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Aços & Ligas | Aços e Ferros Fundidos | Inclusões Não Metálicas em Aços

4 - Efeito das Inclusões nas Propriedades dos Aços

a) Resistência à Fadiga

De um modo geral as inclusões não metálicas reduzem a resistência à fadiga dos aços. [4]. As inclusões duras e frágeis de óxidos são as mais nocivas neste aspecto, sendo as inclusões de sulfeto de manganês (MnS) as menos prejudiciais. As inclusões compostas de óxido e sulfeto são menos deletérias que as inclusões monofásicas de alumina ou aluminatos de cálcio, já que a presença de inclusões mais deformáveis como as de MnS alteram as propriedades nocivas dos óxidos duros. A concentração e localização de tensões na interface entre a inclusão e a matriz dão origem à iniciação da fratura por fadiga. Isto decorre da contração térmica diferenciada das inclusões em relação à matriz durante o resfriamento e da concentração de tensões aplicadas remotas devido à diferença entre as constantes elásticas das inclusões e da matriz. Como resultado destas tensões iniciam-se trincas na interface entre a inclusão e a matriz ainda durante a deformação a quente, como por exemplo a laminação a quente. O efeito das inclusões na iniciação das trincas de fadiga depende da composição química, do tamanho, da densidade, da localização em relação à superfície e da morfologia das inclusões. As inclusões frágeis de óxidos são mais nocivas à resistência à fadiga dos aços do que as inclusões deformáveis de sulfetos. As inclusões de silicatos apresentam comportamento intermediário entre os óxidos e sulfetos. As grandes inclusões exógenas provenientes da escória ou do refratário são muito nocivas à resistência à fadiga dos aços, devido ao seu tamanho e formato irregular [2,4].

Se as inclusões apresentarem baixo coeficiente de expansão térmica, as tensões residuais trativas geradas durante o resfriamento podem se aproximar do limite de escoamento da matriz. O campo de tensões circunferencial aumenta com o tamanho da inclusão. Assim, grandes inclusões acarretarão maiores tensões trativas sob carregamento cíclico, favorecendo uma nucleação mais precoce de trincas de fadiga. Em termos do efeito da composição química na iniciação de trincas de fadiga as inclusões mais nocivas são as de aluminatos de cálcio, seguidas pelas de alumina (Al2O3) e os espinélios, o que também corresponde à ordem de valores de coeficientes de expansão térmica [4].

As propriedades de resistência à fadiga são muito afetadas pelo tamanho das inclusões, sendo geralmente aceito que quanto maior o tamanho das inclusões, menor a resistência á fadiga. Entretanto, há um tamanho crítico mínimo de inclusões acima do qual ocorre a iniciação de trincas de fadiga. Inclusões na superfície, ou próximas à superfície são mais deletérias do que as que estão no interior do material, já que a superfície altera a distribuição de tensões principais. Inclusões de óxidos esféricas com tamanho acima de 20 micrometros e situadas na superfície, ou muito próximas à superfície são sítios potenciais de nucleação de trincas principais. A forma das inclusões exerce grande influência. A variação de formato esférico para elíptico pode representar um aumento de até 100 % nas tensões atuantes nos contornos da inclusão, que também pode ser observado com mudanças na orientação das inclusões em relação às tensões aplicadas. Assim, esses fatores também podem afetar o valo do tamanho crítico mínimo de inclusão para a nucleação de trincas de fadiga [4].

Pequenas inclusões não afetam a nucleação de trincas de fadiga, mas podem contribuir para a sua propagação.  Em geral a fratura é iniciada em grandes partículas de inclusões, seguida pela formação de vazios que crescem em torno das pequenas inclusões. Assim, foi proposto um mecanismo misto de ruptura pela formação de microcavidades (“dimples” em inglês) e ruptura por clivagem para a ocorrência da propagação da trinca de fadiga, observando-se que as microcavidades estão sempre associadas com inclusões com diâmetro inferior a 0,5 micrometro. A influência das inclusões na taxa de crescimento da trinca de fadiga é uma função da faixa de fator de intensidade de tensões à qual a trinca se propaga. Para baixos valores de fator de intensidade de tensões a taxa de crescimento da trinca no aço com alto teor de inclusões é menor do que a no aço com baixo teor de inclusões. Quando aumenta o fator de intensidade de tensões, ocorre a inversão deste fenômeno. A taxa de propagação diminui com o aumento na limpeza do aço, mas é independente do teor de inclusões. As inclusões são mais nocivas em baixas temperaturas de revenimento que as altas temperaturas, porque em baixas temperaturas a matriz apresenta maior resistência mecânica. Para melhorar as propriedades de resistência à fadiga dos aços deve ser reduzido o número de grandes inclusões e já que é difícil o controle das inclusões individuais, o método mais prático para obter esse resultado é a redução do teor de oxigênio. Entretanto, como é impossível produzir aços sem inclusões, o controle do tamanho das inclusões torna-se cada vez mais importante, já que determina a probabilidade da presença de grandes inclusões localizadas em regiões críticas [4]. 

b) Fratura

A fratura dúctil em aços é causada pela nucleação, crescimento e coalescimento de vazios que são nucleados em partículas duras como inclusões, nódulos de perlita e carbetos. Em geral as inclusões são mais duras do que a matriz adjacente á temperatura ambiente, o que leva à concentração de tensões durante a deformação da matriz, podendo produzir vazios pela decoesão na interface matriz-inclusão ou fratura das partículas de inclusões. A nucleação de vazios (microcavidades) é mais fácil quando a partícula de inclusão é rígida, apresenta baixa coesão com a matriz ou possui baixa resistência à fratura. Para as inclusões duras e frágeis, como os óxidos, a formação de vazios ocorre por decoesão na interface inclusão-matriz mesmo para tensões muito baixas. Para os sulfetos alongados, os vazios são nucleados pela fratura das partículas em segmentos [4].

Os sulfetos alongados apresentam grande influência nas propriedades de resistência á fratura dos aços. Durante o processo de fratura os vazios são formados inicialmente nas inclusões de MnS, que geralmente são as maiores, então depois nas inclusões de óxidos e finalmente nas pequenas partículas de carbetos. Para determinadas matriz e inclusões há um tamanho mínimo de partícula abaixo do qual não se formam vazios. A redução da fração volumétrica de inclusões e o controle da forma das inclusões melhora as propriedades mecânicas dos aços relacionadas com altos níveis de deformação, como a redução de área, patamar de energia dúctil no ensaio Charpy e tenacidade á fratura. Os parâmetros de sulfetos como a fração volumétrica e a razão de aspecto aumentam linearmente com o aumento no teor de enxofre, ao passo que o comprimento projetado varia não linearmente. O número de inclusões por área unitária aumenta com o aumento no teor de enxofre. A ductilidade através da espessura em placas melhora com a redução do teor de enxofre e com o controle da forma que leva à predominância de inclusões globulares em relação às inclusões alongadas, aumentando assim a resistência ao rasgamento lamelar. A tenacidade à fratura  de aços de ultra-alta resistência mecânica é sensível ao espaçamento e á fração volumétrica das inclusões. A redução do teor de inclusões aumenta a resistência à nucleação de vazios, melhorando as propriedades mecânicas dos aços. A redução do teor de enxofre, e consequentemente da presença de sulfetos de manganês, pode melhorar a tenacidade à fratura dos aços (valores de CTOD : “crack tip opening displacement”) [4]. 

O patamar de energia e a temperatura de transição no ensaio de impacto Charpy são afetados pela morfologia das inclusões: a modificação do formato de inclusões alinhadas e alongadas para pequenas partículas isoladas melhora as propriedades de resistência ao impacto e tenacidade à fratura. No trabalho a quente de aços ferramenta a influência das inclusões na tenacidade está relacionada com a distribuição das inclusões e o nível de dureza do aço. Um arranjo uniforme de inclusões pode ser considerado inofensivo para a tenacidade à fratura do aço. Num elevado nível de dureza, as inclusões, por causa de sua ação com uma zona plástica muito pequena, podem ser consideradas como obstáculos naturais à propagação das trincas. Num nível de dureza mais baixa, a função das inclusões no processo de formação das trincas é limitada pela precipitação de carbetos da martensita [4].

Em suma, em situações de carregamento em fadiga a fratura se origina com mais freqüência a partir das grandes partículas de óxidos em comparação com os sulfetos, que são mais importantes no comportamento anisotrópico dos aços, como, por exemplo, no caso da tenacidade à fratura. No caso da maioria dos aços de alta resistência mecânica, como os aços para mancais, a principal causa das falhas está relacionada com a presença de partículas de óxidos, e não com sulfetos [4].

c) Corrosão

Sabe-se que a presença de inclusões não metálicas em aços os torna mais suscetíveis à ação corrosiva de qualquer meio, até mesmo ao ar [7,8]. As inclusões, com composição química totalmente distinta da matriz do aço, possuem características físico-químicas completamente diferentes, proporcionando a possibilidade de ataque corrosivo localizado (causado por pites e frestas, por exemplo), principalmente na interface inclusão-matriz, que é uma região de alta energia, onde os átomos estão mais desordenados e as ligações químicas não são tão fortes [9]. Por esse motivo para determinadas aplicações nas quais se exige elevada resistência à corrosão, como no caso do aço inoxidável AISI 316 L usado em implantes cirúrgicos ortopédicos, o nível de inclusões não metálicas deve ser controlado em valores muito baixos [10].

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