O aço inoxidável martensítico demonstra algumas das resistências ao desgaste, resistência à tração e dureza mais dominantes em comparação a outras classes de aço inoxidável e materiais. No entanto, uma das características mais intrigantes do aço inoxidável martensítico são suas propriedades magnéticas. Bem ao contrário dos antigos aços inoxidáveis austeníticos, que geralmente são não ferromagnéticos, o aço inoxidável martensítico mostra comportamento ferromagnético devido à estrutura cristalográfica BCC.
Essa qualidade lhe dá uma grande amplitude de aplicação nas indústrias que buscam materiais com perfis magnéticos específicos, como na fabricação de lentes magnéticas para fins de imagem e várias partes de motores elétricos. Este blog técnico explicará os princípios físicos e metalúrgicos básicos relacionados às propriedades magnéticas do aço inoxidável martensítico, levando em consideração os elementos de liga, tratamento térmico e microestrutura.
Os leitores apreciarão, portanto, a interação desses fatores, tornando o material magnético e fornecendo a eles insights sobre a ciência fundamental e o aprendizado da prática de engenharia.
O que é aço inoxidável martensítico?
Aço inoxidável martensítico é um tipo de liga de aço inoxidável cuja estrutura depende da quantidade de carbono presente na liga. Aumentar o teor de carbono apresenta certos benefícios, como a capacidade de produzir ligas de aço inoxidável martensítico , que são compostas de cristais cúbicos de corpo centrado (BCC). Temperar o aço em baixas temperaturas melhora sua resistência, usabilidade e resistência geral ao desgaste.
A liga também pode conter elementos como níquel e molibdênio e tem de 11,5 a dezoito por cento de cromo. Aços inoxidáveis martensíticos são magnéticos , o que é diferente dos graus austeníticos. O aço inoxidável é comumente usado em aplicações de altíssimo desempenho, como cutelarias, lâminas de turbina e até mesmo instrumentos cirúrgicos.
Compreendendo a composição química do aço inoxidável martensítico
O aço inoxidável martensítico tem um grupo peculiar de propriedades junto com seu próprio conjunto de composições químicas. O primeiro da lista seria o cromo, com cerca de 11,5 e 18% na composição, o que dá ao aço sua dureza enquanto também permite resistência à corrosão. Além disso, o segundo ingrediente vem na forma de carbono, que varia drasticamente em porcentagem de 0,1 até 1,2.
Essa porcentagem de carbono é importante quando um processo de tratamento térmico é aplicado para atingir a fase martensítica. Vendo esses níveis elevados de carbono, é possível atingir força e resistência ao desgaste.
Como é prática comum, e no caso desta liga em particular, vários outros elementos são geralmente adicionados para melhorar certas características desejáveis. Um exemplo seria o molibdênio, que é adicionado em quantidades bem pequenas, em torno de 1%, o que contribui para aumentar a capacidade da liga de suportar corrosão por pites, ao mesmo tempo em que previne corrosão por frestas, e isso é bastante benéfico em ambientes de cloreto.
O níquel também é uma ótima adição à liga, que é adicionado em quantidades proporcionais de cerca de 2% para aumentar a ductilidade e a tenacidade, e isso também sem remover a soldabilidade do aço. Outros componentes incluem manganês e silício, que são adicionados em quantidades insignificantes, pois ajudam na desoxidação e na fabricação do aço.
Puxando os dados para aços inoxidáveis martensíticos, como grau 410 (Cr: 11,5-13,5%, C: 0,08-0,15%), grau 420 (Cr: 12-14%, C: 0,15-0,35%) e grau 440C (Cr: 16-18%, C: 0,95-1,2%), parece que há bastante variação na composição. Tais variações são a razão pela qual há uma ampla gama de aços inoxidáveis martensíticos com propriedades variadas que atendem a uma série de requisitos em diferentes ramos da indústria.
O conhecimento desses graus auxilia muito na transformação martensítica do aço para atender a um requisito de engenharia.
Qual a diferença entre o aço martensítico e outros tipos?
A diferenciação mais importante que o aço martensítico tem sobre as outras categorias de aço inoxidável é a composição estrutural, que é obtida por meio de um ciclo de tratamento térmico muito específico que consiste em têmpera. Ao contrário do aço martensítico, que tem uma estrutura cristalina tetragonal que o torna magnético, o aço martensítico tem uma estrutura cúbica não magnética; portanto, não é grosso e oferece quase nenhuma resistência mecânica. No entanto, como o aço inoxidável ferrítico contém mais teor de carbono, o aço martensítico contém menos teor de carbono, o que resulta no aço ser fraco e insustentável depois de passar por um tratamento térmico.
Coisas como talheres, facas cirúrgicas e lâminas para turbinas exigem um conjunto específico de características, como ser moderadamente resistente a grosseiros, facilmente rasgáveis e feito de materiais magnéticos, e o aço martensítico é feito de tudo isso.
Explicação dos graus de aço e graus martensíticos
Diferentes tipos de aços podem ser produzidos com base nas propriedades químicas e mecânicas necessárias para um determinado propósito. A categorização dos graus permite a especificação das formas do aço e suas características especiais. Especificamente, vários graus são usados na designação de aços inoxidáveis martensíticos diferindo em uma composição química e propriedades resultantes.
Como ilustração, o grau de cromo 410 tem um teor de cromo de cerca de 11,5% a 13,5%, excedendo o teor de carbono de 0,08% a 0,15%, o que explica seu uso para aplicações que exigem resistência mecânica, mas resistência moderada à corrosão. O grau 420 aumenta o carbono para 0,35 por cento e adiciona 12 a 14 por cento de cromo, o que ajuda a melhorar a temperabilidade e as qualidades de retenção de aresta. O grau 440C, por outro lado, tem um baixo grau de cromo e carbono de cerca de 18 por cento e 1,2% respectivamente, o que o torna duro e resistente à abrasão, o que é particularmente útil para ferramentas e rolamentos de alta precisão que operam em condições adversas.
É vital observar as diferentes composições entre essas classes, pois isso orientará a seleção do aço dependendo do tipo de tarefa de engenharia. Diferentes classes têm desempenho diferente no que diz respeito à ductilidade, comportamento magnético e tenacidade à abrasão e, para aços, esses comportamentos são importantes para determinar o provável uso industrial dos materiais.
Por que o aço inoxidável martensítico é magnético?
A microestrutura e seu efeito nas propriedades magnéticas
Aços inoxidáveis martensíticos são considerados principalmente magnéticos devido à sua estrutura cristalina singular cúbica centrada no corpo (BCC) que dá origem ao ferromagnetismo. Ao contrário, aços inoxidáveis austeníticos que possuem a estrutura cúbica centrada na face (FCC) são predominantemente não magnéticos.
Por causa da estrutura BCC, os graus martensíticos são capazes de ter spins de elétrons desemparelhados que são responsáveis pelo magnetismo. Devido à existência da estrutura martensítica estável, que é caracterizada pela arquitetura BCC, esse caráter magnético permanece mesmo após o tratamento térmico ou os processos de têmpera terem sido feitos. É crucial lubrificar as interligações entre a microestrutura e as características magnéticas em casos em que a resposta magnética deve ser modulada, por exemplo, em sensores magnéticos ou motores elétricos.
O papel do cromo e do carbono no magnetismo
As características ferromagnéticas observadas em aços inoxidáveis martensíticos podem ser entendidas com referência aos constituintes de cromo e carbono da liga. Primeiramente, vale mencionar que o papel do cromo é principalmente melhorar a resistência à corrosão e auxiliar a passivação, e os efeitos magnéticos são sentidos apenas por meio de alterações microestruturais que podem ter ocorrido devido a essas mudanças. Embora o cromo não seja magnético em si, ele permite que a estrutura martensítica se desenvolva, que é de onde o magnetismo virá, devido à presença da rede BCC.
O carbono já foi um problema? Relativamente, é definitivamente necessário conferir a tenacidade ou resistência necessária aos aços martensíticos. Aumentar o teor de carbono aumenta o potencial de formação de carbonetos, o que pode subsequentemente modificar as interações magnéticas hospedadas na matriz de aço. Com o uso de mais carbono, então, a estabilidade microestrutural pode ser comprometida, embora ainda seja capaz de aumentar a dureza, mas os efeitos no magnetismo são diferentes e são inversamente não desprezíveis, como afirmado anteriormente.
A utilização dessas funções ajuda os engenheiros a desenvolver aços inoxidáveis que precisam ter certas propriedades magnéticas e mecânicas para uma aplicação específica.
Comparação com aço inoxidável austenítico
Na comparação entre aços inoxidáveis martensíticos e austeníticos, entre outros, pode-se observar o seguinte:
Microestrutura: A fase martensítica em aços martensíticos tem uma rede BCC examinada, o que é atribuído ao seu magnetismo. Os aços austeníticos não possuem magnetismo, pois tendem a ter uma estrutura FCC.
Propriedades magnéticas: Aços martensíticos geralmente possuem magnetismo devido à estrutura BCC. Os aços austeníticos 316 e 304 são exemplos de aços não magnéticos porque a fase bcc está ausente.
Resistência à corrosão: As classes austeníticas de aços inoxidáveis são conhecidas por serem mais resistentes à corrosão do que as classes martensíticas devido às maiores porcentagens de níquel e cromo.
Propriedades mecânicas: Aços inoxidáveis martensíticos atingem alta resistência e dureza após o estágio de tratamento térmico, embora isso resulte em uma queda nas propriedades de resistência à corrosão. Aços austeníticos, por outro lado, são aços muito bons, dúcteis e tenazes, com boa conformabilidade.
Aplicações: A alta resistência e dureza dos aços martensíticos os tornam adequados para cutelaria e lâminas de turbina, entre outros. Aços austeníticos são usados em equipamentos de cozinha e plantas de processamento químico devido à sua grande resistência à corrosão e conformabilidade.
Reconhecer essas diferenças auxilia na tomada de decisão sobre a categoria mais adequada de aço inoxidável para determinadas aplicações industriais, garantindo que critérios de desempenho específicos, como magnetismo, resistência à corrosão e propriedades mecânicas, sejam alcançados.
Como os elementos de liga afetam as propriedades magnéticas?
Impacto do teor de níquel e carbono
As propriedades magnéticas dos aços inoxidáveis dependem de sua microconstituição – particularmente – da localização do níquel e do carbono. A presença do níquel é importante, pois ele suporta a formação de austenita e até aumenta a quantidade de níquel, reduzindo o magnetismo, como no caso dos graus austeníticos 304 e 316. Em contraste, o carbono fortalece os aços martensíticos ao permitir o crescimento de uma estrutura martensítica BCT, que é ferromagnética.
Conclui-se do exposto acima que a quantidade e a relação do níquel e do carbono são os fatores decisivos que determinam as propriedades magnéticas resultantes do aço inoxidável.
A influência do tratamento térmico e do recozimento
Entender os efeitos do tratamento térmico e dos processos de recozimento na microestrutura do aço inoxidável é essencial, pois determina o magnetismo do aço. Embora o tratamento térmico inclua aquecimento e resfriamento controlados do aço inoxidável para atingir as características mecânicas desejadas, é importante destacar que o tratamento térmico de grau também pode alterar a distribuição e o arranjo das fases em uma liga.
Por exemplo, o resfriamento ótimo e controlado do aço inoxidável austenítico o transforma em martensítico e, devido à sua estrutura ferromagnética, aumenta suas propriedades magnéticas.
Em comparação, o recozimento é uma técnica ligeiramente diferente; é um tratamento térmico em que o aço inoxidável é elevado a uma temperatura específica e, então, resfriado gradualmente. Isso é interessante porque manter a temperatura diminuirá ainda mais a permeabilidade magnética dos aços inoxidáveis austeníticos, o que, por sua vez, restaura a estrutura do FCC.
Controlar a taxa de resfriamento e manter uma temperatura de 1040 C e menor permite a formação de permeabilidade magnética mínima em aços austeníticos. Recozimento insuficiente ou uma taxa de resfriamento lenta, por outro lado, nem sempre conseguem isso, o que aumenta as propriedades magnéticas do aço devido à transformação parcial em martensita.
O aço 304L recozido é caracterizado nos dados por valores de permeabilidade próximos a 1,02. Isso indica que o aço 304L é quase não magnético por natureza. Por outro lado, como observado anteriormente, amostras mal recozidas ou endurecidas por trabalho podem ter e têm valores de permeabilidade significativamente maiores que 1.
Portanto, há uma necessidade de dar muito cuidado no protocolo durante o tratamento térmico desses materiais. Esses processos enfatizam o papel do tratamento térmico no controle das características magnéticas do aço inoxidável em conformidade com alguns requisitos operacionais.
