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ANDRÉ LUIZ V. DA COSTA E SILVA

AÇOS E FERROS FUNDIDOS: METALURGIA E APLICAÇÕES VOLUME 1

Patrocínio:

FUNDAMENTOS

AÇOS E FERROS FUNDIDOS: METALURGIA E APLICAÇÕES

Coleção de Livros ABM em Metalurgia, Materiais e Mineração

Diretor de Operações Valdomiro Roman da Silva

Analista Editorial Luciane Genzano Cruz

André Luiz V. da Costa e Silva

AÇOS E FERROS FUNDIDOS: METALURGIA E APLICAÇÕES FUNDAMENTOS

VOLUME 1

Patrocínio

Aços e ferros fundidos: metalurgia e aplicações – Fundamentos, vol. 1 © 2026 André Luiz V. da Costa e Silva Editora Edgard Blücher Ltda. Publisher Edgard Blücher Editor Eduardo Blücher Coordenador editorial Rafael Fulanetti Coordenadora de produção Ana Cristina Garcia Produção editorial Maísa Kawata Preparação e revisão de texto Alexandra Fonseca, Cristine A. Sakô, Henrique Torres e Renata Campos Diagramação Isabela Veras, Fagner Santos, Guilherme Salvador, Laudemir Santos, Liliana Fusco e Thiago Cordeiro Capa Juliana Midori Horie Imagem da capa Cortesia CETEC-MG, atualmente ISIMLE- CIT SENAI, Belo Horizonte, MG, Brasil Descrição da imagem Perlita em aço eutectoide. Imagem de microscopia de força atômica.

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) Heytor Diniz Teixeira, CRB-8/10570 Rua Pedroso Alvarenga, 1245, 4 o andar 04531-934 – São Paulo – SP – Brasil

Costa e Silva, André Luiz V. da Aços e ferros fundidos : metalurgia e aplicações :

Tel.: 55 11 3078-5366

fundamentos / André Luiz V. da Costa e Silva. –

contato@blucher.com.br

São Paulo : Blucher, 2026.

www.blucher.com.br

1 v. (592 p. : il.). – (Coleção de Livros ABM)

Segundo o Novo Acordo Ortográfico, conforme 6. ed. do Vocabulário Ortográfico da Língua Portuguesa,

Bibliografia

Academia Brasileira de Letras, julho de 2021.

ISBN 978-85-212-3374-9 (Impresso) ISBN 978-85-212-3372-5 (Eletrônico – Epub)

É proibida a reprodução total ou parcial por quaisquer

ISBN 978-85-212-3370-1 (Eletrônico – PDF)

meios sem autorização escrita da editora.

1. Metalurgia. 2. Metalurgia física. 3. Aço.

4. Ferro fundido. 5. Transformações de fase. I. Título. II. Série. CDU 669 Índice para catálogo sistemático: 1. Metalurgia

CDU 669

Apresentação da coleção de livros ABM

A Coleção de Livros ABM em Metalurgia, Materiais e Mineração, criada em 2005, tem por principais objetivos suprir lacunas de conhecimentos e estimular o desenvolvimento de pessoas. De forma a ter uma abordagem mais didática, a coleção foi segmentada em quatro séries: Livros de referência – apresentam-se como materiais para consulta rápida de informações úteis, gerais ou focalizadas em um determinado campo do conhecimento, abrangendo, normalmente, tabelas, estatísticas, definições, exemplos, históricos e outros tipos de conteúdo. Obras de difusão – têm o propósito de levar a notícia e o conhecimento até o leitor comum, familiarizando-o com a natureza do progresso científico e tecnológico, bem como apresentar implicações econômicas, sociais e políticas, em uma sociedade exposta a constantes mudanças. Livros de atualização – fornecem ao leitor mais experiente a abordagem de assuntos especializados que complementam o conhecimento técnico-científico, além de atualização sobre os progressos nas áreas de metalurgia, materiais e mineração. Livros-texto – destinam-se a leitores iniciantes ou que queiram se aprofundar no assunto, abordando temas de Fundamentos, Matérias-primas e Processos, Produtos e Aplicações e Gestão, seguindo uma sequência lógica de assunto e grau progressivo de dificuldade, compatíveis com a finalidade didática do livro. O livro Aços e ferros fundidos: metalurgia e aplicações é fruto de mais uma parceria entre ABM e Editora Blucher, e vem enriquecer a Coleção de Livros, contribuindo com a série Livros-texto.

Valdomiro Roman da Silva Diretor de Operações

Sumário

Prefácio do patrocinador 11 Prefácio do autor 13 1.

O ferro e suas ligas (aços e ferros fundidos) como materiais 15 1.1 Introdução histórica 15 1.2 O elemento ferro e sua estrutura cristalina 21 1.3 Estrutura: escalas na natureza 26 1.4 Estrutura, propriedades e desempenho 30 1.5 Estruturas e propriedades dos aços: algumas relações importantes 38 Referências 58

Fundamentos termodinâmicos 65 2.1 Introdução 65 2.2 A formulação de Gibbs e o equilíbrio em metalurgia 69 2.3 A formulação de Gibbs se encontra com os diagramas de equilíbrio de fases 74 Referências 87

Metaestabilidade e as fases e constituintes no sistema Fe-C 91 3.1 3.2 3.3 3.4

Introdução 91 Soluções sólidas Fe-C 92 Os constituintes do sistema Fe-C metaestável em condições “próximas” ao equilíbrio 101 Alguns aspectos básicos da termodinâmica computacional e do método CALPHAD relevantes para o estudo dos aços 107 Referências 118 4.

Composição química e elementos de liga 125 4.1

Principais fatores que definem as propriedades dos produtos de aço

125

Aços e ferros fundidos: metalurgia e aplicações – Fundamentos, vol. 1

4.2 Composição química dos aços 126 4.3 Elementos de liga 132 Referências 158 5.

Transformações de fase por nucleação e crescimento 165 5.1 Introdução 165 5.2 Teoria da nucleação 166 5.3 Crescimento 181 Referências 214

Martensita: crescimento sem difusão, bainita e ferritas 221 6.1 Introdução 221 6.2 Martensita 221 6.3 Bainita: um constituinte intermediário 240 6.4 Microestruturas ferríticas 254 Referências 268

Transformações no revenimento 275 7.1 Introdução 275 7.2 Estágios do revenimento da martensita 278 7.3 Evolução microestrutural na metalografia ótica 286 7.4 Tempo e temperatura de revenimento – parâmetros usuais 289 7.5 O revenimento da bainita 290 7.6 Fragilização no revenimento 293 Referências 299

Transformações em sistemas contendo elementos de liga e transformações no resfriamento contínuo 303 8.1 Efeitos dos elementos de liga nas transformações de fase que envolvem difusão 303 8.2 Transformações displacivas 313 8.3 Resfriamento contínuo 313 8.4 Uma visão simplificada do efeito dos elementos de liga sobre as curvas TTT 317 8.5 Precipitados: dissolução, formação e coalescimento 317 8.6 Temperabilidade 346 8.7 Modelamento semiempírico das transformações de fase no aço 353 Referências 356

Formação da austenita e tamanho de grão austenítico 363 9.1 Introdução 363 9.2 Formação da austenita no aquecimento 363 9.3 Curvas de transformação na austenitização (TTA: time-temperature-austenitizing) 365 9.4 Crescimento de grão austenítico 370 9.5 Austenitização com aquecimento rápido 381 Referências 384

10 Formação da estrutura: refino e solidificação 387 10.1 Introdução – processos de produção de aço 10.2 Refino do aço na aciaria

387 388

Sumário

10.3 Composição química 10.4 Solidificação 10.5 Manufatura aditiva Referências

394 411 459 465

11. Conformação mecânica: efeitos metalúrgicos 475 11.1 Introdução 475 11.2 Efeito do estado de tensões na deformação 475 11.3 Efeito da temperatura: trabalho a quente e trabalho a frio 476 11.4 Recuperação e recristalização (trabalho a quente e tratamento térmico subcrítico) 478 11.5 Trabalho a quente 537 11.6 Trabalho a frio 571 Referências 572 Índice remissivo

585

Prefácio do patrocinador

Pelas mãos, cérebro e coração do prestigiado Professor André Luiz V. da Costa e Silva, este Aços e ferros fundidos: metalurgia e aplicações, nova publicação da ABM em parceria com a Editora Blucher, vem suprir uma lacuna significativa na literatura técnica da área, deixada pelo esgotamento do valioso livro Aços e ferros fundidos, do Professor Vicente Chiaverini, precursor em língua portuguesa e primeiro título da Coleção ABM, que formou gerações de profissionais desde sua primeira publicação em 1959. Este livro do Professor André Costa e Silva amplia, atualiza e fortalece os conceitos originalmente apresentados pelo Professor Chiaverini, apresentando mais fluidez e evidenciando tanto os avanços científicos e tecnológicos desenvolvidos ao longo das últimas décadas quanto os fundamentos que possibilitaram o expressivo desenvolvimento e a crescente diferenciação dos aços e demais ligas ferrosas, tal como os conhecemos hoje, atendendo às demandas de praticamente todos os segmentos da indústria moderna. A questão ambiental, cada vez mais relevante no cenário atual e para o futuro, permeia o texto, destacando os esforços contínuos para a redução dos impactos ambientais associados aos produtos e processos produtivos. O apoio da CBMM a este tipo de obra faz parte de sua estratégia de fomentar a busca pelo conhecimento científico e tecnológico baseado no desenvolvimento das pessoas. E é com grande satisfação que assino este prefácio, tendo a certeza de que Aços e ferros fundidos: metalurgia e aplicações continuará sendo uma sólida referência, contribuindo para a formação de novas gerações de profissionais e pesquisadores. Boa leitura! Rafael Agnelli Mesquita Diretor de Tecnologia da CBMM

Prefácio do autor

Há cinquenta anos concluí o curso de Engenharia Metalúrgica no Instituto Militar de Engenharia, no Rio de Janeiro. Curiosamente, três anos antes, eu sequer sabia da existência dessa área. Bastou uma apresentação do então chefe da seção de Engenharia Metalúrgica, o brilhante Prof. Waldimir Pirró e Longo para me convencer que esse era o caminho a seguir. Vários dos ensinamentos do Prof. Longo me marcaram e ajudaram a moldar minha carreira. A nossa formação era mais voltada para a compreensão dos fundamentos e menos para a descrição e discussão de equipamentos e processos, dentro da lógica de que, com os fundamentos, pode-se compreender todo o resto, mas o inverso não é verdade. A “aposta” era de que, com uma boa base, a carreira do engenheiro seria mais duradoura. Mais tarde, isso se consolidou no conceito de que um engenheiro bem formado fica “obsoleto” várias vezes na carreira e consegue se “reinventar”, estudando e se aprimorando. A imagem de uma esteira de exercícios, em que, para ficar no mesmo lugar precisamos correr continuamente, se adapta perfeitamente ao desafio da carreira do engenheiro, desde então. Uma formação com muita informação, em vez de fundamentos, leva a uma rápida obsolescência profissional. Hoje, é possível até já sair da universidade obsoleto. Esse livro tenta ser uma ferramenta “antiobsolescência” na área de aços e ferros fundidos. Vivemos um paradoxo quanto à disponibilidade de informação. Nunca tanta informação foi tão facilmente acessível, com tão pouco esforço. A dificuldade de ter acesso a ela acabou, mas a necessidade de uma curadoria eficiente cresceu dramaticamente. Há meio século, toda as informações importantes sobre aços e ferros fundidos eram encontradas em uma dezena de livros consolidados e outra dezena de periódicos com corpo editorial estável e confiável. Hoje, a informação prolifera em todas as formas, línguas, profundidades e níveis de confiabilidade. A Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração (ABM) tem uma longa tradição de organizar e disponibilizar informação técnica de qualidade, seja em seus eventos técnicos, seja em suas publicações, sempre sujeitas a uma editoração rigorosa, para garantir sua confiabilidade. Desde meu tempo de estudante, as publicações da ABM são uma fonte confiável, em português, para todos os interessados em metalurgia: estudantes, profissionais e pesquisadores. Assim, colaborar para a Coleção ABM é, para mim, motivo de grande orgulho. Tive a sorte de ser convidado pelo Dr. José Diniz de Souza, então presidente da Eletrometal Aços Finos S.A., para escrever, junto com

Aços e ferros fundidos: metalurgia e aplicações – Fundamentos, vol. 1

o Prof. Paulo Mei, o nosso Tecnologia dos aços, publicado em 1981 e, hoje, apresentado como Aços e ligas especiais, em sua quarta edição. Em 2008, o Dr. Edgard Blucher me honrou com a oportunidade de revisar e atualizar o livro do Prof. Hubertus Colpaert, no qual estudara durante a graduação. Condensei as ideias sobre “refino de aços”, amadurecidas durante mais de trinta anos de apresentação do curso sobre o tema no curso de graduação da Escola de Engenharia Industrial Metalúrgica de Volta Redonda da Universidade Federal Fluminense (EEIMVR-UFF), em outro livro publicado pela Editora Blucher. Agora tive a honra de ser convidado pela ABM, que é parte da minha carreira desde seu início, para escrever esta obra, Aços e ferros fundidos: metalurgia e aplicações, a fim de fazer parte da excelente Coleção ABM de livros técnicos. Neste livro, tentei organizar os conhecimentos e os desafios com que me defrontei no mundo siderúrgico desde 1976. Com base na visão da importância dos fundamentos, o livro não tem caráter enciclopédico. Traz os conhecimentos da metalurgia essenciais para a compreensão da grande jornada que trouxe e manteve os aços e ferros fundidos na liderança do mundo dos materiais durante mais de um século, contrariando as frequentes previsões de sua iminente substituição por outros materiais. Para compreender essa evolução (e participar das próximas etapas desse fantástico processo), é necessário conhecer os fundamentos da metalurgia desses materiais e é útil entender como esses fundamentos foram sendo aplicados no desenvolvimento incessante de novos aços e ferros fundidos, em diversas famílias. Assim, o primeiro volume condensa os fundamentos metalúrgicos aplicáveis aos aços e ferros fundidos e o segundo discute a evolução e o estado atual de algumas famílias importantes de aços e ferros, com base nesses fundamentos, tentando mostrar como foram aplicados de forma que esses produtos evoluam à velocidade impressionante que observamos nas últimas décadas. O desafio foi extremamente interessante e revigorante. Uma viagem ao passado e uma aventura no presente e em um futuro imaginado, para completar os dois volumes e sua interligação. Entretanto, viagens e aventuras precisaram chegar a uma conclusão e fixamos o lançamento para a 10a edição da ABM Week (2026): mais uma data importante na minha vida! Meu planejamento, entretanto, não se concretizou por completo, e o leitor poderá notar alguns deslizes nas figuras em relação ao padrão de qualidade da ABM, e que é certa e justamente esperado pelo leitor. Peço aqui minhas profundas desculpas e prometo que, havendo aceitação do livro e uma nova edição, essas falhas serão sanadas. Poder iniciar essa discussão já traz, na minha visão, um benefício maior do que o eventual prejuízo associado a esses deslizes. Por isso, estou convencido que o resultado, ainda assim, é muito positivo e permite apresentar uma visão “viva” das ideias que gostaria de apresentar e discutir e que espero possam servir de base para novos caminhos no desenvolvimento dos aços e ferros fundidos. Muitas pessoas colaboraram, direta ou indiretamente, para tornar viável esse livro, permitindo a aventura de organizar esses conhecimentos de uma forma que fosse, na minha visão, acessível e interessante à maior parte dos leitores. Aqui não é possível agradecer a todos e a cada um: meus professores(as), meus alunos(as), muitos(as) dos quais são colegas, atualmente, colegas engenheiros que se tornaram amigos(as) e com quem muito aprendi e continuo aprendendo; a família, que tem uma paciência infinita com o processo; ao povo brasileiro que patrocinou toda a minha educação, gastando nela, mais do que um brasileiro médio ganha ao longo de uma vida. Espero estar retribuindo, em parte, esse investimento pelo qual sou imensamente grato. A equipe da editora, com paciência infinita e aos colegas e amigos da ABM, por tantas oportunidades que me proporcionam e proporcionaram ao longo da carreira. A Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração (CBMM), parceira mais uma vez na criação e divulgação do conhecimento! A todos, muito obrigado. A cada um agradeço, pois parte do que há de bom no livro é resultado de sua participação na minha vida! Os erros e falhas são meus, apenas. André Luiz V. da Costa e Silva Rio de Janeiro, julho de 2026

CAPÍTULO 1

O ferro e suas ligas (aços e ferros fundidos) como materiais

1.1 INTRODUÇÃO HISTÓRICA O desenvolvimento humano sempre dependeu dos materiais para sua concretização. A importância dos metais entre os materiais é tão grande que há períodos da história marcados pela liga metálica dominante na época, como a Idade do Bronze. Embora seja comum caracterizar o período mais recente da história como “pós-industrial” e citar a importância decrescente dos materiais na economia, essa visão é, possivelmente, limitada. A concretização dos negócios “pós-industriais”, tão elegantes e atraentes, ocorre em um “mundo material” onde o uso de matérias-primas cresce continuamente em praticamente todas as categorias de materiais. Em 2019, por exemplo, esse crescimento foi de 2,8%.[1] O uso dos metais pelo homem principiou com os metais mais nobres, como ouro, prata, platina e até cobre, que são encontrados em estado metálico na natureza. O uso de metais menos nobres que ocorrem na natureza, como óxidos ou outros compostos mais estáveis que o metal puro, dependeu de descobertas, acidentais ou não, de processos que permitissem extrair o metal desse composto.[2] Esses compostos naturais são, tipicamente, conhecidos como “minérios”. É possível que a presença de minérios (que são rochas encontradas na natureza) em fogueiras, onde há abundância de carbono, elemento redutor1 de grande número de óxidos, tenha causado a redução dos compostos e o aparecimento de gotas ou de pequenos pedaços de metal nas fogueiras, em função da temperatura e do ambiente redutor.[2] Essa ocorrência “intrigante” deve ter levado a mais experimentos, até o controle “empírico” de procedimentos que conduzissem à formação de metais “reduzidos” de seus compostos. Os óxidos de ferro são bastante estáveis,[3] de forma que as únicas ocorrências de ferro metálico na natureza são os meteoritos.[2,4,5] Na tumba do faraó Tutancâmon, por exemplo (cerca de 2300 a.C.), foi encontrado um punhal de ferro forjado, fabricado possivelmente a partir de um meteorito.[6] 1

Redutor é um elemento capaz de produzir a redução (do número de oxidação) de um metal. Assim, por exemplo, o ferro é reduzido quando passa de Fe+3 (no óxido Fe2O3) para FeO, ferro metálico.[3]

Aços e ferros fundidos: metalurgia e aplicações – Fundamentos, vol. 1

Acima, punhal de liga de ferro da tumba de Tutancâmon datado de 2300 a.C., em exposição no Museu Egípcio, no Cairo. Abaixo, Análise por EDS portátil do punhal, destacando o elevado teor de Ni, típico de meteoritos, e as concentrações localizadas de S e Cl, decorrentes de contaminantes. Figura 1.1

Fonte: Cortesia do Prof. Tomoko Arai.[6]

Além da estabilidade dos óxidos de ferro, o ponto de fusão desse metal, particularmente elevado (1535 °C, Figura 1.2), comparado com o do cobre e suas ligas (∼ 1000 °C)[7] representa uma dificuldade especial para a obtenção e o processamento do metal líquido. A impossibilidade de processamento em estado líquido (como a fundição, por exemplo) dificulta significativamente a produção em maior escala de um metal. Por esse motivo a extração do ferro de seus minérios deve ter sido posterior ao desenvolvimento da metalurgia do cobre e, principalmente, do bronze. Assim, embora seja comum considerar que a Idade do Ferro se inicie por volta de 2000 a.C. (usando o início da Era Cristã como divisor das datas no Oriente – China e Índia, principalmente), há registros de artefatos de ferro bastante anteriores a essa data,[8] e o caminho mais comum para a obtenção de artefatos de ferro (ou “aço”) na Antiguidade era a redução do minério de ferro em estado sólido, com lenha ou carvão vegetal, e o posterior forjamento do material obtido (“ferro-esponja”) para sua consolidação e a expulsão das partículas de óxidos contaminantes do minério.[2,5,9,10] Esse processo era comumente chamado “smelting” e o forjamento para a consolidação, “pudling” ou pudlagem.[3,11] A quantidade de metal obtida por esse processo (sua “produtividade”) era limitada. Em algum ponto da história, observou-se que o carbono reduz sensivelmente a temperatura de fusão das ligas de ferro, como mostra o diagrama de equilíbrio de fases da Figura 1.2. Naturalmente, essa descoberta foi empírica, pois a identificação dos elementos químicos e a determinação do diagrama de equilíbrio de fases Fe-C só vieram muito depois (a identificação do carbono no ferro e no aço é atribuída a Rinman, por volta de 1800,[12,13] e o diagrama Fe-C foi inicialmente determinado entre o final do século XIX e o início do século XX.[14-17] A observação do efeito do carbono sobre o ponto de fusão das ligas de ferro permitiu o desenvolvimento do aço “wootz”, na Índia. Os estudos atuais indicam que o pré-reduzido de ferro era aquecido durante longo tempo em um cadinho com uma fonte rica em carbono, obtendo-se pequenas quantidades de aço de alto carbono, líquido e com Para saber sobre a menos inclusões não metálicas.[18] Os blocos de aço solidificados eram forjados e trahistória da metalurgia. tados para obtenção de espadas e outros utensílios. Essa técnica parece ter se desenvol-

CAPÍTULO 2

Fundamentos termodinâmicos

2.1 INTRODUÇÃO No início do século XVIII a humanidade havia desenvolvido grandes progressos na metalurgia. A física “clássica” havia progredido imensamente, desde a formulação das leis de Newton[1] e das demais contribuições anteriores e posteriores de cientistas importantes, como Huygens, Leibnitz, Galileu, Bacon, Hooke, entre muitos outros. Esse progresso se apoiava em uma segurança consolidada em leis pervasivas. Por outro lado, a química ainda lidava com a alquimia e preservava os quatro elementos constituintes da matéria propostos por Empédocles1 em poesia: fogo, ar, terra e água. No texto original os elementos são descritos por meio dos deuses gregos associados a cada um. Aristóteles acreditava que cada um desses elementos tinha duas qualidades intermediárias, como quente, seco, frio e úmido (Figura 2.1). FIRE

(a)

(b) Hot

Dry

AIR

EARTH

Wet

Cold

WATER

Em a) ilustração dos quatro elementos de Empédocles. Imagem de De rerum natura de Lucretius, edição de 1472, Brescia, Tommaso Ferrando. Em b), as duas qualidades de cada elemento de Empédocles, segundo Aristóteles. Figura 2.1

Fonte: a) Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0; b) Adaptado de P. Ball.[2]

Filosofo pré-socrático da região de Agrigento, na Sicília. Viveu entre 500 a.C. e 400 a.C.

Aços e ferros fundidos: metalurgia e aplicações – Fundamentos, vol. 1

“Ignis mutat res” (“o fogo modifica a matéria”) era um conceito bem conhecido e empregado. O fogo (ou calor) era amplamente empregado para aquecer os ambientes, cozinhar alimentos e na metalurgia. Entretanto, as máquinas existentes na época usavam força animal ou humana, ou energia de quedas de água ou do vento (Figura 2.2).[3]

Produção de bismuto (possivelmente) a partir de minério, com aquecimento, redução e fusão. Madeira e ou carvão eram queimados para o processo metalúrgico. Observe-se que todas as ferramentas e dispositivos auxiliares usam força humana, queda de água ou força animal.[4] Domínio público. Figura 2.2

Entretanto, os conceitos de calor e temperatura e a distinção entre os dois ainda não haviam sido compreendidos. No início do século XVII, o estudo do calor foi novamente um assunto relevante. Ainda havia, entretanto, muitas deficiências na forma de medir a temperatura e discussões sobre o significado dessa medida.[5] No final do século XVIII, várias máquinas, aproveitando a força da expansão do vapor, apareceram na Inglaterra, onde o carvão era abundante. Thomas Savery em 1698 concebeu uma máquina que usava vapor para bombear água de poços e, em 1712, Thomas Newcomen criou uma bomba a vapor para a mineração. Joseph Black (1728-1799) fez importantes medidas de “calor latente” e “calor específico”. James Watt, com medidas empíricas, identificou a importância do “calor latente” e do “calor

CAPÍTULO 3

Metaestabilidade e as fases e constituintes no sistema Fe-C

3.1 INTRODUÇÃO Nem sempre os sistemas atingem o equilíbrio “completo” em temperatura e pressão constantes. Em alguns casos a formação das fases esperadas no equilíbrio pode ser difícil e a natureza escolhe alternativas “menos instáveis”, mesmo que não consiga chegar, em tempos razoáveis, à configuração de equilíbrio. O sistema Fe-C é, em particular, um sistema em que esse tipo de fenômeno é muito comum. Depois de dissolver o carbono no ferro, pode ser muito difícil1 que a fase estável em diversas condições, a grafita, seja formada quando as condições termodinâmicas são alteradas. O caso mais comum em que é possível formar a grafita a partir de uma solução Fe-C é a precipitação dessa fase a partir do líquido, dando origem a algumas importantes famílias de ligas chamadas “ferros fundidos”, como os ferros cinzentos e nodular (Capítulo 9, v. 2). Em algumas aplicações, longos tempos em temperaturas relativamente elevadas, como vasos de pressão e tubulações no refino do petróleo, podem conduzir à chamada “grafitização” do aço, com degradação de suas propriedades.[1] Nos capítulos anteriores escolhemos, deliberadamente, discutir o equilíbrio entre fases de elementos com solubilidade mútua, como no caso do sistema Fe-Ni. O sistema Fe-C apresenta ainda outra particularidade importante: o carbono não existe em nenhuma das estruturas cristalinas que o ferro apresenta. Adicionalmente, ao se dissolver no ferro, o carbono não ocupa posições atômicas anteriormente ocupadas pelo ferro, e sim outras posições cristalográficas. Assim, neste capítulo introduzimos alguns conceitos adicionais para tratar das soluções Fe-C e desse importante sistema, embora a discussão das estruturas cristalinas não seja essencial para o tratamento termodinâmico do problema desde que Boltzmann[2-4] foi capaz de criar uma ponte consistente entre a termodinâmica, ciência macroscópica, e os aspectos microscópicos da matéria, por meio da mecânica estatística. A metalurgia se aproveita fortemente dessa ponte quando busca compreender os efeitos das estruturas sobre as propriedades termodinâmicas e criar modelos “atomísticos” quantitativos capazes de prever propriedades como a variação de entropia configuracional no processo de mistura. 1

Aqui optamos por uma discussão qualitativa. Em capítulos posteriores as “dificuldades” que o sistema encontra serão discutidas em mais detalhe. Essas dificuldades, entretanto, não são, intrinsecamente, o assunto da termodinâmica.

Aços e ferros fundidos: metalurgia e aplicações – Fundamentos, vol. 1

3.2 SOLUÇÕES SÓLIDAS Fe-C O carbono é, possivelmente, o elemento de liga mais relevante nos aços e ferros fundidos. Não apenas por seu efeito nas propriedades e estrutura do aço, mas pelo fato de ter sido introduzido como elemento de liga, possivelmente de forma não deliberada, no processo de redução, desde as primeiras ligas de ferro produzidas pelo homem. A maior parte dos metais, quando se dissolve no ferro sólido para formar ligas, ocupa os mesmos sítios da rede cristalina que os átomos de ferro. Esse tipo de solução é chamado de uma solução substitucional.

3.2.1 Solução intersticial Quando o raio atômico do soluto é significativamente diferente daquele do ferro, ele pode ocupar posições “entre” os átomos de ferro na rede cristalina. Esse tipo de solução, que ocorre com o carbono e o nitrogênio, no ferro, por exemplo, é chamado de solução intersticial. O carbono se dissolve intersticialmente nas estruturas CCC e CFC do aço. Isto é, o átomo de carbono não ocupa uma das posições da rede cristalina ocupada pelo ferro, e sim um espaço entre estes átomos ou posições na rede, como mostrado na Figura 3.1.

(a)

(b)

(c)

(d)

Interstícios importantes nas estruturas CCC e CFC. O modelo da figura não é o modelo das esferas que se tocam. As esferas “maiores” representam as posições ocupadas pelo ferro na rede cristalina e a esfera “menor”, em cada figura, representa o centro de uma esfera inscrita na figura geométrica em questão. As duas estruturas têm interstícios octaédricos e tetraédricos.3 Em a) CFC octaédrico, b) CFC tetraédrico, c) CCC octaédrico, e d) CCC tetraédrico.

Figura 3.1

Como mencionado anteriormente, embora átomos não sejam esferas rígidas, o uso desse modelo é bastante útil para auxiliar na compreensão das estruturas das fases dos aços e das demais ligas.

O interstício é “nomeado” em função do poliedro formado pelos átomos de ferro mais próximos de seu centro.

CAPÍTULO 4

Composição química e elementos de liga

No Capítulo 1 foi apresentada, brevemente, a “equação básica” do projeto de ligas, mostrada na Figura 1.1. Neste capítulo, alguns aspectos ligados à composição química são discutidos em mais detalhe.

4.1 PRINCIPAIS FATORES QUE DEFINEM AS PROPRIEDADES DOS PRODUTOS DE AÇO Composição química e estrutura, combinadas, definem as características dos produtos de aço. Essas duas famílias de fatores podem ser afetadas por diferentes processos industriais, como indicado na Figura 4.1. Além disso, cada uma das famílias pode ser dividida em diferentes aspectos ou “subfatores” e seus impactos no produto podem ser analisados. Onde e como controlar

Refino primário, refino secundário (Forno Panela, Vácuo, Refusão,...) Capítulo 10 Tratamentos termoquímicos Capítulo 1 (v. 2)

“Os fatores”

Detalhamento dos fatores e impactos

Solidificação Tratamentos Termomecânicos e tratamentos térmicos Capítulos 10 e 11 (v. 1) e 1 (v. 2)

Composição química + Estrutura = Visada

•$ Matérias Primas • Processo

Faixas

• Controle do Processo

Residuais: P, S O, N, H Cu, Sn, etc.

• Processo • Controle do Processo • $ Matérias Primas

Produto final

Capítulos 3 a 8 (v. 2)

Propriedades e desempenho

Microestrutura Macroestrutura: Limpeza, Homogeneidade, Segregação (Des)Continuidades

• Processo • Controle do Processo

Fatores que definem as propriedades dos produtos de aço. Na parte inferior, detalhamento parcial dos fatores que influem nas características dos aços e efeito mais evidente de cada um dos fatores detalhados sobre o processo e propriedades. Na parte superior, as etapas do processo “convencional” usadas para controlar os fatores citados. Na figura, estão listados os capítulos que tratam dos diferentes aspectos mencionados. Figura 4.1

126

Aços e ferros fundidos: metalurgia e aplicações – Fundamentos, vol. 1

Cada produtor de aço busca a “solução” da equação da Figura 4.1 a partir da definição das propriedades desejadas. A solução é definida, primeiramente, pelas características especificadas pelo usuário (que não podem, portanto, ser alteradas pelo produtor). O produtor precisa considerar, ainda, as limitações técnicas de seus processos e os custos. Assim, o produtor define a combinação mais adequada de composição química e estrutura (em função das suas instalações de processamento) para atender as propriedades desejadas, respeitando os limites especificados pelo cliente e o melhor custo possível. A engenharia de produto do produtor avalia a especificação do cliente, considerando os processos de produção disponíveis na usina e define: a) se é capaz de produzir material que atenda às necessidades do cliente; b) qual o roteiro de produção a ser empregado; e c) quais as especificações internas a serem adotadas em cada etapa do processo. É evidente que, toda vez que o processo de produção não se passa em um produtor apenas, essa avaliação se torna mais complexa e a possibilidade de falhas no processo (que resultem de material que não atende às propriedades especificadas) aumenta. Convém, entretanto, definir em mais detalhe alguns aspectos dos fatores citados na Figura 4.1.

4.2 COMPOSIÇÃO QUÍMICA DOS AÇOS Além do carbono, que nem sempre é um elemento desejado no aço,1 diversos elementos químicos podem estar presentes em sua composição, em diferentes quantidades. Quando os elementos não são adicionados deliberadamente, são chamados de “residuais”. Embora seja usual a nomenclatura “elementos de liga” para os demais elementos adicionados ao aço visando afetar seu comportamento, é comum as discussões omitirem diversos elementos críticos para o desempenho do aço que não se classificam diretamente como residuais ou como elementos de liga, como usualmente definido. A Figura 4.2 apresenta um resumo das principais funções dos elementos adicionados ao aço. Além disso, devem ser considerados os elementos residuais, como fósforo e enxofre, proveniente do minério de ferro e do coque, respectivamente, e aqueles vindos principalmente da sucata, tais como cobre, arsênico, antimônio, zinco e chumbo.2 Também elementos provenientes da atmosfera, como nitrogênio, hidrogênio e oxigênio,3 agente de refino amplamente empregado e que se dissolve no aço devem ser considerados em função de sua grande importância para as propriedades e desempenho do aço. De forma geral, na maior parte das especificações, há limites de composição química especificados para alguns elementos, enquanto, para outros, não existem tais limites. Não há uma correlação simples entre especificação e adição deliberada: há elementos que são especificados e não são adicionados deliberadamente (p. ex.: elementos residuais) e há elementos que não são especificados e são adicionados deliberadamente (p. ex.: desoxidantes). Por outro lado, há elementos que não são especificados e que podem ter importante influência no desempenho do produto. Frequentemente a presença ou os teores desses elementos são controlados de forma indireta (p. ex., o hidrogênio).[1] O efeito dos elementos de liga, sob o ponto de vista da metalurgia física, é discutido a partir do item 4.3. 1

Embora durante muitos anos a definição de aços tenha incluído “ligas Fe-C…”, hoje há vários aços em que o carbono é um elemento residual, indesejado. Da mesma forma, usar o limite de 2,1% C máximo, em que o campo da austenita acaba no sistema Fe-C e outras fases se precipitam na solidificação, limita o campo dos aços, já que outros elementos podem ser adicionados ao aço e afetar a solubilidade do carbono na liga. Vários elementos podem ser considerados residuais, em um aço, e adições deliberadas (“elementos de liga”), em outro. O cobre, por exemplo, é uma adição deliberada em aços estruturais patináveis e o chumbo pode ser adicionado em aços para corte fácil (embora esse emprego venha sendo reduzido devido ao impacto ambiental). O oxigênio é adicionado em grande quantidade no refino do aço (e depois removido por desoxidação,[1] e alguns aços, especialmente os inoxidáveis duplex, recebem adições significativas de nitrogênio.

CAPÍTULO 5

Transformações de fase por nucleação e crescimento

5.1 INTRODUÇÃO Uma das características que torna as ligas de ferro especialmente interessantes é a capacidade de alterar significativamente os constituintes presentes na microestrutura por meio de tratamentos térmicos. O fato de que grande parte das ligas à base de ferro pode ser transformada completamente na estrutura CFC, que tem grande solubilidade de carbono e de diversos elementos de liga, e que essa estrutura pode sofrer diferentes transformações no resfriamento, dependendo de como este é conduzido, abre um grande número de possibilidades, ainda não esgotadas, de produzir microestruturas interessantes sob o ponto de desempenho em diferentes aplicações. Neste capítulo são apresentados os ciclos térmicos mais usuais e seus efeitos sobre as dissolução e formação de fases e constituintes, e apresentados constituintes que podem se formar quando as transformações ocorrem em condições bastante afastadas do equilíbrio. Os tratamentos térmicos não são discutidos em detalhe. Para esse tipo de informação, recomenda-se a leitura de textos especializados.[1,2] Os tratamentos térmicos convencionais, normalmente, envolvem a formação de austenita (por meio do aquecimento até as condições onde essa fase é estável). É importante que essa austenita seja o mais uniforme possível, tanto quimicamente como do ponto de vista estrutural. Assim, a formação da austenita é um tema importantíssimo no tratamento térmico dos aços. Por conveniência didática, entretanto, a cinética das transformações de fase a partir da austenita é discutida antes dos processos envolvidos na formação dessa fase. As transformações de fase envolvem, classicamente, duas etapas: a. Nucleação, quando aparece uma primeira região da nova fase, no interior da fase original. b. Crescimento, quando a nova fase cresce, em geral consumindo a fase original (parcial ou totalmente).

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Essas duas etapas controlam a velocidade1 do processo global de transformação. Além disso, têm forte influência sobre a microestrutura formada. É importante observar, entretanto, que a divisão entre essas duas etapas é relativamente arbitrária e tem, muito mais, a função de permitir o estudo e modelamento dos fenômenos de transformação de fase do que, efetivamente, buscar explicar, atomística ou microscopicamente, os fenômenos que ocorrem durante as transformações de fase. Normalmente assume-se que oscilações aleatórias da fase existente inicialmente podem levar à formação de pequenos volumes com a estrutura da nova fase. Isso só é razoável, efetivamente, se esses volumes forem, de fato, muito pequenos, com pequeno número de átomos.[3] Normalmente os formalismos aplicados para descrever a nucleação e o crescimento tiveram origem no estudo de transformações de fase relativamente simples, como condensação, deposição (transição vapor-sólido) e solidificação, e foram, posteriormente, adaptadas para descrever transformações no estado sólido. A quantidade e distribuição de núcleos impacta a distribuição e as dimensões finais da nova fase, por exemplo. Por outro lado, a natureza busca mecanismos de crescimento compatíveis com as condições impostas ao material. Assim, a forma e o tamanho da nova fase são impactados pelo mecanismo e velocidade de crescimento. Além disso, quando o tratamento define condições em que determinados mecanismos se tornam excessivamente lentos (por exemplo, o crescimento por difusão, se o resfriamento for muito rápido), outras fases e constituintes metaestáveis (além da cementita) podem se tornar a única opção de transformação para o sistema. Esses motivos tornam o estudo dos mecanismos e da velocidade de transformação extremamente importantes, portanto, para a compreensão e eventual previsão das transformações que ocorrerão no tratamento de um aço. Assim, é conveniente estudar os fundamentos da cinética das transformações de fases antes de apresentar os fenômenos associados à decomposição da austenita.

5.2 TEORIA DA NUCLEAÇÃO Nas temperaturas de equilíbrio, mostradas nos diagramas de equilíbrio de fases, a energia livre (de Gibbs) do sistema é mínima. A Figura 5.1 a mostra, de forma esquemática, a variação da energia livre para o ferro puro, a 1 atm, em função da temperatura. A Figura 5.1b apresenta os valores da energia livre calculados de cada fase, em relação à energia livre da fase CCC (isto é, a fase CCC, a cada temperatura, a 1 atm, é usada como estado de referência). Nesse sistema (Fe puro, 1 atm, temperatura variando) podemos ter até duas fases em equilíbrio.[4-6] Assim, estão indicadas, em itálico, as fases em equilíbrio em cada “campo” de temperatura. A transição entre uma fase e outra ocorre onde as curvas de energia livre se interceptam, isto é, onde a energia livre das duas fases é igual. Quando a energia livre de duas fases é igual, não há nenhum ganho para a natureza se a transformação ocorrer (expressa-se esse ganho, em temperatura e pressão constantes, com a variação da energia livre de Gibbs associada à transformação). Assim, não se espera transformação nas temperaturas de equilíbrio. Isto é, se a austenita pura (CFC) é resfriada até a temperatura de equilíbrio com a ferrita (CCC), não há por que ocorrer uma transformação de fases, pois o sistema (1 at-g de Fe) está em equilíbrio e mudar de fase não iria produzir uma redução da energia livre do sistema. Assim, normalmente se associa a variação de energia livre de Gibbs em uma transformação à “força motriz” para que essa transformação ocorra.[4-7] Observando-se a Figura 5.1 é possível notar que a magnitude da força motriz aumenta à medida que nos afastamos 1

Frequentemente usamos “velocidade”, que devia ser reservada para distância percorrida na unidade de tempo, em vez de “taxa de transformação” (de nucleação, de reação), que é o mais correto para expressar a evolução da fração transformada ao longo do tempo.

CAPÍTULO 6

Martensita: crescimento sem difusão, bainita e ferritas

6.1 INTRODUÇÃO As transformações de fases que envolvem a formação de ferrita e de cementita e, consequentemente, também da perlita, dependem da movimentação dos átomos por difusão. Mesmo nos casos em que não é necessária a redistribuição considerável de soluto, essas transformações são caracterizadas, no aspecto do comportamento dos átomos individuais, como transformações “civis”, em que os átomos de uma fase atravessam, individualmente e de forma não coordenada, a interface entre as fases, reorganizando-se na nova fase. Essas transformações são chamadas de reconstrutivas pelo fato de que os átomos, ao atravessarem a interface, constroem uma nova fase, com movimentos que podem ser superiores a uma distância atômica média. À medida que a austenita é resfriada, a mobilidade atômica é cada vez mais restrita. Isso dificulta as transformações que envolvem difusão e movimentos atômicos extensos. Mesmo assim, quando não existem condições para que essa reorganização dos átomos ocorra por meio de difusão, é possível que as ligas de ferro se reorganizem em estruturas mais estáveis do que a austenita.1 Essas transformações ocorrem normalmente em condições em que a difusão não mais atua de forma significativa. Normalmente não estão associadas à mudança de composição química, somente à mudança de estrutura cristalina. Para que transformações ocorram em condições em que os átomos têm baixa mobilidade, é frequente que ocorra movimento coordenado de átomos, nas chamadas transformações “militares”.

6.2 MARTENSITA O principal exemplo de fase formada sem difusão é a martensita. Essas transformações são chamadas, como visto no Capítulo 5, de “displacivas” (displacive) por causa do movimento coordenado de deslocamento dos átomos. A martensita2 usualmente encontrada nos aços tem estrutura cristalina tetragonal de corpo 1

Mesmo que não sejam tão estáveis quanto a ferrita ou combinações de ferrita e cementita.

O nome dessa fase é uma homenagem a Adolf Martens (1850-1914), um dos pioneiros da metalografia, primeiro diretor do Materialsprüfungsamt, hoje BAM, Berlim, Alemanha.[1]

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Aços e ferros fundidos: metalurgia e aplicações – Fundamentos, vol. 1

centrado3 e é frequentemente chamada α’. Dentre as várias maneiras de visualizar as transformações “displacivas” que podem conduzir a estrutura da austenita (CFC) a essa estrutura tetragonal de corpo centrado (TCC), a mais comumente aceita é a distorção de Bain (Figura 6.1).[4] A estrutura TCC pode ser visualizada como uma distorção da estrutura CCC, em que o parâmetro da rede na direção [001] não é igual ao parâmetro nas direções [010] e [100]. Os parâmetros da rede cristalina TCC da martensita dependem diretamente do teor de carbono, uma vez que, como elemento intersticial, é o principal responsável por distorcer a rede cristalina (Figura 6.1).

A distorção de Bain. Em a), duas células unitárias de austenita (CFC) justapostas. Uma célula tetragonal de corpo centrado (TCC) foi destacada, na junção das duas CFC, a partir dessas células (alguns átomos das células CFC foram removidos para facilitar a visualização). Em b), para que a célula TCC se transforme em CCC é necessária uma compressão no eixo “vertical” [001]M e uma expansão dos lados da base [010]M e [100]M. Figura 6.1

A Figura 6.2 mostra como os parâmetros de rede e a dureza da martensita variam com o teor de carbono.

Figura 6.2 Em a) parâmetros de rede da martensita, em função do teor de carbono. Em b), dureza da martensita em função

do teor de carbono.4 A dureza da perlita obtida por resfriamento ao ar é apresentada, para comparação. Fonte: Adaptado de G. Krauss.[5]

A martensita ε, HCP, é formada somente em ligas ferrosas com baixa energia de falha de empilhamento, tais como Fe-Cr-Ni (ocorre em alguns estágios da formação de martensita em aços inoxidáveis austeníticos)[2] e em ligas Fe-Mn de alto teor de Mn (como o aço Hadfield, por exemplo). Existe ainda uma martensita tetragonal de face centrada que foi observada apenas em ligas Fe-~30at% Pd e Fe-~25at% Pt.[3]

Na região hachurada ocorre austenita não transformada (chamada austenita “retida”). O limite superior da região corresponde à dureza real de estruturas martensíticas. O limite inferior representa estruturas temperadas com austenita retida.

CAPÍTULO 7

Transformações no revenimento

7.1 INTRODUÇÃO Como discutido no Capítulo 6, a martensita é um constituinte metaestável. A supersaturação em carbono e as distorções e tensões de têmpera, em geral, impedem que se apliquem aços com a estrutura obtida diretamente na têmpera na maior parte dos casos. Embora tenha dureza e resistência extremamente elevada, a martensita como temperada, contendo carbono,1 em geral não tem ductilidade nem tenacidade adequada à maior parte dos usos. O aquecimento da martensita, mesmo abaixo da zona crítica, favorece sua transformação em fases mais próximas do equilíbrio, até que, eventualmente, atinge microestruturas compostas por ferrita e dispersões de cementita ou carbonetos de elementos de liga, dependendo da composição química do aço. As várias etapas desse processo, chamado revenido ou revenimento, são extremamente complexas. Entretanto, diversas combinações de propriedades extremamente interessantes podem ser obtidas no processo de revenimento. A Figura 7.1 apresenta as alterações de propriedades mecânicas que normalmente ocorrem no revenimento de aços, exemplificadas para dois aços mais ou menos típicos para usos em construção mecânica e aplicações estruturais.

São exceções importantes as martensitas formadas nos aços inoxidáveis PH (endurecíveis por precipitação), maraging (martensite aging, também endurecidos por precipitação) e mesmo em alguns inoxidáveis supermartensíticos.

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(a)

CAPÍTULO 8

Transformações em sistemas contendo elementos de liga e transformações no resfriamento contínuo

8.1 E FEITOS DOS ELEMENTOS DE LIGA NAS TRANSFORMAÇÕES DE FASE QUE ENVOLVEM DIFUSÃO À medida que a mobilidade atômica diminui com a redução das temperaturas de transformação para a decomposição da austenita, produtos alternativos à ferrita e perlita podem se formar, como bainita e martensita. Entretanto, da mesma forma que o espaçamento perlítico se ajusta com a diminuição da mobilidade, os modos de formação das fases, especialmente a ferrita, e sua morfologia podem se alterar antes que a formação de bainita e martensita passem a dominar a microestrutura, como mencionado no Capítulo 6. Quando o superesfriamento aumenta (pelo aumento da taxa de resfriamento ou devido a tratamentos isotérmicos a temperaturas cada vez mais baixas), alterações importantes nos mecanismos de formação das fases podem ocorrer. Essa complexidade aparece, entre outros motivos, pela diferença entre a elevada velocidade de difusão dos solutos intersticiais e dos substitucionais. Enquanto carbono e nitrogênio, por exemplo, solutos intersticiais no ferro, se difundem muito rapidamente, através das vacâncias da rede cristalina, as velocidades de difusão dos elementos de liga mais comuns, solutos substitucionais, são muito mais baixas, cerca de 105 vezes menores. Por este motivo, as principais alterações do modo de transformação difusiva, causadas por solutos, são descritas, de forma sumária, a seguir. Para uma discussão mais completa, ver, por exemplo, Schneider e Inden[1] e Porter et al.[2] É importante lembrar que todas as discussões usando a teoria da difusão e os softwares como DICTRA assumem a existência de uma interface definida (sharp), o que, fisicamente, difere do que se imagina e verifica para interfaces incoerentes, como discutido no Capítulo 5.

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Aços e ferros fundidos: metalurgia e aplicações – Fundamentos, vol. 1

8.1.1 Partição completa de solutos, com equilíbrio termodinâmico na interface (PLE1) Neste caso, é possível a reconstrução da ferrita a partir da austenita2 com a difusão de todos os solutos de uma fase para a outra, mantendo o equilíbrio indicado pelo diagrama de equilíbrio de fases (Figura 8.1).

(a)

(b)

Formação da ferrita por difusão, em um tratamento intercrítico,3 isotérmico, com equilíbrio na interface entre austenita e ferrita (PLE), no sistema Fe-C. Em a), Diagrama de equilíbrio. Em b) Perfil de composição para t = 10 s e t = 100 s, com uma interface plana, transformação associada à difusão do carbono. Calculados com Thermo-calc® e DICTRA, TCFE13 e MOBFE8. Figura 8.1

Esquematicamente (Figura 8.1), no caso de um soluto apenas, por força da conservação de massa, a velocidade da interface é definida de modo a não haver acúmulo ou consumo do soluto na interface, que é representada por um plano. Assim, pode-se calcular, no caso, a quantidade de carbono que sai da ferrita para a austenita pela velocidade da interface (assumindo as concentrações por unidade de volume e a área unitária). Quando a interface entre austenita e ferrita (Figura 8.1b) se move a uma distância dx em um intervalo de tempo dt, a equação de acomodação da interface (Equação 5.1, Capítulo 5) é obedecida. Assim, para o caso presente e considerando uma área interfacial unitária, a quantidade de carbono que sai da região que se transforma é (com concentrações em massa por unidade de volume): (Cγ – Cα)dv = (Cγ – Cα)dx

(8.1)

Mas os fluxos difusivos (massa/área tempo) são, de forma geral, JCa e JCγ . E a massa de carbono removida por difusão, no intervalo dt, através de uma área unitária, será:

1 2

PLE – partition, local equilibrium; NPLE – negligible partition, local equilibrium. Embora a discussão seja genérica para qualquer transformação difusiva, optou-se aqui por apresentar um exemplo significativo, envolvendo aços.

(8.2)

Um tratamento intercrítico é aquele realizado no campo bifásico austenita-ferrita.

CAPÍTULO 9

Formação da austenita e tamanho de grão austenítico

9.1 INTRODUÇÃO Na maioria dos aços não se tem acesso à austenita para realizar uma avaliação metalográfica. Entretanto, as características da microestrutura austenítica têm papel decisivo no resultado da maior parte dos tratamentos térmicos e termomecânicos dos aços, pois envolvem, frequentemente, a decomposição controlada da austenita. A decomposição da austenita depende da ocorrência de nucleação e da frequência e localização dos núcleos formados. Essa nucleação depende, diretamente: (a) do tamanho de grão austenítico (considerando que os contornos – áreas, linhas ou pontos – de grão são, em geral, sítios preferidos para a nucleação[1]), e da distribuição do tamanho e forma desses grãos; (b) da homogeneidade química da austenita; e (c) da presença ou não de outras fases não dissolvidas (p. ex., carbonetos ou carbonitretos) (ver, também, Capítulo 5). Embora menos discutidos, os mecanismos de formação da austenita, processo que ocorre durante o aquecimento (e eventual manutenção em patamar) em grande número de tratamentos térmicos “clássicos” ou mesmo nos mais modernos são, portanto, muito importantes para o projeto e controle de tratamentos termomecânicos.

9.2 FORMAÇÃO DA AUSTENITA NO AQUECIMENTO A austenita é formada por nucleação e crescimento a partir da microestrutura do aço que é aquecido para tratamento térmico. Possivelmente a mais importante diferença na formação da austenita em relação à sua decomposição é o fato de que, enquanto a decomposição se passa durante o resfriamento e termina, normalmente, a temperatura ambiente, quando os átomos têm baixa mobilidade, a formação da austenita ocorre no aquecimento e termina a temperaturas em que os átomos têm grande mobilidade. Por esse motivo, processos como o crescimento de grão, que não ocorre na decomposição da austenita no resfriamento, são muito importantes na formação da austenita nos tratamentos termomecânicos.

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Aços e ferros fundidos: metalurgia e aplicações – Fundamentos, vol. 1

Speich et al. reviram os estudos sobre a formação da austenita[2] e estudaram a nucleação e a cinética de crescimento em diferentes aços. Nesse estudo, os autores caracterizaram os sítios de nucleação preferenciais da austenita a partir de diferentes microestruturas iniciais, observando sua importância na cinética de austenitização. O estudo incluiu ferrita, ferrita com carbonetos metaestáveis, ferrita e cementita esferoidizada e perlita em aços com teores de carbono muito baixos e aços próximos ao eutectoide. Nos aços de alta pureza e nos aços de teor de carbono extrabaixo e baixo (4 ppm e 0,013% C), a austenita pode formar diretamente da ferrita, por transformação massiva.[2,3] Quanto aos carbonetos, Speich et al.[2] propõem que a dissolução de carbonetos metaestáveis (no aço com 0,013% C) é suficientemente rápida para não interferir na cinética de formação da austenita, enquanto a dissolução de carbonetos esferoidizados e lamelas de carboneto (nos aços próximos à composição eutectoide) afeta a cinética do processo global (Figura 9.1). Evidentemente, como será discutido em mais detalhe adiante, a questão relativa a quão rápido é “suficientemente rápido” é especialmente relevante quando se buscam tratamentos térmicos e tempos mais curtos, entre outros motivos, para a economia de energia.

Figura 9.1

Sítios de nucleação da austenita (em preto) em aço ferrítico (a), esferoidizado (b) ou na perlita (c).

Fonte: Adaptada de Speich et al.[2]

Os tempos de patamar e taxas de aquecimento para a austenitização foram, entretanto, estabelecidos bastante antes do início da compreensão da cinética de austenitização e em épocas em que o controle de temperaturas dos fornos era muito menos preciso do que os que já existiam na década de 1970, quando esse entendimento começou a se desenvolver.[4] Da mesma forma que as equações de Larson e Miller[5,6] e de Holloman e Jaffe[7] demonstram, pequenas variações de temperatura têm efeito muito maior que variações de tempo nas transformações dos metais, o que justificava, de certa forma, os longos tempos de patamar.[4] Schmidt et al.[8] também observaram a formação de austenita massiva em aços IF (interstitial free, Capítulo 5, v. 2). Além disso, confirmaram, por meio de microscopia confocal a laser a alta temperatura, que os pontos triplos da microestrutura ferrítica em aços IF são regiões preferenciais para a nucleação da austenita.

CAPÍTULO 10

Formação da estrutura: refino e solidificação1

10.1 INTRODUÇÃO – PROCESSOS DE PRODUÇÃO DE AÇO Nas décadas de 2010-2020, a produção mundial de aço é de aproximadamente 2000 Mt/ano. Usinas que produzem na ordem de 5 Mt/ano de aços planos e na faixa de 0,5-1 Mt/ano de aços longos são usinas com capacidades de produção usuais. Usando esses números como aproximações, temos uma produção mundial de cerca de 228000 t/h ou 63 t/s. Uma usina com capacidade para 5 Mt/ano produz cerca de 570 t/h. Números impressionantes, certamente. Essas quantidades representam não apenas um desafio logístico, considerando entrada de matérias-primas e saídas de produtos, mas também um enorme desafio ambiental por causa da magnitude das massas de material minerado, escória gerada, energia consumida, água consumida e emissões particuladas e gasosas. Para viabilizar as reações químicas que precisam se passar na conversão dos óxidos de ferro (principal fonte de ferro usada na siderurgia) em aço, a solução encontrada, já há mais de dois séculos, consiste em empregar processos em que o metal é refinado e produzido no estado líquido. Isso viabiliza as taxas das reações químicas necessárias, além de facilitar a retirada do aço dos reatores e seu transporte dentro da usina. Naturalmente, há outros processos de produção de itens de aço, como a metalurgia do pó, a manufatura aditiva e a soldagem: em todos esses processos, entretanto, o aço passa pelo estado líquido durante a obtenção do item desejado.[1] Todos os processos de solidificação criam uma estrutura de solidificação associada. Essa estrutura pode ocorrer em dimensões maiores ou menores dependendo, principalmente, das condições de solidificação, especialmente o tempo local de solidificação (ou a velocidade de solidificação) e o gradiente térmico presente durante a solidificação.[1,2] Além disso, os processos de solidificação são a etapa do processamento do aço em que o sólido atinge maiores temperaturas, o que é extremamente importante para a mobilidade dos solutos. 1

Este capítulo é baseado, em parte, em H. Colpaert, revisto e atualizado por A. Costa e Silva. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns (São Paulo: Blucher; 2008) e em Costa e Silva. Refino dos aços: fundamentos e aplicações (São Paulo: Blucher; 2023).

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Aços e ferros fundidos: metalurgia e aplicações – Fundamentos, vol. 1

Os processos de fabricação de aços responsáveis pela enorme maioria do aço produzido mundialmente resultam em produtos chamados “semiacabados”, como laminados planos (chapas, folhas, tiras etc.), produtos longos (barras, arames, perfis, tubos etc.) e, em menor escala, forjados. Para a obtenção de semiacabados, o roteiro usual é o processamento do aço líquido, sua solidificação (lingotamento contínuo, em grande maioria, e lingotamento convencional, especialmente para a produção de forjados), seguida de trabalho mecânico a quente.2 Esses produtos normalmente ainda são processados posteriormente, a frio ou a quente, para a obtenção da forma e propriedades finais. De maneira geral, quatro etapas do processamento dos semiacabados têm efeitos importantes na definição da sua estrutura: a. O processo de refino do aço (especialmente na definição da composição química e das inclusões não metálicas primárias). b. A solidificação, na definição da estrutura de solidificação (normalmente dendrítica) na micro e macrossegregação e nas inclusões não metálicas secundárias. c. A conformação a quente, na alteração e redistribuição da segregação da solidificação, eventual consolidação de vazios de solidificação, deformação (ou quebra) das inclusões não metálicas, alteração e controle da estrutura austenítica antes da transformação3 (no tratamento termomecânico) e, evidentemente, alteração de forma. d. A conformação a frio, na alteração da forma dos grãos e do grau de encruamento, na geração de textura cristalográfica e, evidentemente, na alteração da forma. Assim, é importante discutir, ainda que brevemente, os efeitos de cada uma dessas etapas sobre a estrutura dos semiacabados, de forma a permitir separar os efeitos da microestrutura, tão apreciados e estudados na metalurgia física, do efeito da estrutura dos produtos nas demais escalas, com profundo efeito no comportamento dos produtos e peças de aço. Esse é o objetivo do presente capítulo.

10.2 REFINO DO AÇO NA ACIARIA Os processos e as atividades para o controle da composição química e limpeza interna do aço são discutidos em detalhes em outras publicações.[1,3,4] Duas fontes principais de ferro são empregadas na produção de aço: o minério de ferro, normalmente rico em um óxido de ferro, e a sucata de aço. Como o mundo ainda consome uma grande quantidade de aço para a criação de infraestrutura, não é possível produzir a quantidade demandada somente por meio da reciclagem de sucata. Alguns países, como o Japão, buscam esse objetivo, especialmente em busca da redução do impacto ambiental, tentando converter a maior parte de sua produção para o forno elétrico a arco (FEA). Na produção chamada integrada e, ainda, mais amplamente empregada, a rota de fabricação envolve a passagem por um produto intermediário, obtido na redução4 do minério de ferro com redutores 2

Historicamente, o trabalho a quente foi adotado para aproveitar a significativa redução de resistência que ocorre com o aumento da temperatura (e, portanto, das forças necessárias para deformar) e a recristalização, que evita o encruamento (aumento da resistência) com a deformação. Posteriormente, várias características do tratamento termomecânico foram compreendidas e passaram a ser aproveitadas (ver Capítulo 11).

No caso dos aços que não sofrem transformação no resfriamento, como os aços inoxidáveis austeníticos, a conformação a quente ainda é a principal ferramenta para definir o tamanho de grão e sua distribuição no produto final. (Ver Capítulo 11).

Redução, no ponto de vista químico, é a redução do número de oxidação de um elemento. Assim, o Fe+3 (ou Fe+2) é reduzido a ferro metálico, FeO. Por vezes, o uso da palavra redução, no sentido de diminuição, causa confusão na discussão dos processos siderúrgicos.

CAPÍTULO 11

Conformação mecânica: efeitos metalúrgicos

11.1 INTRODUÇÃO A conformação mecânica dos metais tem dois objetivos principais: alterar a forma geométrica do material; e modificar sua estrutura, em diferentes escalas, alterando, assim, suas propriedades. A conformação mecânica depende da deformação plástica do aço que, por sua vez, está associada à movimentação de discordâncias, associado a tensões cisalhantes. Assim, a existência de um estado de tensões que resulte em tensões cisalhantes favorece a capacidade do material ser conformado mecanicamente. O estado de tensões no processo de deformação é uma das variáveis mais importantes nestes processos, como será visto a seguir. A temperatura em que a conformação mecânica se realiza é, também, uma variável muito importante. Normalmente se divide o processo em deformação a frio e deformação a quente, dependendo da temperatura em que o processo é realizado e, consequentemente, das alterações estruturais que podem ocorrer. Para definir o efeito da conformação, é também importante a taxa com a qual o material é deformado. O efeito da temperatura na conformação é discutido no item 11.3, adiante.

11.2 EFEITO DO ESTADO DE TENSÕES NA DEFORMAÇÃO A resultante das forças aplicadas durante a deformação permite avaliar a severidade da deformação, isto é, qual a possibilidade de o material falhar por fratura, durante o processo de conformação. Existem centenas de processos empregados para deformar e conformar metais. A classificação apresentada por Dieter,[1] permite dividi-los em poucos grupos, entretanto, de acordo com os tipos de forças aplicadas durante a deformação: • • • • •

Processos de compressão direta; Processos de compressão indireta; Processos de tensão; Processos de dobramento; Processos de cisalhamento.

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Aços e ferros fundidos: metalurgia e aplicações – Fundamentos, vol. 1

Nos processos de compressão direta, por exemplo, a força é aplicada na superfície da peça e o metal se alonga em uma direção perpendicular ao sentido da força. Exemplos principais desse tipo são forjamento e laminação, que representam a maior quantidade de aço deformado mecanicamente (Figura 11.1). Os processos de compressão indireta incluem trefilação, extrusão e embutimento. Nesses processos, a força direta é, frequentemente, trativa, mas as tensões compressivas desenvolvidas pela reação matriz-peça atingem elevados valores. Assim, o metal se deforma sob efeito de um estado de tensões combinado, que inclui elevada compressão em pelo menos uma das direções principais. Enquanto a componente compressiva é muito elevada e dominante na extrusão, a necessidade de “puxar” o produto através da trefila, causa esforços de tração importantes na trefilação. A conformação de chapas esticadas (stretch forming) ilustra bem um processo de tensão, enquanto os processos de dobramento e cisalhamento são bastante conhecidos.

Figura 11.1

Processos de conformação mecânica. Análise das forças aplicadas.

Fonte: Adaptada de G. Dieter.[1]

11.3 EFEITO DA TEMPERATURA: TRABALHO A QUENTE E TRABALHO A FRIO A temperatura em que o processo se passa é, possivelmente, a variável que, individualmente, permite uma classificação mais coerente dos processos de conformação dos metais. Assim, os processos de conformação são classificados, basicamente, em trabalho a quente e trabalho a frio. No trabalho a quente, a deformação se passa sob condições de temperatura e taxa de deformação que possibilitam a ocorrência dos fenômenos de recuperação e recristalização em espaços de tempo relativamente curtos, de modo que ocorram simultaneamente com a deformação ou entre as etapas (passes) da conformação. Por outro lado, a deformação a frio se passa em condições em que os processos de recuperação e recristalização não ocorrem. Em geral, processos que se passam acima de 0,5 Tf (em que Tf é o ponto de fusão do metal em K) são processos de deformação a quente para taxas de deformação usuais em processos industriais.[2] Acima destas temperaturas é possível ocorrer os fenômenos de “recuperação” em que as discordâncias de reorganizam ou são eliminadas.[3,4] É possível também ocorrer a recristalização, em que novos grãos, “isentos” de deformação e, portanto, com menor energia interna, são nucleados na estrutura deformada e crescem consumindo o material com elevada densidade de discordâncias. Os fenômenos de recuperação e de recristalização tem grande importância no processamento dos metais. Em particular, são os únicos processos que, na ausência de transformações de fases, permitem afetar

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