I. Elementos de liga de aço
Aço
Aço é um termo coletivo para ligas de ferro com teor de carbono variando de 0,02% a 2,04% em massa. A composição química do aço pode variar significativamente. O aço contendo apenas carbono é chamado de aço carbono ou aço simples.
No entanto, na produção real, o aço muitas vezes incorpora diferentes elementos de liga com base no uso pretendido, como manganês, níquel e vanádio.
Com base no desempenho e no uso, eles são divididos em aço estrutural, aço para ferramentas e aço de desempenho especial.
Carbono
Presente em todos os aços, o carbono é o elemento de endurecimento mais vital. Ajuda a aumentar a resistência do aço. Normalmente, deseja-se que o aço para ferramentas tenha mais de 0,6% de carbono, também conhecido como aço de alto carbono.
Cromo
O cromo aumenta a resistência ao desgaste, a dureza e, o mais importante, a resistência à corrosão. Se um aço tiver mais de 13% de cromo, ele é considerado aço inoxidável. No entanto, todos os aços podem enferrujar se não forem mantidos adequadamente.
Manganês
O manganês é um elemento crucial que auxilia na formação da estrutura do grão, aumentando a tenacidade, resistência e resistência ao desgaste. É utilizado para desoxidar o aço durante o tratamento térmico e processos de laminação.
O manganês está presente na maioria dos tipos de aço utilizados em facas e tesouras, exceto A-2, L-6 e CPM 420V.
Molibdênio
Como formador de carboneto, o molibdênio evita que o aço se torne quebradiço e mantém a resistência do aço em altas temperaturas. É encontrado em muitos aços.
Os aços endurecidos ao ar (como A-2, ATS-34) sempre contêm 1% ou mais de molibdênio, permitindo-lhes endurecer ao ar.
Níquel
O níquel mantém a resistência, a resistência à corrosão e a tenacidade. Está presente em L-6, AUS-6 e AUS-8.
Silício
O silício ajuda a aumentar a resistência. Assim como o manganês, é utilizado no processo de produção de aço para manter a resistência do aço.
Tungstênio
O tungstênio aumenta a resistência ao desgaste. É misturado com uma proporção adequada de cromo ou manganês para produzir aço rápido. O aço rápido M-2 contém uma quantidade significativa de tungstênio.
Vanádio
O vanádio aumenta a resistência ao desgaste e a ductilidade. Um carboneto de vanádio é utilizado na fabricação de barras de aço. Muitos tipos de aço contêm vanádio, incluindo M-2, Vascowear, CPM T440V e 420VA, que possuem alto teor de vanádio.
A principal diferença entre o BG-42 e o ATS-34 é o conteúdo de vanádio do primeiro.
II. Tipos de aço
(1) Aço comum
a. Aço estrutural de carbono:
(a)Q195;
(b) Q215 (A, B);
(c) Q235 (A, B, C);
(d) Q255 (A, B);
(e) Q275.
b. Aço estrutural de baixa liga
c. Aço estrutural comum para fins específicos
(2) Aço de qualidade (incluindo aço de alta qualidade)
a. Aço estrutural:
(a) Aço estrutural de carbono de alta qualidade;
(b) Liga de aço estrutural;
(c) Aço para molas;
(d) Aço de corte livre;
(e) Aço para rolamentos;
(f) Aço estrutural de alta qualidade para fins específicos.
b. Aço ferramenta:
(a) Aço carbono para ferramentas;
(b) Ligas de aço para ferramentas;
(c) Aço ferramenta de alta velocidade.
c. Aço de desempenho especial:
(a) Aço inoxidável resistente a ácidos;
(b) Aço resistente ao calor;
(c) Ligas de aço para aquecimento elétrico;
(d) Aço elétrico;
(e) Aço resistente ao desgaste com alto teor de manganês.
III. O que é aço carbono?
As principais propriedades mecânicas do aço dependem do seu teor de carbono. O aço que não contém uma grande quantidade de elementos de liga é às vezes chamado de aço carbono simples ou aço carbono.
O aço carbono, também conhecido como aço carbono simples, refere-se a ligas de ferro-carbono com teor de carbono (WC) inferior a 2%.
Além do carbono, o aço carbono geralmente contém pequenas quantidades de silício, manganês, enxofre e fósforo.
O aço carbono pode ser classificado em três tipos com base em sua aplicação: aço estrutural de carbono, aço carbono para ferramentas e aço estrutural de corte livre. O aço estrutural de carbono pode ser dividido em aço estrutural para edifícios e aço estrutural para máquinas.
De acordo com o método de fundição, o aço carbono pode ser dividido em aço de forno aberto, aço conversor e aço para forno elétrico.
De acordo com o método de desoxidação, o aço carbono pode ser classificado como aço fervente (F), aço morto (Z), aço semi-morto (b) e aço morto especial (TZ).
Com base no teor de carbono, o aço carbono pode ser categorizado em aço de baixo carbono (WC ≤ 0,25%), aço de médio carbono (WC 0,25% -0,6%) e aço de alto carbono (WC > 0,6%).
Com base no teor de fósforo e enxofre, o aço carbono pode ser dividido em aço carbono comum (maior teor de fósforo e enxofre), aço carbono de alta qualidade (menor teor de fósforo e enxofre), aço de alta qualidade superior (ainda menor teor de fósforo e enxofre) e aço especial de alta qualidade.
Geralmente, à medida que o teor de carbono aumenta no aço carbono, a dureza e a resistência também aumentam, mas a ductilidade diminui.
4. O que é aço inoxidável?
O aço inoxidável, também conhecido como aço resistente a ácidos, é composto por dois componentes principais: aço inoxidável e aço resistente a ácidos. Em termos simples, o aço que pode resistir à corrosão atmosférica é chamado de aço inoxidável, enquanto o aço que pode resistir à corrosão por meios químicos é chamado de aço resistente a ácidos. O aço inoxidável é um aço de alta liga com mais de 60% de ferro como base, incorporando elementos de liga como cromo, níquel e molibdênio.
Quando o aço contém mais de 12% de cromo, ele é resistente à corrosão e ferrugem da atmosfera e ao ácido nítrico diluído. Isso ocorre porque o cromo pode formar uma película de óxido de cromo firmemente aderente à superfície do aço, protegendo-o efetivamente da corrosão. O teor de cromo no aço inoxidável é geralmente superior a 14%, mas o aço inoxidável não é totalmente imune à ferrugem.
Em áreas costeiras ou locais com poluição atmosférica severa, quando o ar contém uma grande quantidade de íons cloreto, a superfície exposta do aço inoxidável pode desenvolver alguns pontos de ferrugem. No entanto, estas manchas de ferrugem limitam-se à superfície e não corroem a matriz interna do aço inoxidável.
Geralmente, o aço com teor de cromo (Wcr) superior a 12% apresenta as características do aço inoxidável. O aço inoxidável pode ser classificado em cinco categorias com base em sua microestrutura após tratamento térmico: aço inoxidável ferrítico, aço inoxidável martensítico, aço inoxidável austenítico, aço inoxidável austenítico-ferrítico (duplex) e aço inoxidável endurecido por precipitação.
O aço inoxidável é comumente categorizado com base em sua estrutura de matriz:
Aço inoxidável ferrítico: Contém 12% a 30% de cromo. Sua resistência à corrosão, tenacidade e soldabilidade melhoram com o aumento do teor de cromo. Apresenta melhor resistência à corrosão sob tensão por cloreto do que outros tipos de aço inoxidável.
Aço Inoxidável Austenítico: Contém mais de 18% de cromo, juntamente com aproximadamente 8% de níquel e pequenas quantidades de molibdênio, titânio, nitrogênio e outros elementos. Possui excelentes propriedades abrangentes e pode resistir à corrosão em vários meios.
Aço Inoxidável Austenítico-Ferrítico (Duplex): Combina as vantagens do aço inoxidável austenítico e ferrítico e apresenta superplasticidade.
Aço Inoxidável Martensítico: Possui alta resistência, mas baixa ductilidade e soldabilidade.
V. Aço Carbono vs Aço Inoxidável
Cor: O aço inoxidável contém mais cromo e níquel, resultando em uma aparência prateada. O aço carbono consiste principalmente em carbono e ferro, com menos outros elementos metálicos, o que lhe confere uma cor predominantemente de ferro e mais escura.
Textura da superfície: O aço inoxidável, com maior teor de outros elementos metálicos, possui uma superfície lisa. O aço carbono, contendo mais ferro e carbono, tem uma superfície mais áspera e não tem a suavidade do aço inoxidável.
Magnetismo: O aço carbono possui propriedades magnéticas em sua superfície e pode ser atraído por um ímã. O aço inoxidável geralmente não é magnético em condições normais e não é atraído por ímãs.
Conteúdo de carbono: As propriedades mecânicas do aço carbono dependem do seu teor de carbono, com o aço contendo menos de 2% de carbono e geralmente não adicionando uma quantidade significativa de elementos de liga. Em contrapartida, o aço inoxidável, para manter a sua resistência à corrosão, tem um teor de carbono relativamente baixo, normalmente não excedendo 1,2%.
Conteúdo de liga: O aço carbono contém uma pequena quantidade de elementos de liga, como silício, manganês, enxofre e fósforo. O aço inoxidável possui maior teor de elementos de liga, principalmente cromo e níquel, ultrapassando 12%.
Resistência à corrosão: O aço carbono, com seu baixo teor de liga, apresenta resistência à corrosão mais fraca. O aço inoxidável, com maior teor de cromo e níquel, possui maior resistência à corrosão.
A distinção entre aço carbono e aço inoxidável reside principalmente na sua resistência à corrosão. Porém, o aço inoxidável, com suas propriedades superiores, desempenha funções que outros tipos de aço não conseguem substituir em aplicações práticas.
Por exemplo, alguns aços inoxidáveis resistentes ao calor e aços inoxidáveis com excelentes características de superfície são amplamente utilizados como materiais decorativos.
Além disso, as excepcionais propriedades mecânicas do aço inoxidável o tornam indispensável em diversos setores industriais.
O aço comum, também conhecido como aço carbono, é uma liga de ferro-carbono. É categorizado em aço de baixo carbono, aço de médio carbono e ferro fundido com base no teor de carbono.
Geralmente, o aço com menos de 0,2% de carbono é chamado de aço de baixo carbono, também conhecido como ferro macio ou ferro puro; o aço com teor de carbono entre 0,2-1,7% é chamado de aço; e o aço com mais de 1,7% de carbono é chamado de ferro-gusa.
1. O aço com teor de cromo superior a 12,5% possui alta resistência à corrosão de meios externos (ácido, sal alcalino) e é, portanto, denominado aço inoxidável.
Dependendo da estrutura interna do aço, o aço inoxidável pode ser dividido em tipos martensítico, ferrítico, austenítico, ferrítico-austenítico e endurecido por precipitação, com um total de 55 tipos especificados pela norma nacional GB3280-92.
Na vida cotidiana, encontramos frequentemente aço inoxidável austenítico (alguns chamam de aço inoxidável com níquel) e aço inoxidável martensítico (alguns se referem a ele como “ferro inoxidável”, o que é cientificamente incorreto e sujeito a mal-entendidos).
Os graus típicos de aço inoxidável austenítico incluem 0Cr18Ni9 ou “304” e 1Cr18Ni9Ti. O aço inoxidável martensítico, usado na fabricação de tesouras e facas, inclui principalmente os graus 2Cr13, 3Cr13, 6Cr13, 7Cr17, etc.
2. As diferenças nas composições desses dois tipos de aço inoxidável resultam em diferentes microestruturas metálicas internas.
3. O aço inoxidável austenítico, devido ao alto teor de cromo e níquel (aproximadamente 18% de cromo e mais de 4% de níquel), apresenta uma estrutura interna austenítica.
Esta estrutura não é magnética e não pode ser atraída por um ímã. É comumente usado para materiais decorativos, como tubos de aço inoxidável, toalheiros, talheres, fogões, etc.
4. O aço inoxidável martensítico é usado para fabricar facas e tesouras. Como as ferramentas de corte devem ser afiadas, elas devem possuir uma certa dureza.
Esse tipo de aço inoxidável deve passar por tratamento térmico para alterar sua estrutura interna e aumentar sua dureza para ser utilizado como ferramenta de corte.
Mas esse tipo de aço inoxidável tem estrutura interna martensítica temperada e é magnético, o que significa que pode ser atraído por um ímã.
Portanto, não se pode simplesmente determinar se um material é aço inoxidável com base no seu magnetismo.
VI. Tubos sem costura de aço inoxidável versus tubos sem costura de aço carbono
A distinção entre tubos sem costura de aço inoxidável e tubos sem costura de aço carbono reside principalmente nas diferentes regras de projeto para esses dois tipos de aço, o que significa que suas regras de projeto não são intercambiáveis. As diferenças podem ser resumidas da seguinte forma:
Em primeiro lugar, o aço inoxidável endurece durante o trabalho a frio devido a um fenômeno denominado endurecimento por trabalho. Por exemplo, durante a flexão apresenta anisotropia, com propriedades diferentes nas direções transversal e longitudinal.
O aumento de resistência do trabalho a frio pode ser utilizado para aumentar o fator de segurança, principalmente quando a área dobrada é pequena comparada à área total, tornando o aumento insignificante.
Em segundo lugar, a curva tensão-deformação do aço inoxidável difere daquela do aço carbono. O limite elástico do aço inoxidável é de aproximadamente 50% de sua tensão de escoamento, que, de acordo com os regulamentos padrão, é inferior à tensão de escoamento do aço de médio carbono.
Por último, o aço inoxidável não tem um limite de escoamento definido. Em vez disso, a tensão de escoamento é geralmente representada por σ0,2 e é considerada um valor equivalente.
VII. Tratamento Térmico e Indicadores de Desempenho Mecânico do Aço
Tratamento térmico é um processo que manipula as propriedades físicas de um metal utilizando aquecimento e resfriamento. Através do tratamento térmico, a microestrutura do aço pode ser melhorada para atender a requisitos físicos específicos.
Algumas das características alcançadas por meio deste processo incluem tenacidade, dureza e resistência ao desgaste. Essas propriedades são obtidas usando técnicas de tratamento térmico, como endurecimento, revenido, recozimento e endurecimento superficial.
Endurecimentotambém conhecido como têmpera, envolve aquecer uniformemente o metal a uma temperatura apropriada e, em seguida, mergulhá-lo rapidamente em água ou óleo para resfriamento abrupto, ou resfriá-lo ao ar ou em uma área de congelamento para atingir a dureza desejada.
Temperamento é necessária após o endurecimento, pois o aço se torna quebradiço e suscetível à fratura devido à tensão induzida pelo resfriamento rápido.
Para eliminar esta fragilidade, o revenido é realizado reaquecendo o aço a uma temperatura ou cor apropriada, seguido de resfriamento rápido.
Embora este processo reduza ligeiramente a dureza do aço, aumenta a sua tenacidade e reduz a sua fragilidade.
anelamento é um método utilizado para eliminar as tensões internas do aço e homogeneizá-lo. O processo envolve aquecer o aço acima de sua temperatura crítica e depois colocá-lo em cinza seca, cal, amianto ou selá-lo dentro de um forno para permitir que esfrie lentamente.
Dureza refere-se à capacidade de um material resistir à penetração de um objeto externo. Um método comum de testar a dureza do aço é usar uma lima na borda da peça, onde a profundidade das marcas de lima indica o grau de dureza.
No entanto, este método não é altamente preciso. Os testes de dureza modernos normalmente são feitos com um testador de dureza. O teste de dureza Rockwell é um dos testes mais comumente usados.
O testador de dureza Rockwell mede a profundidade de penetração de um penetrador de diamante no metal; quanto mais profunda for a penetração, menor será a dureza. A profundidade de penetração pode ser lida com precisão em um mostrador, e essa leitura é chamada de número de dureza Rockwell.
Forjamento é um processo em que o metal é moldado por martelamento. Quando o aço é aquecido até a temperatura de forjamento, ele pode ser forjado, dobrado, trefilado e modelado. A maior parte do aço é fácil de forjar quando aquecido até atingir uma cor vermelho cereja brilhante. Um método comum para aumentar a dureza do aço é através da têmpera.
Fragilidade refere-se à tendência de um metal fraturar facilmente. O ferro fundido, por exemplo, é altamente frágil e pode até rachar ao cair. Existe uma estreita relação entre fragilidade e dureza; normalmente, materiais com alta dureza também apresentam alta fragilidade.
Ductilidade (também conhecido como maleabilidade) refere-se à capacidade de um metal de se deformar permanentemente sem fraturar quando sujeito a forças externas. Metais dúcteis podem ser transformados em fios finos.
Elasticidade refere-se à propriedade de um metal de se deformar sob forças externas e retornar à sua forma original quando as forças são removidas. O aço para molas é um material altamente elástico.
Maleabilidade também conhecida como forjabilidade, é outra descrição da ductilidade ou maciez de um metal. Maleabilidade é a propriedade de um metal de se deformar sem fraturar quando submetido a martelamento ou laminação.
Dureza é a capacidade de um metal de resistir a vibrações ou impactos. A tenacidade é o oposto da fragilidade.
