Classificação de Aços Explicada: Química, Propriedades e Guia de Seleção

As características definidoras do aço

Sistemas de classificação de aços consideram composição química, tratamento e propriedades mecânicas para permitir que fabricantes selecionem o produto apropriado para sua aplicação. Além da porcentagem real de carbono e outras ligas no material, a microestrutura também tem 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 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 composição e microestrutura resultará em uma compensação 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 forças atuando entre aquelas moléculas. Processos de aquecimento e resfriamento são usados para mudar a microestrutura de uma forma para outra, mudando assim as propriedades do material.

Microestrutura não é observável a olho nu mas pode ser estudada sob microscópio. O aço pode adotar várias microestruturas distintas — ferrita, perlita, martensita, cementita e austenita.

Ferrita

Ferrita é o termo usado para a estrutura molecular do ferro puro à temperatura ambiente. Aço com teor de carbono muito baixo também adotará esta 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 em BCC que em outras microestruturas que contêm mais moléculas dentro de cada cubo. No entanto, a quantidade de carbono que pode ser adicionada sem mudar a microestrutura de ferrita é baixa, em apenas 0,006% à temperatura ambiente.

Austenita

Austenita é uma microestrutura formada quando ligas baseadas em ferro são aquecidas acima de 1500°F mas abaixo de 1800°F. Se a liga correta estiver presente no aço, como níquel, o material manterá esta 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 face do cubo. As moléculas em uma configuração de austenita são mais densamente empacotadas que as de ferrita. Austenita pode conter até 2% de carbono e é uma microestrutura comum do aço inoxidável.

Cementita

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

Perlita

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 estas condições, ferrita e cementita estão sendo formadas ao mesmo tempo, resultando em camadas alternadas dentro da microestrutura.

Martensita

Martensita tem uma estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado. Esta forma microcristalina é atingida resfriando o aço rapidamente, o que causa átomos de carbono a serem aprisionados dentro da rede de ferro. O resultado líquido é uma estrutura muito dura, em forma de agulha, de ferro e carbono. Aço com estrutura microcristalina de martensita é geralmente uma liga de aço de baixo carbono contendo cerca de 12% de cromo.

É importante para fabricantes e consumidores de aço entender a microestrutura do aço e como ela afeta as propriedades mecânicas do material. Teor de carbono, concentrações de liga e métodos de acabamento todos 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 usados.

Conformação a quente e a frio

Uma vez que o aço fundido é fundido, ele deve ser formado em sua forma final e então acabado para prevenir corrosão. O aço é geralmente fundido em formas prontas para usinagem: lingotes (blooms), tarugos (billets) e placas (slabs). As formas fundidas são então formadas por laminação. Laminação pode ser realizada a quente, morna ou a frio dependendo do material e aplicação alvo. Durante a laminação, deformação por compressão é realizada usando dois rolos de trabalho. Os rolos giram rapidamente para simultaneamente puxar e comprimir o aço entre eles.

Conformação a frio (Cold forming)

Conformação a frio é o processo de laminar aço abaixo de sua temperatura de recristalização. A pressão exercida pelos rolos no aço causa deslocamentos na microestrutura do material, criando grãos no material. À medida que esses deslocamentos se acumulam, o aço fica mais duro e mais difícil de deformar ainda mais. Laminação a frio também causa o aço a se tornar quebradiço, o que pode ser superado através de tratamento térmico.

Após a laminação estar completa, as peças de aço são acabadas usando técnicas de processamento secundário para prevenir corrosão e melhorar propriedades mecânicas:

• Revestimento (Coating)
• Tratamento superficial (Surface treatment)
• Tratamento térmico (Heat treatment)

Tratamento térmico (Heat treatment)

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.

Microestruturas de aço experimentam mudanças de fase em temperaturas específicas. Tratamento térmico é baseado em entender e manipular 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 a uma fase austenítica uniforme de 1500–1800°F.
• Temperatura crítica superior
  A temperatura crítica superior é o ponto abaixo do qual cementita ou ferrita começam a se formar. Isso ocorre quando o aço está resfriando da temperatura de normalização. Dependendo do teor de carbono, este ponto repousa entre 1333–1670°F.
• Temperatura crítica inferior
  A temperatura crítica inferior é o ponto de transformação austenita-para-perlita. Austenita não pode existir abaixo da temperatura crítica inferior de 1333°F.

A taxa de resfriamento — da temperatura de normalização através das temperaturas crítica superior e inferior — determinará a microestrutura do aço resultante à temperatura ambiente.

Tratamento térmico inclui uma gama de processos, incluindo recozimento (annealing), têmpera (quenching) e revenimento (tempering). No aço, ductilidade e resistência têm uma relação inversa. Tratamentos térmicos podem aumentar a ductilidade à custa da resistência, ou vice-versa.

Tipos de tratamento térmico

Esferoidização (Spheroidizing)

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

Recozimento total (Full annealing)

Aço carbono é recozido aquecendo primeiro ligeiramente acima da temperatura crítica superior — mantendo aquela temperatura por uma hora — então resfriando a uma taxa de aproximadamente 36°F por hora. Este processo produz uma estrutura perlítica grossa que é dúctil sem tensões internas.

Recozimento de processo (Process annealing)

Recozimento de processo alivia tensão em aço de baixo carbono trabalhado a frio (> 0,3% C). O aço é aquecido a 1025–1292°F por uma hora. Deslocamentos na microestrutura são reparados pela reforma do cristal antes do resfriamento.

Recozimento isotérmico (Isothermal annealing)

Aço de alto carbono é primeiro aquecido acima da temperatura crítica superior. Então é mantido, resfriado à temperatura crítica inferior, e mantido mais uma vez. Então é gradualmente resfriado à temperatura ambiente. Este processo garante que o material atinja uma temperatura e microestrutura uniformes antes da próxima etapa de resfriamento.

Normalização (Normalizing)

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 ao ar. Normalização cria uma microestrutura perlítica fina com alta resistência e dureza.

Têmpera (Quenching)

Aço de médio ou alto carbono é aquecido à temperatura de normalização, então temperado (resfriamento rápido por imersão em água, salmoura ou óleo) à temperatura crítica superior. O processo de têmpera produz uma estrutura martensítica — extremamente dura, mas quebradiça.

Revenimento de aço temperado (Tempering quenched steel)

O tratamento térmico mais comum porque seu resultado pode ser previsto com precisão. Aço temperado é reaquecido a uma temperatura abaixo do ponto crítico inferior, então resfriado. Temperaturas variam de acordo com o resultado pretendido — com a faixa de 298–401°F sendo a mais comum. Este processo restaura alguma tenacidade ao aço temperado quebradiço permitindo que algum esferoide se forme.

Propriedades mecânicas

Propriedades mecânicas são medidas de acordo com padrões internacionais como ASTM (Sociedade Americana para Testes e Materiais) ou SAE (Sociedade de Engenheiros Automotivos).

Principais propriedades mecânicas do aço

Dureza (Hardness)

Dureza é a capacidade de um material resistir à abrasão. Aumentar a dureza pode ser alcançado elevando o teor de carbono, e por têmpera que leva à formação de martensita.

Resistência (Strength)

Resistência do metal é a quantidade de força necessária para deformar um material. Normalizar uma peça de aço melhorará sua resistência criando uma microestrutura consistente através do material.

Ductilidade (Ductility)

Ductilidade é a capacidade de um metal deformar sob tensão de tração. Aço conformado a frio tem baixa ductilidade devido aos deslocamentos na microestrutura. Recozimento de processo melhorará isso permitindo que cristais se reformem e portanto eliminem alguns dos deslocamentos.

Tenacidade (Toughness)

Tenacidade é a capacidade de suportar estresse sem quebrar. Aço temperado pode ser tornado mais tenaz por revenimento que adiciona esferoides à microestrutura.

Usinabilidade (Machinability)

Usinabilidade é a facilidade com que o aço pode ser moldado por corte, retífica ou furação. Usinabilidade é influenciada principalmente pela dureza. Quanto mais duro o material, mais difícil de usinar.

Soldabilidade (Weldability)

Soldabilidade é a capacidade do aço ser soldado sem defeitos. É primariamente dependente de composição química e tratamento térmico. Ponto de fusão, bem como condutividade elétrica e térmica, todos têm influência na soldabilidade de um material.

Para mais informações sobre propriedades mecânicas e testes de aço, veja as propriedades e produção de fundições de aço.

Descritores de qualidade

Descritores de qualidade são aplicados a produtos de aço em categorias amplas como qualidade comercial (merchant), industrial ou estrutural. Estes rótulos marcam certos aços como adequados para aplicações e processos de fabricação específicos, permitindo navegação de mercado e tomada de decisão mais rápidas. O aço é colocado em categorias específicas baseadas em vários fatores diferentes:

• Solidez interna
• Composição química e uniformidade
• Grau de imperfeições superficiais
• Extensão de testes durante fabricação
• Número, tamanho e distribuição de inclusões
• Endurecibilidade (Hardenability)

Sistemas de classificação de aço

Especificações, como aquelas emitidas por ASTM, AISI (Instituto Americano de Ferro e Aço), e SAE, fornecem uma linguagem padrão para engenheiros, fabricantes e consumidores comunicarem as propriedades do aço. Classificação é frequentemente 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 por um número sequencial. Por exemplo, 'A' indica um metal ferroso, e '53' é o número atribuído a aço carbono galvanizado.

ASTM A53 teria as seguintes propriedades:

• Composição química, Máx. %
  • 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, Escoamento: 207 MPa ou 30.000 psi (Grau A), 241 MPa ou 35.000 psi (Grau B)
• Forma e tratamento
  • Tubo NPS 1/8 – NPS 26
  • Aço galvanizado
  • Preto e galvanizado a quente
  • Revestido com 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 concentração do elemento de liga, e os dois últimos números indicam concentração de carbono.

Por exemplo, SAE 5130 descreve um aço contendo 1% Cromo e 0,30% Carbono. Prefixos de letra são usados como descritores de qualidade para qualidade comercial.