Trabalho Micro I Aço inox

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AÇOS INOXIDÁVEIS
Paulo Victor Lopes de Cerqueira
Tarcisio Bastos de Almeida
Sumário
Introdução
Definição
Classificação
Aços Inoxidáveis Austeníticos
Aços Inoxidáveis Ferríticos
Aços Inoxidáveis Martensíticos
Aços Duplex
Endurecidos por Precipitação
Transformação de Fase
Introdução
As indústrias de petróleo desde o início de 1950, já registravam a ocorrência de diversos tipos de corrosão em tubulações de aços e equipamentos empregados na extração de petróleo e gás, quando expostos a meio contendo íons de cloreto. Contudo, nos últimos trinta anos, com o crescente desenvolvimento mundial da produção de petróleo e gás, em reservas marítimas, a importância no conhecimento de novos materiais, nos mecanismos de corrosão, assim como na sua prevenção em evitar falhas catastróficas, tem sido cada vez mais reconhecida como de alta necessidade tecnológica.
Dessa forma, as pesquisas têm se intensificado no estudo do comportamento de ligas resistentes à corrosão, como o aço inoxidável martensítico, super martensítico, dúplex, superdúplex e aço inoxidável austenítico com elevado teor de manganês. 
Esses aços possuem excelente resistência à corrosão e à oxidação, devido à ação passivante, principalmente, do cromo e níquel.
De maneira geral, quanto maior a quantidade de elementos passivantes na liga, maior será a sua resistência à corrosão, desde que estes se encontrem em solução na matriz. Caso esses elementos se combinem formando precipitados, como carbonetos, nitretos, sulfetos, boretos e/ou fases intermetálicas, o seu efeito passivante diminuirá proporcionalmente à formação dessas fases. 
Aspectos Importantes
Definição
 São aços de alta liga que contêm elevado teor de Cromo(acima de 12%). Estes aços possuem a característica de serem inoxidáveis através da formação de um filme invisível e aderente de óxido de cromo. Outros elementos são adicionados para melhorar suas propriedades.
Apesar de atrativos para várias aplicações as suas propriedades resultam em dificuldade de processamento/ fabricação.
São significamente mais caros que os aços ao carbono e baixa liga.
Elementos de Liga
Cr, Ni, Mo, Nb, Ti, Al, Cu, S e Se 
Cromo: Elemento de maior influência na resistência a corrosão, forma um fino filme de óxido de Cr aderente a superfície do aço que protege a superfície contra a corrosão. O cromo também aumenta a resistência a oxidação em altas temperaturas.
Carbono: É usado para aumentar a resistência mecânica e a dureza dos aços inoxidáveis. Um alto teor de C reduz a resistência a corrosão, pois favorece a formação de carbetos de cromo, o que reduz o Cr disponível.
Ni: Principal elemento austenitizante. Aumenta a resistência à corrosão em altas temperaturas, melhora a ductilidade e soldabilidade.
Mo: Aumenta a resistência à corrosão por pites.
Cu: Ás vezes é adicionado para melhorar a resistência à corrosão na presença de meios ácidos, por ex.: H2SO4
Si: Melhora resistência a oxidação em temperaturas elevadas.
Mn: Ás vezes pode substituir o Ni como elemento austenitizante. Também atua como elemento desoxidante.
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Ti e Nb: Pela facilidade de se combinar como C/N, são adicionados para evitar a formação de carbonetos e/ou carbonitretos de Cr.
N: Também é um elemento austenitizante e contribui para melhorar a resistência à corrosão nos aços inoxidáveis austeniticos.
Se e S: Melhora a usinabilidade.
Os aços inoxidáveis são comumente classificados em cinco grupos: 
Austenítico;
Ferrítico;
Martensítico;
Duplex;
Endurecidos por Precipitação;
Classificação dos Aços Inoxidáveis
Aços Inoxidáveis Ferríticos
 - Série 400 – Ligados ao Cr – Não-temperáveis
Aços Inoxidáveis Martensíticos
 - Série 400 – Ligados ao Cr – Temperáveis
Aços Inoxidáveis Austeníticos
 - Série 300 – Ligados ao Cr-Ni (Cr-Ni-Mo)
 - Série 200 – Ligados ao Cr-Ni-Mn
Aços Inoxidáveis Duplex (austeno-ferríticos)
 - Lean duplex, duplex e superduplex
 - 2205, 2304, 2202, 2101
AÇOS AUSTENÍTICOS:
 Aços Austeníticos
Aços Inoxidáveis Austeníticos
São conhecidos pela sua excelente resistência à corrosão em meios muito agressivos.
 Estrutura cristalina cúbica de face centrada (CFC). Esta estrutura é obtida através do uso de elementos austenitizantes, que expandem o campo austenítico, como o Níquel, Manganês e Nitrogênio. 
O aumento da sua dureza é obtido por encruamento. Eles combinam baixo limite de escoamento com alta resistência a tração e bom alongamento.
Propriedades
Não magnético na condição recozido;
Melhor resistência a corrosão, exceto sob tensão;
Têm baixa energia de falha de empilhamento;
Endurecível apenas por trabalho a frio;
Excelentes propriedades criogênicas;
Propriedades
Boa resistência em altas temperaturas;
A estrutura austenítica não apresenta transição dúctil-frágil;
Apresentam alto coeficiente de encruamento (n);
Possuem elevado coeficiente de expansão térmica;
Aspectos Importantes
Aços inoxidáveis austeníticos estão sujeitos à corrosão intergranular causada pela segregação de Carbono no contorno de grão formando carbonetos ricos em Cromo. A região próxima ao contorno de grão se torna mais pobre em Cromo e susceptível à corrosão. Diz-se que esta região está sensitizada. 
A corrosão ocorre nos Aços Inoxidáveis Austeníticos quando aquecidos entre 400°C e 850°C, formando o Cr23C6.
Aspectos Importantes
AISI 304 - Estrutura sensitizada “ditch”
Aspectos Importantes
Medidas para se evitar a corrosão intergranular nos aços inoxidáveis austeníticos:
 - Regenerando um aço sensitizado:
 1050ºC–1100ºC resfriamento em água
 - Utilizando aços com baixo teor de Carbono(L):
 304L,316L,317L (%C<0,03%)
Reduzindo o teor de carbono retarda-se a cinética de precipitação dos carbonetos
Aspectos Importantes
Utilizando aços estabilizados ao Ti(AISI321) ou Nb(AISI347): O Nb e o Ti formam carbonetos (NbC e TiC) evitando a formação dos carbonetos de cromo (Cr23C6). Estes aços devem passar por um tratamento de estabilização após a soldagem ou antes da utilização na faixa de 600ºC a 700ºC.
O tratamento térmico de estabilização deve provocar a precipitação de NbC ou TiC, retirando todo o carbono de solução sólida
O tratamento térmico de estabilização deve ser feito na faixa de 850ºC a 950ºC.
Aplicações
Resistência à corrosão e a alta estampabilidade
AÇOS FERRÍTICOS:
Aços Inoxidáveis Ferríticos
Os aços inoxidáveis ferríticos são ligas de Ferro e Cromo, com teor de cromo de 11% a 30%, e baixo teor de carbono(<0,2%), podendo ter pequenas adições de Nióbio, Titânio, Níquel e Molibdênio.
 
Não são endurecíveis por têmpera, pela ausência ou pouca formação de martensita no resfriamento. O pequeno endurecimento não compensa a fragilidade causada pela martensita, sendo necessário o processo de recozimento para garantir a estrutura ferrítica.
Aços Inoxidáveis ferríticos são basicamente ligas Ferro-Cromo com uma quantidade de Cromo suficiente para estabilizar a fase ferrita alfa com uma estrutura cúbica de corpo centrado em todas as temperaturas.
Apesar dos aços inoxidáveis ferríticos apresentarem boas características mecânicas e serem mais baratos que os aços inoxidáveis austeníticos, seu uso é relativamente restrito devido a sua baixa ductilidade. Esta baixa ductilidade está associada a fenômenos de fragilização cujo efeito torna mais difícil sua aplicação como material de engenharia. 
Aços Inoxidáveis Ferríticos
Aços Inoxidáveis Ferríticos
Devido à ausência ou pouca adição de Níquel, estes aços apresentam competitividade de custo frente aos austeníticos. Em alguns casos os aços ferríticos superam os austeníticos, como, por exemplo, na resistência à corrosão sob tensões.
Pelo fato de os aços inoxidáveis ferrítico terem estrutura CCC existem muitos sistemas de deslizamento atuando simultaneamente, o que impede um acúmulo de deslocações num determinado plano, evitando com isso concentração de tensões. 
Aços Inoxidáveis Ferríticos
Também são mais resistentes à fadiga térmica devido ao seu baixo coeficientede expansão.
Uma limitação dos aços ferríticos acontece nas aplicações criogênicas, devido a existência de transição dúctil-frágil. Ou seja apresenta Tenacidade limitada em baixas temperaturas.
 
Classificação
Grupo 1 (tipo 409/410L)
Apresenta o menor teor de Cromo de todos os tipos de aços inoxidáveis e é também o mais barato. Este grupo pode ser ideal para ambientes sem ou com pouca corrosão, ou aplicações onde uma pequena corrosão localizada aceitável.
 O tipo 409 foi desenvolvido originalmente para os silenciadores do sistema de exaustão dos automóveis (partes externas em ambientes corrosivos não severos).
O tipo 410L é utilizado para containers, ônibus e recentemente para as molduras dos monitores de LCD.
Grupo 2 (tipo 430)
É a família mais amplamente utilizada de ligas ferríticas. Com um teor mais alto de Cromo, os aços inoxidáveis do grupo 2 apresentam melhor resistência à corrosão e se comportam de forma muito parecida com o austenítico 304. Em algumas aplicações estes tipos são adequados para substituir o tipo 304 e são geralmente suficientes para aplicações em ambientes fechados. Os usos típicos incluem o tambor da máquina de lavar roupa, os painéis internos, etc.
Grupo 3 inclui os tipos 430Ti, 439, 441, etc.
Comparado ao grupo 2, estes tipos apresentam melhor soldabilidade. O comportamento deles é estável, em muitos casos melhor que o tipo austenítico 304.
 As aplicações comuns incluem pias, tubos de trocador de calor (indústria de açúcar, energia, etc.), sistemas de exaustão (vida útil mais longa que com o tipo 409) e peças soldadas das máquinas de lavar roupa.
Grupo 4 inclui os tipos 434, 436, 444, etc.
 Estes aços inoxidáveis receberam adição de Molibdênio para resistência extra à corrosão. 
As aplicações típicas incluem tanques de água quente, aquecedor solar para água, partes visíveis dos sistemas de exaustão, chaleira elétrica e elementos do forno de microondas, guarnições automotivas e painéis externos, etc.
Grupo 5 (tipos 446, 445/447 etc.) 
Contém Cromo adicional e Molibdênio para resistência extra à corrosão e descamação (oxidação superficial). Este aço inoxidável é superior ao tipo 316 no que diz respeito a estas propriedades.
 Os usos comuns incluem aplicações em ambientes marítimos e outros altamente corrosivos. 
Propriedades
Gráfico Tensão x Deformação 
 Sensitização dos Aços Inoxidáveis Ferríticos
 Sensitização dos Aços Inoxidáveis Ferríticos
 A cinética do processo e a faixa de temperatura na qual a preciptação/sensitização ocorre são muito diferentes para os aços inoxidáveis ferríticos e austeníticos, sendo mais rápida nos ferríticos. Desta forma, a diferença entre o fenômeno de sensitização nos aços inoxidáveis ferríticos e austenítcos baseia-se na melhor solubilidade de carbono e nitrogênio na ferrita do que na austenita, e consequentemente a preciptação mais rápida de carbonetos e nitretos.
 Este fenômeno é a principal razão para adição de Nb nos aços inoxidáveis ferríticos; ao aumentar o teor de Nb, haverá um aumento no limite de resistência e na dureza.
 Fragilização dos Aços Inoxidáveis Ferríticos a 475°C
Os aços inoxidáveis ferríticos, mais precisamente os de alto teor de Cr, estão sujeitos à fragilidade quando aquecidos a 475°C ou resfriados lentamente através dessa temperatura. A fase σ (FeCr ≈55%Cr e 45%Fe) ao se constituir, apresenta-se na forma de um precipitado duro e quebradiço ao longo dos contornos de grão, sua presença tende a reduzir a tenacidade e ductilidade do aço. O aparecimento da fase σ pode ser acelerado pelas adições de Ni, Mn e Si.
Aplicações
AÇOS MARTENSÍTICOS:
Aços Martensíticos
Neste grupo, a faixa de Cromo é de 11,15 a 18%. O teor de Carbono varia de 0,2 a 1,2%.
São temperáveis e na condiçao temperado e revenido apresentam elevadas propriedades mecânicas.
Estrutura Molecular e/ou Cristalina
AÇO MARTENSÍTICO
Propriedades
O carbono aumenta dureza, mas favorece a formação de carbonetos;
Trabalhável a frio e a quente, quando o percentual de carbono é baixo;
Boa relação entre resistência mecânica e resistência à corrosão;
Ferromagnético;
Endurecível por tratamento térmico;
Resistência à corrosão relativamente baixa;
Têmpera pode melhorar a resistência a corrosão.
Aspecto Importantes
Os aços martensíticos conferem elevada dureza após o tratamento térmico por têmpera, de tal maneira que a martensita seja o seu constituinte principal, a medida que eleva-se o teor de carbono, aumenta-se sua resistência ao desgaste abrasivo, porém com uma perda considerável em ductilidade e tenacidade.
Aspectos Importantes
Os conteúdos de Cr e C são balanceados de tal forma a permitir a fase austenítica, estável à alta temperatura, se transforme em uma fase martesítica, de alta dureza, quando resfrianda até a temperatura ambiente.
Variáveis importantes no tratamento térmico:
Temperatura / tempo de austenitização
Velocidade de resfriamento – têmpera (ar, água, óleo)
Temperatura / tempo de revenimento
Aspectos Importantes
Seleção da temperatura de têmpera
Aspectos Importantes
Opções de Revenido:
*200ºC - 350ºC, quando se deseja aumentar a resistência mecânica;
*600ºC - 700ºC, quando se desejar elevada ductilidade e tenacidade, em detrimento da resistência mecânica;
		O revenido na faixa de 400 e 600ºC não deve ser realizado porque provoca perda acentuada de resistência à corrosão e queda da tenacidade. A queda de resistência à corrosão é devida à precipitação de carbonetos grosseiros de Cr. Estes carbonetos também se formam na faixa superior de 600-700ºC, entretanto nestas temperaturas acredita-se que o Cr pode se difundir facilmente e eliminar ou reduzir as regiões pobres em Cr.
Aspectos Importantes:
Aspectos Importantes
Aplicações
AÇOS MARTENSÍTICOS
Aços Inoxidáveis Supermartensíticos
Para melhorar as propriedades mecânicas, a resistência à corrosão e soldabilidade dos aços inoxidáveis martensíticos convencionais, foram adicionados Ni e Mo, e reduzido o teor de carbono. Dependendo do tratamento térmico ou termomecânico, a microestrutura pode conter, além de martensita, quantidades minoritárias de austenita e ferrita.
Aço Inoxidáveis Supermartensíticos
Os aços supermartensíticos são mais baratos e podem apresentar resistência mecânica superior à dos aços duplex e superduplex. Entretanto, os duplex e superduplex podem apresentar melhor resistência à corrosão, dependendo das condições de uso (meio e temperatura).
AÇOS DUPLEX
Os aços inoxidáveis dúplex ferríticos-austeníticos fazem parte de uma classe de materiais com microestrutura bifásica, composta por uma matriz ferrítica e ilhas de austenita, com frações volumétricas aproximadamente iguais dessas fases. Essa classe de materiais é caracterizada por apresentar interessante combinação de elevadas propriedades mecânicas e de resistência à corrosão e, por isso, é considerada bastante versátil.
Os diferentes tipos de aços inoxidáveis duplex são, usualmente, separados em três grupos, com relação à composição química: 
Aços inoxidáveis duplex de baixa liga: devido ao menor teor de elementos de liga são materiais econômicos, não possuem molibdênio na composição química.
Aços inoxidáveis dúplex de média liga: nessa família, enquadram-se os duplex mais utilizados. A qualidade típica é o UNS S31803 (SAF 2205). Apresentam resistência à corrosão intermediária entre os austeníticos comuns e aços inoxidáveis superausteníticos com 5 e 6% de molibdênio. 
Aços inoxidáveis duplex de alta liga: comumente designados por superduplex. O UNS S32750 (SAF 2507) apresenta elevada resistência à corrosão comparável aos superausteníticos que possuem entre 5 e 6% de molibdênio. 
AÇO DUPLEX
Estrutura Molecular e/ou Cristalinas 
A microestrutura duplex pode ser obtida através do balanceamento dos elementos de liga e de tratamento termomecânico. O balanceamento dos elementos de liga, nos aços inoxidáveis duplex tem, por objetivo, controlar os teores de elementos estabilizadores de austenita, tais como níquel, carbono, nitrogênio e de elementosestabilizadores da ferrita, cromo, molibdênio e silício.
O tratamento termomecânico é, usualmente, realizado em temperaturas entre 1000 e 1250ºC. Nessa faixa de temperatura, os aços inoxidáveis apresentam um comportamento muito próximo do equilíbrio estável e metaestável, produzindo uma estrutura lamelar com grãos alongados na direção de laminação e composta por uma matriz ferrítica com ilhas de austenita, sendo de aproximadamente 35-55% de ferrita e 45-65% de austenita.
Aço Super-Duplex
A diferença básica entre os aços inoxidáveis duplex e super duplex consiste principalmente nas concentrações de cromo, níquel, molibdênio e nitrogênio que essas ligas apresentam, sendo que alguns desses elementos interferem diretamente na resistência à corrosão por pite.
Propriedades
A combinação entre os elevados valores de alongamento da austenita com o elevado limite de escoamento da ferrita nos aços inoxidáveis duplex, forma um conjunto de notáveis propriedades mecânicas.
Elevado limite de escoamento, na ordem de duas vezes o valor dos aços austeníticos.
Alongamento mínimo em torno de 25%.
Alta resistência ao impacto na temperatura ambiente (25ºC).
Elevada resistência a corrosão por pite e sob tensão. 
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Propriedades
Aspectos Importantes
Fragilização na fase σ (Sigma)
 (600ºC –1000ºC)
Precipitação de carbonetos de cromo
Fragilização a 475°C (350ºC-550ºC)
Precipitação de nitretos de Cromo na ferrita
Precipitação de austenita secundária
Outras fases
Transformação de Fase
Transformação de Fase
Precipitação de Fase Sigma após tratamento térmico de solubilização a 1120ºC em 30 minutos seguido de resfriamento em água e envelhecimento a 850 ºC por 5 minutos.
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Aplicações
AÇOS DUPLEX
Endureciveis por Precipitação(PH)
Os aços inoxidáveis endureciveis por precipitação (PH) são endurecíveis por tratamento de envelhecimento e assim tem algumas similaridades com os aços martensíticos, entretanto o processo metalúrgico para endurecimento é diferente.
Estes aços são capazes de atingir a resistência a tração até 1700 MPa. 
Normalmente tem estrutura martensítica e assim são ferro magnéticos. Os aços endurecíveis por precipitação (PH) tem boa ductilidade e tenacidade, dependendo do tratamento térmico. Sua resistência à corrosão é comparável ao aço austenítico 304 (1.4301). Podem ser soldados mais facilmente que os aços martensíticos comuns, estão desenvolvidos e usados de forma ampla tanto nos Estados Unidos como no Reino Unido, por exemplo nas aplicações aeroespaciais.
 Exemplo de aços PH são 17 – 4 PH (1.4542) e 520 B (1.4594). 
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Transformação de Fase 
Transformação de Fase
DIAGRAMA Fe-Cr
Transformação de Fase
Cr é ferritizante;
Normalmente tem N e C são austenitizantes;
Pequenos teores de C e N ampliam muito γ (26%Cr,0,19%Ce0,02%N);
Aumento da Tº de transformação (α/γ) (até 1250°C para 26%Cr);
Fase σ (44-50%Cr) para ligas com 20 a 70% Cr;
Precipitado α’ não-magnético, ccc, 61~83%Cr;
Decomposição eutetóide para ligas com 15~70%Cr em temperaturas 400~550°C e inicia em 44º±20°C;
Fragilização e redução de resistência a corrosão em ligas a 475°C(reversível).
Transformação de Fase
Cria campos de estabilidade para carbonetos
EFEITO DO CARBONO:
Transformação de Fase
Vantagem na utilização de aços inoxidáveis
Possibilidade de redução de espessura por não ter a necessidade de compensar perdas por corrosão.
Maior vida útil, mesmo partindo-se de menores espessuras.
Baixa rugosidade, o que reduza aderência de incrustações e facilita as operações de limpeza.
Menores custos de manutenção.
Maior coeficiente de troca térmica, facilita as transformações térmicas,químicas e metalúrgicas.