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Aços de alta resistência e baixa liga, conhecidos pela sigla ARBL (ou HSLA no idioma inglês, significando: high strength low alloy) são definidos do seguinte modo: aços específicos com composição química especialmente desenvolvida para proporcionar mais altos valores de propriedades mecânicas, e, em alguns casos melhor resistência à corrosão atmosférica do que aquela obtida em aços carbono convencionais. São produzidos com maior ênfase nas propriedades mecânicas do que na composição química. Por outro lado, não podem ser considerados aços de alta liga, pois os teores de elementos de liga adicionados aos aços ARBL são muito mais baixos do que em aços de outras categorias, como aços inoxidáveis, aços ferramenta e etc.
Aços ARBL podem ser produzidos na condição de laminados com resistência ao escoamento na faixa de 290 a 550 MPa e resistência à tração na faixa de 415 a 700 MPa. Por causa de seu baixo teor de carbono apresentam excelente soldabilidade. Seu desenvolvimento foi impulsionado pela demanda por aços resistentes, tenazes e soldáveis para tubulações de transporte de óleo e gás, navios e plataformas de perfuração “off-shore”. Também podem ser usados para reduzir o peso (massa), e assim o consumo de combustível, de (componentes de) automóveis. Os graus de classificação de aços ARBL são definidos pelos níveis de resistência ao escoamento e não pela composição química.
Os mecanismos de endurecimento utilizados nos aços ARBL incluem: a) refino de grão; b) precipitação; c) subestrutura de discordâncias; d) endurecimento por solução sólida; e) envelhecimento com deformação.
A sua produção pode envolver: a) pequenas adições de elementos formadores de carbetos e nitretos (microligantes); b) laminação controlada; c) resfriamento controlado; d) controle de forma de inclusões.
Estes fatores podem ser abordados separadamente ou em combinações para produzir as propriedades desejadas.
O desenvolvimento dos aços ARBL é um interessante caso de conjugação de interesses econômicos e tecnológicos. O uso de pequenas adições de nióbio para endurecer os aços ferrítico-perlíticos foi introduzido em 1936, mas àquela época o custo do nióbio e a falta de demanda por aços deste tipo tornaram o processo pouco mais do que uma curiosidade científica. Entretanto, ao final dos anos 1950, a queda no preço do nióbio e uma simultânea demanda por maior resistência mecânica, tenacidade e soldabilidade nos aços para tubulações levaram a um ressurgimento do interesse pelo desenvolvimento dos aços ARBL [1].
Posteriormente, o desenvolvimento dos aços ARBL passou a se concentrar nos fatores que controlam a ductilidade, a tenacidade e a conformabilidade, especialmente no caso de aços com microestrutura ferrítico-perlítica, que constituem a maioria dos aços ARBL. Entretanto, inicialmente o projeto desses aços era baseado na resistência à tração, com pouca atenção dispensada à resistência ao escoamento, à tenacidade e à soldabilidade, pois o processo mais comum de junção era o rebitamento. Consequentemente os aços apresentavam teores de carbono da ordem de 0,3 %, havendo poucas modificações ao longo de muitos anos. Na época (início dos anos 1930) os teores de manganês e carbono eram mais altos, enquanto os teores de silício eram mais baixos. O carbono era o elemento de liga mais barato e aumentava a resistência à tração desses aços, que eram utilizados na condição como laminados, mas com pouco ou nenhum controle de temperaturas de laminação. Por volta de 1934 o teor de carbono ainda era relativamente alto, da ordem de 0,27 %, mas o teor de manganês já havia aumentado para 1,5 %, segundo as especificações da época.
O advento do uso da soldagem, em substituição ao rebitamento como processo de junção, exigiu a redução do teor de carbono. Então, a resistência mecânica foi mantida pelo aumento do teor de manganês, embora não haja nenhuma evidência de ganho de tenacidade.
As falhas de estruturas soldadas por fratura frágil resultou no reconhecimento do fato de que a tenacidade à fratura e ao impacto são propriedades essenciais, e assim tornou-se evidente a necessidade de obter baixa temperatura de transição de impacto. Também foi evidenciado que a resistência ao escoamento é uma propriedade mais relevante do que a resistência à tração. Assim, o teor de carbono foi reduzido ainda mais, enquanto o teor de manganês foi mantido em níveis bem elevados. As vantagens de altas razões entre os teores de manganês e de carbono para a tenacidade ao impacto são consideráveis, e finalmente passou a ser considerado também como requisito a obtenção de grãos finos.
O refino de grão pela adição de elementos refinadores como alumínio e nitrogênio foi então introduzido, mas isso só pôde ser utilizado em aços na condição de normalizados. O resultado foi um aumento de resistência ao escoamento de 225 para 300 MPa e uma redução na temperatura de transição de impacto para valores inferiores a 0 ºC.
Aumentos adicionais de resistência ao escoamento foram então obtidos através de endurecimento por precipitação, porém ainda mantendo baixo teor de carbono e alto teor de manganês em aços com tamanhos de grãos bem finos. Foram utilizados o nióbio, o vanádio e o titânio, sendo o nióbio o elemento de liga mais usado, por permitir um aumento de resistência mecânica na condição como laminada, que economicamente era vantajosa. Entretanto, a tenacidade ao impacto não era satisfatória, porque no material como laminado os grãos eram grosseiros.
A solução para o problema do material laminado com grãos grosseiros foi realizar a laminação de acabamento cem baixas temperaturas, que, além de produzir grãos finos, também manteve algum grau de endurecimento por precipitação. A resistência mecânica obtida aumentou para o patamar de 450 a 525 MPa, com temperaturas de transição de impacto tão baixas quanto – 80 ºC. Esses aços ARBL produzidos por laminação controlada, quando submetidos a refino de grão e endurecimento por precipitação através das adições de nióbio, apresentaram a vantagem econômica de uma composição balanceada, assim permitindo alto rendimento de produção.
Posteriormente os esforços de desenvolvimento desses aços concentraram-se em aumentar a conformabilidade, particularmente em melhorar a ductilidade através da espessura e a tenacidade na placa. A ocorrência de arranjos planares localizados de inclusões não metálicas não é apenas prejudicial à tenacidade e ductilidade, mas também resulta num defeito de soldagem denominado arrancamento lamelar. Para resolver esse problema passou-se a fazer uso intensivo de adições de zircônio, cério ou cálcio.
As microestruturas de muitos aços ARBL caracterizam-se pela presença de ferrita e perlita, mas alguns outros aços dessa categoria apresentam outros tipos de microestrutura, como ferrita-bainita, martensita temperada ou bainita. Os aços bainíticos já constituem uma categoria à parte [2].
Refino de Grão nos Aços ARBL
O refino de grão nos aços ARBL pode ser alcançado mediante adições de nióbio, vanádio, titânio ou alumínio. Nióbio ou vanádio podem ser adicionados nos aços parcialmente acalmados, que permitem maior rendimento de produção (de lingote para placa) do que os aços totalmente acalmados, reduzindo assim o custo de fabricação. Entre estes dois elementos, o nióbio é o mais favorável, uma vez que sua solubilidade na austenita é menor do que a do vanádio, e consequentemente favorece mais a formação de carbetos e nitretos, de modo que um considerável refino de grão pode ser obtido com menores adições deste elemento. O refino de grão ferrítico em microestruturas ferrítico-perlíticas é obtido mediante restrição ao crescimento de grão austenítico durante a laminação a quente ou pela inibição da recristalização da austenita durante a laminação a quente, de modo que a transformação de austenita para ferrita ocorra a partir de uma austenita não recristalizada.
Na laminação a quente dos aços carbono parcialmente acalmados a recristalização da austenita ocorre em temperaturas tão baixas quanto cerca de 760 ºC. Uma redução de espessura da ordem de 30 % já é suficiente para atingir aproximadamente 10 % de recristalização. Num aço semelhante contendo 0,03 % de nióbio a recristalização em 10 % acontece depois de redução de espessura da ordem de 50 % a 925 ºC. isso explica porque é difícil refinar o grão em aços carbono até que a temperatura caia abaixo de 815 ºC. Geralmente é menos caro normalizar o aço carbono do que obter refino de grão por laminação controlada. Por outro lado, o refino de grão nos aços ao nióbio pode ser obtido com temperaturas de acabamento tão altas quanto 925 ºC.
Na maioria dos casos, todo o nióbio, carbono e nitrogênio estão em solução no começo da laminação a quente da austenita, mas ocorre precipitação durante a laminação à medida que a temperatura do aço cai. As partículas de precipitado dificultam o crescimento dos grãos de austenita, e em temperaturas ainda mais baixas as partículas (ou aglomerados pré-precipitação) inibem a recristalização dos grãos deformados de austenita. A eficiência dos elementos microligantes no refino dos grãos de ferrita está na mesma ordem da solubilidade dos seus carbetos na austenita.
Endurecimento por Precipitação nos Aços ARBL
O refino de grão é o mecanismo preferencial de endurecimento dos aços ARBL porque também aumenta a tenacidade, mas o segundo mecanismo de endurecimento mais importante nos aços ARBL é o endurecimento por precipitação. As partículas que se formam em altas temperaturas na austenita, embora sejam bastante eficientes no controle do tamanho de grão, não acarretam endurecimento significativo, por serem muito grandes e espaçadas. As partículas efetivamente endurecedoras são as que se formam em temperaturas relativamente baixas na austenita, na interface ferrita-austenita durante a transformação, a na ferrita durante o resfriamento. Devido à elevada solubilidade na austenita o nitreto de vanádio (VN) tende a se precipitar na ferrita, na qual age como efetivo endurecedor.
