Aços Especiais - Aços Inoxidáveis

Prévia do material em texto

Aços Especiais - I 
(MET 307)
Prof. Luiz Cláudio Cândido
FUNDAMENTOS DA METALURGIA DE AÇOS INOXIDÁVEIS
www.gesfram.em.ufop.br
candido@em.ufop.br
AÇOS INOXIDÁVEIS
A estrutura de um metal
Metal é um conjunto de cátions (positivos) arranjados
numa rede imersa num gás de elétrons sem localização
fixa (negativos) a qual garante coesão da estrutura.
Conseqüências:
1) O metal é um bom condutor de eletricidade e calor;
2) O gás de elétrons reflete ondas de luz;
3) O metal pode ser dúctil (deslocamento fácil de discordâncias);
4) O metal é oxidável (fácil separação de cátions e eletróns).
O que é um metal?
A estrutura de um metal e suas conseqüências.
Conseqüências na resistência à corrosão:
O paradoxo na resistência à corrosão:
Os metais que mais se oxidam são os que mais corroem.
Os materiais que mais corroem são também os que mais se passivam.
Reações anódicas e catódicas em uma superfície metálica
Desestabilização do filme passivo
Corrosão por pite
Os aços inoxidáveis também são:
- higiênicos
- fáceis de serem limpos
- de fácil manutenção
- podem ser unidos facilmente, utilizando-se práticas comuns de caldeamento
e soldagem, além de métodos adesivos e mecânicos.
- 100% recicláveis
- forte apelo visual (modernidade, leveza e prestígio)
- relação custo/benefício favorável
- baixo custo de manutenção
 Os aços inoxidáveis são populares devido a sua habilidade única de auto-
proteção, combinada com muitas características adicionais, incluindo a
resistência à corrosão, resistência mecânica e a grandes variações de
temperatura.
Estrutura dos Metais Puros
• Rede cristalina: arranjo de alta simetria de átomos.
• Nos metais puros, os átomos se encontram em arranjos de alta simetria chamados:
REDE ou ESTRUTURA CRISTALINA.
• O menor agrupamento de átomos que quando repetido em todas as direções desenvolve o
reticulado cristalino é a CÉLULA UNITÁRIA.
• A maioria dos metais é caracterizada por 3 tipos
de célula unitária:
CCC: Fe , Fe , Cr, Mo, V, etc.
CFC: Fe , Ni, Cu, Al, Mn, Co, etc.
HC: Zn, Mg, Ti, etc.
Variedades cristalinas do Ferro
• O ferro apresenta as variedades cristalinas:
- de O K à 910oC Fe , de estrutura CCC
- de 910 à 1390oC Fe , de estrutura CFC
- de 1390 à 1538oC Fe , de estrutura CCC
• O aço, sendo uma liga Fe-C com maior ou menor adição de liga, tem suas propriedades,
principalmente, devidas:
- à estas variedades cristalinas
- ao efeito dos principais elementos de liga (Ni, Cr, C, N,etc.) sobre a estrutura cristalina
das ligas e por conseqüência, nos seus diagramas de constituição. 
Estrutura de Ligas
• Solução sólida substitucional:
- raios atômicos semelhantes: Fe, Cr, Ni, Mo, Mn, etc.
- adota a estrutura do solvente
- provoca alteração do parâmetro da rede do solvente
• Solução sólida intersticial:
- raio atômico do soluto muito menor que do solvente: C, N, B, etc.
- se localiza nos interstícios
- provoca aumento no parâmetro da rede do solvente
• Compostos intermediários:
- estrutura cristalina diferente do solvente e do soluto: carbonetos, nitretos, fases intermetálicas
(sigma, Laves, etc.)
Diagrama Fe-C
 Solubilidade máxima de C:
- austenita ( ) –- 1,7%
- ferrita –- 0,04% 
- ferrita –- 0,15%
 Altas temperaturas: ferrita , austenita e cementita
 Baixas temperaturas: 
- condições de equilíbrio:
. decomposição da austenita em ferrita e cementita
 Baixas temperaturas: 
- resfriamento rápido:
. Formação da estrutura 
metaestável martensita.
Constituintes da liga Fe-C
• ferrita - solução sólida intersticial de carbono no Fe - CCC
• austenita – solução sólida instersticial de carbono no Fe - CFC
• cementita – composto intermediário - Fe3C
• martensita – solução sólida intersticial (supersaturada) de carbono no Fe - CCC
A adição crescente de Cr a uma liga Fe-C restringe a região de austenita e a transforma em um 
aço inoxidável ferrítico.
Diagrama Fe - C Diagrama Fe – C – 18%Cr
Efeito do Cr e do C no diagrama Fe-Cr-C
Efeito do Cr e do C no diagrama Fe-Cr-C
A adição crescente de Ni em um aço ferrítico com 18%Cr o transforma em austenítico.
Como o C, o N é um elemento fortemente gamagênio. Quando a percentagem de N passa de 0,05% (baixo N)
para 0,15%, o aço inox. austeno-ferrítico com 21% Cr e 9%Ni se torna inteiramente austenítico.
Efeito do N na constituição dos aços inox à temperatura ambiente
Molibdênio: influência do Mo, elemento ferritizante, sobre a estrutura à temperatura ambiente de aços inox. 
austeníticos contendo de 0,04 a 0,1%C, resfriados a partir de 1100 - 1150oC.
• o aço inox. com 18%Cr e 10%Ni deixa de ser totalmente austenítico quando contém 2% Mo; ponto a: 
• para conservar a estrutura austenítica o teor de Ni deve ser elevado para o ponto b; 
• ou o ponto c se o teor de Mo é de 3%.
Titânio e Nióbio: Além de serem por si, ferritizantes, eles fixam os elementos austenitizantes C e N sob a 
forma de carbonetos e nitretos.
c 18Cr-14Ni-3Mo
b 18Cr-12Ni-2Mo
a 18Cr-10Ni-2Mo
Efeito do Mo na constituição dos aços inox à temperatura ambiente
Cr e Ni equivalentes
• Os elementos de liga podem ser divididos em:
- alfagênenos ou ferritizantes: Cr, Si, Mo, Ti, Nb, V
- gamagênios ou austenitizantes: Ni, C, N, Mn, Co
• Previsão da estrutura de ligas Diagrama de Schaeffler
• A cada elemento é atribuído um coeficiente que representa seu poder de estabilização
da austenita ou da ferrita. 
• Os coeficientes são definidos em relação ao Cr e ao Ni
- Niequiv = % Ni + %Co + 0,5%Mn + 30%C + 0,3%Cu + 25%N
- Crequiv = %Cr + 2,0%Si +1,5%Mo + 5,5%Al + 1,75%Nb +1,5%Ti + 0,75%W
AÇOS INOXIDÁVEIS AUSTENÍTICOS
AÇOS INOX DA SÉRIE 300
AusteníticosAplicações 
Estruturais,
Alta resistência
Série 200
C 0,15
Cr 16/19
Ni 3,5/6
Mn 5,5/10
Menor
resistência 
à corrosão
305
C 0,12
Cr 17/19
Ni 10,5/13
Aços Inox
austeno-
ferríticos
Ligas
Ni-Cr-Fe
304
C 0,08
Cr 18 /20
Ni 8 /10,5
303
C 0,08
Cr 17/19
Ni 8/10
S 0,15
310
C 0,25
Cr 24/26
Ni 19/22
20Cr-25Ni
4,5 Mo
1,5 Cu
C 0,03
Resistência à
corrosão em altas 
temperaturas
Melhor
estampabilidade
Resistência à 
oxidação em altas
temperaturas
Propriedades
mecânicas
Resistência à 
corrosão por pites,
Melhor resistência
em meios ácidos
redutores
301
C 0,15
Cr 16/18
Ni 6/8
304 L
C 0,03
Cr 18/20
Ni 8/12
321
C 0,08
Cr 17/19
Ni 9/12
Ti 5 x (C+N)
316L
C 0,03
Cr 16/18
Ni 10/14
Mo 2/3
347
C 0,08
Cr 17/19
Ni 9/13
(Nb+Ta) 10 x C
317 L
C 0,03
Cr 18/20
Ni 11/15
Mo 3/4
Melhor usinabilidade
Menor resist. corrosão
304H
C 0,04/0,10
Cr 18/20 
Ni 8/10,5
316H
C 0,04/0,10
Cr 16/18
Ni 10/14
Mo 2/3
+Ni
-Ni +Cr
+Ni
+Cr
+Ni
+S ou Se
-Ni
-Cr
Resistência
à corrosão
intergranular
+Mn
+N2
-Ni
317
C 0,08
Cr 18/20
Ni 11/15
Mo 3/4
316
C 0,08
Cr 16/18
Ni 10/14
Mo 2/3
+Mo
+Ni
+Cr
+Mo
+Cu+Mo
Resistência à
corrosão por pites
Alta Resistência
+Ti
+Nb
+Ta
+C
-C -C -C
+C
Pseudo diagrama de equilíbrio Fe-18Cr-8Ni para teores de C crescentes.
• A estrutura de uma liga em “altas” temperaturas é constituída de austenita e uma pequena quantidade de 
ferrita-delta.
• A solubilidade do C na austenita diminui sensivelmente com a temperatura.
• A estrutura na temp. ambiente, em ligas contendo entre 0,03 e 0,07%C, deve conter, além da austenita, 
uma pequena quantidade de ferrita e carbonetos (decorrentes da queda de solubilidade do C na austenita).
Diagrama Fe-C-18%Cr-8%Ni
• C < 0,03%: ferrita + carbonetos
Ligas de pureza comercial
• Em termos do novo diagrama, também em equilíbrio, a austenita contendo menos de 0,03%C é estável,
enquanto que para maiores teores de C ela precipitará carbonetos do tipo M23C6 quando resfriados abaixo
da linha de solubilidade.
Nas ligas de pureza comercial, e ainda em
condições de equilíbrio, a presença de
ferrita é desprezível;
C < 0,03 % - a austenita é estável;
C > 0,03 % - austenita + carbonetos.
Grão Austenítico Recozido
Evolução da temperatura MS de um aço 18%Cr-0,04%C em função do teor de níquel.Transformação martensítica por resfriamento
• Sob efeito de uma deformação a frio, a austenita pode se transformar em martensita ` ou .
• Define-se assim, uma tempertura Md (> MS) acima da qual nenhuma transformação de austenita
em martensita se produz, qualquer que seja a taxa de deformação.
Transformação da austenita em martensita induzida por deformação
Influência da temperatura e da deformação na transformação martensítica em um aço 18-10.
• Na ausência de deformação, o aço inox. é totalmente austenítico, qualquer que seja a temperatura
considerada, pois o valor de MS é de -188
oC.
• Para uma dada taxa de deformação, a percentagem de martensita de encruamento aumenta
quando a temperatura diminui.
• Para temperaturas superiores a 80oC, não há transformação induzida por deformação nestes aços.
• A temperaturas da ordem de 150oC não ocorre mais transformação em martensita por mais instável 
que seja a austenita.
ln (l/lo)
Martensita Induzida por Deformação
Fase Parâmetro de
Rede
Valor A°
a 3,588
’ a 2,872
a 2,532
c 4,114
Após deformação à frio ~ 10% da energia utilizada é armazenada no material
na forma de “defeitos” cristalinos.
Adicionalmente aos “defeitos” cristalinos podem ocorrer duas fases
martensíticas ’ (CCC ferromagnética) e (HCP paramagnética).
A ocorrência da fase é muito dependente da energia de defeito 
de empilhamento (EDE).
EDE < 50 mJm2 ----> ’ e 
EDE > 50 mJm2 ----> ’
Martensita Induzida por Deformação
• A velocidade de precipitação de carbonetos M23C6 cresce com o aumento do teor de C no aço;
• O Mo diminui a solubilidade do C na austenita e acelera a precipitação de M23C6 ; 
• O Cr é parcialmente substituído pelo Fe, pelo Mo e pelo Ni nos carbonetos de fórmula geral
(Cr, Fe, Mo, Ni)23C6, daí, a designação M23C6;
• O aumento de temperatura provoca um crescimento de grão e uma aceleração da precipitação
dos carbonetos M23C6;
• A deformação a frio aumenta também a velocidade de formação dos carbonetos.
• Apresentam o fenômeno de sensitização por exposição entre 450 e 850°C, com queda 
das resistências à corrosão e mecânica.
• Indústrias químicas:
– reduzir freqüentes e caras paradas por corrosão de equipamentos
• resistência em meios ácidos com aumento Cr, Ni e Mo
• Mo - resistência à pites 
• Indústria farmacêutica:
– evitar contaminação por contato com produtos de corrosão
– maior versatilidade pela facilidade de limpeza
• indústria alimentícia: laticínios, cervejaria, vinhos, carnes, enlatados
– facilidade de descontaminação igual ao do vidro
• tanques para transporte rodo-ferroviários
– facilidade de limpeza, utilização para diferentes líquidos
• utensílios domésticos, hoteleiros, hospitalares: aparência e higiene
• arquitetura: acabamentos internos e externos
Efeito da temperatura no alongamento uniforme, para um 
aço inox. austenítico de Md30 - 30
oC.
• Para uma certa temperatura, a formação da martensita é atrasada para níveis elevados de deformação
e seu efeito no encruamento ocorre justamente no início da estricção, levando a uma deformação
uniforme máxima.
• Já foi demonstrado que T, em oC, para a qual se obtém o alongamento uniforme máximo está
relacionada à Md30 com a seguinte relação: T 41,2 + 0,62 Md30
• A deformação uniforme em tração passa
por um máximo para uma dada
temperatura.
• A liga ideal deve apresentar uma faixa de
temperaturas onde o alongamento uniforme é
máximo.
• Os aços inox. austeníticos estáveis são melhor indicados em deformação por compressão,
repuxos e estampagens complexas, em múltiplos estágios, sem recozimento.
• Por outro lado, para altas deformações em um único estágio, como também nas aplicações
estruturais, a transformação em martensita aumenta o encruamento e o alongamento dos aços
inox. austeníticos instáveis, tornando-os mais adequados.
• Os aços inox. austeníticos instáveis demandam uma abordagem metalúrgica e condições
de trabalho otimizadas para evitar o fenômeno de fratura posterior. Assim, um aumento da
velocidade de estampagem se traduz em um aumento da temperatura atingida pelo metal 
durante a conformação e uma diminuição da quantidade de martensita de deformação, o que
reduz o risco de fratura posterior.
Observações gerais:
Resistência
• Não magnético:
- se inteiramente austenítico
- martensita é magnética
• O calor específico é da mesma ordem de 
grandeza do conjunto de aços inoxidáveis.
AÇOS AUSTENÍTICOS 
PRODUZIDOS PELA ACESITA
Aço C (%) Cr(%) Ni(%)
Outros 
elementos
Aplicações
0,05 17,00 6,50
0,08 17,80 7,00
0,04 18,00 8,00
0,07 18,80 8,35
0,01 18,00 8,30
0,025 18,80 8,70
0,01 16,50 10,00
0,03 17,30 10,50
0,01 16,50 10,00
0,025 17,30 10,50
P301A Fins estruturais-
P316B
Maior resistência à corrosão; ambientes 
mais agressivos
P316L
Semelhante ao P316, porém com maior 
resistência à sensitização
Mo: 2,0
Mo: 2,0
P304H
Aplicações onde são exigidas elevadas 
resistências à corrosão
P304L
Aplicações onde são exigidas elevadas 
resistências à corrosão, porém o aço 
apresentam resistência à sensitização
-
-
Série 3XX - Austeníticos
Catálogo dos Produtos Inox
Aços Inox produzidos pela ACESITA
Aço AISI Aço Acesita (ACE)
301 301A
304H - Aplicações gerais
304B - Estampagem profunda
304
304L 304D
316/316L 316B - Dupla certificação
321 321A
APLICAÇÕES 
• Aplicações que exigem resistência à corrosão e alta estampabilidade. 
• Indústria alimentícia (vinho).
• Uso arquitetural. 
• Equipamentos para indústrias.
AÇOS INOXIDÁVEIS MARTENSÍTICOS
• Os conteúdos de Cr e C são balanceados de tal forma a permitir que a
fase austenítica, estável à alta temperatura, se transforme em uma fase
martensítica, de alta dureza, quando resfriada até a temperatura
ambiente.
• Variáveis importantes no TT: 
Temperatura / tempo de austenitização
Velocidade de resfriamento - têmpera (ar, água, óleo)
Temperatura/tempo de revenimento
• Estes aços são vendidos no estado recozido, com estrutura ferrítica,
baixa dureza e boa ductilidade.
AÇOS MARTENSÍTICOS
alfagênio
• Os aços martensíticos podem ser divididos em:
Aços com médio teor de carbono, como o 420 e o 498
Aços com alto teor de carbono como o 440
AÇOS MARTENSÍTICOS
Aço C (%) Cr(%) Aplicações
0,30 12,00
0,35 14,00
0,18 12,00
0,22 14,00
0,42 13,00
0,47 13,50
P420A
P420D
P498
cutelaria, instrumentos cirúrgicos
cutelaria profissional
• A ACESITA produz os aços martensíticos: 420A, 420D e 498
AÇOS MARTENSÍTICOS
Estado recozido
Matriz ferrítica Carbonetos de cromo
Estado temperado
Matriz martensítica
Facas profissionais.Instrumentos cirúrgicos.
A alta dureza e conseqüente resistência ao desgaste permitem aplicações em
cutelaria, discos de freio, equipamentos cirúrgicos/odotológicos e turbinas.
APLICAÇÕES
Facas.
Influência do revenimento sobre a resistência ao ataque em solução normal de ácido 
nítrico de um aço inoxidável martensítico para cutelaria.
AÇOS INOXIDÁVEIS FERRÍTICOS
alfagênio
AÇOS FERRÍTICOS
boa resistência à corrosão
Aço 430 (16% Cr): boa capacidade de estampagem
limitação: soldabilidade
Por quê?
 Formação parcial da martensita
 Crescimento excessivo do tamanho de grão
Este aço é muito utilizado em aplicações que não
precisam de soldagem ou quando a solda não é
considerada de alta responsabilidade.
Formação de Martensita
Microestrutura de uma junta soldada de um aço 430 apresentando martensita na ZTA.
Transformação martensítica 
Ferritico estabilizado (Ti e Nb).Ferritico não estabilizado (temperado).
Crescimento de grão
Crescimento de grão ao longo da ZAC de 
um aço AISI 409.
Efeito do tamanho de grão sobre a 
temperatura de transição de um aço 
ferrítico AISI 430.
Produção de Aços Ferríticos na ACESITA
Aço C (%) Cr(%) Outros elementos Aplicações
- 11,10
0,014 11,70
0,040 16,00 -
0,060 16,50
- 16,00
0,025 16,50
- 17,00
0,020 17,75
- 17,80
0,018 18,30
-17,50
0,020 18,00
Ti Sistema de exaustão de automóveis
P441A Ti e Nb Sistemas de exaustão, partes mais quentes
P409A
P444A Ti, Nb e Mo Sistemas agressivos, com cloretos
P430A
P434A
Geral, talheres, baixelas, revestimentos, pias
Mo Sistema de exaustão - parte fria
P439A Ti Geral, linha branca, usinas de açúcar
0,015 16,00
Nb
0,050 16,50
P430E Talheres, baixelas, pias, estampagem em geral
Tempo, segundos
AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO
AÇO INOXIDÁVEL FERRÍTICO
900
800
700
600
500
400
300
10
-2
10
4
10
3
10
2
10
1
10
0
10
-1
T
E
M
P
E
R
A
T
U
R
A
 º
C
Microestrutura de um aço AISI 304; tratamento térmico à 675oC, durante 
15 minutos, resfriamento ao ar; ácido oxálico a 10% (peso), 400X 
APLICAÇÕES
Baixelas
Pias
TalheresUtensílios domésticos
APLICAÇÕES
Coifas
Cesto de máquina 
de lavar roupas
Mesa de fogão
Revestimentos
DIN 1.4110
(ACE 498)
C 0,42/0,47
Cr 13,0/13,5
Mo 0,50/0,55
409
C 0,08
Cr 10,5/11,75
Ti 6 x C
439
C 0,07
Cr 17/19
Ti 0,20 + 4 (C+N)
DIN 1.4509
(ACE 441)
C 0,03
Cr 17,5/18,5
Nb 3 x C + 0,30
430
C 0,12
Cr 16/18
420
C 0,15
Cr 12/14
434
C 0,12
Cr 16/18
Mo 0,75/1,25
410S
C 0,08
Cr 11,5/13,5 
444
C 0,025
Cr 17,5/19,5
Mo 1,75/2,50
Ti+Nb 0,20 + 4 (C+N)
409
C 0,08
Cr 10,5/11,75
Ti 6 x C
409
C 0,08
Cr 10,5/11,75
Ti 6 x C
-C
+Cr
+C
+Mo
-C
-Cr
+Ti
-C
-Cr
+Ti
+Mo
+Ti
+Mo
+Nb
+Nb
Melhor resistência à corrosão por pites.
Caixas d’água, aquecedores d’água.
Tubos evaporadores.
Melhor resistência à fluência
em altas temperaturas.
Sistema de escapamento de
automóveis.
Recheios de colunas
de destilação
Componentes do sistema de
escapamento de automóveis.
Máquinas de lavar roupas.
Microondas.
Melhor resistência ao pite.
Sistema de escapamento de
automóveis.
Talheres, baixelas, pias,
fogões, moedas, etc
Sistema de
escapamento.
Facas,
Discos de freios.
Maior dureza.
Resistência ao desgaste.
Facas profissionais.
53 HRc
Martensíticos Ferríticos
Cr 13,0/13,5
Cr 10,5/11,75
Cr 11,5/13,5
Cr 12/14 Cr 16/18
Cr 16/18
Cr 17/19
Cr 17,5/18,5
Cr 17,5/19,5
57 HRc
DIN 1.4110
(ACE 498)
C 0,42/0,47
Cr 13,0/13,5
Mo 0,50/0,55
409
C 0,08
Cr 10,5/11,75
Ti 6 x C
439
C 0,07
Cr 17/19
Ti 0,20 + 4 (C+N)
DIN 1.4509
(ACE 441)
C 0,03
Cr 17,5/18,5
Nb 3 x C + 0,30
430
C 0,12
Cr 16/18
420
C 0,15
Cr 12/14
434
C 0,12
Cr 16/18
Mo 0,75/1,25
410S
C 0,08
Cr 11,5/13,5 
444
C 0,025
Cr 17,5/19,5
Mo 1,75/2,50
Ti+Nb 0,20 + 4 (C+N)
409
C 0,08
Cr 10,5/11,75
Ti 6 x C
409
C 0,08
Cr 10,5/11,75
Ti 6 x C
-C
+Cr
+C
+Mo
-C
-Cr
+Ti
-C
-Cr
+Ti
+Mo
+Ti
+Mo
+Nb
+Nb
Melhor resistência à corrosão por pites.
Caixas d’água, aquecedores d’água.
Tubos evaporadores.
Melhor resistência à fluência
em altas temperaturas.
Sistema de escapamento de
automóveis.
Recheios de colunas
de destilação
Componentes do sistema de
escapamento de automóveis.
Máquinas de lavar roupas.
Microondas.
Melhor resistência ao pite.
Sistema de escapamento de
automóveis.
Talheres, baixelas, pias,
fogões, moedas, etc
Sistema de
escapamento.
Facas,
Discos de freios.
Maior dureza.
Resistência ao desgaste.
Facas profissionais.
53 HRc
Martensíticos Ferríticos
Cr 13,0/13,5
Cr 10,5/11,75
Cr 11,5/13,5
Cr 12/14 Cr 16/18
Cr 16/18
Cr 17/19
Cr 17,5/18,5
Cr 17,5/19,5
57 HRc
PROPRIEDADES GERAIS