Como as Inclusões Influenciam o Desempenho e a Resistência do Aço

Efeito das Inclusões nas Propriedades do Aço

O aço é um material versátil com aplicações muito amplas. É de interesse para várias aplicações devido às suas várias vantagens, como alta relação resistência-peso, durabilidade, versatilidade, reciclabilidade e, o mais importante, sua viabilidade econômica em comparação a outros materiais de engenharia. Além de seus usos comuns, é também o material de escolha para muitos componentes industriais usados em aplicações críticas. Essas aplicações críticas exigem requisitos muito rigorosos em termos de propriedades do aço. Tais requisitos variam em termos de suas necessidades específicas, variando desde leveza, alta resistência, alta tenacidade, capacidade de suportar altas pressões, capacidade de suportar temperaturas subzero, excelente soldabilidade, boa resistência à corrosão e, mais frequentemente do que não, uma combinação de tais propriedades é necessária.

A versatilidade do aço permite ao engenheiro adaptar as propriedades modificando a química e/ou a microestrutura. Apesar de vários desenvolvimentos terem ocorrido em relação a essas duas variáveis, outro aspecto crucial que determina o desempenho em serviço do aço é o quão livre de impurezas ele é (às vezes chamado de limpeza). A limpeza do aço é determinada pelas inclusões não metálicas (ou simplesmente inclusões) que estão embutidas nele. Para melhorar o desempenho dos aços, as inclusões devem ser controladas, pois as inclusões são um problema crítico dos aços para aplicações estruturais e, dependendo de seu tamanho, forma e distribuição, podem ser muito prejudiciais às propriedades mecânicas.

Natureza e Classificação das Inclusões

Inclusões são compostos químicos consistindo de uma combinação de um elemento metálico (ferro, manganês, silício, alumínio, cálcio, etc.) e um elemento não metálico (oxigênio, enxofre, nitrogênio, carbono, etc.). As inclusões mais comuns incluem óxidos, sulfetos, oxissulfetos, fosfetos, nitretos, carbonetos e carbonitretos. Dependendo de sua natureza e condições de resfriamento durante o estágio de solidificação, podem apresentar estado cristalino ou vítreo. Inclusões formam fases diferentes do aço, embora algumas representem um desajuste maior que outras dependendo de sua estrutura cristalina e tamanhos atômicos. Inclusões contendo mais de um composto são chamadas de inclusões complexas (espinélios, oxissulfetos, carbonitretos, etc.).

Em termos de tamanho, as inclusões podem ser microinclusões ou macroinclusões. O valor limite usado para distinguir entre micro e macroinclusões é normalmente assumido como 100 micrômetros. No entanto, mais recentemente, com o avanço das práticas de fabricação de aço para controlar o tamanho das inclusões, outra forma de se referir às microinclusões foi proposta, que é o diâmetro abaixo de seu limite de flotabilidade e tem valor na casa das dezenas de micrômetros para processos modernos de aço. Microinclusões são as mais abundantes devido ao seu pequeno tamanho e tendem a ser mais uniformemente distribuídas no aço líquido, sendo vistas como menos prejudiciais. Macroinclusões, devido ao seu tamanho maior, são responsáveis pela iniciação de falha em produtos finais ou defeitos em semiprodutos.

As inclusões influenciam várias propriedades dos aços relevantes para seu desempenho em aplicações mecânicas e estruturais. Alguns dos efeitos prejudiciais apresentados pelas inclusões no aço fundido podem ser reduzidos com trabalho a quente, pois este processo pode induzir mudanças de orientação e fragmentação de inclusões. Portanto, a exploração dos diferentes fatores que afetam a qualidade do aço em termos de sua fabricação e processamento adicional ajuda a entender melhor sua relação para garantir qualidade consistente para atender aos requisitos de propriedades mecânicas cada vez mais rigorosos de componentes de aço para aplicações exigentes. A compreensão de como isso acontece evoluiu no passado recente. Progresso considerável na quantificação dessa compreensão foi feito.

Enquanto grande ênfase é dada à importância da microestrutura do aço, a influência das inclusões nas propriedades do aço é comparativamente negligenciada. No entanto, na indústria, a atenção à importância das inclusões no desempenho do aço existe e o foco é para estudos e melhorias constantes. Isso se tornou especialmente importante à medida que o aço tem sido desafiado por diferentes materiais alternativos e por aplicações mais exigentes. A melhoria de várias propriedades só se tornou possível com a compreensão de sua relação com o tipo, tamanho e distribuição das inclusões presentes na matriz. Nos tempos recentes, a indústria siderúrgica desenvolveu melhorias consideráveis de processo que levaram a um controle muito melhor de fração volumétrica, tamanho e composição das inclusões.

Adaptar inclusões para melhorar propriedades e desempenho é uma característica importante da fabricação de aço e o termo "engenharia de inclusões", cunhado nos anos 1980, é amplamente usado. A engenharia de inclusões começa com a definição das propriedades desejáveis que as inclusões precisam ter. Então, através da definição de condições de processamento adequadas, um produto é feito onde essas inclusões desejáveis são predominantemente formadas. Controlar a distribuição de inclusões no produto final, em especial aquelas formadas após o início da solidificação (inclusões secundárias), permanece um desafio considerável.

Origem e Classificação das Inclusões

Inclusões são compostos químicos inevitáveis embutidos na matriz do aço, consistindo de pelo menos um componente não metálico, como oxigênio, nitrogênio ou enxofre. Esses compostos podem se originar em vários estágios do processo de fabricação de aço. O papel do processo de fabricação de aço em termos de controle de inclusões é muito importante, pois as inclusões se originam e podem ser modificadas em vários estágios ao longo da rota do processo. Além disso, as inclusões são prejudiciais na medida em que quebram a homogeneidade da estrutura quando esta se solidificou. Os estágios de refino secundário que desempenham papel importante para controle de inclusões incluem desoxidação, dessulfuração, desgasificação a vácuo e agitação com argônio. Durante estas operações, agentes de liga são adicionados, gases dissolvidos no aço são reduzidos, e inclusões são removidas e/ou alteradas quimicamente para garantir aço de alta qualidade. A Figura 1 mostra reatores metalúrgicos críticos (panela, lingoteira e molde) para controle de inclusões na lingotamento contínuo de aço.

Após realizar as operações de refino secundário, o aço refinado é então transferido para a máquina de lingotamento contínuo a fim de fundir o aço líquido em produto fundido (bloco, tarugo ou lingote, etc.). Durante a fundição, várias interações diferentes entre aço e inclusões podem ocorrer. Reações entre o pó de fundição e o aço líquido podem ocorrer, e aprisionamento de pó de fundição pode acontecer. Projeto do bocal de imersão submersa (SEN) e fluxo de fluido, agitação eletromagnética, e uso de molde vertical ou curvo são alguns dos principais fenômenos com impacto no conteúdo final de inclusões do aço. A Figura 2 mostra fenômenos de inclusões ocorrendo no processo de lingotamento contínuo devido a diferentes interações entre aço e inclusões.

Todo o processo de remoção de inclusões no estado líquido consiste em um ciclo de "nucleação-crescimento-remoção". A formação de inclusões pode ser dividida em diferentes estágios dependendo dos fenômenos que ocorrem em cada um deles. A nucleação ocorre como resultado de super-saturação do aço líquido com os solutos devido a uma mudança na temperatura ou composição química do sistema. O crescimento das inclusões continua até que não haja super-saturação ou equilíbrio químico seja alcançado. O movimento do aço líquido devido à convecção térmica ou forças de agitação magnética causa a coalescência ou aglomeração de inclusões (líquidas ou sólidas, respectivamente). Inclusões com maior energia superficial tendem a se fundir mais facilmente que inclusões com menor energia superficial. É mais fácil fazer flutuar as inclusões maiores para a escória onde são absorvidas, mas este processo de remoção depende do raio da partícula. Na Figura 3, os processos, fenômenos e mecanismos de evolução das inclusões em diferentes estágios da fabricação de aço são descritos.

Morfologia das Inclusões e Seu Impacto

As inclusões podem ser de forma globular, plaquetária, dendrítica e poliedral. Em termos de forma, a mais desejável é a globular devido à sua natureza isotrópica no que se refere ao seu efeito nas propriedades mecânicas. Inclusões em forma de plaquetas ou filmes finos estão localizadas nos contornos de grão devido à transformação eutética durante a solidificação. Estas são as mais prejudiciais às propriedades mecânicas, pois enfraquecem as ligações nos contornos de grão. Inclusões dendríticas são causadas por quantidade excessiva de alumínio. Estas inclusões têm alto ponto de fusão e podem causar entupimento em estágio líquido. No aço solidificado, as arestas e cantos afiados das dendritas podem causar concentração de tensões internas e impactar negativamente as propriedades mecânicas. As inclusões poliedrais têm efeito menor nas propriedades mecânicas que inclusões dendríticas ou plaquetárias devido à sua forma mais globular. A morfologia de inclusões dendríticas pode ser modificada para forma poliedral por pequena adição de elementos de terras raras (cério, lantânio) ou elementos alcalino-terrosos (cálcio, magnésio).

Para melhor compreender o comportamento das inclusões, é necessário entender a transição do estado líquido para sólido tanto para a matriz do aço quanto para as inclusões. As propriedades físicas da matriz circundante e da inclusão na temperatura de solidificação são importantes, pois podem apresentar diferentes cenários. Se a inclusão é líquida (ou seja, com ponto de fusão mais baixo) nas temperaturas de solidificação do aço, um sistema de tensão residual compressiva se desenvolve garantindo coerência entre a inclusão e a matriz. Por outro lado, se a inclusão é sólida quando o aço está solidificando, o desenvolvimento de tensão depende dos diferentes coeficientes de expansão térmica de ambas as espécies. Quando uma inclusão contrai menos que a matriz, uma tensão residual compressiva se desenvolve dentro da inclusão e uma tensão resultante de tração se desenvolve na matriz ao redor da inclusão. Por outro lado, se a inclusão contrai mais rápido que a matriz, tensões residuais de tração são geradas na inclusão e descolamento dela e da matriz ocorre na forma de um vazio.

As inclusões constituem uma parte muito pequena do aço solidificado e são normalmente finamente dispersas. São prejudiciais na medida em que quebram a homogeneidade da estrutura. O comportamento de deformação das inclusões durante o trabalho a quente do aço é de grande importância para as propriedades do produto final. Tanto a matriz do aço quanto as inclusões são normalmente estruturas multifásicas, mas para fins de comparação, o aço pode ser considerado como uma fase homogênea, pois as estruturas das inclusões são mais grossas quando comparadas às microestruturas do aço.

Tensões internas podem gerar devido a diferenças de expansão térmica entre inclusão e matriz. O efeito da matriz do aço fluindo sobre e ao redor das inclusões gera a deformação das inclusões e o grau de deformação diminui com o alongamento das inclusões como resultado do atrito na interface na direção de laminação. Se uma inclusão tem uma ligação interfacial forte, a inclusão alonga-se e permanece intacta durante o trabalho a quente. Por outro lado, se uma inclusão tem uma ligação interfacial fraca, ela não interage com o fluxo do aço e descontinuidades podem ser produzidas. Sob este ponto de vista, as inclusões podem ser categorizadas como: (i) inclusões intrinsecamente plásticas (como sulfeto de manganês), (ii) inclusões vítreas não cristalinas que se comportam rigidamente mas tornam-se plásticas em alguma temperatura característica (como alguns silicatos vítreos), e (iii) sólidos iônicos cristalinos (como aluminatos de cálcio, óxidos de aluminate e alguns silicatos cristalinos) que não mostram plasticidade e se comportam de maneira frágil.

Vários elementos aceitáveis na composição do aço têm alta afinidade por oxigênio e, portanto, podem ser usados como desoxidantes, formando produtos de desoxidação não metálicos quando adicionados ao aço líquido. Exemplos são silício, manganês e alumínio. Produtos de desoxidação podem tornar-se inclusões de óxido importantes. No caso do enxofre, por outro lado, apenas elementos com baixa solubilidade no ferro (como cálcio e manganês) ou elementos de terras raras têm afinidade suficientemente alta por enxofre para formar sulfetos não metálicos nas temperaturas do aço líquido. Portanto, a maior parte do enxofre no aço deve ser removida da solução por refino de escória e o restante, por reações de precipitação ocorrendo principalmente durante a solidificação. O sulfeto mais comum precipitando durante a solidificação é o sulfeto de manganês.

Baseado nestas observações, duas classificações possíveis para inclusões que emergem são: (i) usando sua composição química (óxidos, sulfetos, etc.), ou (ii) considerando o momento em que se formam em relação ao início da solidificação, como primárias, antes do início da solidificação, e secundárias, após o aço sólido começar a se formar no molde. Além disso, inclusões originárias do processo de fabricação de aço são classificadas como "endógenas" e aquelas aparecendo de fontes "externas" (fragmentos de refratários, escória aprisionada, etc.) são classificadas como "exógenas". Raramente, no entanto, um volume "exógeno" de material sobrevive tempo suficiente no aço sem sofrer extensa reação com o aço líquido. Estas reações produzem mudanças nas inclusões. Portanto, esta classificação pode, às vezes, ser confusa.

Finalmente, uma forma comum de classificação de inclusões está relacionada ao tamanho da inclusão, pela qual as inclusões podem ser classificadas como macroinclusões e microinclusões. Um corte sensato entre tamanhos é que uma inclusão é uma macroinclusão se é grande o suficiente para causar falha imediata do produto seja durante processamento ou uso. Todas as outras inclusões são classificadas como microinclusões. Portanto, embora importante, esta é uma classificação difícil de aplicar.

Propriedades-Chave das Inclusões e Seu Efeito no Comportamento do Aço

Algumas propriedades das inclusões têm importância chave em como influenciam o comportamento dos aços. Estas incluem plasticidade ou dureza como função da temperatura, coeficiente de expansão térmica (CTE), comportamento de cristalização (no caso de inclusões vítreas), e, em menor extensão, solubilidade de solutos metálicos. Inclusões têm caráter de ligação iônica, covalente ou mista. Como tal, são em geral frágeis à temperatura ambiente e não têm ligação forte com a matriz metálica. À medida que a temperatura aumenta, algumas inclusões tornam-se mais plásticas.

Várias medições de dureza e plasticidade de inclusões indicam que as mudanças observadas são complexas demais para descrever de forma simples. Um dos conceitos mais amplamente usados para descrever comportamento de deformação continua a ser a "plasticidade relativa" das inclusões. Este conceito é especialmente útil quando há falta de conhecimento preciso das propriedades das inclusões. O conceito de plasticidade relativa, introduzido nos anos 1960, indica a razão entre a deformação real das inclusões e a deformação real do aço. Dependendo da temperatura e composição da inclusão, as plasticidades relativas das inclusões variam, e as inclusões podem deformar, trincar ou ter comportamento misto. Isso é mostrado na Figura 4.

Como mostrado na Figura 4, a combinação de baixa resistência de ligação com a matriz e deformação da matriz leva à criação de vazios e separação (ou descolamento). Além disso, inclusões duras tipicamente quebram e se redistribuem no aço sob estas condições. Isso foi discutido tomando o caso de alumina. Compreender a quebra e redistribuição de alumina é ainda mais complicado pelo fato de que inclusões de alumina frequentemente formam aglomerados durante o processamento no estado líquido. A previsão do comportamento de inclusões duras ou inclusões que se tornam menos plásticas a temperaturas mais baixas tem sido um desafio.

No entanto, existem parâmetros básicos necessários para descrever quantitativamente o comportamento mecânico das inclusões e, portanto, seus efeitos nas propriedades do aço. Inclusões que são plásticas na temperatura de trabalho deformam quando o aço é trabalhado. Isso resulta no alongamento das inclusões ao longo das direções principais de trabalho. Isso introduz, em vários casos, anisotropia de forma nas inclusões. Isso resulta em anisotropia das propriedades influenciadas pelas inclusões. Recentemente, a relação entre plasticidade a alta temperatura e ponto de fusão de inclusões de óxido foi confirmada, correlacionando a temperatura de liquidus calculada das inclusões com sua razão de aspecto medida.

Em alguns trabalhos de modelagem de deformação de inclusões durante trabalho a quente, a deformação plástica das inclusões é associada ao seu fluxo viscoso e previsão razoável de anisotropia é alcançada. Em um estudo quantitativo, mostrou-se que a razão entre a tensão de fluxo da inclusão e a da matriz define o alongamento das inclusões. O comportamento de inclusões compostas, tendo alumina cercada por sulfeto de manganês, é mostrado na Figura 4(d). Os resultados confirmaram observações experimentais que mostram que à medida que o teor de enxofre cai abaixo de 60 ppm (partes por milhão), a razão de aspecto das inclusões de alumina/sulfeto de manganês diminui substancialmente. Estes resultados são de importância especial para aços de alta pureza, limpos, modernos.

A anisotropia introduzida pela mudança de forma da inclusão não pode ser eliminada por tratamento térmico adicional. A deformação de inclusões e de segregados é normalmente responsável pela aparência "fibrosa" observada durante o exame macroscópico de aços. Uma eventual cristalização das inclusões durante o processamento do aço pode complicar a previsão da extensão de sua deformação e variação de plasticidade com temperatura. Inclusões que são inicialmente "vítreas" ou amorfas mostraram-se cristalizar quando submetidas a tratamentos em temperaturas na faixa de temperaturas de trabalho a quente de aços. As inclusões cristalizadas têm comportamento reológico diferente (ou plasticidade relativa) quando comparadas às inclusões "vítreas". Isso pode ser especialmente importante quando a plasticidade das inclusões é crítica.

Os coeficientes de expansão térmica (CTE) das inclusões são diferentes do do aço. As diferenças no CTE podem influenciar tensões residuais ao redor das inclusões. Inclusões que podem ser mais prejudiciais por serem cercadas por um campo de tensão de tração associado a tensões teseladas (denotando ou caracterizado por um padrão de formas repetidas, especialmente polígonos, que se encaixam firmemente sem lacunas ou sobreposições). Isso pode ser especialmente importante sob condições de fadiga. Estas tensões também são consideradas relevantes para usinabilidade. Acredita-se que a formação de campos de tensão, cavidades e poros na matriz do aço ao redor das inclusões tem efeito favorável na usinabilidade. Inclusões com CTE maior que o do aço se separam da matriz no resfriamento a partir de temperaturas de processamento do aço. Isso também pode causar problemas na preparação de amostras metalográficas e dificuldades na determinação de tamanho.

Quando métodos automáticos são usados, um limiar de nível de cinza é definido para diferenciar entre óxidos e sulfetos. Dependendo do limiar selecionado, a região escura entre matriz e inclusão pode contribuir diferentemente para o tamanho medido da inclusão. Diferenças consideráveis existem no uso da expressão "inclusões" na discussão de modelagem de fratura. Alguns incluem carbonetos, carbonitretos e outras partículas de segunda fase na definição de "inclusões". Ao considerar o processo de fratura dúctil, parece importante levar em conta ambos os tipos de partículas. Atenção especial deve ser dada à diferença da resistência da interface matriz-inclusão, e ao tamanho e distribuição dos diferentes tipos de partículas.

A interface entre as inclusões e o aço tem, em geral, resistência muito baixa ou nula. Por outro lado, a resistência da interface entre carbonetos e aço, por exemplo, foi estimada na faixa de 1.200 MPa a 2.000 MPa. Esta diferença tem grande importância no efeito das inclusões nas propriedades do aço, particularmente fratura. A distinção entre inclusões e partículas de segunda fase pode se tornar turva. Em alguns aços, titânio é usado para fixação de nitrogênio, e inclusões de nitreto de titânio podem ser formadas no estado líquido. Por outro lado, em aços elétricos, sulfeto de manganês é formado como precipitado fino para controlar movimento de contorno de grão. Em um estudo, usando partículas de alumina no aço, demonstrou-se o papel controlador do tamanho da partícula e fração volumétrica no movimento de contorno de grão.

Influência das Inclusões nas Propriedades do Aço

A influência das inclusões nas propriedades do aço é estudada há muito tempo. As inclusões podem ser adaptadas a partir do processo de fabricação de aço para produtos fundidos para melhorar as propriedades do aço. Também, conhecendo o desempenho requerido de produtos forjados, as inclusões de um certo grau de aço podem ser "engenheiradas". Para abordar adequadamente a melhoria das propriedades do aço por meio de engenharia de inclusões, é importante ter conhecimento dos fenômenos e comportamento das inclusões ao longo de toda a rota de processamento, desde o estágio líquido até as operações pós-fundição e seus efeitos em produtos forjados.

Em 2009, a Comissão Europeia publicou uma revisão de pesquisa compreendendo estudos realizados em 4 grandes produtores de aço, cujo objetivo era a otimização e avaliação de diferentes rotas de metalurgia secundária para alcançar aço laminado de alta qualidade controlando as inclusões, onde para produção de materiais a granel é questão de reprodutibilidade, enquanto para aços especiais é individualmente adaptado. Portanto, é importante entender os efeitos da rota nas populações de inclusões e o efeito que as inclusões têm nas propriedades do aço.

Um estudo recente sobre o efeito das inclusões nas propriedades do aço foi feito sobre medições críticas na fabricação moderna de aço para avaliar a influência das condições de processo nas propriedades do produto de aços carbono desoxidados com alumínio, aços de médio carbono desoxidados com alumínio, aços avançados de alta resistência e aços de livre usinagem, todos levando em conta os requisitos rigorosos de propriedades do aço para aplicações automotivas, que incluem baixo teor de inclusões e modificação com cálcio para garantir maior conformabilidade e desempenho mecânico melhorado de peças automotivas.

Os requisitos de limpeza em relação às inclusões variam de produto para produto. Não pode haver definição universal de limpeza em relação às inclusões. Os requisitos devem ser considerados em relação às demandas da aplicação específica para a qual o aço vai ser usado e também para muitos outros aspectos como sua localização, forma e distribuição no componente de aço.

Efeitos no Processamento (Trabalho a Quente e a Frio e Conformação)

Às vezes é conveniente separar a influência das inclusões durante o processamento daquela durante a aplicação, pois as condições no processamento normalmente não são as previstas para a aplicação do aço. Isso é verdade mesmo considerando que a maioria dos problemas associados às inclusões está relacionada à sua plasticidade relativa e sua influência na fratura dúctil do aço. Inclusões que ocupam uma porção considerável da seção transversal do material durante trabalho a quente ou a frio ou que estão em regiões onde a deformação de processamento é alta podem causar fratura durante o processamento. Portanto, o controle da fração volumétrica, tamanho e distribuição de inclusões é importante. Além disso, a engenharia de inclusões é importante para as propriedades de fadiga e que a previsão razoável de anisotropia é alcançada.

Áreas importantes que apresentam desafios para avanços adicionais são: (i) a caracterização adequada das propriedades das inclusões e suas interfaces com o aço, (ii) uma métrica adequada para caracterizar tamanho, forma e distribuição da grande população multi-partículas, e (iii) as dificuldades associadas a métodos computacionais considerando a população multi-partículas.

Influência na Resistência à Tração

A resistência à tração do aço pode ser afetada pela fração volumétrica final de inclusões, e também pela morfologia e orientação das inclusões. A orientação das inclusões em relação à direção de carregamento é importante devido ao fato de que certos níveis de inclusões afetam a ductilidade do material. No caso de seções transversais menores, o efeito das inclusões é maior devido ao papel dos tamanhos das inclusões atuando como sítios de nucleação de microvazios seja por descolamento com a matriz ou por fratura da inclusão, que afetam negativamente a ductilidade do aço. Os níveis de fração volumétrica de inclusões nas práticas atuais de fabricação de aço foram consideravelmente reduzidos, a ponto de seu efeito na resistência à tração ser praticamente desprezível em tamanhos de ensaio padrão. Em um estudo que investigou aços com vários níveis de impurezas para determinar níveis de tolerância a inclusões em aços de ultra-alta resistência, verificou-se que, embora sulfeto de manganês alongado reduza ductilidade e dobradiça, não tem efeito notável na resistência.

Efeito na Tenacidade

Tenacidade à fratura é a propriedade de um material de resistir à propagação de uma trinca, e é uma propriedade crucial usada no projeto de vários componentes de engenharia. A maioria das inclusões é considerada como concentradores de tensão na estrutura solidificada e pode causar falha por meio de fratura. A distribuição de partículas nucleadoras de vazios é considerada como envolvendo duas escalas de tamanho: (i) inclusões maiores que nucleiam vazios em deformações relativamente pequenas, e (ii) partículas menores que nucleiam vazios em deformações muito maiores. A nucleação de uma pequena trinca normalmente acontece em tamanhos maiores de inclusões e a propagação da trinca acontece através da ligação de microvazios criados em inclusões menores. O tamanho das partículas nucleadoras de vazios é tipicamente entre 0,1 micrômetros a 100 micrômetros, com frações volumétricas de não mais que alguns por cento, embora esta pequena porcentagem desempenhe papel principal na resistência ao crescimento de trinca de ligas estruturais. Os modos de fratura em aços consistem em três mecanismos principais diferentes, conforme abaixo.

• Clivagem – É um modo de fratura transgranular no qual a fratura se propaga através de planos cristalográficos dentro dos grãos e a superfície de fratura aparece como uma série de planos planos. Neste modo de fratura, a principal maneira de melhorar a tenacidade é controlando a unidade microestrutural que produz os planos de propagação, que em aços ferríticos é o tamanho de grão de ferrita e em perlita e bainita é o tamanho de grão de austenita prévia.
• Fratura intergranular a baixa temperatura – É um modo de fratura que ocorre ao longo dos contornos de grão devido à microsegregação ou precipitação de segundas fases ao longo dos contornos de grão. Em aços de baixa liga, precipitação de sulfeto de manganês é frequentemente encontrada como resultado de tratamentos de alta temperatura normalmente acima da temperatura de recristalização dos aços (cerca de 1.250 °C). Estas partículas atuam como sítios de nucleação de vazios para fratura intergranular com covinhas.
• Ruptura por covinhas (dimples) – É um tipo de fratura onde vazios nucleiam em inclusões e a fratura ocorre quando estes vazios crescem e coalescem sob condições de deformação (frequentemente referida como "coalescência de vazios"). Sulfeto de manganês é conhecido por se descolar da matriz mesmo antes da deformação, enquanto a maioria das inclusões de óxido se descola em pequenas deformações. Isso está relacionado à ligação de coesão pelo coeficiente de expansão térmica. A superfície resultante é uma superfície de fratura por covinhas relativamente equiaxial.

Os dois primeiros modos normalmente ocorrem abaixo da temperatura de transição dúctil-frágil, enquanto o terceiro ocorre acima da temperatura de transição. A Figura 5 mostra a nucleação de vazios em pequenas deformações (5a), grandes deformações (5b) e fratura do aço (5c).

Fraturas dúcteis e frágeis são os dois principais tipos de falha em aços de baixa liga. Fratura dúctil ocorre quando o material é exposto a altas temperaturas enquanto fratura frágil ocorre normalmente a baixas temperaturas. A Figura 6 mostra a diferença entre curvas de modo de fratura estático e dinâmico, caracterizadas pelas diferenças na taxa de deformação aplicada. Existem dois ensaios para avaliar modos de fratura estático e dinâmico. O ensaio Charpy V-notch é usado para avaliar fratura dinâmica e o ensaio "crack tip opening displacement" (CTOD) para avaliar tenacidade à fratura quasi-estática. O ensaio CTOD é aplicado a materiais que podem apresentar alguma deformação plástica antes da falha de um componente. A medição deste deslocamento é muito importante para fins de engenharia e a importância deste ensaio reside na medição precisa deste parâmetro.

Outro fator importante que afeta a tenacidade é a anisotropia no comportamento de fratura de produtos laminados a quente. Isso está associado à orientação de inclusões alongadas ou aglomerados de inclusões. A maior energia absorvida ocorre nas amostras onde o plano de trinca é normal às inclusões alongadas, e a trinca pode ser desviada ao longo das interfaces das inclusões. Energias menores são absorvidas quando uma trinca se propaga ao longo das interfaces das inclusões alongadas. Na Figura 7, dois aços são comparados: à esquerda, aço laminado convencional pode ser visto, a anisotropia é maior devido ao alongamento de inclusões paralelo à direção de laminação. Se o material é carregado nesta direção (setas vermelhas), a resistência é maior do que se carregado na direção transversal (setas amarelas). No aço à direita, aço com controle de inclusões. Neste aço, a anisotropia é menor devido a melhor controle de inclusões que produz menos inclusões, isoladas e menores. Se o material é carregado neste caso, não há muita diferença entre as condições de carregamento mais e menos favoráveis.

Inclusões de sulfeto de manganês são uma causa principal de anisotropia de fratura. Devido a inclusões de sulfeto de manganês, orientações transversal e através da espessura são as mais afetadas pela anisotropia de inclusões. Isso pode ser melhorado modificando inclusões contendo enxofre para formar inclusões duras que permanecem esféricas durante o trabalho ou, se o custo adicionado for justificado, o teor de enxofre pode ser reduzido por dessulfuração adicional ou agitação a vácuo.

Inclusões de óxido estão associadas com fratura dúctil caracterizada pela ligação de covinhas. Formação de vazios ao redor de inclusões de óxido desempenha papel dominante na fratura por cisalhamento. Com níveis crescentes de resistência do aço, o efeito das inclusões, especialmente a baixas temperaturas, é altamente notado.

Normalmente, baixos níveis de inclusões são suficientes para garantir critérios aceitáveis de ductilidade e tenacidade em aços de ultra-alta resistência. No entanto, se no futuro a demanda for desenvolver estas propriedades, a necessidade de evitar sulfeto de manganês alongado e minimizar o número de nitretos de titânio grossos deve ser perseguida, pois estes são os tipos de inclusões mais deteriorantes para ductilidade de níveis de impureza relativamente baixos em aços de ultra-alta resistência.

Efeito na Fadiga

Quando a falha de um componente de aço foi devida a um número repetido de aplicações de carga (ciclos) abaixo do limite de escoamento do material, considera-se falha por fadiga. A este respeito, existem aspectos muito importantes nos quais as inclusões desempenham papel principal. Um dos primeiros estudos a estabelecer relação entre dureza e limite de fadiga foi o realizado por Garwood e colaboradores. Desde então, a relevância que inclusões não metálicas têm com relação especialmente a aços de alta resistência tem sido assunto de vários estudos. A maioria destes estudos apontou vários fatores que se relacionam à concentração de tensão, nomeadamente forma da inclusão, adesão da inclusão à matriz, constantes elásticas de inclusões e matriz, e tamanho da inclusão.

Murakami e Endo desenvolveram o modelo de área para avaliar o efeito de pequenos defeitos (furos) em materiais metálicos. Em seu estudo, demonstraram que o problema de um pequeno defeito é essencialmente um problema de pequena trinca e, portanto, este problema deve ser resolvido com fatores de intensidade de tensão em vez de concentração de tensão. Encontraram forte correlação do fator máximo de intensidade de tensão com a área projetada do defeito em um plano perpendicular à tensão principal máxima. Inclusões, de fato, podem ser tratadas como mecanicamente equivalentes a pequenos defeitos com o mesmo valor de área projetada (raiz quadrada da área de trinca).

Não são apenas aqueles fatores que influenciam a vida de fadiga de um componente, mas também a localização da inclusão ou defeito dentro do componente. Uma inclusão de certo tamanho encontrada próxima à superfície tem impacto maior na vida de fadiga que uma inclusão do mesmo tamanho em local mais distante da superfície. Murakami publicou equações quantitativas para previsão da resistência à fadiga de um material com defeito de superfície, próximo à superfície e defeito interno. A Figura 8 dá classificação de inclusão por localização.

A relação entre os efeitos prejudiciais das inclusões na vida de fadiga e o tamanho da inclusão é mostrada na Figura 9. Esta figura ajuda a ilustrar que inclusões globulares grandes são as mais prejudiciais por causa de seu tamanho, não por causa de sua forma. Também, que sulfetos de cálcio comparados com óxidos de tamanho igual são menos prejudiciais. Finalmente, que nitretos de titânio são o tipo mais prejudicial de inclusões sobre uma faixa de tamanho igual comparada a outros óxidos ou sulfetos.

A importância das inclusões na fadiga do aço é reconhecida há muito tempo. No entanto, o efeito do tipo, composição, forma e tamanho das inclusões na fadiga foi extensamente estudado sem conclusão firme. Um estudo recente lançou nova luz sobre a compreensão dos efeitos das inclusões na fadiga, resumida aqui. O limite de fadiga correlaciona com a existência de trincas não propagantes. Não está relacionado à iniciação de trinca. O limite de fadiga é uma tensão limite para propagação de trinca e não a tensão crítica para iniciação de trinca. Limite de fadiga correlaciona com dureza, até cerca de 400 HV. Nesta região, "o limite de fadiga é determinado por uma propriedade do material mostrando a resistência média à deformação plástica do material".

À medida que se passa o limiar de 400 HV, o limite de fadiga ideal, associado às propriedades do material, não pode ser atingido, em geral, devido à presença de defeitos (como inclusões). "Defeitos menores que um tamanho crítico não são danosos (não prejudiciais) à resistência à fadiga e o tamanho crítico é menor para materiais com maior resistência estática, de modo que um defeito de determinado tamanho é mais prejudicial a aços de alta resistência do que a metais de baixa resistência". Foi demonstrado com vários exemplos experimentais que, como o limite de fadiga é uma tensão na qual a propagação de trinca não ocorre, pequenos defeitos podem e têm trincas começando neles que podem ou não levar à fadiga, dependendo do tamanho e tensões. Argumentou-se que, por esta razão, quando uma trinca se origina na interface inclusão-metal ou através de trinca na inclusão, as tensões dentro da inclusão são aliviadas e o domínio da inclusão pode ser considerado mecanicamente equivalente a um defeito ou poro livre de tensões. Portanto, tensões teseladas, por exemplo, podem ser menos importantes do que se pensava anteriormente.

Usando esta abordagem, é possível encontrar relações adequadas para prever o limite de fadiga de aços de alta resistência, reconciliando a relação limite de resistência com dureza incluindo um termo relacionado à área de seção transversal transversal ao carregamento, ocupada por inclusão. Dependendo do carregamento, a posição das inclusões pode ser importante, e isto é contabilizado. Assim, para inclusões próximas à superfície em flexão rotativa, uma relação empírica entre o limite de resistência e dureza foi proposta.

Os efeitos destes insights no desenvolvimento de aços para rolamentos (SAE 52100 ou 100Cr6) foram muito importantes. Portanto, por exemplo, os resultados onde relevância particular foi atribuída a diferentes composições de inclusões podem ser reavaliados. Os resultados indicam muito menos importância do tipo de inclusão quando analisados de acordo com o formalismo de Murakami, como mostrado na Figura 9. De acordo com os resultados de Murakami, a maior inclusão presente na área tensionada é responsável pela falha por fadiga. Com a alta limpeza destes aços, os métodos clássicos de avaliação e quantificação de inclusões têm sido bastante ineficazes em prever comportamento de fadiga e estatística de valores extremos foi apresentada como solução. Neste contexto, Murakami desenvolveu um método para quantificação de inclusões por valores extremos.

Posteriormente, uma norma ASTM foi desenvolvida, principalmente com a comunidade de rolamentos em vista. Com este método, Murakami e colaboradores puderam prever propriedades de fadiga baseadas em estatística de valores extremos para inclusões. Também mostraram que, quando a população de inclusões e o tamanho da inclusão se tornam extremamente pequenos, como em aços fundidos a feixe de elétrons (EB) extra-limpos, heterogeneidades microestruturais (áreas de bainita) são maiores que as inclusões e atuam como núcleos de fadiga. A importância das inclusões na fadiga ainda é assunto de discussão frequente, particularmente no que é denominado fadiga de ciclos muito altos.

Os desenvolvimentos liderados por Murakami e colaboradores na compreensão da importância das inclusões na fadiga de aço de alta resistência também tiveram impacto profundo na engenharia de inclusões de aços para molas e válvulas. Resumindo, ao considerar a literatura sobre origem e propagação de trincas em fadiga, deve-se considerar tamanho e fração volumétrica de inclusões. Originação de trinca pode ocorrer "na matriz" ou relacionada a partículas de segunda fase, em especial inclusões. Parece que para aços de baixa resistência, um tamanho crítico de trinca maior que as inclusões maiores é necessário para fadiga ocorrer. Portanto, inclusões desempenham papel menos importante em aços limpos de baixa resistência. Por outro lado, em aço de alta resistência, inclusões podem ser suficientemente grandes e desempenhar papel importante.

A condição da interface inclusão-aço também desempenha papel na vida de fadiga. Por outro lado, a resistência da interface inclusão-matriz foi considerada fator importante nos fenômenos microscópicos envolvidos em trincas de fadiga. Spriestersbach e colaboradores, por exemplo, notaram que inclusões "clássicas" (óxidos, óxidos complexos e sulfetos) se descolam facilmente devido à baixa resistência interfacial inclusão-aço.

Além disso, diferenças nos CTEs podem promover separação inclusão-matriz. Portanto, inclusões clássicas podem ser consideradas como se comportando como furos, como proposto por Murakami. Por outro lado, nitreto de titânio, por exemplo, tem ligação forte com a matriz e a interface nitreto de titânio-aço não mostra separação. Quando nitreto de titânio é submetido a altas tensões, ele trinca, e as trincas se propagam para a matriz. Portanto, a correlação entre tamanho de nitreto de titânio e comportamento de fadiga pode ser diferente da observada para inclusões "clássicas".

Efeito na Usinabilidade

Usinabilidade compreende uma ampla gama de parâmetros, incluindo formação de cavaco, desgaste de ferramenta de corte, propriedades de superfície da peça usinada e fatores ambientais. Usinagem pode ser descrita principalmente como consistindo de dois processos: fratura do metal e remoção de metal para produzir certa forma ou furos perfurados em locais específicos na peça.

Algumas inclusões de óxido podem ter efeito positivo no processo de formação de cavaco (que depende da capacidade de criar fratura ao longo da estrutura) mas podem ter efeito negativo no desgaste de ferramenta de corte que pode superar o efeito positivo inicial na formação de cavaco. Inclusões de sulfeto de manganês também têm efeito benéfico na formação de cavaco, e o efeito benéfico de alto teor de enxofre em aços de livre usinagem tem sido relatado há muito tempo, porque inclusões de sulfeto de manganês não causam desgaste de ferramenta de corte na mesma extensão que óxidos. Uma investigação completa do efeito de diferentes tipos de inclusões em diferentes graus de aço para diferentes aplicações indicou que diferentes graus de aço têm várias inclusões com características muito diferentes. Portanto, estas características devem ser otimizadas para cada grupo de graus de aço a fim de fazer melhorias na usinabilidade do aço sem reduzir consideravelmente suas propriedades mecânicas.

Talvez uma das propriedades mais tradicionalmente relacionadas a inclusões seja usinabilidade. Os efeitos de sulfetos são bem conhecidos e o projeto destas inclusões para usinabilidade tem sido bastante bem-sucedido. Termodinâmica computacional tem sido usada para projetar aços com boa usinabilidade adaptando sulfetos para substituir "inclusões metálicas" de chumbo. Aço com chumbo adicionado apresenta importantes riscos à saúde durante a fabricação de aço e impacto ambiental considerável. Atualmente, a indústria automotiva está definindo teor mínimo de enxofre para aços não ressulfurados para melhorar sua usinabilidade. Isso colocou um desafio interessante para fabricantes de barras que precisam ajustar seus processos para prevenir entupimento de bocal pelo uso de cálcio na presença de enxofre na faixa de 0,02%. Controle rigoroso de processo é necessário, neste caso.

Efeito na Nucleação de Ferrita

Inclusões podem desempenhar papel importante na transformação de fase. Também desempenham papel crítico na nucleação de ferrita acicular fina em metal de solda. Esta microestrutura é importante para alcançar propriedades mecânicas satisfatórias com composições de baixo carbono sem trabalho a quente/controlado. Assim, a composição do metal de solda é adaptada para causar precipitação de núcleos adequados para ferrita acicular. Alguns dos fatores considerados relevantes para uma inclusão atuar como núcleo para ferrita acicular são estrutura cristalina, diferenças no CTE, e depleção em elementos estabilizadores de austenita como manganês ao redor das inclusões. Este último é a explicação mais favorecida, seguida por tensões geradas por diferenças de CTE entre inclusão e matriz de austenita. Isso ganha relevância especial com a perspectiva de lingotamento de placas finas, onde a extensão de trabalho a quente/controlado que pode ser realizado para refinar o grão de austenita é muito limitada.

Uma das primeiras e mais claras observações in situ do processo de nucleação foi feita por Sugiyama e Shigesato, que discutiram em detalhes suas observações sobre a importância do sulfeto de manganês na nucleação de ferrita. Li e colaboradores mostraram experimentalmente e usando cálculos de primeiros princípios que óxidos de zircônio e titânio promovem zonas depletadas de manganês na interface inclusão-matriz, favorecendo nucleação de ferrita. Também mostraram que sulfeto de manganês pode nucleiar em óxido de zircônio. Como resultado, mostraram o efeito benéfico da desoxidação zircônio-titânio em aços micro-ligados, promovendo dispersões mais finas e uniformes de sulfeto de manganês e microestruturas de ferrita acicular. Grong e colaboradores revisaram as possibilidades de produzir "dispersoides", inclusões com tamanho e composições suficientemente finos para afetar nucleação na solidificação assim como nucleação de ferrita. Para alcançar isso, estas partículas, no entanto, devem ser formadas de maneira mais complexa do que apenas resultando de reações clássicas de formação de inclusões.

Efeito no Acabamento Superficial

Embora acabamento superficial possa ser considerado uma questão de usinabilidade, o caso de aços para ferramentas para moldes plásticos, por exemplo, apresenta requisitos extraordinários. Estudos mostraram que tanto microestrutura quanto limpeza desempenham papel importante. Formas simples de quantificação de limpeza, no entanto, não são capazes, em geral, de correlacionar com qualidade de polimento. Tipo de inclusão desempenha papel definido no processo, como no caso de ESR (refusão a escória) de aço P20, por exemplo, demonstrou-se que a dessulfuração típica de ESR é prejudicial para acabamento superficial e refusão em atmosfera inerte deve ser usada para prevenir dessulfuração e garantir que sulfetos cubram as inclusões de óxido permitindo bom acabamento superficial. Os resultados comparados de VAR (refusão a arco a vácuo) e o chamado PESR (ESR sob gás inerte) podem ser explicados à luz desta observação.

Efeito na Corrosão

Dois exemplos da influência das inclusões no desempenho de corrosão dos aços são a importância das inclusões em falhas relacionadas a hidrogênio, como trincamento induzido por hidrogênio (HIC), e na formação de picadas.

Inclusões e Falhas Relacionadas a Hidrogênio

A importância das inclusões como armadilhas e núcleos para HIC foi reconhecida pelo menos desde os anos 1970. A importância do efeito sinérgico de segregação e inclusões, particularmente sulfeto de manganês, foi logo também reconhecida. Nakai e colaboradores observaram que controle de forma de sulfetos teve alta influência no HIC. Mostraram que maior oxigênio no aço com sulfetos tipo I (que não têm alta plasticidade) tem melhor resistência a HIC que aço desoxidado com alumínio com sulfetos tipo II que se alongam durante laminação. No entanto, preferiram modificação de sulfeto de cálcio ou cério para garantir boas propriedades.

Também ficou claro que simplesmente reduzir enxofre e controlar forma de sulfeto não é suficiente para garantir boa resistência a HIC, pois a propagação de trinca é controlada por segregação. Portanto, aços com menor carbono e menor manganês foram desenvolvidos, bem como estratégias de resfriamento acelerado para promover menos segregação, particularmente bandamento, e dureza mais uniforme na microestrutura.

A interação de segregação e modificação com cálcio foi demonstrada em um estudo que mostrou que em segregados grandes, tratamento normal com cálcio pode ser ineficaz para prevenir formação de sulfeto de manganês. Assim, enxofre muito baixo e evitação de sulfeto de manganês tornaram-se a regra para garantir boa resistência a HIC. No entanto, inclusões continuam a desempenhar papel importante na nucleação de trincas HIC. Em aços muito limpos, mostrou-se que sulfeto de manganês promove trincamento por hidrogênio. Ao estudar a resistência de aço micro-ligado API X120, Huang e colaboradores relacionaram limpeza do aço a efeito reduzido de hidrogênio, independentemente do tipo de inclusão. No entanto, não forneceram informação sobre teor de enxofre de seu aço.

Jin e colaboradores relataram que em aço API X100 tratado com cálcio com 50 ppm de enxofre, óxidos são prejudiciais à resistência a hidrogênio. Domizzi e colaboradores não puderam correlacionar comprimento de sulfeto ou teor de enxofre a resistência HIC em aços com enxofre na faixa de 50 ppm a 150 ppm. Propõem que teor de enxofre e tamanho de inclusão influenciam resistência a hidrogênio. Indicam que um pequeno número de inclusões muito alongadas pode reduzir resistência HIC da mesma forma que um número maior de partículas mais curtas. Também enfatizam a relevância do bandamento, que em aços micro-ligados é normalmente associado a maiores teores de manganês.

Bandamento também foi mostrado como crítico para falha induzida por hidrogênio de parafusos AISI 4140 em aplicações submarinas submetidos a proteção catódica. Du e colaboradores mostraram efeitos benéficos de gerar dispersão fina de inclusões de óxido e sulfeto através de desoxidação zircônio-titânio na resistência HIC, quando comparado a desoxidação convencional com alumínio. Em uma revisão recente, Ohaeri e colaboradores confirmaram que inclusões em geral podem ser prejudiciais à resistência à degradação por hidrogênio, mas confirmaram que inclusões alongadas aparentemente têm efeito mais negativo. A importância de sulfetos alongados na extensão de bolhas de hidrogênio também foi demonstrada. Portanto, forma, quantidade e tipo de inclusões desempenham papel importante no trincamento por hidrogênio.

O eventual agrupamento de inclusões, particularmente regiões de bandamento microestrutural, tem efeito sinérgico na promoção de questões associadas a hidrogênio e deve ser cuidadosamente evitado. Além disso, deve-se notar que Murakami demonstrou que aprisionamento de hidrogênio em inclusões tem efeito considerável em fenômenos de fadiga de vida super longa. É evidente da discussão acima que a engenharia de inclusões desempenha papel cada vez mais importante no projeto de aços resistentes a hidrogênio.

Picadas (Pitting)

Wranglen relatou a importância do sulfeto de manganês como sítios de iniciação de picadas tanto em aços carbono quanto inoxidáveis. Propôs que em aços carbono, o ataque começa na matriz próximo à inclusão de sulfeto, que é mais nobre que a matriz, enquanto em aços inoxidáveis, o ataque começa na própria inclusão de sulfeto. Com o desenvolvimento de técnicas de caracterização, Ryan e colaboradores mediram a presença de região depletada de cromo circundando inclusões de sulfeto em aços inoxidáveis e propuseram que estas seriam os sítios de iniciação. Não propuseram, porém, mecanismo para formação destas regiões nem descreveram o histórico térmico de sua amostra. Seus resultados foram contestados por medições realizadas por Meng e colaboradores em vários aços (incluindo a amostra original de Ryan).

As observações de Ryan assemelham-se aos perfis de composição ao redor de carbonetos de cromo em aço inoxidável sensibilizado. Embora lá exista explicação clara para formação de regiões depletadas de cromo na matriz ao redor de carbonetos na sensibilização, não é o caso para a matriz circundante a inclusões de sulfeto. Mais recentemente, Williams e colaboradores observaram uma camada de sulfeto rico em ferro circundando as inclusões de sulfeto em aços inoxidáveis. Esta camada se dissolve preferencialmente e inicia o processo de pitting. Em suas conclusões, sugeriram que engenharia de inclusões pode ser usada para controlar a composição dos sulfetos manganês-ferro-cromo e prevenir que isso aconteça. Park e Kang revisaram recentemente a questão de inclusões em aços inoxidáveis. Discutiram o processo de solidificação dos sulfetos que pode levar à situação observada por Williams.

Parece claro que diferenças sutis de composição química ao redor de inclusões podem ser de importância primordial para o pitting de aço inoxidável. Resultados disponíveis atualmente indicam que as variações de composição causadas durante formação de sulfetos podem desempenhar papel muito importante. Liu e colaboradores demonstraram recentemente o efeito de aglomerados de alumina no pitting de aços carbono. Ma e colaboradores mostraram comportamento anisotrópico de pitting associado a inclusões de sulfeto de manganês. Portanto, é claro que inclusões, em particular inclusões de sulfeto, têm papel crucial no pitting. Park e Kang observaram que a presença de inclusões de óxido também pode desempenhar papel importante no pitting de aços inoxidáveis.