ANDRÉ LUIZ V. DA COSTA E SILVA
AÇOS E FERROS FUNDIDOS: METALURGIA E APLICAÇÕES VOLUME 2
Patrocínio:
PROPRIEDADES E APLICAÇÕES
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 PROPRIEDADES E APLICAÇÕES
VOLUME 2
Patrocínio
Aços e ferros fundidos: metalurgia e aplicações – Propriedades e aplicações, vol. 2 © 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
propriedades e aplicações / André Luiz V. da
contato@blucher.com.br
Costa e Silva. – São Paulo : Blucher, 2026.
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2 v. (480 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 978-85-212-3302-2 (Impresso) ISBN 978-85-212-3300-8 (Eletrônico – Epub)
É proibida a reprodução total ou parcial por quaisquer
ISBN 978-85-212-3301-5 (Eletrônico – PDF)
meios sem autorização escrita da editora.
1. Metalurgia. 2. Metalurgia física. 3. Aço.
Todos os direitos reservados pela Editora Edgard Blücher Ltda.
4. Ferro fundido. 5. Tratamento térmico. 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.
Tratamentos térmicos convencionais
15
1.1 Introdução 1.2 Recozimento 1.3 Normalização 1.4 Têmpera e revenimento 1.5 Austêmpera 1.6 Patenteamento 1.7 Tratamentos termoquímicos 1.8 Uma visão geral das temperaturas dos tratamentos térmicos convencionais Referências
15 16 30 34 56 56 57 60 61
Classificação e seleção de aços e ferros fundidos
67
2.
2.1 Introdução 67 2.2 Classificação e especificação de materiais 68 Referências 77 3.
Aços para construção mecânica 79 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7
Introdução O sistema de classificação ABNT para aços construção mecânica Seleção por meio da temperabilidade Seleção empregando as curvas Jominy Outros métodos de seleção de aços para construção mecânica Fadiga: fundamentos Aços de ultra-alta resistência
79 80 81 82 98 99 106
8
Aços e ferros fundidos: metalurgia e aplicações – Propriedades e aplicações, vol. 2
3.8 Aços para cementação 109 3.9 Aços para molas 111 3.10 Aços para fixadores 112 3.11 Aços médio e alto carbono 118 Referências 130 4.
Aços estruturais para equipamentos, caldeiras e vasos de pressão 137 4.1 Introdução 137 4.2 Aços estruturais – alguns aspectos na seleção 137 4.3 Aços estruturais C-Mn com controle de tamanho de grão 148 4.4 A evolução dos requisitos para aplicação estrutural 151 4.5 Aços estruturais temperados e revenidos 157 4.6 Aços patináveis 158 4.7 Aços de alta resistência e baixa liga (ARBL) 161 4.8 Tubulações para óleo e gás 165 4.9 Vergalhões para concreto 169 4.10 Perfis estruturais 173 4.11 Aços para vasos de pressão de parede grossa 173 4.12 Aços para vasos de pressão a temperatura elevada 175 Referências 177
5.
Aços planos para a conformação mecânica 183 5.1 Introdução 183 5.2 Medidas da ductilidade e formabilidade 187 5.3 Conformação e aços para conformação 216 Referências 239
6.
Aços planos avançados para a conformação mecânica AHSS 247 6.1 Introdução 247 6.2 Os aços AHSS 250 6.3 Aços DP, CP e TRIP – Tratamentos intercríticos 256 6.4 Aços para a prensagem a quente (Hot Stamping) 278 6.5 Tailored-blanks 281 6.6 Aços com tratamento Q&P (Quenching & Partitioning) 282 6.7 Normas e especificações 285 6.8 Mecânica do contínuo, metalurgia e estrutura, dano; a escala na análise da deformação 287 Referências 291
7.
Aços para ferramentas 297 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8
Introdução 297 Classificação 298 Aplicações de aços em ferramentas – características dos aços 299 Aços para trabalho a frio 301 Aços para trabalho a quente 317 Aços para trabalho a morno 322 Aços para fins especiais 323 Aços rápidos 328
Sumário
9
7.9 A escolha do aço-ferramenta 336 7.10 Revestimentos 343 Referências 344 8.
Aços inoxidáveis 349 8.1 Introdução 349 8.2 Relações entre composição química e estrutura 351 8.3 Inoxidáveis martensíticos 353 8.4 Inoxidáveis ferríticos 358 8.5 Inoxidáveis austeníticos 361 8.6 Aços ferrítico-austeníticos (duplex) 370 8.7 Aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação 375 8.8 Resistência à corrosão 377 8.9 Aços maraging 386 Referências 392
9.
Ferros fundidos comuns 397 9.1 Introdução 397 9.2 Ferros fundidos brancos e ferros fundidos cinzentos 401 9.4 Ferros fundidos brancos 408 9.5 Ferros fundidos grafíticos 415 9.6 Tipos de grafitização 417 9.7 Ferros fundidos cinzentos 425 9.9 Propriedades mecânicas dos ferros fundidos cinzentos 436 9.10 Ferro fundido nodular 444 9.11 Ferro fundido com grafita compacta (ou vermicular) 459 9.12 Ferros fundidos maleáveis 461 Referências 467
Índice remissivo 473
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
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Aços e ferros fundidos: metalurgia e aplicações – Propriedades e aplicações, vol. 2
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
Tratamentos térmicos convencionais1
1.1 INTRODUÇÃO Este capítulo tem como objetivo apresentar os principais tratamentos térmicos convencionais aplicados a aços e a alguns ferros fundidos, e as estruturas deles resultantes. Invariavelmente, tratamentos térmicos envolvem a exposição do material a ciclos térmicos: aquecimentos e resfriamentos controlados, assim como manutenção, por tempos controlados, a temperaturas definidas. Assim, não é conveniente discutir tratamentos térmicos sem antes lembrar que a metrologia térmica é uma ferramenta fundamental para o sucesso de qualquer tratamento térmico.[1-4] A confiabilidade metrológica da cadeia de instrumentos empregados para medir e controlar as temperaturas dos equipamentos de tratamento térmico deve ser alvo de um programa de manutenção e calibração consistente e organizado. Isso é essencial para a qualidade dos resultados de tratamentos térmicos. Além disso, não é raro assumir que a temperatura indicada por um termopar em um forno ou mesmo em contato com uma peça é a temperatura real do tratamento de todo um lote de peças ou de uma peça grande. A verificação da homogeneidade de temperatura em equipamentos de tratamento térmico2,[5] é uma atividade frequentemente negligenciada, embora crítica para os resultados obtidos no tratamento térmico. Obter, ao longo de todo o volume de um forno, temperaturas com diferenças razoáveis em relação àquela medida no(s) termopar(es) de controle e registro nem sempre é trivial. A verificação da homogeneidade de temperatura dos fornos de tratamento térmico deve ser realizada periodicamente. Os mecanismos de transmissão de calor que operam nas diferentes faixas de temperatura em que tratamentos são realizados não são os mesmos, o que torna a questão do projeto e escolha dos fornos de tratamento ainda mais complexa.[6] Na faixa de alívio de tensões e revenido (cerca de 300-650 °C), por exemplo, a convecção
1
Este capítulo é baseado, em parte, em H. Colpaert, revisto e atualizado por A. Costa e Silva, Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns. 4. ed. (São Paulo: Blucher; 2008).
2
O antigo Anexo H da norma API 6A, mandatório, foi substituído por um anexo informativo na versão API/ISO, mas é um excelente exemplo de método de verificação da uniformidade de fornos de tratamento térmico.
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Aços e ferros fundidos: metalurgia e aplicações – Propriedades e aplicações, vol. 2
é o mecanismo mais importante, enquanto nos tratamentos que envolvem austenitização (tipicamente acima de 800 °C), a radiação é dominante. Por esse motivo, quando um forno opera nas duas faixas de temperatura, é necessária uma verificação para cada faixa. Além disso, medidas praticamente essenciais para homogeneizar a atmosfera dentro de um forno para baixas temperaturas (p. ex., ventiladores) não são necessárias em fornos para temperaturas elevadas. Algumas normas apresentam métodos e requisitos para essas verificações (p. ex., API[3] e SAE International[5]) e podem ser utilizadas como orientação quando não existir um requisito específico. Além disso, em algumas indústrias, como a nuclear, o uso de múltiplos termopares em contato com as peças que estão sendo tratadas é exigido, adicionalmente, no caso de itens de maior importância para a segurança (p. ex., KTA[7]). Aços que sofrem a transformação entre austenita e ferrita, possivelmente os tipos mais comuns de aços empregados na indústria,3 são tratados, de forma geral, em três zonas: 1. Abaixo da zona crítica, caracterizada pela existência de duas fases, ferrita (CCC) e austenita (CFC), basicamente no campo onde a fase CCC é estável (diversos recozimentos subcríticos e o revenimento, assim como o tratamento termoquímico de nitretação). 2. No interior da zona crítica, os chamados tratamentos intercríticos onde CCC e CFC coexistem. 3. No campo austenítico, fundamentalmente austenitização e tratamentos termoquímicos. Além disso, o resfriamento tem papel importante na caracterização completa do tipo de tratamento térmico.
1.2 RECOZIMENTO 1.2.1 Recozimento ou recozimento “pleno” O recozimento, também chamado recozimento pleno, envolve o aquecimento do aço até acima ou dentro da zona crítica (recozimento intercrítico), seguido de um esfriamento lento (p. ex., dentro do forno). Normalmente, este tratamento é usado visando a: a. restituir ao material as propriedades alteradas por um tratamento mecânico ou térmico anterior; b. refinar e/ou homogeneizar estruturas brutas de fusão (sujeito às limitações discutidas no Capítulo 10, v. 1). Como o aquecimento acima da zona crítica causa a nucleação e crescimento de novos grãos de austenita, praticamente independente da estrutura presente, o recozimento praticamente “apaga”, por assim dizer, as estruturas resultantes de tratamentos térmicos ou mecânicos anteriormente sofridos pelo material. Posteriormente, essa austenita se decompõe em condições de resfriamento lento, obtendo-se as estruturas próximas de equilíbrio discutidas no Capítulo 3 (v. 1).
1.2.2 Cuidados no ciclo térmico de recozimento Os cuidados específicos a serem tomados no recozimento são detalhados em Pinedo[6] e Colpaert e Costa e Silva,[8] e não são aqui discutidos em detalhe. A faixa de temperatura para a austenitização, no recozimento pleno dos aços ao carbono, é indicada na Figura 1.1. No caso dos aços hipereutectoides, é comum evitar a formação de cementita pró-eutectoide, em rede, nos contornos de grão, que pode causar a fragilização do aço, realizando a austenitização dentro da zona crítica, isto é, entre as temperaturas A1 e Acm de modo a não dissolver toda a cementita. 3
Alguns aços inoxidáveis e resistentes a alta temperatura podem ser tratados de outras maneiras. Aqui, como em outros casos, as generalizações “didáticas” são perigosas.
CAPÍTULO 2
Classificação e seleção de aços e ferros fundidos
2.1 INTRODUÇÃO Em todos os campos do conhecimento, da arte e da ciência, o ser humano busca organizar as informações, sensações e o conhecimento por meio de classificações. Em geral, as classificações visam a dividir objetos, ideias, ou outros itens em grupos com alguma semelhança. O critério de classificação é normalmente associado à semelhança escolhida como importante para o agrupamento dos itens, ideias, conceitos ou objetos. A primeira formalização de uma classificação, de modo geral, é atribuída a Aristóteles.[1] As dez categorias de Aristóteles são: a substância, a quantidade, a qualidade, a relação, o agir, o padecer, onde, quando, a situação e ter. A nós, ocupa apenas, em princípio, a questão restrita de classificar um pequeno universo dentro da classe das “substâncias”. Ainda assim é interessante ver como, já em 1662, a divisão proposta por Aristóteles era criticada:[2] A primeira [crítica] é que se considera as categorias como algo estabelecido de forma racional e verdadeira, em vez de perceber que se trata de uma coisa totalmente arbitrária e que tem por único fundamento a imaginação de um homem […]. A segunda razão que torna o estudo das categorias perigoso é o fato de ele habituar os homens a comprazerem-se com as palavras e a pensar que sabem todas as coisas, quando conhecem apenas nomes arbitrários, que não formam no espírito nenhuma ideia clara e distinta […]. E Kant1 discute, em detalhe, temas associados tanto a classificação ou criação de categorias,[3,4] em especial no nosso caso, quanto ao risco da divisão arbitrária dos sistemas complexos, realizada artificialmente para viabilizar sua compreensão.[4] Embora os trabalhos mencionados foquem muito mais classificações de 1
A leitura de Pirsig[4] é muito menos árida, especialmente para quem se preocupa mais com o “conceito”, do que a leitura de Kant.
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Aços e ferros fundidos: metalurgia e aplicações – Propriedades e aplicações, vol. 2
conceitos ou objetos em sua maioria abstratos, o problema de classificar é o mesmo, dentro do campo das categorias das “substâncias” mencionado por Aristóteles.[1] Assim, mesmo nos atendo apenas à classificação de aços e ferros fundidos, convém prosseguir com cuidado, compreendendo o quão arbitrário é classificar, mesmo as substâncias. E a justificativa para prosseguir é apenas a de que a classificação dos aços e ferros fundidos pode, em vários casos, ser útil para tratar o conhecimento acumulado sobre esses materiais de uma forma relativamente organizada. Assim, alguns aspectos comuns da classificação, da seleção e da especificação de materiais em geral são tratados a seguir, antes de se analisarem a classificação e a seleção dos aços e ferros fundidos, em particular, nos capítulos seguintes.
2.2 CLASSIFICAÇÃO E ESPECIFICAÇÃO DE MATERIAIS O interesse central deste texto é fornecer informações que colaborem para o emprego bem-sucedido de aços e ferros fundidos no mais amplo espectro de aplicações. Normalmente, um emprego é considerado bem-sucedido quando se consegue bom desempenho na aplicação com custos compatíveis (incluindo os “custos” ambientais). Para que se possa comunicar a um fornecedor os desejos relativos ao desempenho em determinada aplicação é preciso chegar-se a uma “especificação” do item desejado. A importância de especificações bem elaboradas para produtos industriais não pode ser subestimada. Especificações corretas levam à economia por parte dos produtores e dos compradores, a prazos mais curtos de entrega e, principalmente, ao melhor entendimento entre produtor e cliente. Uma especificação bem elaborada deve deixar claro tanto o que se espera como o que se aceita do produto. Por esse motivo, muito esforço é dedicado nacional e internacionalmente, por diversas entidades, privadas ou não, no sentido de padronizar as especificações de produtos industriais, especialmente os materiais. Com frequência, essas especificações adotam ou até mesmo definem uma classificação dos materiais, explicita ou implicitamente. Aços e ferros fundidos têm sido classificados de diferentes maneiras. Os métodos mais usuais de classificação são: ●
●
Classificação baseada em características do aço ou liga. Exemplo: propriedades mecânicas, composição química, constituintes da microestrutura etc. Classificação baseada no emprego do aço ou liga. Exemplo: aços para ferramentas, para construção mecânica etc.
Essas classificações não são excludentes, e um dos maiores problemas encontrados ao se tentar compreendê-las e aplicá-las é causado pela frequente superposição entre elas. Dois aspectos importantes devem ser ressaltados. Em primeiro lugar, tais classificações não constituem critérios definitivos e imutáveis e são estabelecidas visando a ajudar o processo de seleção. O objetivo do estabelecimento de classificações, como discutido, é ajudar e simplificar os processos e não os tornar rígidos, complexos ou mesmo conflitantes. Aços classificados como “para ferramentas”, por exemplo, podem ser a melhor solução em determinadas aplicações em peças de equipamentos mecânicos. Além disso, vários aços podem estar incluídos, simultaneamente, em mais de uma classificação, em especial quando os critérios de classificação são diferentes: por exemplo, aços baixo-carbono frequentemente são também classificados como “aços para conformação mecânica” ou aços de “alta resistência baixa liga” (ARBL). Aços TWIP e TRIP 2 são usualmente
2
Twining induced plasticity (TWIP, plasticidade induzida por maclação). Transfomation induced plasticity (TRIP, plasticidade induzida por transformação). Estes aços são discutidos nos Capítulos 5 e 6.
CAPÍTULO 3
Aços para construção mecânica1
3.1 INTRODUÇÃO Enquanto aços estruturais são normalmente fornecidos para atender a requisitos mecânicos (frequentemente com alguns limites de composição química especificados com vistas à soldabilidade) e outros aços são sujeitos a especificações mais completas, os aços para a construção mecânica são normalmente fornecidos para atender a faixas de composição química, uma vez que, em geral, são tratados termicamente para obter as propriedades finais após o processamento pelo comprador. Isso introduz um grande complicador no processo de seleção, especificação e controle do desempenho das peças. Nem sempre o produtor está envolvido de forma suficiente no processo completo para compreender as demandas do emprego e, em muitos casos, o comprador ou processador pode ter expectativas irreais a respeito do desempenho do material após eventual usinagem ou conformação e tratamento térmico. Propriedades como limpeza interna (com grande influência na resistência à fadiga) e sanidade interna (verificada por meio de exames não destrutivos volumétricos) por vezes não são consideradas ou especificadas pelo comprador do aço, embora possam ser críticas para sua aplicação final. Controle do tamanho de grão austenítico pode ser especialmente importante, também, não apenas no caso de tratamento térmico de tempera e revenimento posterior, mas também quando tratamento termomecânico (p. ex., forjamento) ou tratamento termoquímico (como carbonetação, p. ex.) são previstos no processamento posterior do material. Um agravante adicional está ligado ao fato de que, em diversos casos, o comprador/processador busca quantidades inferiores aos pedidos mínimos fornecidos por usinas e recorre a distribuidores: nesse caso, normalmente se conhece, apenas, a procedência e a composição química do aço. Mais recentemente alguns produtores importantes de aço tem buscado sanar parte desse problema estabelecendo seus próprios centros de distribuição ou parcerias comerciais com distribuidores. A usinabilidade tem sido, cada vez, mais, considerada um requisito importante nesses aços. Em alguns casos, controles de morfologia de inclusões não metálicas podem ser necessários para esse fim.[1,2] 1
Este capítulo é baseado, em parte, em Aços e ligas especiais, de A. Costa e Silva e P. Mei (São Paulo: Blucher, 2021).
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Aços e ferros fundidos: metalurgia e aplicações – Propriedades e aplicações, vol. 2
Um complicador adicional decorre do fato de que não é raro as propriedades mecânicas no ensaio de tração, nas condições “brutas” de fornecimento da usina (“como laminado”, ou “como forjado”), atenderem aos requisitos de algumas especificações que empregam material temperado e revenido. Como visto nos Capítulos 5 e 8 (v. 1), uma das principais características dos aços para construção mecânica, na condição de emprego, é a estrutura de martensita revenida, que confere extraordinária combinação de resistência e tenacidade. Omitir o tratamento ou não ter os devidos cuidados nessa etapa do processamento é um dos motivos importantes de falhas de itens de aços para a construção mecânica.[3] Nos aços para construção mecânica, a principal característica visada, ao se definir a composição química, é a temperabilidade, que deve ser adequada para o item final, mesmo considerando as oscilações de composição química e variações de processo típicas do processo industrial.
3.2 O SISTEMA DE CLASSIFICAÇÃO ABNT PARA AÇOS CONSTRUÇÃO MECÂNICA O sistema de classificação de aços empregado pela ABNT NBR NM 87[4] (harmonizada com a Norma Mercosul-ISO[5]) é basicamente o mesmo usado pelo AISI (American Iron and Steel Institute) e pela SAE (Society of Automotive Engineers: SAE J403 e J404[6,7]). Nesses sistemas, os aços são divididos em grupos principais e, dentro desses grupos, em famílias de características semelhantes (Tabela 3.1). Classificação, pela composição química, dos aços para construção mecânica ao carbono e ligados, segundo a norma ABNT MN 87[4] Tabela 3.1
Aços carbono 10xx 11xx 12xx
Aço carbono Aço carbono resulfurado (corte fácil) Aço carbono resulfurado e refosforado (corte fácil)
13xx 23xx 25xx 31xx 33xx 40xx 41xx 43xx 46xx 47xx 48xx 50xx 51xx 5xxxx 61xx 86xx 87xx 92xx 93xx 98xx
Mn 1,75 Ni 3,5 Ni 5,0 Ni 1,25, Cr 0,65 Ni 3,50, Cr 1,55 Mo 0,25 Cr 0,50 ou 0,95, Mo 0,12 ou 0,20 Ni 1,80, Cr 0,50 ou 0,80, Mo 0,25 Ni 1,55 ou 1,80, Mo 0,20 ou 0,25 Ni 1,05, Cr 0,45, Mo 0,20 Ni 3,50, Mo 0,25 Cr 0,28 ou 0,40 Cr 0,80 a 1,05 Cr 0,50 ou 1,00 ou 1,45, C 1,00 Cr 0,80 ou 0,95, V 0,10 ou 0,15 min Ni 0,55, Cr 0,50 ou 0,65, Mo 0,20 Ni 0,55, Cr 0,50, Mo 0,25 Mn 0,85, Si 2,00 Ni 3,25, Cr 1,20, Mo 0,12 Ni 1,00, Cr 0,80, Mo 0,25
Aços de baixa liga (construção mecânica) Elem. (%)
Aços carbono ou baixa liga contendo Boro Chumbo2 Enxofre (ressulfurados)
2
YYBXX YYLXX YYSXX
Aços ao chumbo, usado para a melhoria da usinabilidade, são cada vez menos aceitos em função de problemas ambientais e de saúde e segurança do trabalho.[8]
CAPÍTULO 4
Aços estruturais para equipamentos, caldeiras e vasos de pressão1
4.1 INTRODUÇÃO Aços estruturais são, basicamente, os vergalhões para reforço de concreto, barras (normalmente em aplicações estáticas), bem como tubos, chapas e perfis para aplicações estruturais e para a construção de equipamentos. Neste capítulo não são discutidos os aços desenvolvidos para a estrutura de veículos. A diferença entre os aços estruturais aqui tratados e os aços planos desenvolvidos para as estruturas automotivas está, principalmente, nas espessuras. Como será visto no Capítulo 5, que trata dos aços para conformação, a combinação de formas adequadas com propriedades especialmente desenvolvidas permite obter combinações extraordinárias de peso, rigidez, resistência e deformabilidade, nos aços desenvolvidos para a indústria automobilística. Esses aços são desenvolvidos para mercados muito específicos, com aplicações em grandes quantidades e, normalmente, são “ajustados” aos produtos considerados. Os aços estruturais aqui discutidos precisam ter maior versatilidade e padronização para a sua ampla aplicação. Além disso, em grande parte das aplicações estruturais são necessárias espessuras maiores do que as usadas na estrutura de um veículo. As maiores espessuras dificultam ou impossibilitam o emprego de algumas estratégias de processamento empregadas para os aços desenvolvidos nas últimas décadas para estruturas automotivas.
4.2 AÇOS ESTRUTURAIS – ALGUNS ASPECTOS NA SELEÇÃO Uma grande parte dos aços empregados para a fabricação de equipamentos industriais, como caldeiras, vasos de pressão e tubulações, é equivalente aos aços estruturais, especialmente para aplicações a temperaturas inferiores a 350 °C, quando a fluência não é uma propriedade determinante na seleção. Por esse motivo, é conveniente discutir aqui a seleção desses materiais. Uma observação importante, entretanto, diz respeito aos materiais permitidos para vasos de pressão, caldeiras e tubulações. Em função do risco de acidentes graves 1
Este capítulo é baseado, em parte, na última edição de Aços e ligas especiais, de A. Costa e Silva e P. Mei (São Paulo: Blucher, 2021).
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Aços e ferros fundidos: metalurgia e aplicações – Propriedades e aplicações, vol. 2
com equipamentos pressurizados, há, a mais de um século, forte regulamentação sobre o tema (p. ex., NR-13[1]). Assim, esses equipamentos são projetados com base em códigos em que a escolha do material, tensões admissíveis e demais condições de operação são harmonizados com vistas à segurança. O código ASME, por exemplo, estabelece em sua seção II os materiais permitidos e as tensões admissíveis (seção II, parte D). Em 1992 o código ASME passou a aceitar, também, materiais descritos por especificações emitidas por organizações nacionais ou internacionais reconhecidas, além das especificações da ASTM.[2] Para estruturas e aplicações de maior carregamento, aços de alta resistência e baixa liga (ARBL) vêm sendo extensivamente desenvolvidos nas últimas décadas. Aços ARBL temperados e revenidos são também empregados na fabricação de perfis estruturais de grande porte.[3] Por outro lado, normas usuais para aços estruturais como ASTM A36[4] e A242,[5] são bastante flexíveis quanto à condição de tratamento térmico final, de forma que o espectro de aços chamados “estruturais” envolve ampla gama de famílias de aços. Além disso, existem aplicações especiais que requerem aços de baixa ou média liga, como aços para reatores nucleares, vasos de alta pressão, mísseis, submarinos etc. Para aplicações de grandes espessuras em vasos de pressão, aços como ASME SA 508 Gr3 Cl 2 e SA533 Type B Cl2 (similares ao alemão 20MnMoNi55) e 2,25Cr-1Mo, como o grau F22 de diversas normas ASME, foram especificamente desenvolvidos para ter elevada temperabilidade e ótima tenacidade. Na classe dos aços estruturais está o consumo maciço de aços e a relação resistência/preço é, normalmente, fator decisivo na seleção. Em geral, são produtos laminados, em função das grandes quantidades produzidas, mas podem ser obtidos também sob a forma de forjados e fundidos, aproveitando as vantagens da produção de formas próximas à da peça acabada (near net shape). No passado, aplicavam-se aços efervescentes e semiacalmados para os produtos com requisitos menos exigentes, em função da economia associada a esse tipo de desoxidação. A generalização do emprego do lingotamento contínuo praticamente eliminou a produção desses tipos de aços (ver Capítulo 10, v. 1). A siderurgia e a aplicação dos aços evoluíram em paralelo na área de aplicações estruturais. Assim, historicamente, é possível que a resistência mecânica tenha sido o primeiro critério de seleção de aços. Aços de teores de carbono relativamente elevados e baixo teor de outros elementos de liga eram utilizados para obter maior resistência mecânica (Figura 4.1). Em paralelo, os produtos siderúrgicos tinham baixa homogeneidade ao longo da espessura (Capítulos 10 e 11, v. 1): havia uma importante limitação na espessura máxima que se podia produzir. A engenharia mecânica adaptava os projetos para contornar algumas dessas limitações (p. ex., Figuras 4.2 e 4.3).
Efeito da fração volumétrica de perlita (e indiretamente, do teor de carbono em aços com composições hipoeutectoides) sobre o limite de escoamento. Figura 4.1
Fonte: Relações propostas e apresentadas por T Gladman.[6]
CAPÍTULO 5
Aços planos para a conformação mecânica
5.1 INTRODUÇÃO Uma parcela significativa da produção de aços se destina, presentemente, a produtos planos (folhas, tiras ou chapas) que sofrem conformação mecânica antes da aplicação, como embalagens, principalmente de alimentos e bebidas, estruturas de veículos, painéis de carroceria de automóveis, eletrodomésticos, pequenas estruturas, móveis de escritório etc. Muitas vezes a conformação visa apenas obter uma forma desejada. Entretanto, a alteração da forma a partir de um produto plano permite também alterar significativamente o momento de inércia e, consequentemente, a rigidez da peça obtida (Figura 5.1).
Estrutura de um veículo na condição chamada body in white. Todas as peças são produzidas por conformação de chapas. Observar as várias estratégias de projeto da forma das peças, que tanto as enrijecem quando favorecem a absorção de energia no caso de colisão. Figura 5.1
Fonte: Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0.
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Aços e ferros fundidos: metalurgia e aplicações – Propriedades e aplicações, vol. 2
Aços são empregados em peças conformadas em várias dessas aplicações, desde o início do século XX. Revisão do histórico de desenvolvimento desses aços podem ser encontradas, p. ex., em obras como N. Fonstein e S. Keeler et al.[1,2]
5.1.1 Processos de conformação – visão resumida Produtos planos de aço podem ser conformados por um grande número de processos: dobramento, calandragem, estiramento, deformação por pressão hidrostática e estampagem são alguns exemplos importantes.[3,4] A estampagem é, possivelmente, o processo mais empregado na indústria automobilística e é, talvez, o que mais complexidade apresenta. Há uma enorme variedade de formas, tamanhos e materiais estampados em aplicações comerciais. A estampagem envolve diferentes estados de tensões e diferentes velocidades. A Figura 5.2 apresenta duas situações extremas na estampagem: embutimento e estiramento. É comum em estampagem de peças com formas mais complexas ter-se condições que combinam esses casos e sem a simetria do estado de tensões observada nesses casos (Figura 5.3), assim como porções em que o dobramento, apenas, é aplicado. Os dois casos-limite da Figura 5.2 são usados, frequentemente, para testar a formabilidade dos aços, como discutido no item 5.2.
Figura 5.2 Dois extremos de condições na estampagem. No embutimento puro, o sujeitador apenas evita o “enrugamento”
do blank à medida que ele entra no espaço entre o punção e a matriz. A espessura da peça do blank é essencialmente preservada na peça (“copo”) conformada. No estiramento puro o sujeitador impede o movimento do blank e a deformação ocorre, principalmente, provocando redução da espessura. Nos processos reais de estampagem de peças estados de tensões intermediários entre os dois casos normalmente prevalecem. Além disso, há muitos casos em que a estampagem não é simétrica, como nos dois exemplos mostrados. Fonte: Adaptada de Nielsen e Martins; Moreira.
CAPÍTULO 6
Aços planos avançados para a conformação mecânica AHSS
6.1 INTRODUÇÃO Uma parte importante do desenvolvimento dos aços para conformação mecânica e estruturais tem visado, ao menos nas últimas cinco décadas, aplicações automotivas. Assim, discutir o desenvolvimento dos aços estruturais e para conformação mecânica aplicados na indústria automotiva é bastante proveitoso e geral. Na indústria automobilística, aços com conformabilidade muito elevadas são empregados, normalmente, nas partes expostas, ou de “fechamento” da estrutura. Para se obter essas elevadas conformabilidades, em geral, a resistência mecânica e a capacidade de absorver energia em impacto são comprometidas. Nas décadas recentes, os aços para a indústria automobilística têm sido desenvolvidos buscando a redução de peso, para fins de economia de combustível e menor impacto ambiental, conformabilidade, para simplificação da fabricação, aspectos estéticos e energia absorvida no impacto, e para a segurança dos passageiros. Nesse capítulo são discutidos os chamados “aços avançados” AHSS (Advanced High Stength Steels). A Figura 6.1 apresenta uma idealização dos aços empregados na construção de um automóvel econômico e seguro.
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Aços e ferros fundidos: metalurgia e aplicações – Propriedades e aplicações, vol. 2
Curvas tensão (em MPa) deformação (em %) de diferentes aços para diferentes aplicações em um automóvel econômico e seguro. Para fins da figura, simplificou-se em três níveis de resistência, apenas. Figura 6.1
Fonte: Adaptada de S. Keeler et al. e Corus Automotive.[1,2]
Uma alternativa interessante ao simples aumento de resistência do aço, para veículos, é o uso de elevados teores de Al e Mn, que podem reduzir a densidade do aço para valores inferiores a 7 g/cm3, com propriedades mecânicas interessantes.[3,4] Entretanto, o impacto ambiental do uso de altas quantidades de Al no aço ainda não está bem quantificado: a pegada de carbono do Al é significativa,[5] e ainda não há previsão de processos industriais para recuperar esse alumínio na sucata de aço. À medida que a exigência de conformabilidade é reduzida em relação aos aços para as partes de fechamento e outras exigências estruturais e de deformação controlada são introduzidas, outros caminhos de processamento e outras alternativas de composição química se tornam viáveis. Isso inclui a combinação dos aços de baixo e ultra baixo carbono e laminação a frio, assim como a fabricação de peças compostas por mais de um aço, em função da exigência de propriedades locais da peça,[6-8] como mostra o exemplo da Figura 6.2. A produção desses chamados tailored-blanks tem sido um dos importantes desenvolvimentos da indústria automobilística em parceria com a indústria siderúrgica nas últimas décadas, permitindo
CAPÍTULO 7
Aços para ferramentas1
7.1 INTRODUÇÃO Aços para ferramenta não são, apenas, os aços empregados em ferramentas manuais. Uma grande parte das ferramentas manuais é fabricada com aços para a construção mecânica e até mesmo com aços carbono. Há, entretanto, um volume considerável de aplicação de aços especiais, por exemplo, em ferramentas para a conformação a quente e a frio de metais, polímeros e cerâmicos, para moldes para a fundição de ligas e para a usinagem e corte de materiais. Aços para ferramentas são uma das bases do desenvolvimento dos processos industriais. Com a Revolução Industrial e a decorrente industrialização e progresso nos séculos seguintes, acelerou-se a busca por ferramentas que pudessem ser utilizadas por períodos mais longos com solicitações mais severas e com melhor desempenho. Naturalmente, as características e a qualidade do material empregado na confecção de uma ferramenta definem, em grande parte, o seu desempenho. Como as relações entre solicitações, características e desempenho em uma ferramenta são extremamente complexas, o desenvolvimento de materiais e aços para ferramentas foi completamente empírico até o final da primeira metade do século XX. Exemplos típicos são o desenvolvimento dos aços rápidos, por Taylor2 e White, no final do século XIX,[1] e o desenvolvimento da série de aços D para trabalho a frio, inicialmente concebidos como uma evolução dos aços para trabalho a quente. O desenvolvimento dos aços rápidos foi iniciado por Mushet com a composição 8 % W, 1.2% Mn 1.5% C, temperável ao ar, que revolucionou o corte na segunda metade do século XIX.[2] White e Taylor[3] desenvolveram o processo de tratamento térmico que permitiu aproveitar a austenitização a alta temperatura, com maior dissolução de carbonetos e o revenido a temperatura empregada até então, aproveitando o endurecimento secundário no revenido, melhorando dramaticamente a vida da ferramenta de corte em relação ao aço de Mushet![1,4] Interessantemente, essas 1
Este capítulo é adaptado de A Costa e Silva, P R Mei, Aços e ligas especiais. 4. ed. São Paulo: Blucher, 2021.
2
Frederick Taylor é o conhecido autor de Princípios de administração científica (The Principles of Scientific Management), trabalho pioneiro na área de gestão do trabalho. Na época, era o Presidente da ASME e colaborava na Bethlehem Steel.
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Aços e ferros fundidos: metalurgia e aplicações – Propriedades e aplicações, vol. 2
descobertas ocorreram antes da compreensão do papel da dissolução dos carbonetos na dureza do aço temperado e do fenômeno do endurecimento secundário no revenimento. Como diversos aços ferramenta empregam quantidades significativas de elementos de liga, a disponibilidade e custo desses elementos desempenhou, também, papel significativo no desenvolvimento desses aços. As duas grandes guerras do século XX, por exemplo, assim como a descoberta de novas jazidas de elementos importantes, tiveram efeito significativo no desenvolvimento de aços e composições alternativas.[4] A enorme evolução do conhecimento sobre as interrelações entre as características e o desempenho dos aços para ferramentas vem permitindo, nas últimas décadas, que seu desenvolvimento, seleção e produção se façam de forma bastante científica. Em especial, a compreensão da importância do processamento como fator limitante do desempenho levou ao desenvolvimento e à aplicação de sofisticadas técnicas de elaboração e produção como refusão sob vácuo (VAR), refusão e sob escória (ESR), metalurgia do pó e manufatura aditiva, que permitem alargar os limites de desempenho desses aços.
7.2 CLASSIFICAÇÃO É praticamente impossível estabelecer uma definição exata de aço-ferramenta, satisfatória tanto para o usuário como para o produtor. Enquanto, para o leigo, qualquer aço utilizado para fabricar uma ferramenta é um aço-ferramenta, grande quantidade de aços considerados aços ferramenta pelos produtores é vendida para outras aplicações que não a de fabricar ferramentas. Para facilitar a comparação e seleção dos aços para ferramentas, é importante dividir os numerosos tipos e composições em um número limitado de grupos ou famílias. Classificá-los por meio de composição química, como no caso da classificação SAE/ABNT para aços destinados à construção mecânica, discutida no Capítulo 3, não é viável, uma vez que as variações de composição química são muito amplas, mesmo em aços para aplicações semelhantes. Além disso, alguns dos aços com maiores teores de elementos de liga podem sofrer mudanças radicais de composição (substituição de um elemento de liga por outro, por exemplo), sem que suas propriedades ou características de emprego se alterem substancialmente. Uma classificação baseada apenas no emprego, porém, só seria viável para alguns casos. Isso porque, para determinadas aplicações, como aços para machos para a usinagem de roscas, por exemplo, são usados desde aços carbono até aços rápidos, dependendo da quantidade de peças a produzir, do material ser processado e de outras características do processo. A Tabela 7.1 apresenta a classificação original do AISI para aços ferramenta, presentemente publicada pelo AIST.[5] Tabela 7.1
Classificação AISI dos aços ferramenta, adaptada de Cobb[5]
W – Aços temperáveis em água (Water) S – Aços resistentes ao choque (Shock) Aços para fins especiais L – Tipo baixa liga (Low Alloy) F – Tipo carbono-tungstênio P – Aços para moldes Aços para trabalho a frio O – Aços temperáveis em óleo (Oil) A – Aços média liga, temperáveis ao ar (Air) D – Aço alto carbono, alto cromo Aços para Trabalho a quente (Hot Working) H1 – H19 – Ao cromo (continua)
CAPÍTULO 8
Aços inoxidáveis1
8.1 INTRODUÇÃO Adições de cromo aumentam a resistência à oxidação e à corrosão do aço. Aços com teores de cromo superiores a 12% têm grande resistência à oxidação e são comumente identificados como aços inoxidáveis. Esses aços são muito empregados na engenharia, em função de sua resistência à oxidação e à corrosão, propriedades mecânicas a temperaturas elevadas e tenacidade (especialmente dos inoxidáveis austeníticos). Entretanto, nenhum material é completamente “inoxidável”2 e muita atenção deve ser dada à correta seleção do material para aplicações em meios corrosivos e a alta temperatura; em determinados meios, o aço carbono comum, por exemplo, pode apresentar resultados superiores a um aço “inoxidável”, inadequadamente selecionado. A resistência à corrosão de ligas à base de Fe + Cr está associada ao fenômeno de passivação, isto é, à formação de uma camada de óxidos mistos (de ferro, cromo e de outros elementos de liga), e à dissolução (ou não) dessa camada no meio corrosivo. A formação ou não dessa camada, sua impermeabilidade e a sua taxa de dissolução no meio corrosivo controlam a resistência à corrosão (medida em perda de peso/área/ unidade de tempo) do material, em um meio corrosivo. Além da consideração da corrosão uniforme (chamada “generalizada”), a prevenção dos fenômenos de corrosão localizada é, também, muito importante para o desempenho satisfatório dos aços inoxidáveis. As composições mais comuns de aços inoxidáveis (por exemplo, 12% Cr, 18% Cr + 8% Ni etc.) foram desenvolvidas, acidentalmente, no começo do século XX.[1,2] A partir dessas composições, foram estudados os efeitos de diversos elementos de liga e residuais, como carbono, nitrogênio, molibdênio etc. Novas composições vêm sendo desenvolvidas desde então, com base nos resultados obtidos nessas pesquisas. Como a microestrutura tem efeito dominante sobre as propriedades, os aços inoxidáveis são classificados com base em sua microestrutura a temperatura ambiente. Os efeitos dos diversos elementos de liga sobre a microes1
Este capítulo é adaptado de Costa e Silva, Mei, Aços e ligas especiais. 4. ed. (São Paulo: Blucher, 2021).
2
A resistência ao meio ambiente dos aços com cromo é devida, justamente, à oxidação do cromo formando uma camada “passiva” na superfície do aço.
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Aços e ferros fundidos: metalurgia e aplicações – Propriedades e aplicações, vol. 2
trutura dos aços inoxidáveis podem ser apreciados a partir dos diagramas de equilíbrio de fases. O efeito individual dos elementos de liga sobre as propriedades e estrutura foi discutido no Capítulo 4 (v. 1). Para considerar os efeitos dos múltiplos elementos presentes, diagramas de equilíbrio de fases podem ser calculados, mesmo para aços complexos, com bastante precisão, de forma que a microestrutura esperada desses aços pode ser prevista empregando a termodinâmica computacional.[3] Esses cálculos podem prever, inclusive, a ocorrência de fases minoritárias, que podem ser muito importantes nesses aços.[3-6] O projeto de composições otimizadas desses aços tem se beneficiado muito da termodinâmica computacional[7] e do ICME (Integrated Computational Materials Engineering).[8,9] O desenvolvimento desses aços, nas últimas décadas, tem sido notável.[10,11] Para fins de classificação e discussão de suas propriedades, os aços inoxidáveis são agrupados em cinco categorias: 1. Martensíticos: ligas de ferro e cromo (11-18%) com teor de carbono, em geral, acima de cerca de 0,1%. Mais recentemente, entretanto, estão sendo desenvolvidos e usados aços denominados “supermartensíticos”,[12] que possuem teores de carbono inferiores a 0,1% e baixos teores de elementos residuais. As composições químicas dos aços martensíticos interceptam o campo austenítico no diagrama de equilíbrio de fases sendo, portanto, endurecíveis por tratamento térmico de têmpera. Em vista do elevado teor de cromo, tem altíssima temperabilidade. São magnéticos. Incluem-se nessa família os aços: (AISI) 403, 410, 414, 416, 420, 431, 440A, B e C, 501. Uma classe intermediária, aqui agrupada com os aços martensíticos, é a dos martensítico-austeníticos (ou martensítico-ferríticos): composições mais ricas em níquel do que os aços martensíticos permitem obter transformação parcial no endurecimento por têmpera. 2. Ferríticos: ligas Fe + Cr essencialmente ferríticas a todas as temperaturas e que não endurecem por tratamento térmico de têmpera. São magnéticas. Normalmente têm teores de cromo mais elevados do que os aços martensíticos e têm, naturalmente, menores teores de carbono. Os principais graus são: (AISI) 405, 430, 430F, 446, 502. 3. Austeníticos: ligas à base de ferro, cromo (16-30%) e níquel (8-35%), predominantemente austeníticas após tratamento térmico comercial. São não magnéticas. Incluem-se nessa família: (AISI) 301, 302, 304, 304L, 308, 310, 316, 316L, 317, 321, 347. O teor de carbono é, em geral, inferior a 0,08%. Outros aços inoxidáveis austeníticos incluem aqueles em que, por questão de custo, parte do níquel é substituído por manganês ou por nitrogênio (elementos estabilizadores de austenita, Capítulo 4, v. 1). Exemplos: (AISI) 201, 202 e 204. Aços com maiores teores de elementos de liga têm sido desenvolvidos e, em alguns casos, classificados como “superausteníticos”.[13] 4. Ferrítico-austeníticos (duplex): microestruturas contendo austenita e ferrita em frações aproximadamente iguais são obtidas com composições balanceadas de ferro, cromo (18-27%), níquel (4-7%), molibdênio (1-4%) e outros elementos, especialmente nitrogênio, e apresentam propriedades muito interessantes para diversas aplicações. Incluem-se nessa família: AISI 329, UNS S32304 e S31803. Essa família possui teor de níquel relativamente menor que os aços austeníticos e propriedades mecânicas e de corrosão, principalmente por pite (ou alveolar) iguais ou superiores a estes últimos. Em vista da elevação do preço do níquel nos anos 1990 e 2000, esse grupo de aços vem sendo muito pesquisado e uma nova geração tem sido apresentada ao mercado com a denominação “superduplex”, como o UNS S32760. Em geral, a classificação “superduplex” é associada a um coeficiente PRE ou PREN (Pitting Resitance Equivalent Number, ver adiante) superior a 40.[14] 5. Endurecidos por precipitação: ligas ferro, cromo (12-17%), níquel (4-8%), molibdênio (0-2%) contendo adições que permitam o endurecimento da martensita de baixo carbono pela precipitação de compostos intermetálicos (alumínio, cobre, titânio e/ou nióbio).
CAPÍTULO 9
Ferros fundidos comuns1
9.1 INTRODUÇÃO Ferros fundidos são ligas à base de ferro com composição química próxima ao eutético ferro-carbono (ver Figura 9.1). A definição clássica separa aços e ferros fundidos empregando o limite de aproximadamente 2% de carbono, a solubilidade máxima desse elemento na austenita. Com maiores teores de carbono, grafita ou carbonetos primários são formados na solidificação. À medida que o teor de carbono aumenta, a temperatura liquidus se reduz e é mais fácil, portanto, fundir essas ligas. Porém, a presença de quantidades significativas de carbonetos primários ou grafita limita a conformação dessas ligas.
Figura 9.1 Diagrama de equilíbrio ferro-carbono. Linhas tracejadas: equilíbrio com grafita. Linhas sólidas: equilíbrio com cementita. Há equilíbrios que não são alterados pela presença de grafita ou cementita. (Calculado com Thermo-Calc® e banco de dados TCFE11.)
1
Este capítulo é baseado em H. Colpaert e A. Costa e Silva A. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns. 4. ed. (São Paulo: Blucher; 2008).
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Aços e ferros fundidos: metalurgia e aplicações – Propriedades e aplicações, vol. 2
Segundo D. M. Stefanescu,[1] o registro mais antigo de um objeto de ferro fundido é um leão chinês de 500 a.C., enquanto na Europa essa liga foi introduzida entre os séculos XIII e XV. As tubulações de esgoto de Versailles, na França (1681),2 e a ponte de Coalbrookdale, na Inglaterra,3 são exemplos da importância histórica desse material. Durante muitos anos as aplicações de ferros fundidos foram parcialmente limitadas por sua baixa ductilidade e tenacidade. A notável condutibilidade térmica e capacidade de absorção de vibrações dos ferros fundidos tornaram-nos opções importantíssimas para várias aplicações na engenharia. A busca de um material que combinasse a tenacidade do aço com essas propriedades e a facilidade de fabricação, por fundição, do ferro fundido levou ao desenvolvimento dos ferros fundidos maleáveis ou maleabilizados (item 6), em que um longo tratamento térmico levava à formação de grafita em uma microestrutura relativamente tenaz. O custo do processo é, entretanto, uma limitação importante. Em 1940[1] (ou 1948[2]) o desenvolvimento do ferro fundido nodular, em que a forma da grafita é controlada para formar nódulos esféricos4 (item 4), deu um novo alento a indústria do ferro fundido, ampliando dramaticamente a faixa de aplicações bem-sucedidas desse material. Mais recentemente, a compreensão do processo de esferoidizacão vem permitindo que ferros fundidos de grafita compacta, ou vermicular, sejam desenvolvidos com balanço de propriedades ajustadas às necessidades da engenharia (item 2.5). O ferro fundido é um material industrial amplamente empregado, como mostra a Figura 9.2. A produção mundial de ferro fundido oscila entre 4-5% da produção mundial de aço, atualmente. Como comparação, em 2021 foram produzidas 67,5 Mt de alumínio primário, e cerca de 80Mt de ferro fundido. A indústria de ferro fundido, mundialmente, emprega mais que a indústria do aço por tonelada de material produzido, estimando-se que a indústria siderúrgica tenha 4,5 milhões de empregos e a de ferros fundidos, cerca de 3,5 milhões de empregos (2010-2015, aproximadamente[3]).
Figura 9.2 Produção mundial de ferro fundido nas últimas décadas. Fonte: Adaptada da avaliação de V. A. Gnatush e V. S. Doroshenko[4] usando dados de https://castingssa.com/.
Analisando os dados da Figura 9.3 é fácil compreender por que o ferro fundido permanece sendo um material de amplo emprego industrial, mais de cinco séculos, pelo menos, do início de sua aplicação em estruturas. É importante considerar, também, como será discutido, a significativa evolução tecnológica dos ferros fundidos, desde sua introdução na indústria. 2
http://www.sewerhistory.org/grfx/components/pipe-iron1.htm.
3
http://www.greatbuildings.com/buildings/Iron_Bridge_at_Coalbrookdale.html.
4
Magnésio e terras raras são as adições mais comuns para obtenção da modificação da morfologia da grafita, formando nódulos esféricos de grafita.
COLEÇÃO DE LIVROS
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Ao apoiar a publicação de Aços e ferros fundidos: metalurgia e aplicações, a CBMM reafirma seu compromisso histórico com a difusão do conhecimento técnico, a formação de novas gerações de profissionais e o fortalecimento da siderurgia brasileira e latino-americana. Mais do que patrocinar um livro, trata-se de contribuir para a preservação e a atualização de uma referência que marcou a trajetória de estudantes, professores, pesquisadores e engenheiros ligados ao universo dos materiais metálicos. Em uma indústria cada vez mais orientada por desempenho, eficiência e sustentabilidade, a atualização de obras fundamentais como esta é essencial para aproximar os fundamentos da metalurgia aos desafios contemporâneos da produção e aplicação dos aços. Para a CBMM, apoiar esta iniciativa significa incentivar a educação, valorizar a ciência dos materiais e estimular soluções tecnológicas que contribuam para o conhecimento no maior uso do nióbio – os aços microligados. Materiais esses que, desde seu início, estão associados a propriedades superiores e obtidas de maneira eficiente, portanto, destinados a uma indústria siderúrgica mais competitiva, inovadora e responsável. Este livro representa não apenas a continuidade de um legado técnico iniciado por referências da metalurgia nacional, mas também um investimento no futuro: a capacitação de pessoas, a evolução dos processos industriais e o desenvolvimento de materiais capazes de atender às demandas da sociedade moderna.
Neste volume, os fundamentos metalúrgicos discutidos no Volume 1 são aplicados ao entendimento do estágio atual e às perspectivas de desenvolvimento de importantes famílias de aços e ferros fundidos, destacando as interações com as demandas dos usuários e com os desafios da produção na busca por melhor desempenho. Essa evolução está longe do fim: assim é importante compreender como os fundamentos metalúrgicos vêm sendo aplicados em metodologias práticas de desenvolvimento desses materiais, de modo que sirvam de mapa para adaptar e criar metodologias cada vez mais ajustadas às demandas da sociedade e do planeta. Saiba mais sobre o livro