resumo P2 - Influência dos elementos de liga nos aços

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Influência dos elementos de liga nos aços
Elementos de liga
Elementos químicos adicionados a uma matriz visando à formação de ligas metálicas.
Objetivo dos elementos de liga
Promover mudanças na microestrutura do material, o que se reflete nas suas propriedades macroscópicas físicas e mecânicas, permitindo ao material desempenhar funções especificas.
Efeitos da adição de elementos de liga
- Aumentar a dureza e a resistência mecânica
- Aumentar a usinabilidade
- Aumentar a temperabilidade
- Conferir dureza a quente
- Aumentar a capacidade de corte
- Conferir resistência à corrosão
- Conferir resistência ao desgaste
- Conferir resistência à oxidação
- Modificar as características elétricas e magnéticas
- Melhorar a soldabilidade
Classificação dos aços quanto a composição química
· Aço carbono
· Aço liga
Aço de baixa liga
Aço de média liga
Aço de alta liga
Aço baixa liga de alta resistência 
Aço Carbono
Aço sem adição proposital de outros elementos de liga, contendo apenas o C e Si, Mn, P e S (elementos residuais).
Não contem mais de 1,65% Mn; 0,30% de si; 0,040% P e 0,050% S
Utilizados para a fabricação de aços de baixa, média ou alta resistência mecânica, nos quais o esforço mecânico é o fator principal a ser considerado. 
	Aços liga
Aços de composição química diferenciada, nas quais estão presentes quantidades especificas de elementos químicos diferentes daqueles normalmente utilizados nos aços comuns. 
A soma de todos esses elementos não pode ultrapassar 6%. Costumam ser designados de acordo com o elemento predominante. 
· Aços baixa liga
A soma dos teores de elementos de liga não ultrapassa 5%.
Aços para construção mecânica, eixos, engrenagens, etc.
· Aços média liga
Soma dos teores dos elementos de liga está entre 5% e 12%
Aços estruturais para trabalhos em alta temperatura para resistir a fluência e a oxidação. 
· Aços de alta liga
A soma dos teores dos elementos de liga é no mínimo 12%
Aços inoxidáveis
· Aços de alta resistência e baixa liga (ARBL)
Teor de C inferior a 0,25% com teor total de elementos de liga inferior a 2%
Aços com baixos teores de liga com altos limites de resistência. Eles tem as chamadas microadições de elementos de liga como o Nb, Ti e/ou V e associados com os tratamentos termo mecânicos tem microestrutura com grãos finos. 
Mais resistentes e tenazes do que aços carbono convencionais, são dúcteis, tem boa conformabilidade e são soldáveis.
Importância dos elementos de liga
Através da adição de elementos de ligas podemos obter melhorias de algumas propriedades como diminuição ou aumento do PF, aumento da dureza, aumento da resistência mecânica, melhoria da soldabilidade, da corrosão e/ou de outras características desejadas de acordo com o uso em condições de serviço especificas. 
Principais elementos de liga
C, Cr, Ni, V, Mo, W, Co, B, Cu, Al, Mn, Si, P, S
Carbono
É o elemento mais eficaz e empregado com menor custo disponível para aumentar a dureza e a resistência dos aços. Teores altos desse elemento podem causar problemas. 
· Capacidade de soldagem
Aços com até 0,3% de C tem boa soldabilidade
De 0,3 a 0,5% de C – soldabilidade média
Acima de 0,5% C são os de soldabilidade mais difícil. 
· Aços ferramenta
São aços de médio e alto teor de C com adições de elementos específicos em diferentes porcentagens para que sejam obtidas características especiais.
O carbono aumenta a dureza do aço ferramenta, melhorando a resistência ao corte e ao desgaste. Outros elementos são adicionados para aumentar a tenacidade ou resistência mecânica. 
· Aços inox
Calssificados: ferríticos, austeníticos, martensíticos, endurecíveis por precipitação e Duplex. 
As microestruturas são função da quantidade dos elementos de liga presentes. 
Existem dois grupos de elementos de liga: os que estabilizam a ferrita (Cr, Si, Mo, Ti e Nb) e os que estabilizam a austenita (Ni, C, N e Mn).
A composição química junto com o processamento termo-mecânico confere aos aços inoxidáveis propriedades diferentes. 
Elementos de liga formadores de carbonetos
Cromo: forma carbonetos
W: forma carbonetos muito duros
Mo: influencia na estabilização do carboneto
Vanádio: forma carbonetos
Elementos de liga não formadores de carbonetos
Si, Mn, Ni, Cu, Co
Importância dos carbonetos 
Os carbonetos puros têm excelentes propriedades químicas, mecânicas, elétricas e magnéticas. 
	Cromo
Aumenta a temperabilidade do aço e contribui para a resistência ao desgaste e dureza. 
Aumenta a resistência à corrosão e à oxidação
Aumenta a resistência à altas temperaturas
Forma carbonetos estáveis e muito duros nos aços
Acelera o crescimento dos grãos
Quando o cromo excede 11% em aços de baixo C = resistência ao ataque por reagentes oxidantes.
Aplicações: quando durezas elevadas são requeridas (aços para construção mecânica, aços-ferramenta. Aços inoxidáveis).
Níquel
Refina o grão e diminui a velocidade de transformação na estrutura do aço. 
Aumento da resistência à tração
Alta ductilidade
Melhora a soldabilidade dos aços
Aumenta a fluidez do aço para fundição
Aplicações: aço para construção mecânica, aço inoxidável, aço resistente a altas T
Produtos: peças para automóveis, utensílios domésticos, caixas para TT
	Vanádio
Forma carbonetos duros e estáveis. 
Inibe o crescimento dos grãos, pois refina a estrutura do aço
Aumenta a resistência mecânica e aumenta a resistência à fadiga e à abrasão
Maior tenacidade e temperabilidade
Ação benéfica nas propriedades mecânicas de aços tratados termicamente.
Aplicações: aços cromo-vanádio
Produtos: ferramenta
	Molibdênio
Influência na estabilização do carboneto
Aumenta a resistência à tração
Aumenta a resistência em altas temperaturas
Aumenta a temperabilidade e reduz as temperaturas de têmpera
Ajuda a aumentar a resistência ao desgaste
Aplicações: aços-ferramenta, aços cromo-níquel, substituto do W em aços rápidos.
Produtos: ferramentas
	Tungstênio
Forma carbonetos muito duros
Refina o tamanho de grão
Aumenta a resistência ao desgaste
Aumento da dureza
Aumento da resistência a altas T
Aplicações: aços rápidos, aços ferramentas
Produtos: ferramentas de corte
Cobalto
Reduz a temperabilidade, mas mantém a dureza durante o revenimento
Desloca a curva TTT para esquerda
Aumenta a dureza
Aumenta a resistência à tração, resistência à corrosão e à erosão.
Aplicações: aços rápidos, elementos de liga em aços magnéticos
Produtos: laminas de turbina de motores a jato, brocas.
Boro
Em conjunto com Mo, o B forma um grupo de aços bainíticos de alta resistência à tração. 
Utilizado em algumas ligas para revestimentos de superfícies. 
Melhora a ductilidade por fluência de aços de baixa e alta liga
Aumento da temperabilidade
 
Aplicações: ligas metálicas de grande dureza, aços de baixo Mo, ligas para revestimento
Produtos: parafusos de alta resistência, bocais de jateamento
Cobre
Não forma carbonetos
Melhora a resistência à corrosão
Melhora a resistência mecânica devido ao endurecimento por precipitação. 
Aplicações: aços não-revestidos, ligas Cu-Ni, Ligas Cu-Ni-Zn
Produtos: tubos, conexões
Alumínio
Adicionado em pequenas quantidades para controlar o tamanho dos grãos. 
Empregado como agente desoxidante dos aços. 
Aplicações: acalmar aços de baixo carbono
Produtos: chapas, fundidos
Manganês
Aumenta a temperabilidade
Estabiliza os carbonetos
Estabiliza o S como MnS
Diminui a velocidade de resfriamento
Aumenta a resistência mecânica e a resistência ao choque
Todos os aços ferramentas contem Mn (0,3 a 0,8%) para reduzir óxidos e evitar a fragilização a quente ocasionada pelo sulfeto de Fe.
Em alguns aços liga (principalmente austeníticos) o Mn substitui parcialmente o Ni, com a finalidade de redução de custo de produção.
Aplicações: aços para construção mecânica
Produtos: peças para automóveis e peças para uso geral em engenharia mecânica
Silício
Dissolve na ferrita atuando como elemento endurecedor.
Melhora a resistência à oxidação a T elevadas
Auxilia na desoxidação e na grafitização
Aumenta a fluidez
Melhora da temperabilidade e da resistência à tração
Aplicações: aços com alto teorde C, aços para fundição em areia
Produtos: peças fundidas
Fósforo
Entra em solução na ferrita provocando elevado endurecimento na mesma. Fragiliza muito o material. Em teores baixos pode ser admitido. 
Impurezas prejudiciais à qualidade do aço e por isso sua presença é limitada a valores muito baixos.
Geralmente é algo a ser removido.
Enxofre
Elemento prejudicial às propriedades mecânicas do aço, pode ocasionar fragilidade a frio e a quente, pois se localiza nos contornos de grão da ferrita e da perlita. 
Confere baixa resistência ao impacto, baixa ductilidade e baixa resistência à fadiga. 
Geralmente algo a ser removido
Titânio
Dissolvido na austenita, aumenta a temperabilidade, porém na forma de carboneto o efeito é inverso. 
Dissolvido na ferrita ele endurece bastante o aço reduzindo a ductilidade
Principal função: adicionado ao aço como desoxidante
Aplicação: aços com alta resistência mecânica, aços com alta resistência a corrosão. 
Produtos: turbinas de jatos, aços para estruturas de aeronaves, componentes navais, trocadores de calor.
Norma SAE
Classificação dos vários aços carbono e aços liga quanto a sua composição química para padronizar e limitar o grande numero de composições dos aços produzidos. 
Principais mecanismos de endurecimento
Tratamento térmico
Refino de grão
Precipitação
Solução sólida
· Tratamento térmico
Com exceção do Co, todos os elementos de liga citados deslocam o diagrama para a direita, isto é, aumentam a faixa de temperabilidade do aço.
Temperabilidade = capacidade de um aço obter martensita em profundidade. 
Ao retardar as transformações de fase, as adições de elementos de liga favorecem a temperabilidade dos aços.
Aumenta a temperabilidade pelo deslocamento para a direita das curvas de inicio e fim de transformação da austenita, no diagrama TTT
Esse efeito torna possível a têmpera de secções mais grossas e a utilização de meios de têmpera mais brandos, como óleo ou mesmo o ar, garantindo uma estrutura temperada com maior quantidade de martensita. 
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, o que facilita a remoção de tensões internas. Para um mesmo nível de dureza, os aços liga apresentam maior tenacidade que os aços ao carbono comuns.
· Refino de grão
Aumento da resistência mecânica e tenaciade
O Al é o principal elemento refinador de grão ferrítico dos aços carbono
O Nb, Ti e V são em ordem decrescente os principais refinadores de grão ferrítico dos aços microligados.
O contorno de grão funciona como uma barreira para a continuação do movimento das discordâncias devido as diferentes orientações presentes e também devido às inúmeras descontinuidades presentes no contorno de grão.
· Precipitação
Pode ser de algum composto intermetálico, não metálicos, metálicos ou precipitados de uma segunda fase. Os dois primeiros conferem mais resistência ao metal. 
A precipitação de compostos não metálicos prejudicam as propriedades dos aços, entretanto podem ser bem vindas para melhorar a usinabilidade.
Nitretos e carbonetos
Principais elementos formadores de nitretos: Al, V e Zr
Principais elementos formadores de carbonitretos: Nb e Ti
Estas partículas quando distribuídas de uma forma finamente dispersa na matriz constituem um dos processos mais importantes de endurecimento dos aços: Endurecimento por precipitação.
· Solução Sólida
Si, Ni, Al, Zr, P, Cu, Mn
Aumenta a temperabilidade, exceção do Al e Si.
Revenido 
É um TT que consiste no aquecimento a temperaturas inferiores a Ac1 para aumentar a ductilidade e a tenacidade e ajustar a resistência mecânica ao nível desejado e promover o alivio de tensões. Produz alterações microestruturais e alivia tensões decorrentes da têmpera, para que as peças possam ser empregadas
· Influência dos elementos de liga no revenido 
Etapa 1 – ate 250°C 
Nos aços ao carbono ao carbono = precipitação do carboneto e de Fe, perda parcial da tetragonalidade da martensita. 
Nos aços liga = Si, Cr e Mo estabilizam a martensita, retardando a precipitação de carbonetos, visando viabilizar revenimentos a T relativamente baixas. 
A tetragonalidade nos aços ao C é eliminada a cerca de 300°C. Nos aços contendo Si, Cr, Mo, Ti, V, W ela ainda pode ser observada até 500°C. O Si é o principal estabilizador da martensita.
Mn e Ni diminuem esta estabilização.
 
Etapa 2 – entre 200 e 300°C
Nos aços ao carbono ao carbono = decomposição da austenita retida. Formação da martensita no resfriamento pós revenimento. 
Nos aços liga = todos os elemento com exceção do Co deslocam a curva TTT para a esquerda, abaixando Ms e Mf podem fazer crescer a quantidade de austenita retida. A quantidade de austenita que se decompõe nessa etapa pode crescer, aumentando a dureza do aço. 
Etapa 3 – entre 200 e 350°C
Nos aços ao carbono ao carbono = substituição do carboneto e de Fe, pela cementita. A martensita perde a tetragonalidade. Quanto maior o teor de C maior a quantidade de cementita se forma nessa etapa.
Aços liga = os elementos formadores de carbonetos retardam as reações. Formam-se carbonetos mais finos. Para as mesmas condições de tempo e temperatura de revenido a dureza do aço ligado será maior que a do açoa o C com o mesmo teor de C
O Nb e o B formam nitretos e boretos estáveis, contribuindo para o endurecimento secundário do aço revenido.
Etapa 4 – acima de 350°C
Nos aços ao carbono ao carbono = A cementita egrossa e esferoidiza. Recristalização da ferrita. Queda da dureza e da resistência mecânica. 
Nos aços liga = ainda podem ser precipitados compostos intermetalicos acima de 350°C. 
· Fragilização do revenido
A tendência geral é que o aumento da temperatura do revenido conduza ao aumento da tenacidade. Porém, em algumas faixas de T a fragilização (redução da tenacidade) pode ser observada.
Há duas faixas de T:
Fragilidade ao revenido entre 250 °C e 350°C:
Só ocorre em aços com teor de C > 0,35%
O Mn e o Cr favorecem a existência da fragilidade
O Ni a reduz
O Al em teor acima de 0,1% a suprime
O Si parece ser o elemento mais favorável à sua eliminação.
Fragilidade ao revenido entre 450°C e 550°C
Os aços ao C são pouco sensíveis ao fenômeno
Cr, Mn, W, P e N intensificam a fragilização
Mo a elimina para teores > 0,30%
· Aços suscetíveis à fragilidade de revenido
Aços liga de baixo teor de liga; aços que contém apreciáveis quantidades de Mn, Ni, Cr, P, S; aços ao Cr-Ni são os mais susceptíveis ao fenômeno. 
· Como minimizar a fragilidade de revenido
Manter os teores de P abaixo de 0,005% e S menor 0,01%
Reaquecer o aço fragilizado a uma T de seguido de resfriamento rápido até abaixo de 300°C. 
	Vantagens de usar aços liga
Maior temperabilidade 
Menor distorção e trincas após TT de têmpera
Maior alivio de tensões para se atingir uma determinada dureza do material
Menor crescimento do grão na maioria dos casos. 
Maior elasticidade
Maior resistência à fadiga do material
Maior resistência mecânica em alta T
Maior usinabilidade com maior dureza na maioria dos casos. 
Maior dutilidade
	Desvantagens de usar aços liga
Custo mais alto
Maiores cuidados durante TT
Tendência de formação de austenita retida, que em certos casos pode não ser vantajoso.
Fragilidade ao revenido em certos aços ligas.