Propriedades, composições e aplicações de aços padrão

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Aço é o termo genérico para uma grande família de ligas ferro-carbono que são maleáveis, dentro de alguma faixa de temperatura, imediatamente após a solidificação do estado fundido.

As principais matérias-primas utilizadas na siderurgia são minério de ferro, carvão e calcário. Esses materiais são convertidos em um alto-forno em um produto conhecido como “ferro-gusa”, que contém quantidades consideráveis de carbono, manganês, enxofre, fósforo e silício. O ferro-gusa é duro, quebradiço e inadequado para processamento direto em formas forjadas. A fabricação de aço é o processo de refino de ferro gusa, bem como sucata de ferro e aço, removendo elementos indesejáveis do fundido e, em seguida, adicionando elementos desejáveis em quantidades predeterminadas. Uma reação primária na maioria das siderúrgicas é a combinação de carbono com oxigênio para formar um gás. Se o oxigênio dissolvido não for removido da massa fundida antes ou durante o vazamento, os produtos gasosos continuam a evoluir durante a solidificação. Se o aço é fortemente desoxidado pela adição de elementos desoxidantes, nenhum gás é liberado, e o aço é chamado de “morto” porque fica quieto nos moldes. Graus crescentes de evolução de gás (diminuição da desoxidação) caracterizam os aços chamados “semi-mortos”, “capeados” ou “aros”. O grau de desoxidação afeta algumas das propriedades do aço. Além do oxigênio, o aço líquido contém quantidades mensuráveis de hidrogênio e nitrogênio dissolvidos. Para algumas aplicações críticas de aço, práticas especiais de desoxidação, bem como tratamentos a vácuo podem ser usados para reduzir e controlar gases dissolvidos.

O teor de carbono dos tipos de aço comuns varia de alguns centésimos de um por cento a cerca de 1 por cento. Todos os aços também contêm quantidades variáveis de outros elementos, principalmente manganês, que atua como desoxidante e facilita o trabalho a quente. Silício, fósforo e enxofre também estão sempre presentes, mesmo que apenas em pequenas quantidades. Outros elementos podem estar presentes, tanto como resíduos que não são adicionados intencionalmente, mas resultam das matérias-primas ou da prática de fabricação de aço, ou como elementos de liga adicionados para efetuar mudanças nas propriedades do aço.

Os aços podem ser moldados em forma, ou o lingote ou cordão fundido pode ser reaquecido e trabalhado a quente por laminação, forjamento, extrusão ou outros processos em uma forma de laminação forjada. Os aços forjados são os materiais de engenharia mais amplamente utilizados, oferecendo uma infinidade de formas, acabamentos, resistências e faixas de temperatura utilizáveis. Nenhum outro material oferece versatilidade comparável para o design do produto.

Classificação de aço padrão

Os aços forjados podem ser classificados sistematicamente em grupos com base em alguma característica comum, como composição química, prática de desoxidação, método de acabamento ou forma do produto. A composição química é a base mais usada para identificar e atribuir designações padrão aos aços forjados. Embora o carbono seja o principal elemento de endurecimento e fortalecimento do aço, nenhum elemento individual controla as características do aço. O efeito combinado de vários elementos influencia a resposta ao tratamento térmico, dureza, resistência, microestrutura, resistência à corrosão e conformabilidade. Os aços padrão podem ser divididos amplamente em três grupos principais:aços carbono, aços liga e aços inoxidáveis.

Aços Carbono

Um aço se qualifica como aço carbono quando seu teor de manganês é limitado a 1,65 por cento (máximo), silício a 0,60 por cento (máximo) e cobre a 0,60 por cento (máximo). Com exceção de desoxidantes e boro quando especificado, nenhum outro elemento de liga é adicionado intencionalmente, mas eles podem estar presentes como resíduos. Se algum desses elementos incidentais for considerado prejudicial para aplicações especiais, os limites máximos aceitáveis podem ser especificados. Em contraste com a maioria dos aços-liga, os aços carbono são mais frequentemente usados sem tratamento térmico final; no entanto, eles podem ser recozidos, normalizados, endurecidos ou temperados e revenidos para melhorar a fabricação ou as propriedades mecânicas. Os aços carbono podem ser mortos, semi-mortos, revestidos ou com aros e, quando necessário, o método de desoxidação pode ser especificado.

Aços de liga

Os aços de liga compreendem não apenas aqueles graus que excedem os limites de conteúdo de elementos para aço carbono, mas também qualquer grau ao qual são adicionados elementos diferentes daqueles usados para aço carbono, dentro de faixas específicas ou mínimos específicos, para melhorar as propriedades mecânicas, características de fabricação ou qualquer outro atributo do aço. Por esta definição, os aços-liga abrangem todos os aços exceto os aços carbono; no entanto, por convenção, os aços contendo mais de 3,99% de cromo são considerados “tipos especiais” de ligas de aço, que incluem os aços inoxidáveis e muitos dos aços-ferramenta.

Em um sentido técnico, o termo liga de aço é reservado para aqueles aços que contêm uma quantidade modesta de elementos de liga (cerca de 1-4%) e geralmente dependem de tratamentos térmicos para desenvolver propriedades mecânicas específicas. Aços de liga são sempre mortos, mas práticas especiais de desoxidação ou fusão, incluindo vácuo, podem ser especificadas para aplicações críticas especiais. Os aços-liga geralmente requerem cuidados adicionais ao longo de sua fabricação, pois são mais sensíveis às operações térmicas e mecânicas.

Aços inoxidáveis

Os aços inoxidáveis são aços de alta liga e têm resistência à corrosão superior ao carbono e aos aços convencionais de baixa liga porque contêm quantidades relativamente grandes de cromo. Embora outros elementos também possam aumentar a resistência à corrosão, sua utilidade neste aspecto é limitada.

Os aços inoxidáveis geralmente contêm pelo menos 10% de cromo, com ou sem outros elementos. Tem sido costume nos Estados Unidos, no entanto, incluir na classificação de aço inoxidável aqueles aços que contêm apenas 4% de cromo. Juntos, esses aços formam uma família conhecida como aços inoxidáveis e resistentes ao calor, alguns dos quais possuem alta resistência e resistência à oxidação. Poucos, no entanto, contêm mais de 30% de cromo ou menos de 50% de ferro.

No sentido mais amplo, os aços inoxidáveis padrão podem ser divididos em três grupos com base em suas estruturas:austeníticos, ferríticos e martensíticos. Em cada um dos três grupos, há uma composição que representa a liga básica de uso geral. Todas as outras composições são derivadas da liga básica, sendo feitas variações específicas na composição para obter propriedades muito específicas.

Os graus austeníticos não são magnéticos na condição recozida, embora alguns possam se tornar ligeiramente magnéticos após o trabalho a frio. Eles podem ser endurecidos apenas por trabalho a frio, e não por tratamento térmico, e combinam excelente resistência à corrosão e ao calor com boas propriedades mecânicas em uma ampla faixa de temperatura. Os tipos austeníticos são ainda classificados em dois subgrupos:os tipos cromo-níquel e os tipos cromo-manganês-baixo-níquel menos usados. A composição básica do grupo cromo-níquel é amplamente conhecida como 18-8 (Cr-Ni) e é a classe austenítica de uso geral. Esta classe é a base para mais de 20 modificações que podem ser caracterizadas da seguinte forma:a relação cromo-níquel foi modificada para alterar as características de conformação; o teor de carbono foi reduzido para evitar a corrosão intergranular; os elementos nióbio ou titânio foram adicionados para estabilizar a estrutura; ou molibdênio foi adicionado ou os teores de cromo e níquel foram aumentados para melhorar a resistência à corrosão ou oxidação.

As classes ferríticas padrão são sempre magnéticas e contêm cromo, mas não níquel. Eles podem ser endurecidos até certo ponto por trabalho a frio, mas não por tratamento térmico, e combinam resistência à corrosão e ao calor com propriedades mecânicas moderadas e apelo decorativo. Os graus ferríticos geralmente são restritos a uma faixa mais estreita de condições corrosivas do que os graus austeníticos. O grau ferrítico básico contém 17 por cento de cromo. Nesta série, existem modificações de usinagem livre e classes com maior teor de cromo para melhorar a resistência à incrustação. Também neste grupo ferrítico está um aço com 12% de cromo (a composição básica do grupo martensítico) com outros elementos, como alumínio ou titânio, adicionados para evitar o endurecimento.

As classes martensíticas padrão são magnéticas e podem ser endurecidas por têmpera e revenimento. Eles contêm cromo e, com duas exceções, nenhum níquel. O grau martensítico básico normalmente contém 12% de cromo. Existem mais de 10 composições padrão na série martensítica; alguns são modificados para melhorar a usinabilidade e outros têm pequenas adições de níquel ou outros elementos para melhorar as propriedades mecânicas ou sua resposta ao tratamento térmico. Outros ainda têm um teor de carbono muito maior, na faixa de aços para ferramentas, e são endurecíveis aos níveis mais altos de todos os aços inoxidáveis. Os graus martensíticos são excelentes para serviço em ambientes suaves, como atmosfera, água doce, vapor e ácidos fracos, mas não são resistentes a soluções severamente corrosivas.

Sistemas de numeração para metais e ligas

Vários sistemas de numeração diferentes foram desenvolvidos para metais e ligas por várias associações comerciais, sociedades profissionais de engenharia, organizações de padrões e indústrias privadas para uso próprio. O código numérico utilizado para identificar o metal ou liga pode ou não estar relacionado a uma especificação, que é uma declaração dos requisitos técnicos e comerciais que o produto deve atender. Os sistemas de numeração em uso incluem aqueles desenvolvidos pelo American Iron and Steel Institute (AISI), Society of Automotive Engineers (SAE), American Society for Testing and Materials (ASTM), American National Standards Institute (ANSI), Steel Founders Society of America, American Society of Mechanical Engineers (ASME), American Welding Society (AWS), Aluminum Association, Copper Development Association, U.S. Department of Defense (Military Specifications) e General Accounting Office (Federal Specifications).

O Sistema de Numeração Unificado (UNS) foi desenvolvido através de um esforço conjunto da ASTM e da SAE para fornecer um meio de correlacionar os diferentes sistemas de numeração para metais e ligas que têm uma posição comercial. Este sistema evita a confusão causada quando mais de um número de identificação é usado para especificar o mesmo material, ou quando o mesmo número é atribuído a dois materiais totalmente diferentes. É importante entender que um número UNS não é uma especificação; é um número de identificação para metais e ligas para os quais especificações detalhadas são fornecidas em outro lugar. Os números UNS são mostrados na Tabela 1; cada número consiste em um prefixo de letra seguido por cinco dígitos. Em alguns, a letra é sugestiva da família de metais identificados pela série, como A para alumínio e C para cobre. Sempre que possível, os números dos grupos UNS contêm sequências de numeração retiradas diretamente de outros sistemas para facilitar a identificação do material; por exemplo, o número UNS correspondente para aço AISI 1020 é G10200. Os números UNS correspondentes aos números AISI-SAE comumente usados que são usados para identificar aços carbono, ligas e aços ferramenta são fornecidos na Tabela 2.

Resumo

Este artigo descreveu os principais tipos de aços padrão. Saiba mais sobre as propriedades dos materiais no Machinery's Handbook, 30th Edition, publicado e disponível na Industrial Press na Amazon.

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