Classificação de aço:química e propriedades

As características definidoras do aço

Os sistemas de classificação de aço consideram a composição química, o tratamento e as propriedades mecânicas para permitir que os fabricantes selecionem o produto apropriado para sua aplicação. Além da porcentagem real de carbono e outras ligas no material, a microestrutura também tem uma influência significativa nas propriedades mecânicas do aço.

É importante entender a definição de microestrutura – e a forma como a microestrutura do aço pode ser manipulada usando a conformação a quente e a frio e após a fabricação. Essas técnicas podem ser usadas para desenvolver produtos com propriedades mecânicas específicas. No entanto, manipular a composição e a microestrutura resultará em um trade-off entre diferentes propriedades. Por exemplo, aço mais duro pode acabar com resistência reduzida.

Microestrutura

A microestrutura de um material é a maneira pela qual as moléculas são unidas com as forças que atuam entre essas moléculas. Os processos de aquecimento e resfriamento são usados ​​para alterar a microestrutura de uma forma para outra, alterando assim as propriedades do material.

A microestrutura não é observável a olho nu, mas pode ser estudada ao microscópio. O aço pode adotar várias microestruturas distintas – ferrita, perlita, martensita, cementita e austenita.

Ferrita

Ferrite é o termo usado para a estrutura molecular do ferro puro à temperatura ambiente. Aços com baixíssimo teor de carbono também adotarão essa mesma microestrutura. A forma característica da ferrita é uma estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (BCC). Visualmente, imagine um cubo com uma molécula em cada canto e uma molécula no centro do cubo. As moléculas são mais frouxamente empacotadas no BCC do que em outras microestruturas que contêm mais moléculas dentro de cada cubo. No entanto, a quantidade de carbono que pode ser adicionada sem alterar a microestrutura da ferrita é baixa em apenas 0,006% à temperatura ambiente.

Austenita

A austenita é uma microestrutura formada quando ligas à base de ferro são aquecidas acima de 1500˚F, mas abaixo de 1800˚F. Se a liga correta estiver presente no aço, como o níquel, o material manterá essa microestrutura mesmo quando resfriado. A forma característica da austenita é uma estrutura cristalina cúbica de face centrada (FCC). Visualmente, imagine um cubo com uma molécula em cada canto e uma molécula no centro de cada lado do cubo. As moléculas em uma configuração de austenita são mais densamente compactadas do que as de ferrita. A austenita pode conter até 2% de carbono e é uma microestrutura comum do aço inoxidável.

Cementita

Quando o aço carbono é aquecido na faixa de austenita - e depois resfriado sem qualquer liga presente para manter a forma de austenita - a microestrutura reverte para a forma de ferrita. No entanto, se o teor de carbono for superior a 0,006%, os átomos de carbono em excesso se combinam com o ferro para formar um composto químico chamado carboneto de ferro (Fe3C), também conhecido como cementita. A cementita não ocorre por conta própria porque parte do material permanecerá na forma de ferrita.

Perlita

A perlita é uma estrutura laminada formada por camadas alternadas de ferrita e cementita. Ocorre quando o aço é resfriado lentamente, formando uma mistura eutética. Uma mistura eutética é aquela em que dois materiais fundidos cristalizam simultaneamente. Sob essas condições, ferrita e cementita estão sendo formadas ao mesmo tempo, resultando em camadas alternadas dentro da microestrutura.

Martensita

A martensita tem uma estrutura cristalina tetragonal centrada no corpo. Essa forma microcristalina é obtida pelo resfriamento rápido do aço, o que faz com que os átomos de carbono fiquem presos dentro da rede de ferro. O resultado final é uma estrutura muito dura, semelhante a uma agulha, de ferro e carbono. O aço com uma estrutura microcristalina de martensita é geralmente uma liga de aço de baixo carbono contendo cerca de 12% de cromo.

É importante que os fabricantes e consumidores de aço entendam a microestrutura do aço e como isso afeta as propriedades mecânicas do material. O teor de carbono, as concentrações da liga e os métodos de acabamento têm impacto na microestrutura e podem, portanto, ser usados ​​para manipular as propriedades do produto acabado. É possível que duas amostras com o mesmo teor de liga tenham microestruturas diferentes dependendo dos métodos de acabamento e tratamentos térmicos utilizados.

Enformação a quente e a frio

Uma vez que o aço fundido é fundido, ele deve ser moldado em sua forma final e depois acabado para evitar a corrosão. O aço geralmente é moldado em formas prontas para a máquina:blocos, tarugos e placas. As formas fundidas são então formadas por laminação. A laminação pode ser realizada a quente, morno ou frio, dependendo do material e da aplicação alvo. Durante a laminação, a deformação por compressão é realizada usando dois rolos de trabalho. Os rolos giram rapidamente para puxar e apertar simultaneamente o aço entre eles.

Formação a frio

A conformação a frio é o processo de laminação do aço abaixo de sua temperatura de recristalização. A pressão exercida pelos rolos sobre o aço provoca deslocamentos na microestrutura do material, gerando grãos no material. À medida que esses deslocamentos se acumulam, o aço se torna mais duro e mais difícil de deformar ainda mais. A laminação a frio também faz com que o aço se torne quebradiço, o que pode ser superado por meio de tratamento térmico.

Após o término da laminação, as peças de aço são acabadas usando técnicas de processamento secundário para evitar a corrosão e melhorar as propriedades mecânicas:

• Revestimento
• Tratamento de superfície
• Tratamento térmico

Tratamento térmico

Efeitos do tratamento térmico

A microestrutura do aço pode ser alterada através de aquecimento e resfriamento controlados. Isso levou ao desenvolvimento de vários métodos de tratamento térmico para modificar a microestrutura e atingir uma mudança desejada nas propriedades mecânicas.

As microestruturas de aço experimentam mudanças de fase em temperaturas específicas. O tratamento térmico é baseado na compreensão e manipulação de certos pontos de transformação:

• Temperatura de normalização
  Austenita é a fase a partir da qual outras estruturas são formadas. A maioria dos tratamentos térmicos começa aquecendo o aço até uma fase austenítica uniforme de 1500–1800°F.
• Temperatura crítica superior
  A temperatura crítica superior é o ponto abaixo do qual a cementita ou a ferrita começam a se formar. Isso ocorre quando o aço está esfriando da temperatura de normalização. Dependendo do teor de carbono, esse ponto fica entre 1.333 e 1.670 ° F.
• Temperatura crítica mais baixa
  A temperatura crítica mais baixa é o ponto de transformação de austenita em perlita. A austenita não pode existir abaixo da temperatura crítica mais baixa de 1333°F.

A taxa de resfriamento - da temperatura de normalização até as temperaturas críticas superior e inferior - determinará a microestrutura de aço resultante à temperatura ambiente.

O tratamento térmico inclui uma variedade de processos, incluindo recozimento, têmpera e revenimento. No aço, ductilidade e resistência têm uma relação inversa. Os tratamentos térmicos podem aumentar a ductilidade em detrimento da resistência ou vice-versa.

Tipos de tratamento térmico

Esferoidização

A esferoidização ocorre quando o aço carbono é aquecido a aproximadamente 1290°F por 30 horas. As camadas de cementita na microestrutura da perlita são transformadas em esferóides, resultando na forma mais macia e dúctil do aço.

Recozimento total

O aço carbono é recozido primeiro aquecendo ligeiramente acima da temperatura crítica superior - mantendo essa temperatura por uma hora - e depois resfriando a uma taxa de aproximadamente 36°F por hora. Este processo produz uma estrutura perlítica grosseira que é dúctil sem tensões internas.

Recozimento de processo

O recozimento de processo alivia o estresse em aços de baixo carbono trabalhados a frio (> 0,3% C). O aço é aquecido a 1025–1292°F por uma hora. As discordâncias na microestrutura são reparadas pela reforma do cristal antes do resfriamento.

Recozimento isotérmico

O aço de alto carbono é primeiro aquecido acima da temperatura crítica superior. Em seguida, é mantido, resfriado até a temperatura crítica mais baixa e mantido novamente. Em seguida, é resfriado gradualmente até a temperatura ambiente. Este processo garante que o material atinja uma temperatura e microestrutura uniformes antes da próxima etapa de resfriamento.

Normalização

O aço carbono é aquecido à temperatura de normalização por uma hora. Neste ponto, o aço entra completamente na fase de austenita. O aço é então resfriado a ar. A normalização cria uma microestrutura perlítica fina com alta resistência e dureza.

Extinção

O aço de carbono médio ou alto é aquecido até a temperatura de normalização, depois resfriado (resfriamento rápido por imersão em água, salmoura ou óleo) até a temperatura crítica superior. O processo de têmpera produz uma estrutura martensítica – extremamente dura, mas quebradiça.

Revenimento de aço temperado

O tratamento térmico mais comum porque seu resultado pode ser previsto com precisão. O aço temperado é reaquecido a uma temperatura abaixo do ponto crítico inferior e, em seguida, resfriado. As temperaturas variam de acordo com o resultado pretendido, sendo a faixa de 298–401°F a mais comum. Este processo restaura alguma tenacidade ao aço temperado quebradiço, permitindo a formação de um pouco de esferoidita.

Propriedades mecânicas

As propriedades mecânicas são medidas de acordo com padrões internacionais, como a ASTM (American Society for Testing and Materials) ou SAE (Society of Automotive Engineers).

Principais propriedades mecânicas do aço

Dureza

Dureza é a capacidade de um material resistir à abrasão. O aumento da dureza pode ser alcançado aumentando o teor de carbono e por têmpera que leva à formação de martensita.

Força

A resistência do metal é a quantidade de força necessária para deformar um material. A normalização de uma peça de aço melhorará sua resistência criando uma microestrutura consistente em todo o material.

Ductilidade

Ductilidade é a capacidade de um metal se deformar sob tensão de tração. O aço formado a frio tem uma baixa ductilidade devido às discordâncias na microestrutura. O recozimento de processo melhorará isso, permitindo que os cristais se reformem e, portanto, eliminem alguns dos deslocamentos.

Resistência

A tenacidade é a capacidade de suportar o estresse sem quebrar. O aço temperado pode ser endurecido por revenimento, o que adiciona esferóides à microestrutura.

Usinabilidade

A usinabilidade é a facilidade com que o aço pode ser moldado por corte, retificação ou perfuração. A usinabilidade é influenciada principalmente pela dureza. Quanto mais duro o material, mais difícil de usinar.

Soldabilidade

A soldabilidade é a capacidade do aço de ser soldado sem defeitos. Depende principalmente da composição química e do tratamento térmico. O ponto de fusão, assim como a condutividade elétrica e térmica, todos têm influência na soldabilidade de um material.

Para obter mais informações sobre as propriedades mecânicas e testes do aço, consulte as propriedades e a produção de fundidos de aço.

Descritores de qualidade

Os descritores de qualidade são aplicados a produtos de aço em categorias amplas, como qualidade comercial, industrial ou estrutural. Essas etiquetas marcam determinados aços como adequados para aplicações e processos de fabricação específicos, permitindo uma navegação mais rápida no mercado e tomada de decisões. O aço é colocado em categorias específicas com base em vários fatores diferentes:

• Saudabilidade interna
• Composição química e uniformidade
• Grau de imperfeições da superfície
• Extensão dos testes durante a fabricação
• O número, o tamanho e a distribuição das inclusões
• Temperabilidade

Sistemas de classificação de aço

Especificações, como as emitidas pela ASTM, AISI (American Iron and Steel Institute) e SAE, fornecem uma linguagem padrão para engenheiros, fabricantes e consumidores comunicarem as propriedades do aço. A classificação geralmente é muito específica – incluindo tudo, desde composições químicas, propriedades físicas, tratamentos térmicos, processos de fabricação e formas.

ASTM

O sistema ASTM usa uma letra descritiva seguida de um número sequencial. Por exemplo, 'A' indica um metal ferroso e '53' é o número atribuído ao aço carbono galvanizado.

ASTM A53 teria as seguintes propriedades:

• Composição química, Max %
  • Carbono:0,25 (Grau A), 0,30 (Grau B)
  • Manganês:0,95 (Grau A), 1,20 (Grau B)
  • Fósforo:0,05
  • Enxofre:0,045
• Propriedades mecânicas
  • Resistência à tração, UTS:330 MPa ou 48.000 psi (Grau A), 414 MPa ou 60.000 psi (Grau B)
  • Resistência à tração, rendimento:207 MPa ou 30.000 psi (Grau A), 241 MPa ou 35.000 psi (Grau B)
• Forma e tratamento
  • Canal NPS 1/8 – NPS 26
  • Aço galvanizado
  • Preto e banhado a quente
  • Revestido de zinco
  • Soldado e sem costura

SAE

O sistema de numeração AISI/SAE usa um número de 4 dígitos para classificação. Os dois primeiros números indicam o tipo de aço e a concentração do elemento de liga, e os dois últimos números indicam a concentração de carbono.

Por exemplo, SAE 5130 descreve um aço contendo 1% de cromo e 0,30% de carbono. Os prefixos de letras são usados ​​como descritores de qualidade para a qualidade do comerciante.