tais característicos, principalmente a inalterabilidade das qualidades de trabalho mecânico ou de usinabilidade, constituem inegavelmente uma vantagem.

Fig. 117 – Efeito do boro sobre a temperabilidade de um aço com 0,63% de carbono.

Há algum tempo, foi desenvolvido nos Estados Unidos um novo grupo de aços ao boro, em substituição aos SAE ou AISI comuns ao carbono simplesmente. Esses aços apresentam comparativamente menores teores de carbono, mas maiores teores de manganês e boro, combinação essa que propiciou endurecibilidade crescente, permitindo reduções nos níveis de carbono, sem diminuição da resistência. Menor quantidade de carbono resulta em dureza mais baixa na condição laminada, possibilitando fácil conformação mecânica.

Esses aços apresentam ainda o característico de auto-revenido, devido ao baixo carbono, que eleva a temperatura de transformação Mi a um ponto onde o revenido ocorre logo após a transformação. Tal característico diminui as fissuras de têmpera e as probabilidades de empenamento, causadoras daqueles inconvenientes.

As aplicações mais importantes mais importantes dos aços ao boro situam-se no campo dos aços para cementação, em substituição aos aços com alto teor de níquel.

Finalmente, estudos vêm sendo desenvolvidos em relação ao nitrogênio, aproveitando o seu efeito de endurecimento por precipitação, em aços de médio teor de carbono.

A idéia básica é adicionar esse elemento, em quantidade suficiente, durante a fusão do aço.

A figura 119 mostra a influência conjunta de carbono e nitrogênio no limite de resistência à tração de aços cuja composição se situa dentro das seguintes faixas:

C – 0,19 a 0,53%

Si – 0,04 a 0,44%

Mn – 0,26 a 0,95%

Cr – 0,04 a 0,24%

Al – 0,001 a 0,017%

N – 0,10 a 0,17%

Como se vê, é um aço que pode ser considerado microligado e que, em virtude do efeito endurecedor do nitrogênio, poderia eventualmente substituir aços-liga de baixo teor em liga, os quais para atingir elevados valores de propriedades mecânicas, deveriam ser tratados termicamente ou endurecidos superficialmente.

As vantagens desses aços para, por exemplo, aplicações automotivas, seriam, entre outras, redução de custo e grande economia pela eliminação das operações de tratamento térmico. Há dúvidas, contudo, que precisam ser elucidadas com maiores pesquisas, sobre o efeito na resistência à fadiga, característico importante em empregos na indústria automobilística.

Fig. 118 – Faixas de endurecibilidade para aço SAE 5046 sem e com boro.

Fig. 119 – Influência conjunta do nitrogênio e do carbono sobre a resistência à tração.

 Outro elemento de liga que está sendo intensamente pesquisado e empregado nos aços é o nióbio. Uma pequena quantidade de nióbio (0,03%) em aços-carbono comuns aumenta de 20 a 30% sua resistência mecânica, levando esta a um valor correspondente ao que seria obtido com a adição de 1% de manganês. Entre outras razões, admite-se que a habilidade do nióbio fortalecer o aço resulta da separação de fases dispersas de carbonitreto de nióbio são observados tanto nas condições de laminação a quente como normalizada.

As adições de nióbio produzem igualmente uma estrutura mais fina e conferem maior resistência ao crescimento do grão austenítico a altas temperaturas.

Nos aços inoxidáveis, o nióbio forma um carboneto de nióbio, removendo o carbono que pode formar o carboneto de cromo, prejudicial em certos tipos de aços inoxidáveis.

Nos aços para ferramentas, esse elemento é considerado uma alternativa viável para substituir os elementos mais tradicionais, fortes formadores de carbonetos.