Aços estruturais para ligas
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Os aços estruturais são aços destinados a componentes de máquinas e equipamentos que operam em condições consideradas típicas para a mecânica estrutural, ou seja, em temperaturas que variam de aproximadamente de –40 °C a 300 °C e em ambientes que não são particularmente agressivos do ponto de vista químico. Na prática, isto significa que, quando predominam as cargas mecânicas e o ambiente não exige resistência à corrosão ou ao calor, o critério básico de seleção é um conjunto de propriedades mecânicas em vez de propriedades «especiais».
O parâmetro exigido com mais frequência não é a «resistência à tração» em si, mas a alta resistência ao escoamento, pois determina se o componente começará a deformar-se permanentemente sob carga de trabalho. Ao mesmo tempo, os elementos estruturais raramente operam em condições perfeitamente estáticas. Na realidade, ocorrem cargas variáveis, impactos e vibrações, razão pela qual a resistência à fadiga e a resistência à fratura frágil são muito importantes. Neste contexto, um conceito importante é a temperatura de transição dúctil-frágil (Tpk), porque a baixas temperaturas, o aço pode comportar-se de forma muito mais frágil e, então, mesmo concentrações locais de tensão (por exemplo, entalhes, transições de secção transversal, defeitos superficiais) tornam-se perigosas. Se um componente deve operar sob atrito e contactos deslizantes ou rolantes, há uma exigência de alta dureza e resistência ao desgaste, geralmente alcançada através da produção de uma camada superficial dura, mantendo um núcleo dúctil.
É aqui que podemos ver por que razão as ligas de aço costumam ser escolhidas em detrimento dos aços carbono. O aço carbono pode atingir alta dureza após o endurecimento, mas a sua principal limitação é a sua baixa temperabilidade, o que significa que, com secções transversais maiores (o material especifica um limite de aproximadamente 25 mm), não é possível obter um estado de endurecimento uniforme em toda a secção transversal. Como resultado, após a têmpera subsequente, o componente apresenta propriedades diferentes na superfície e no núcleo, o que é particularmente desvantajoso em estruturas sujeitas a cargas dinâmicas. O aço-liga, graças aos aditivos, permite uma resposta mais «previsível» e uniforme do material em toda a secção transversal do componente.
Por que razão a liga funciona
Nos aços estruturais, a liga é uma ferramenta que altera principalmente a cinética das transformações da austenite e, assim, influencia a estrutura obtida após o arrefecimento. O efeito prático mais importante é um aumento na temperabilidade, ou seja, a capacidade do aço de formar estruturas de endurecimento (martensíticas ou bainíticas) não só na superfície, mas também nas profundezas do material. Na prática, isto tem dois efeitos principais. Em primeiro lugar, permite que componentes maiores sejam endurecidos em meios de arrefecimento mais suaves (por exemplo, em óleo em vez de água), o que reduz o risco de fissuras e limita a deformação. Em segundo lugar, permite o endurecimento total após a têmpera e o revenido, ou seja, um conjunto de propriedades do núcleo e da superfície que é consistente em toda a secção transversal.
O segundo mecanismo importante é o efeito dos aditivos na fragmentação dos componentes estruturais e no comportamento do aço durante o revenimento. Uma estrutura mais fina após a transformação da austenita sobrearrefecida geralmente indica maior resistência, mantendo uma melhor resistência à fratura. Ao mesmo tempo, muitos aditivos de liga fazem com que o aço «mantenha» as suas propriedades benéficas durante o revenimento e não as perca tão facilmente, uma vez que os processos de amolecimento são atrasados ou requerem uma temperatura mais elevada. Isto é importante porque, nos projetos de máquinas, não se trata de obter a dureza máxima, mas sim um compromisso duradouro: alta resistência ao escoamento + resistência ao impacto + estabilidade das propriedades.
Por este motivo, os aços-liga geralmente funcionam num estado tratado termicamente. A composição química por si só raramente é suficiente. Para que o aço funcione como um material estrutural altamente fiável, na prática, todo o pacote é projetado: seleção do aço + seleção do processo (normalização, tratamento térmico, carburação, nitretação, endurecimento superficial) + seleção dos parâmetros de arrefecimento e têmpera. Só então a liga se torna um verdadeiro «controlo da estrutura» e não só a adição de elementos à análise química.
Aços de baixa liga com maior resistência
Os aços de baixa liga com maior resistência, frequentemente utilizados em estado normalizado, ocupam um lugar importante entre os aços de liga estrutural. A sua especificidade reside no facto de que devem combinar maior resistência ao escoamento (o material indica uma faixa de aproximadamente 300 MPa a 460 MPa) com soldabilidade prática. Para manter a soldabilidade, o teor de carbono é limitado – o material especifica que não excede aproximadamente 0,22%. Isto é muito importante: neste grupo, o objetivo não é aumentar as propriedades «aumentando o carbono», mas sim controlando a estrutura e utilizando aditivos de liga moderados.
No estado normalizado, existem dois «modelos» de microestrutura. O primeiro é o aço perlitico com uma estrutura ferrítico-perlitica, onde os elementos de liga estão presentes na solução sólida em ferrite ou fazem parte dos carbonetos na perlita. O aumento da resistência em comparação com os aços carbono com teor de carbono semelhante deve-se ao facto de os aditivos endurecerem a ferrite, promoverem uma maior proporção de componentes mais duros e favorecerem o refinamento dos grãos. Os aditivos típicos deste grupo são principalmente manganês, cobre, silício e alumínio e, em algumas variedades, também vanádio e nióbio; também são fornecidas faixas típicas, incluindo manganês no intervalo de 1,0% a 1,8% e silício no intervalo de 0,20% a 0,60%.
O segundo modelo é o dos aços bainíticos, que, em estado normalizado obtêm uma estrutura bainítica graças a um conjunto de aditivos que retardam as transformações de difusão e promovem a formação de bainita durante o arrefecimento. O material observa que este grupo pode conter pequenas quantidades de aditivos, como molibdénio e boro, assim como aditivos que afetam a cinética das transformações, como manganês e crómio, o que permite atingir níveis de resistência muito elevados, mesmo quando arrefecido ao ar (o material apresenta um intervalo de 1100 MPa a 1200). Isto mostra a lógica desta família de materiais: a soldabilidade é mantida graças ao baixo teor de carbono, e a «resistência» é proporcionada pela estrutura obtida pela normalização, apoiada por uma liga adequada.
Aços para cementação e endurecimento superficial
Os aços para cementação são selecionados principalmente com base no facto de que o componente deve ter uma camada superficial muito dura, enquanto o núcleo deve manter ductilidade e resistência à fissuração. Portanto, estes são aços com baixo teor de carbono no núcleo; o material está normalmente no intervalo de aproximadamente 0,14% a 0,25% C. A lógica tecnológica é simples: o núcleo permanece «macio» (menos frágil) e a alta dureza aparece apenas na zona superficial, onde o carbono foi introduzido durante o processo de cementação, e essa camada é então endurecida.
É possível carbonizar aços carbono, mas o material enfatiza que esta solução faz sentido principalmente para pequenos componentes com secções transversais pequenas ou onde a resistência à abrasão é importante, mas não é necessária alta resistência do núcleo. Com secções transversais maiores, o aço carbono pode proporcionar uma superfície dura, mas o núcleo não atinge a resistência desejada porque o componente não endurece na secção transversal. Além disso, para garantir a dureza da camada no aço carbono, muitas vezes é necessário um arrefecimento mais rápido, o que aumenta a deformação e o risco de fissuras.
Portanto, na prática, os aços ligados para cementação predominam, pois os aditivos ligados proporcionam maior temperabilidade e permitem propriedades favoráveis não só da camada, mas também do núcleo, frequentemente quando temperados em óleo. O material chama a atenção para um limite importante: a liga excessiva, especialmente numa camada com um teor de carbono aumentado, pode promover a formação de mais austenite residual, o que, por sua vez, pode reduzir a dureza da camada cementada. Esta é uma conclusão prática importante, pois mostra que a cementação não se trata de maximizar os aditivos, mas sim da sua seleção ideal.
O artigo realça o papel do cromo, que está presente em praticamente todos os aços para carburação, geralmente em quantidades de 1% a 2%, pois aumenta efetivamente a temperabilidade e facilita a formação de uma camada dura durante o arrefecimento a óleo. Uma melhoria adicional na temperabilidade e nas propriedades do núcleo é obtida com a adição de níquel, razão pela qual componentes importantes são frequentemente fabricados com aços de cromo-níquel. Ao mesmo tempo, é importante ressaltar que o níquel é um componente escasso, portanto, a sua utilização é justificada por requisitos operacionais e não por «costume». Na prática, também são utilizadas soluções de manganês, mas então é necessário controlar fenómenos adversos (por exemplo, relativos ao grão), e aditivos como molibdénio ou titânio são utilizados como auxiliares para melhorar as propriedades e promover a fragmentação.
Os aços para têmpera superficial são selecionados utilizando uma lógica semelhante, onde o objetivo é obter uma superfície dura com um núcleo forte. O material indica frequentemente um intervalo de teor de carbono de 0,4% a 0,6% para os aços utilizados neste tipo de tratamento e, no caso de requisitos mais elevados para as propriedades do núcleo (especialmente em secções transversais maiores), a prática consiste em realizar primeiro o tratamento térmico de todo o elemento e só depois o endurecimento superficial.
Aços para tratamento térmico e grupos especializados
Os aços para tratamento térmico são concebidos para alcançar um compromisso muito favorável após o endurecimento e o revenimento elevado: elevada resistência e limite de elasticidade, mantendo a ductilidade e a resistência ao impacto.
O tratamento térmico (endurecimento + revenimento elevado) origina estruturas sorbíticas e é a forma básica de obter propriedades elevadas em componentes de máquinas. O material indica que as temperaturas típicas de revenimento estão no intervalo de aproximadamente 500 °C a 700 °C, e os níveis de propriedade podem atingir Rm 750 MPa a 1500 MPa e Re 550 MPa a 1350 MPa. Também é fundamental que o aço-liga permita que esse estado seja alcançado em toda a extensão com secções transversais maiores, enquanto os aços carbono são geralmente suficientes principalmente para seções transversais de até cerca de 20 mm a 25 mm.
Neste grupo de parâmetros de processo, a seleção não é feita «às cegas», porque a têmpera é um compromisso: uma temperatura mais elevada geralmente melhora a plasticidade em detrimento da resistência, enquanto uma temperatura mais baixa proporciona maior resistência em detrimento de uma maior sensibilidade a fissuras. O material também destaca o fenómeno da fragilidade da têmpera, que se manifesta na diminuição da resistência ao impacto em determinadas faixas de temperatura. Foi identificada uma diminuição característica em torno de 300 °C e uma segunda diminuição acima de 500 °C, sendo que, no último caso, é importante que a taxa de arrefecimento após o revenido seja significativa: o arrefecimento acelerado (por exemplo, em água ou óleo) pode reduzir o efeito adverso em comparação com o arrefecimento lento. Isto mostra que a «temperatura de têmpera» não é a única variável – a forma como o processo é concluído também é importante.
No que diz respeito à liga em aços para tratamento térmico, o material enfatiza o papel de aditivos como cromo (aumenta a temperabilidade e afeta o comportamento de têmpera), molibdénio (ajuda a reduzir alguns efeitos adversos, incluindo a tendência para a fragilidade do revenimento, e aumenta a temperabilidade) e níquel, que é particularmente valioso porque aumenta a temperabilidade e melhora as propriedades plásticas, além de reduzir a temperatura de transição dúctil-frágil, o que é importante quando se trabalha a temperaturas reduzidas.
O material indica que os aços cromo-níquel estão entre os melhores deste grupo, embora exijam o controlo de fenómenos relacionados com a têmpera, daí a prática de adicionar molibdénio e, por vezes, também vanádio.
Além dos aços para reforço, existem grupos de ligas de aço estruturais com uma função bastante bem definida. Os aços para nitretação são selecionados para produzir uma camada dura de nitretos; por isso, são utilizados aditivos como alumínio, crómio e molibdénio, e o processo é geralmente precedido por um tratamento térmico, com a temperatura de revenimento a ter de ser superior à temperatura de nitretação, para que o núcleo não altere a sua estrutura durante a própria nitretação. Os aços para molas são concebidos para um elevado limite elástico e vida útil à fadiga; o material enfatiza o papel do silício e a importância da qualidade da superfície (a oxidação e a descarbonização prejudicam gravemente a vida útil à fadiga), e o processamento típico inclui endurecimento e têmpera para manter uma elevada resistência. Os aços para rolamentos devem proporcionar dureza muito elevada e resistência à abrasão e às pressões de contacto, e o material refere-se ao aço típico com alto teor de carbono e cromo e ao processamento típico: endurecimento em óleo e baixa temperagem a cerca de 180 °C para obter estruturas de grão fino com carbonetos finos.
O material também indica soluções mais especializadas, mas ainda dentro do campo «estrutural» em sentido lato. Os aços maraging (ligas de ferro com níquel) formam martensite dúctil após o endurecimento e só atingem alta resistência após o envelhecimento, quando aparecem precipitados de fase intermetálica; este é o caminho para propriedades excecionais, mas a um preço elevado. Por sua vez, o tratamento térmico e plástico combinam a deformação plástica da austenita com o endurecimento, de modo que a martensita «herda» uma estrutura de deslocamento e fragmentação mais densa, o que resulta num aumento significativo da resistência (o material afirma que em várias a várias dezenas por cento), mas dificulta a usinagem subsequente.
Aços estruturais ligados – resumo
Os aços estruturais ligados são utilizados quando é necessário obter determinadas propriedades mecânicas repetíveis em condições operacionais típicas e, ao mesmo tempo, manter a segurança do componente sob cargas variáveis. A sua vantagem em relação aos aços carbono deve-se principalmente à sua maior temperabilidade, que permite o tratamento térmico e a modelagem das propriedades em secções transversais maiores, muitas vezes com um arrefecimento mais suave e, portanto, com menos risco de fissuras e deformações. Na prática, a seleção do aço estrutural de liga é a seleção de todo o sistema: composição + tipo de tratamento térmico (normalização, refinação, carburação, nitretação, endurecimento superficial) + parâmetros do processo, porque apenas este conjunto determina a microestrutura, e a microestrutura determina as propriedades.
Dentro deste grupo, destacam-se os seguintes: aços normalizados de baixa liga (onde a soldabilidade e a resistência ao escoamento são fundamentais), aços para cementação e endurecimento superficial (onde uma camada dura e um núcleo dúctil são importantes, com controlo de fenómenos como a austenite residual), aços para tratamento térmico (onde o compromisso entre propriedades e seleção consciente da têmpera, incluindo a consideração da fragilidade da têmpera, é fundamental) e grupos especializados, como aços para nitretação, aços para molas e aços para rolamentos.
