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CAPÍTULO 3

AÇOS CARBONO

Aços-carbono simples formam o grupo mais importante de ligas de engenharia, e foram responsáveis por 77,7% do aço produzido nos Estados Unidos em 1988. O relativo baixo custo e ampla gama de propriedades dos aços-carbono simples os deixam com primeira importância como materiais de engenharia. As aplicações dos aços-carbono simples são inumeráveis. Algumas das formas mais comuns dos produtos de aço-carbono simples são chapas, tiras, barras, fios, produtos tubulares, formas estruturais, forjados, placas e fundidos.

3-1 PROCESSOS MODERNOS DE FABRICAÇÃO DO AÇO

Principais passos na Produção Siderúrgica e seus Produtos Finais

Na Fig. 3-1 é mostrado um diagrama geral para a produção do aço desde os produtos mais brutos até os produtos siderúrgicos acabados. A seguir, está uma breve descrição das etapas básicas envolvidas na produção de aços.

1. Redução do minério de ferro (principalmente óxidos de ferro) ao ferro derretido (ferro-gusa). Nesse processo, o coque (carbono) age reduzindo o minério de ferro no alto forno (Fig. 3-2) para produzir ferro contendo de 3 a 4,5% C, segundo a reação:

Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3 CO2

Como a maioria dos aços usados atualmente contém menos do que 1% C, o carbono em excesso deve ser removido do ferro gusa para convertê-lo em aço.

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Fig. 3-1 Fluxograma mostrando as principais etapas do processo de transformação de materiais brutos nos formatos principais, sem contar produtos revestidos.

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Fig. 3-2 Operações gerais de um alto forno moderno.

2. Processo de Fabricação. No processo de fabricação do aço em alto-forno, o carbono em excesso no aço é reduzido ao nível desejado através da oxidação controlada de misturas de ferro gusa e ferro ou sucatas de aço. Os dois principais processos de fabricação em alto-forno usados são (a) fornalha básica de oxigênio e (b) fornalha com arco elétrico. Aços-ligas são produzidos adicionando-se manganês, cromo, níquel, molibdênio, vanádio, etc., no aço ainda no estado líquido durante ou depois do processo de remoção do carbono.

3. Fundição. Uma vez que foi atingida a composição desejada do aço, ele é vazado ou despejado do forno conversor (fornalha de fabricação do aço) a um largo recipiente denominado "panela". Às vezes, são adicionados elementos de liga ou desoxidantes, como o alumínio ou ferro-silício ao aço derretido na panela para ajuste da composição química do aço ou para se remover oxigênio gasoso. O aço é então despejado em moldes retangulares de lingotes ou vazado em um distribuidor (tundish) para a fundição contínua do aço.

4. Laminação (forjamento). A maioria dos lingotes é reaquecida a uma temperatura alta (inferior à temperatura de fusão de todos os constituintes do aço), e mantidos nesse patamar para uniformizar o aquecimento. Os lingotes reaquecidos são então laminados a quente ou forjados até a sua forma desejada. Continuamente, aço derretido pode ser fundido (incorporado) à forma forjada semi-acabada.

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Fig. 3-3 Fabricação num forno comum de oxigênio.

5. Tratamento Mecânico. Os produtos semi-acabados são então trabalhados por laminação a quente, a frio, forjamento, extrusão, estampagem, etc., para se produzir os produtos acabados de aço como placas, chapas, barras, produtos tubulares, formas estruturais,etc.

6. Tratamento Térmico. Para se produzir o produto acabado em aço na resistência desejada, é, às vezes, necessário tratar termicamente o aço. Tratamentos térmicos permitem um certo grau de controle sobre a microestrutura e propriedades do aço. O tratamento térmico dos aços será enfatizado neste livro, uma vez que influencia fortemente a estrutura e suas propriedades.

Processos de Fabricação

Processo de fabricação por oxigênio (Basic-Oxigen Process – BOP). Em 1989 nos Estados Unidos 55.9% do aço bruto foi produzido pelo processo básico de oxigênio, e 35,5% foi produzido pelo processo de arco elétrico. No processo BOP, o ferro gusa líquido e até mais 30% de sucata são carregados a um conversosr em forma de barril e protegido por tijolos refratários. A seguir, o oxigênio é injetado a partir do alto do conversor (Fig. 3-3). O oxigênio puro reage com o banho para formar óxido de ferro. O carbono no aço então reage com o óxido de ferro para formar monóxido de carbono:

FeO + C → Fe + CO

Imediatamente após essa reação começar, principalmente cal é adicionado de forma controlada formando fluxos de escória que flutuam no banho e levam consigo grande parte das impurezas. A reação ocorre rapidamente e não requer aquecimento externo. Em cerca

de 45 minutos, aproximadamente 200 toneladas de aço podem ser produzidas com um nível desejado de carbono e baixos níveis de impurezas, tais como enxofre e fósforo. A Fig. 3-4 mostra como os níveis de carbono, manganês, silício, enxofre e fósforo são reduzidos com o tempo para um típico aquecimento do aço.

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Fig. 3-4 Representação esquemática do progresso de desoxidação.

Em um tipo de variação do processo BOP, é produzida uma circulação extra na reação oxigênio-metal fundido através do bombeamento de argônio e nitrogênio do fundo do conversor. Em um outro tipo do processo BOP, o Q-BOP, oxigênio é também bombeado do fundo do conversor.

Processo a Arco Elétrico (Electric-Arc Process). Nesse processo, eletrodos ajustáveis são abaixados até acima de uma carga de sucata fria. Um arco elétrico é detonado entre os eletrodos e a carga de sucata resultando na fundição do aço (Fig. 3-5). Desde cerca de 1945, este processo tem sido usado progressivamente para a fundição de sucata de aços-carbono simples. Uma vez que os fornos a arco elétrico têm relativamente um baixo custo de investimento e podem refundir sucata de aço, este processo é usado onde fornecedores de sucata de aço estão disponíveis.

Os fornos a arco são também utilizados para a produção de ligas especiais que contenham uma quantidade apreciável de elementos de liga que oxidem facilmente, tais como cromo, tungstênio e molibdênio. Este processo também é usado quando baixos níveis de enxofre

Fig. 3-5 Fabricação num forno a arco elétrico.

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Fig. 3-6 Homogeneização, circulação, de aço líquido com um lançador de gás Argônio em uma panela.

e fósforo são necessários em algumas ligas. Tampões especiais para a escória são usados para abaixar os níveis de enxofre e fósforo e dar proteção contra a oxidação dos elementos de liga. Também, com esse processo é possível um controle rígido da temperatura.

Metalurgia de Panela. Nos anos 80, consideráveis melhoras foram feitas na produção de aços mais puros com baixos níveis de oxigênio e enxofre e, conseqüentemente, baixos conteúdos de inclusões usando a metalurgia de panela. Os processos de refino melhorados ocorrem na panela de transferência do aço líquido, na qual foi desejado o aço da fornalha de oxigênio ou forno a arco. Aplicando estas operações de refino fora da fornalha de

produção do aço, ciclos e tempo de fabricação valiosos são economizados. Também, um controle muito melhor é possível dentro da panela, uma vez que alguns processos de refino (isto é, eliminação de enxofre), requerem uma atmosfera redutora. A desgaseificação a vácuo é também possível com o aço na panela. A Figura 3-6 mostra o esquema de uma panela de aço com um lançador de gás argônio submergido no aço fundido para causar circulação.

O uso de procedimentos especiais com a panela pode alcançar o seguinte:

1. Melhoria do controle de temperatura. Usando-se eletrodos aquecedores submersos ou adicionando-se alumínio, a temperatura do aço pode ser aumentada até a sua temperatura ideal para fundição contínua.

2. Homogeneização da composição. Por agitação do aço líquido com gás de argônio, a composição do aço pode ser mais homogênea.

3. Melhoria na desoxidação. Um controle mais rígido pode ser conseguido para desoxidação do aço fundido através da adição de alumínio suficiente para remover o oxigênio. Na fundição contínua, o aço tem que ser continuamente desoxidado para se prevenir a formação de bolhas ou poros sob ou na superfície do produto fundido.

4. Métodos mais eficientes podem ser aplicados para adicionar adições de liga e para controlar a composição química final do aço.

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Fig. 3-7 Esquema do sistema de desgaseificação a vácuo RH-OB para aço fundido

5. Eliminação de enxofre (dessulfuração). Usando-se condições redutoras e um tampão de escória na panela, conteúdos de enxofre podem ser reduzidos a níveis muito baixos e inclusões podem ser flutuadas para a escória na superfície do aço.

6. O formato das inclusões remanescentes de óxidos e sulfetos pode ser controlado com a adição de cálcio e terras-raras.

Desgaseificação a vácuo. A desgaseificação a vácuo em conjunção com a metalurgia de panela tem sido introduzida nos últimos anos pelas seguintes razões:

1. Aços com teores ultra-reduzidos de carbono (≅ 0.002% C) podem ser produzidos. Chapas de aço com baixo teor de carbono e nitrogênio podem agora ser recozidas e ainda terem grande conformabilidade para aplicações de estampagem profunda.

2. Baixos teores de hidrogênio podem ser reduzidos para reduzir o lascamento por hidrogênio ou mesmo porosidade.

O sistema de desgaseificação a vácuo mais usado nos E.U.A no ano de 1991 foi o RH-OB (Ruhrstahl-Heraeus-oxigen-blowing), que é esquematicamente mostrado na figura 3-7. Neste processo, dois tubos ou snorkels são parcialmente imersos no metal líquido na panela. Gás argônio é introduzido na perna ascendente para bombear o metal na unidade de RH para tratamento. Unidades de oxigênio introduzem oxigênio na câmara de RH para

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Fig. 3-8 Seção esquemática de uma máquina de Lingotamento Contínuo para aço. reduzir o conteúdo de C no aço fundido para níveis bem baixos pela seguinte reação

C(aço) + O => CO (gás) O aço é então retornado pelo tudo descendente da unidade de RH, e recirculado. No sistema de RH, o conteúdo de nitrogênio do aço também é reduzido para cerca da metade enquanto produzindo os aços baixo-carbono. 3.2 FUNDIÇÃO DE LINGOTES Em geral, a maioria dos aços é produzida pelos processos básico-oxigênio ou arco elétrico, e é transferido no estado fundido para grandes panelas. O aço, depois de ser tratado na panela, é então vazado continuamente em longos lingotes que são cortados no tamanho desejado, ou vazado em moldes estacionários de lingotes. Em 1991 cerca de 75% do aço produzido nos Estados Unidos era por lingotamento continuo. Lingotamento Contínuo No lingotamento continuo, a panela com aço fundido é transportada para uma plataforma de fundição mais elevada, que fica acima da máquina de fundição (Fig. 3-8). O aço fundido é descarregado em uma vala retangular, chamada de distribuidor (tundish), que serve como reservatório para o aço (Fig 3-9). Através de um bico no fundo do distribuidor, Pg. 90

Fig. 3-9 Detalhes da região do molde de um sistema de fundição contínua para aços. o aço fundido é despejado em um molde refrigerado a água com um fundo móvel que é lentamente abaixado. Conforme o aço fundido entra no molde, o metal em contato com a parede do molde se solidifica formando uma fina camada. Esta camada aumenta de espessura conforme o aço passa através do molde. O metal remanescente no interior do lingote é solidificado com água fria borrifada enquanto este sai do molde. A barra de metal sólido é puxada por rolos para que sejam produzidas longas placas continuas, como mostrado na Fig. 3-8.

Para a maioria dos aços, o lingotamento contínuo é mais vantajoso, como é evidenciado pela mudança mundial do lingotamento individual para o lingotamento continuo. As vantagens do lingotamento contínuo incluem custos reduzidos, aumento da qualidade do produto, aumento do lucro, economia de energia e menos poluição. O aumento da qualidade metalúrgica inclui menos variação na composição química da estrutura metalúrgica. Somando-se à melhora da homogeneização do carbono, do enxofre, e de elementos de liga na seção de uma placa feita por fundição contínua, há também menos variação de homogeneização ao longo do comprimento da mesma. No lingotamento contínuo moderno, a qualidade superficial da placa lingotada é superior à de uma forma semi-acabada laminada de um lingote individual, tratando-se de defeitos de

superfície como veios/juntas (seams) e cascas(scabs). Portanto, um produto acabado melhorado e mais uniforme é obtido com menos defeitos internos e de superfície.

O lucro do aço no lingotamento contínuo é maior do que no lingotamento estático, pois não é necessário cortar o fim dos lingotes. Perdas escalares associadas ao aquecimento de lingotes nos fornos de reaquecimento (soaking pits) também são evitadas com o lingotamento contínuo. Economia de energia é conseguida com o lingotamento contínuo Pg. 91

Fig. 3-10 Tipos de estrutura de lingote. (a) efervescente; (b) capeado; (c) semi-acalmado; (d) acalmado.Note a distribuição das bolhas no aço efervescente e a cavidade no aço acalmado por causa da eliminação dos custos com alta energia no aquecimento dos lingotes no forno de reaquecimento e na operação de moinhos primários. A espessura das placas do lingotamento contínuo é cerca da metade das chapas obtidas no lingotamento estático, e são necessárias menos operações de laminação à quente. Lingotamento Individual (Estático) O vazamento de aço em moldes de lingotes individuais ainda é usado nos Estados Unidos para produzir lingotes de aço para o trabalho a quente. Neste processo uma panela cheia de aço é suspensa por um guindaste e então o aço é despejado em moldes individuais, que estão na vertical sobre carros em trilhos. Os moldes dos lingotes são levemente afilados para uma remoção mais fácil do aço, depois de sua solidificação (Fig. 3-10). Depois de retirados dos moldes, os lingotes quentes são transferidos para fornos de reaquecimento para reaquecimento para a laminação à quente. Cerca de 25% da fundição de aço nos Estados Unidos atualmente, ainda é feita através de moldes de lingotes individuais.

3.3 TIPOS DE ESTRUTURAS DE LINGOTES

Quando o aço é fundido ou vazado em moldes estacionários individuais, vários tipos de estruturas podem ser produzidos dependendo de como o aço for solidificado (Fig. 3-10), enquanto que a decisão do tipo de lingote a ser produzido depende da sua utilização final. Durante a solidificação do aço, gases em excesso saem do metal. O oxigênio no interior do aço fundido na forma de FeO reage com o carbono (C) do aço para produzir monóxido de Pg. 92 carbono (CO) de acordo com a seguinte reação:

FeO + C = Fe + CO (gás)

Já que o aço se solidifica em uma faixa de temperaturas, gases contidos na fase líquida podem ficar presos na interface sólido-líquido, produzindo bolhas ou vazios no aço solidificado. A quantidade de oxigênio dissolvido no aço líquido momentos antes do vazamento pode ser controlada pela adição de agentes desoxidantes como Al e Fe-Si. Dependendo da quantidade de gases que fica no aço fundido durante o processo de solidificação (principalmente oxigênio), os seguintes tipos de aço (quanto à estrutura) podem ser produzidos: efervescente, capeado, semi-acalmado e acalmado (Fig. 3-10).

Estrutura do Lingote Efervescente

Num aço efervescente, a reação do oxigênio e carbono dissolvidos para formar CO e

2CO é permitida a progredir até que se forme um pesado anel de relativo puro Fe livre de vazios (Fig. 3-10a). O interior do lingote contém porosidades, bolhas de várias formas e tamanhos, provenientes de gases. Durante a laminação à quente estes vazios são soldados produzindo chapas e laminas com bom acabamento superficial. A ação efervescente abaixa a quantidade de carbono do aço e causa a segregação do C, S e P na direção do centro e do topo do lingote. A segregação dos compostos intermetálicos (metalloids) causa uma variação nas propriedades mecânicas e de composição de chapa para chapa. O aço efervescente é mais barato de se produzir já que a parte de cima do lingote não tem rechupe, ou seja, o lucro é maior.

Estrutura do Lingote Capeado

Em aços capeados a ação efervescente é interrompida química ou mecanicamente (Fig. 3-10b). O aço capeado quimicamente é vazado em moldes e permitido efervescer-se de 1 a 3 minutos, e então a reação é interrompida com a adição de Al ou Fe-Si na parte de cima. No capeamento mecânico uma pesada tampa de ferro fundido é usada para fechar a abertura de cima do molde assim que o vazamento é interrompido. A evolução do gás é interrompida devido ao aumento de pressão quando o metal bate na tampa. Estrutura do Lingote Semi Acalmado

Uma típica estrutura de lingote semi-acalmado está na Fig. 3-10c. Neste tipo de lingote somente uma pequena quantidade de gás é permitida se desenvolver durante o processo de solidificação. Somente um certo número de bolhas é permitido desenvolver-se a fim da contração de volume, devido à solidificação, ser compensada. Estrutura do Lingote Acalmado

Aços totalmente acalmados não desenvolvem gases e formam um rechupe (pipe cavity) na parte superior do lingote (Fig. 3-10d), pois a adição de Al ou Si ao aço Pg. 93 fundido em panelas ou moldes interrompe a reação dos gases. Aços acalmados com Al são amplamente usados para fazer chapas para laminação a frio, que serão usadas em conformação severa ou estampagem profunda, e também para chapas que serão estocadas por um longo período antes de serem usadas. Esses aços apresentam um mínimo envelhecimento por deformação (strain aging) e tem um tamanho de grão fino (envelhecimento por deformação será discutido na seção 3-8). A composição de aços acalmados é mais uniforme do que os aços efervescentes porque não há reação de gases. 3-4 CLASSIFICAÇÃO DO AÇO CARBONO

Aços-carbono simples são classificados por diversos sistemas diferentes, dependendo do tipo de aço e de sua aplicação. Não há portanto nenhum sistema de classificação que sirva para todos os aços-carbono simples. Os dois sistemas mais comumente utilizados são o AISI-SAE (American Iron and Steel Institute of Society Automotive Engineers), e o ASTM (American Society of Testing and Materials).

Sistema de classificação AISI-SAE para Aços-Carbono Simples Este sistema é aplicado para laminação a quente com acabamento a frio de barras, fios, tarugos, tubos sem costura, e produtos semi-acabados para forjamento. Desde que o conteúdo de carbono em aços-carbono simples determina, essencialmente, a sua resistência, este sistema utiliza a porcentagem de carbono presente para designar os diferentes aços. Um conjunto de quatro dígitos é utilizado para se designar um aço-carbono, sendo os dois primeiros sempre 10. O segundo par de números indica os centésimos de porcentagem de carbono. Por exemplo, o número 1020 indica um aço-carbono simples com 0,20% de carbono. Como será visto no próximo capítulo sobre ligas de aço, este sistema também é utilizado para tais ligas, com os dois primeiros dígitos alterados para indicar outros elementos de liga principais. A tabela 3-1 lista algumas composições selecionadas de aços-carbono simples. Sistema ASTM No Sistema ASTM, normas são escritas para as diversas ligas satisfazerem exigências. Além de estabeleceram composições químicas, as normas ASTM também definem níveis

das propriedades mecânicas e freqüentemente especificam procedimentos de fabricação e tratamentos térmicos. Aços na forma de chapas, por exemplo, são principalmente classificados de acordo com os padrões da ASTM. Outros Sistemas Normas/padrões especiais são freqüentemente estabelecidos para produtos especiais. Por exemplo, muitos produtos de aços de baixo carbono, tais como chapas de estanho e chapas especiais automotivas são produzidas de acordo com especificações especiais, e portanto Pg. 94

não há um sistema de codificação/numeração para tais aços. 3.5 EFEITOS DE OUTROS ELEMENTOS NO AÇO-CARBONO SIMPLES Além do carbono, aços-carbono simples contêm os seguintes outros elementos:

Manganês - até 1% Enxofre – até 0,05% Fósforo – até 0,04% Silício – até 0,3%

Os efeitos de cada um destes elementos no aço-carbono estão resumidos nas seguintes sub-seções abaixo.

Tabela 3-1 Composição AISI-SAE de aços ao carbono AISI-SAE Nº % C % Mn 1006 0,08 máx. 0,25-0,40 1010 0,08-0,13 0,30-0,60 1015 0,13-0,18 0,30-0,60 1020 0,18-0,23 0,30-0,60 1025 0,22-0,28 0,30-0,60 1030 0,28-0,34 0,30-0,60 1035 0,32-0,38 0,30-0,60 1040 0,37-0,44 0,30-0,60 1045 0,43-0,50 0,30-0,60 1050 0,48-0,55 0,30-0,60 1055 0,50-0,60 0,30-0,60 1065 0,60-0,70 0,30-0,60 1070 0,65-0,75 0,30-0,60 1075 0,70-0,80 0,40-0,70 1080 0,75-0,88 0,60-0,90 1085 0,80-0,93 0,70-1,00 1090 0,85-0,98 0,60-0,90 1095 0,90-1,03 0,30-0,50 P 0,040 máx.; S 0,05 máx.

Manganês (Mn) Em aços-carbono simples, o Mn está presente desde 0,35% no aço 1005 do sistema AISI, até 1% no aço 1085 da ASTM. O manganês combina com o enxofre presente no aço carbono produzindo sulfeto de manganês (MnS), na forma de inclusões relativamente Pg. 95

Fig. 3-11 Distribuição esquemática de (a) sulfeto de Manganês (MnS) e (b) sulfeto de Ferro (FeS) em aços-carbono simples.

Fig. 3-12 Sulfetos de Mn e Fe misturados, contendo alguns pontos de óxidos. (aço baixo carbono efervescente) (Como publicado: 1000X) moles e de cor cinza no aço. As inclusões de MnS estão espalhadas no interior dos grãos e são alongadas na direção de trabalho (Fig. 3-11a). A figura 3.12 mostra uma inclusão num aço efervescente (rimmed) de baixo carbono que consiste em sulfetos de enxofre e

manganês (FeS e MnS) misturados. No aço, é preferível o MnS com relação ao FeS, porque o FeS é um composto frágil/quebradiço com baixo ponto de fusão que se forma nos contornos de grão (Fig. 3-11b). Também, o Manganês aumenta a resistência ao escoamento de aços-carbono simples, refinando a perlita e a endurecendo através de solução sólida. O manganês aumenta a profundidade do endurecimento na têmpera da austenita, mas também aumenta fortemente a tendência à fragilização (fratura frágil) e distorção durante a têmpera.

Enxofre (S) O Enxofre está presente em até 0,05% nos aços-carbono simples. Ele é geralmente combinado com Mn no aço para se produzir inclusões de MnS, como indicado na Fig. 3-11a. Entretanto, se o S combinar com o Ferro ele forma FeS, que normalmente ocorre como precipitado de contorno de grão (Fig. 3-11b). Desde de que o FeS é duro e tem um baixo ponto de fusão, ele pode provocar fratura frágil durante o trabalho a frio ou a quente do aço. Assim, para se evitar as inclusões de FeS, a relação de manganês para enxofre nos aços é normalmente de 5:1. Pg. 91

Fig. 3-13 Típicas seções transversais e características dimensionais de formatos de produtos de aço depois de laminação primária. (a) Placa (slab), (b) barra (bloom), (c) tarugo (billet). Fósforo (P) O fósforo está limitado à porcentagem de no máximo 0,04% em aços-carbono simples, desde de que forma Fe3P, que é um componente extremamente quebradiço e segrega o aço. Silício (Si) A quantidade de silício no aço carbono varia de 0,1 a 0,3%. O Silício é utilizado como um desoxidante, formando SiO2 ou inclusões de silicato. Por outro lado, o silício tem pouco efeito sobre as propriedades mecânicas dos aços carbono, pois dissolve-se na ferrita. 3-6 TRABALHO A QUENTE E A FRIO COM AÇOS CARBONO

Laminação Primária Lingotes reaquecidos são removidos das fornalhas de reaquecimento (soaking pits) a cerca de 1370°C e são trabalhados a quente por cilindros laminadores primários formando placas grossas (slabs), barras (blooms) e/ou tarugos (billets) (Fig. 3-13). No cilindro laminador o lingote é laminado em uma fatia plana (Fig. 3-13a), a qual é posteriormente laminada em placas e chapas. No laminador de barras, o lingote é laminado em formato retangular e chamado de bloom (Fig. 3-13b), que é posteriormente laminado em formas estruturais e trilhos. Na laminação de tarugos, o lingote é laminado em uma forma retangular menor que o bloom chamada de billet (Fig. 3-13c), e é então laminado em barras, varas, canos sem costura e tubos. Com o lingotamento contínuo, placas, barras e tarugos podem ser fundidos diretamente portanto o estágio de trabalho primário pode ser evitado. Quando o lingotamento for economicamente e tecnicamente viável, ele será portanto usado, apesar de atualmente a maior parte do aço ainda ser pelo processo de lingotamento individual. Pg. 97 A figura 3-1 mostra o diagrama de produção do aço e indica os estágios pelos quais os vários produtos de aço são processados a partir de placas barras e tarugos. Porém, neste livro a ênfase será no processamento de produtos de chapas, pois estes são os produtos de aço economicamente mais importantes. Laminação a Quente Para se laminar a quente tiras planas de aço, placas (slabs) são reaquecidas a cerca de 1315ºC e são reduzidas de cerca de 10 polegadas de espessura para 0,1 polegada, por uma série de reduções em uma linha de laminadores a quente (Fig. 3-14). Uma série de laminadores bruscos reduz a espessura da placa para aproximadamente 1 polegada. A placa é então laminada a quente a uma tira de cerca de 0,1 polegada numa série de cilindros laminadores de acabamento bem juntos um do outro, e depois é bobinada. Se um aço baixo carbono acalmado, do tipo para estampagem profunda, está sendo laminado, é importante manter a temperatura de reaquecimento alta o suficiente de forma que o nitreto de alumínio (AlN) entre em solução sólida. A temperatura da placa deve ser mantida alta o suficiente de forma que o óxido de ferro (carepa) (“scale”) formado na superfície da placa possa ser removido por jatos de água sob alta pressão a cada etapa. A camada fina de carepa não sendo removida, pode ser prejudicial à superfície final da chapa fina laminada a frio. A temperatura mais atentamente controlada durante a laminação a quente é a temperatura da tira logo após a última etapa. A temperatura da tira normalmente é controlada por jatos de água colocados no final de cada etapa e da bobinação. Laminação a quente acontece acima da temperatura de recristalização para que os grãos estejam reformulados após o trabalho. A temperatura do trabalho a quente não deve também ser muito alta, ou um crescimento de grão excessivo poderá ocorrer. O trabalho a quente deve ser finalizado a uma temperatura levemente acima da temperatura de recristalização de uma forma que um tamanho de grão reduzido seja obtido logo antes do resfriamento ocorrer.

Os efeitos da laminação a quente dos lingotes podem ser resumidos como segue:

1. A laminação a quente quebra a estrutura colunar grosseira dos lingotes fundidos. 2. A laminação a quente homogeneíza a segregação dendrítica que ocorre durante a

fundição. 3. Nos aços efervescentes, as bolhas acabam sendo juntas (“soldadas”). Em todos os

aços a porosidade é eliminada. 4. Inclusões não-metálicas são despedaçadas e alongadas na direção de laminação.

Assim causando propriedades direcionais nos produtos laminados. A resistência é maior na direção de laminação.

5. Se a temperatura final é próxima da temperatura de recristalização, refinamento de grão será obtido.

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Fig. 3-14 Reduções típicas nas bancadas de acabamento de um laminador de tiras quentes equipado com 4 bancadas “brutas” e 6 de acabamento. Pg. 99

Fig. 3-15 (a) decapagem e limpeza de placa fina de aço baixo carbono. (b) Laminação a frio de chapa fina de aço baixo carbono em uma multiestação de laminação a frio. Note que a e b são duas operações separadas e que a chapa fina é bobinada . (Cortesia de Inland Steel Company) Decapagem (Pickling) A maior parte das barras laminadas a quente, que são reduzidas a frio sofrem limpeza ácida, ou decapagem, para remover a camada de óxidos (carepa) proveniente do processo de laminação a quente (Fig. 3-15a). Neste processo, que é geralmente contínuo, as barras são mergulhadas em um banho ácido (HCl ou H2SO4) em aproximadamente 82ºC. A barra decapada é em seguida lavada em água, secada a ar, “protegida” com óleo, e bobinada. Redução a Frio Para se produzir produtos de chapas laminadas a frio, as barras decapadas da laminação a quente são reduzidas de 40 a 70%. Uma quantidade mínima de redução a frio é necessária para garantir a recristalização das chapas trabalhadas a frio durante recozimento subseqüente. A figura 3-15b mostra o arranjo esquemático de uma multiestação de laminadores “tandem” para a laminação a frio. Os cilindros modernos de laminação a frio produzem chapas laminadas a frio com uma alta qualidade superficial, bom formato, e controle dimensional.

3-7 CHAPA DE AÇO DE BAIXO CARBONO NÃO TRATÁVEL TERMICAMENTE

Chapas de baixo carbono são usadas em grandes quantidades primariamente para produtos de consumo, tais como, a carcaça do automóvel, folhas-de-flandres e para esmaltagem em porcelana. Estes materiais produzidos maciçamente, os quais são relativamente baratos no Pg. 100 custo, tem que ter propriedades especiais, como por exemplo:

1. Facilidade de fabricação (conformabilidade e soldabilidade). 2. Resistência suficiente após fabricação. 3. Aparência atrativa antes e depois da fabricação. 4. Compatibilidade com outros materiais e para vários tipos de revestimentos. Para se produzir chapas de aço baixo carbono que satisfaçam algumas ou todas das

exigências acima, a composição química, técnicas de fabricação, e procedimentos de tratamentos térmicos são variados de acordo com o necessário. Composição química

Cerca de 80% das chapas e tiras de aço baixo carbono apresentam-se nas seguintes faixas de composição química:

Elemento % de Composição Carbono 0,03 a 0,12 Manganês 0,20 a 0,60 Silício 0,02 a 0,15 Fósforo 0,04 máx. Enxofre 0,04 máx.

O conteúdo normal de carbono em chapas de aço baixo carbono é de 0,06 à 0,12%. Porém, para esmaltagem em porcelana, o conteúdo de carbono pode variar de 0,04 até tão baixo quanto 0,002%. Para se conseguir alcançar conteúdos de carbono bem baixos, a chapa tem de ser descarbonetada por um processo especial. Para chapas de aço de estampagem profunda, os conteúdos de fósforo e enxofre são mantidos o mais baixo possível. Pratica da Desoxidação Chapas em baixo carbono são produzidas de lingotes de aço efervescente, capeado, semi-acalmado, e acalmado. Veja a seção 3-3 para os detalhes sobre estas estruturas dos lingotes e seus procedimentos de desoxidação Tratamento Térmico e Microestrutura de Chapas de Aço Baixo Carbono

Aço Efervescente. O aço efervescente é laminado à quente a uma temperatura tão alta quanto for possível para se produzir uma estrutura de grão fino para posterior laminação a frio e recozimento. Depois da laminação a quente, a tira é decapada e laminada a frio de cerca de 40 até 65% de redução, dependendo do uso final da chapa. A figura 3-16 mostra a estrutura de um aço efervescente laminado a frio com 65% de redução.

As bobinas de chapas laminadas a frio são então “amolecidas” no recozimento se o aço for ser usado para estampagem profunda. O método de recozimento de bobinas mais comum Pg. 101

Fig. 3-16 Estrutura de um aço efervescente laminado à frio após 65% de redução; 2%nital; 100x. (Cortesia da "Inland Stell Company") para chapas de aço é o recozimento em caixa (box annealing) (Figura 3-17). Nesse processo, as bobinas são empilhadas em até quatro andares e fechadas pela “caixa”. Elas são aquecidas a uma temperatura desejada e mantidas por um tempo necessário usando uma atmosfera redutora que previne a descarbonetação da superfície. Chapas de aço efervescente são recozidas logo abaixo da temperatura 1A a cerca de 705°C por tempo suficiente, e então esfriadas lentamente a cerca de 90°C. A figura 3-18a mostra a estrutura dos grãos equiaxiais recristalizada de um aço efervescente recozido (0,06%C) com aumento de 100X depois de um recozimento em caixa a 705°C. A figura 3-18b mostra alguns dos carbetos de ferro esferoidizados no interior de um grão com aumento de 1000X.

Fig. 3-17 Recozimento em caixa de bobinas de chapa de aço. (Uma atmosfera redutora é utilizada para prevenir a descarbonização da chapa e da superfície do aço) (Cortesia da "Inland Steel Company"). Pg. 102

Fig. 3-18 Chapa de aço efervescente (0,06%C) depois de recozimento em caixa a 702°C. (a) Estrutura de grãos equiaxiais recristalizados com aumento de 100X. Aço Acalmado. Aço acalmado com Al é bobinado ao fim da laminação a quente a uma temperatura logo abaixo de 600ºC para manter o AlN em solução. No recozimento em

caixa, o AlN precipita, produzindo um grão alongado com alta conformabilidade. Uma vez que o AlN inibe a recristalização, aços acalmados com Al e recozidos em caixa têm de ser recozidos a temperaturas mais altas do que os aços efervescentes. É uma prática comum recozir aço acalmado com Al a cerca de 730°C, que fica entre 1A e 3A (recozimento

intracrítico). Durante o recozimento em caixa, que envolve uma taxa de aquecimento baixa, o AlN precipita na subfronteira da matriz não recristalizada. Controlando-se o grau da precipitação do AlN a baixas temperaturas durante a recuperação, a poligonização, e estágios de coalescimento e recristalização a altas temperaturas resulta em um tamanho de grão que tem uma estrutura alongada (Fig 3-19a). Esta estrutura de grãos alongados tem uma textura cristalográfica especial que a torna ideal para estampagem profunda e alta conformação. Rápido aquecimento até a temperatura de recozimento de aços acalmados com Al resulta em um grão mais fino (Fig. 3-19b) e melhores propriedades mecânicas, enquanto isso previne o desenvolvimento da estrutura alongada. Esta diferença é atribuída a prevenção da precipitação do AlN dispersado finamente. Recozimento Contínuo de Aços Laminados de Baixo Carbono O recozimento contínuo com a sua taxa de aquecimento rápida resulta num grão mais refinado que no processo de recozimento em caixa com sua taxa de aquecimento lenta Pg. 103

Fig. 3-19 Chapa de aço de alumínio acalmado com 0,06% C recozida 715ºC. (a) Estrutura de grão alongada; (b) estrutura de grão equiaxial. (2% nital, 100x.) (Cortesia da "Inland Steel Company").

Fig. 3-19c Sistema com decapagem integrado mostrando a seqüência de, laminação à frio, recozimento contínuo e laminação à morno. (I/N Tek. Co.)

Figura 3-20 Aço de baixo carbono (0,06%C, 0,30% Mn); laminado a frio. (a) recristalizado por recozimento em caixa, (b) recristalizado por recozimento contínuo. (Metals Handbook, 8ºed., vol.8, American Society for Metals, 1973, p.228). (Fig. 3-20). Chapas continuamente recozidas portanto tem mais altas resistências e baixas dutilidades do que aços similares recozidos em caixa. Portanto, a conformabilidade de

chapas especiais de aço acalmado, recozidas em caixa, será maior do que aquelas que foram continuamente recozidas.

Mais recentemente, chapas de aço de muito baixo carbono (<0,01%C) têm sido produzidas utilizando o sistema de desgaseificação a vácuo RH-OB (Fig. 3-7). Após laminação a frio essas chapas podem ser continuamente recozidas e ainda terem muito alta conformabilidade para estampagem profunda. A figura 3-19c mostra um esquema de um sistema de decapagem, laminação a frio, recozimento contínuo, revenido-laminação de chapas de aço. Este processo, da companhia I/N Tek Co. começou sua operação em 1991 e tem a vantagem de ser capaz de diminuir o tempo de acabamento de uma bobina de chapas de aço, de cerca de 12 dias para menos de 1 hora. Outras vantagens desse processo incluem uniformidade de resistência, ductilidade, e menos dano à superfície. Uma maneira de aumentar a resistência de chapas de aço com teor de carbono muito baixo (<0,01%C) é aumentar o seu teor de fósforo para aproximadamente 0,05 por cento. Se o aço for ser usado para painéis automotivos externos, pode ser tornado mais resistente por endurecimento por envelhecimento a 175°C por 20 minutos ao mesmo tempo em que a tinta estiver sendo aplicada. Propriedades Mecânicas de Aços Laminados de Baixo Carbono Após recozimento, o aço efervescente laminado a frio é geralmente revenido-laminado (temper-rolled). Esta leve redução da laminação a frio (aproximadamente 1%), retarda o envelhecimento por deformação (strain aging) em aços efervescentes. A Pg. 105

Fig. 3-21 Faixa típica de propriedades mecânicas de aço baixo carbono de 3 cilíndros laminadores. As espessuras das chapas laminadas a quente vão de 0,598polegada, até 0,135pol. Todos os graus de laminação a frio incluem uma passada de revenimento. Todos os graus foram laminados de aços efervescentes exceto o identificado como acalmado especial. revenido-laminação, enquanto diminui o efeito de envelhecimento por deformação (strain-aging) em aços efervescentes, aumenta a sua resistência e diminui a sua dutilidade e conformabilidade. A figura 3-21 mostra faixas típicas para as propriedades mecânicas de

chapas de aços efervescente e acalmado de baixo carbono. Nota-se que os aços especialmente acalmados possuem resistência menor e dutilidade maior. 3-8 ENVELHECIMENTO POR TÊMPERA E ENVELHECIMENTO POR

DEFORMAÇÃO EM AÇOS-CARBONO Envelhecimento por têmpera

Envelhecimento em aços baixo-carbono pode ser dividido em dois tipos: envelhecimento por têmpera e envelhecimento por deformação. Envelhecimento por têmpera é causado pela precipitação de carbono, nitrogênio, ou ambos de solução sólida supersaturada. Essas solubilidades de ambos esses elementos diminuem violentamente com a diminuição da temperatura. A solubilidade intersticial do carbono na ferrita diminui de cerca de 0.02 % a 723ºC (temperatura eutetóide), para tão baixo quanto 10-7 % a temperatura ambiente. A solubilidade do nitrogênio também diminui rapidamente com a diminuição da temperatura para um valor muito baixo. Se chapas de aço baixo carbono contendo aproximadamente 0,1%C são rapidamente resfriadas após recozimento, o carbono e o nitrogênio ficarão retidos na solução sólida supersaturada intersticial. Sob subseqüente envelhecimento a temperatura ambiente ou um pouco acima, serão produzidos finos precipitados dispersos de carbeto∈. Estes precipitados causam um aumento na dureza e resistência do aço, como mostrado na fig. 3-22. O principal agente endurecedor no envelhecimento por têmpera é o carbono, já que aços-carbono contêm muito mais carbono do que nitrogênio. Este carboneto precipitado Pg. 106

Fig. 3-22 Mudança de dureza num aço 0,06% de carbono temperado a partir de 720ºC e envelhecido nas temperaturas indicadas.

Fig. 3-23 : Precipitação de carbonetos metaestável nos planos {100} α em uma liga de ferro-0,013%C temperada a partir de 700º C e envelhecido por 6 horas a 200ºC. que é formado no envelhecimento, foi identificado como carboneto ∈, e é mostrado na Fig. 3-23 como precipitado do plano {100}α numa liga Fe – 0,013%C. A máxima dureza do aço por envelhecimento por têmpera é alcançada a temperatura ambiente. Envelhecimento, há temperaturas ligeiramente elevadas, causa uma rápida elevação na dureza (no entanto não tão alta), e então um decréscimo causado por superenvelhecimento e precipitação grosseira Pg. 107

Fig. 3-24 Deformação elástica numa chapa de aço ( ¾ do tamanho real). (Fig. 3-22). A máxima dureza é devido a um tamanho ótimo e espaçamento inter-partículas dos precipitados de carbetos. Envelhecimento por deformação Envelhecimento por deformação é industrialmente mais importante para chapas de aço de baixo carbono do que envelhecimento por têmpera, já que pode causar um significante alongamento por deformação, ou linhas de Lüders (stretcher strains), durante estampagem profunda, como mostrado na Fig. 3-24. Envelhecimento por deformação se manifesta durante a deformação plástica como um ponto de escoamento agudo superior, o qual é seguido por uma elongação de ponto de escoamento inferior (Fig. 3-25a). Trabalho a frio durante a elongação de ponto de escoamento inferior pode levar a formação de deformações por elongamento, especialmente durante a estampagem profunda. Uma pequena quantidade de trabalho a frio logo após recozimento pode eliminar o problema. A causa das deformações por elongações é a segregação de átomos intersticiais de soluto (principalmente nitrogênio e carbono), para os campos de deformação das discordâncias na rede do Feα. Quando isto ocorre, discordâncias são ancoradas no lugar. O ponto de escoamento superior é atribuído à tensão extra requerida tanto para mover as discordâncias livres de suas “atmosferas” de átomos intersticiais, quanto para iniciar novas fontes de discordâncias. Revenido-laminando de 1 a 3% (fig. 3-26) antes da estampagem profunda, consegue-se eliminar elongação do ponto de escoamento inferior. Se o aço revenido-laminado é permitido envelhecer antes da estampagem profunda, o ponto de escoamento irá gradualmente voltar (fig 3-25b). Acredita-se que os átomos intersticiais do nitrogênio têm tempo para se difundir de volta às discordâncias e portanto causar um novo ponto superior de escoamento. Chapas de aço baixo carbono acalmados com Al não apresentam este fenômeno já que o hidrogênio é combinado com o alumínio como AIN. Pg. 108

Fig. 3-25 a) Comportamento do ponto de escoamento em chapas de aço baixo carbono. Uma chapa laminada recozida tem pontos de escoamento superior e inferior definidos. Uma vez o escoamento do aço em uma chapa tensionada, ele se elonga por um período no ponto de escoamento inferior. Deformações elásticas (bandas de Lüders) desenvolvidas durante a elongação de escoamento. b) Laminação de aços recozidos eliminam ponto de escoamento, de acordo com testes de tensão-deformação. A medida que a chapa é envelhecida para os períodos indicados o ponto de escoamento gradativamente retorna. Pg. 109

Fig 3-26 Revenido-laminação de chapas de aço baixo carbono. 3-9 AÇOS CARBONO ENDURECIDOS

Aços-carbono simples endurecíveis podem ser divididos nos seguintes grupos, de acordo com a porcentagem de carbono: (1) aço baixo carbono de 0,10 a 0,25% C, (2) aços médio carbono de 0,25 a 0,55% C e (3) aços alto carbono com 0,55 a 1,00% C. Aços de baixo carbono com 0,1 a 0,25 % C

Aços neste grupo tem dureza e resistência aumentadas, e reduzida conformabilidade a frio, se comparados com aços baixo carbono não tratados termicamente de 0,06 a 0,10% C. Apesar de aços deste tipo poderem ser temperados e revenidos para aumento de resistência, geralmente isto não é economicamente viável. Para propósitos de tratamento térmico estes aços são carbonetados ou endurecidos superficialmente (case hardened). Para aplicações de carbonização, aços AISI 1016, 1018, e 1019 são comumente usados para seções estreitas, com aços AISI 1022 e 1024 são usados para seções mais pesadas. Propriedades mecânicas típicas de aços AISI 1015, 1020 e 1022 nas condições laminada, normalizada e recozida são listadas na tabela 3-2. Aços médio carbono com 0,25 a 0,55% C Aços-carbono simples do tipo médio-carbono são geralmente endurecidos por têmpera e revenimento devido ao seu alto teor de carbono. Essas séries são geralmente produzidas como aços doces ou acalmados (killed steels). Pela seleção apropriada de têmpera média e temperatura, uma ampla faixa de propriedades mecânicas (85 a 160 ksi) podem ser obtidas, como indicado na tabela 3-2 para aços AISI 1030, 1040 e 1050. Quando o tamanho da seção é relativamente pequeno ou se as propriedades requeridas após tratamento térmico não são muito altas, têmpera em óleo ao invés de têmpera em água é usada, já que este tratamento elimina o problema de trincas e reduz a distorção. A figura Pg. 110 3-27, mostra a microestrutura ótica do aço AISI 1040 após vários tratamentos térmicos.

Os aços de médio carbono são os mais versáteis dos três grupos de aços-carbono simples endurecíveis e são usados para uma ampla faixa de aplicações. Muitas partes de automóveis são fabricadas em aços médio-carbono, como peças de motor, transmissões, suspensões, e volantes (tabela 3-3).

Tabela 3-2: Propriedades mecânicas de aços comuns ao carbono endurecidos selecionados.

Laminado a quente, normalizado e recozido

AISI No. Tratamento Tensão de escoamento,

psi

Resistência à tração, psi

Elongação, %

Redução em área, %

Dureza, Bhn Resistência ao impacto (Izod),

ft * lb

1015 Condição laminada 45,500 61,000 39,0 61,0 126 81,5

Normalizada (1700°F) 47,000 61,500 37,0 69,6 121 85,2

Recozida (1600°F) 41,250 56,000 37,0 69,7 111 84,8

1020 Condição laminada 48,000 65,000 36,0 59,0 143 64,0

Normalizada (1600°F) 50,250 64,000 35,8 67,9 131 86,8

Recozida (1600°F) 42,750 57,250 36,5 66,0 111 91,0

1022 Condição laminada 52,000 73,000 35,0 67,0 149 60,0

Normalizada (1700°F) 52,000 70,000 34,0 67,5 143 86,5

Recozida (1600°F) 46,000 65,250 35,0 63,6 137 89,0

1030 Condição laminada 50,000 80,000 32,0 57,0 179 55,0

Normalizada (1650°F) 50,000 75,500 32,0 60,8 149 69,0

Recozida (1450°F) 49,500 67,250 31,2 57,9 126 51,2

1040 Condição laminada 60,000 90,000 25,0 50,0 201 36,0

Normalizada (1650°F) 54,250 85,500 28,0 54,9 170 48,0

Recozida (1450°F) 51,250 72,250 30,2 57,2 149 32,7

1050 Condição laminada 60,000 105,000 20,0 40,0 229 23,0

Normalizada (1650°F) 62,000 108,000 20,0 39,4 217 20,0

Recozida (1450°F) 53,000 92,250 23,7 39,9 187 12,5

1060 Condição laminada 70,000 118,000 17,0 34,0 241 13,0

Normalizada (1650°F) 61,000 112,500 18,0 37,2 229 9,7

Recozida (1450°F) 54,000 90,750 22,5 38,0 179 8,3

1080 Condição laminada 85,000 140,000 12,0 17,0 293 5,0

Normalizada (1650°F) 76,000 146,500 11,0 20,6 293 5,0

Recozida (1450°F) 54,500 89,250 24,7 45,0 174 4,5

1095 Condição laminada 83,000 140,000 9,0 18,0 293 3,0

Normalizada (1650°F) 72,500 147,000 9,5 13,5 293 4,0

Recozida (1450°F) 55,000 95,250 13,0 20,6 192 2,0

Pg.111

Envelhecido e temperado

AISI No. Temperatura de tempera, °F

Resistência à tração, psi

Tensão de escoamento,

psi

Elongação, %

Redução em área, %

Dureza, Bhn

1030* 400 123,000 94,000 17 47 495

600 116,000 90,000 19 53 491

800 106,000 84,000 23 60 302

1000 97,000 75,000 28 65 255

1200 85,000 64,000 32 70 207

1040* 400 130,000 96,000 16 45 514

600 129,000 94,000 18 52 444

800 122,000 92,000 21 57 352

1000 113,000 86,000 23 61 369

1200 97,000 72,000 28 68 201

1040 400 113,000 86,000 19 48 262

600 113,000 86,000 20 53 255

800 110,000 80,000 21 54 241

1000 104,000 71,000 26 57 212

1200 92,000 63,000 29 65 192

48

1050* 400 163,000 117,000 9 27 514

600 158,000 115,000 13 36 444

800 145,000 110,000 19 48 375

1000 125,000 95,000 23 58 293

1200 104,000 78,000 28 65 235

1050 400 - - - - -

600 142,000 105,000 14 47 321

800 136,000 95,000 20 50 277

1000 127,000 84,000 23 53 262

1200 107,000 68,000 29 60 223

1060 400 160,000 113,000 13 40 221

600 160,000 113,000 13 40 221

800 156,000 111,000 14 41 311

1000 140,000 97,000 17 45 277

1200 116,000 76,000 23 54 229

1080 400 190,000 142,000 12 35 388

600 189,000 142,000 12 35 388

800 187,000 138,000 13 36 375

1000 164,000 117,000 16 40 321

Pg. 112

Fig 3-27 Microestrutura de um aço AISI 1040 a) Normalizado b) Recozido c) Temperado em óleo d) Temperado em óleo e revenido. a) Normalizado a 871ºC por uma hora e resfriado ao ar; estrutura mostra ferrita e perlita; perlita grosseira foi ocasionada pelo engrossamento da austenita durante normalização b) Normalizado a 871ºC por uma hora e resfriado ao ar; recozido a 691ºC por 24 horas; estrutura mostra ferrita e carbonetos esferoidizados. c) Austenitizado a 843ºC por uma hora e temperado ao óleo; estrutura mostra perlita fina com ferrita contornando os contornos de grão austeníticos da austenita inicial. d) O mesmo que (c) mais revenimento por 4 horas a 538ºC; estrutura é similar a c ; pequeno efeito de revenimento na estrutura. Ataque 2% de nital, 400x.

Aços de alto carbono com 0,55 a 1,00% C

Aços deste grupo são mais restritos em aplicações que os aços médio carbono já que são mais caros para fabricar e têm baixa conformabilidade e soldabilidade. Estes aços têm mais carbono do que é necessário para se atingir máxima dureza (como a de tempera), e conseqüentemente têm menor ductilidade do que os aços médio carbono. A tabela 3-2 lista as propriedades mecânicas dos aços AISI 1060, 1080 e 1095. A resistência a tração destes aços varia de 90 a 216 Ksi, enquanto a sua elongação varia de 9 a 25 %.

Pg 113 Tabela 3-3 Uso de aço carbono em automóveis

A figura 3-28 apresenta a microestrutura de uma barra de aço AISI 1060 a qual foi resfriada ao ar após laminação a quente, produzindo uma estrutura perlítica fina. A figura 3-29 mostra a microestrutura de um aço 1070 do arame de uma mola de válvula que foi temperado e revenido produzindo uma estrutura martensítica revenida. Na maioria dos casos, os aços alto-carbono são tratados termicamente por têmpera em óleo e revenimento. Têmpera em água é usada para seções maiores e quando corte de cantos é requerido.

Pg. 114

Fig. 3-28 Microestrutura de uma barra de aço 1060, ¼ In de diâmetro a qual foi resfriada da laminação a quente usando uma alta velocidade de ar para resfriamento. A estrutura é na maioria perlita não resolvida com algumas perlitas lamelares visíveis; algumas áreas brancas de ferrita parcialmente contornando os contornos de grão da austenita primária. Aumento de 1000x.

Fig. 3-29 Microestrutura de um aço 1070 AISI na condição temperada e revanida; o aço foi austenitizado a 861ºC, resfriado ao óleo e revenido a 454ºC; a estrutura é constituída principalmente de martensita revenida com algumas ferritas livres, as quais são as regiões brancas.

3-10 AÇOS MICROLIGADOS

Nos anos recentes, a microligação de aços-carbono simples com pequenas quantidades (raramente excedendo 0.1 % em peso) de elementos forte formadores de carbonetos e nitretos, como Nb, Ti e V tem atingido um grande aumento nas suas propriedades mecânicas. A adição de pequenas quantidades de Nb, Ti, e V em conjunção com a prática de laminação controlada produziu aços baixo carbono (de 0,05 a Pg. 115

Fig. 3-30 Precipitados finos de carboneto de Nb formados na austenita durante a laminação a quente. Pequenas áreas de austenita retida são indicadas pelas flechas. Aumento 10000x. 0,1%C) a baixo custo, e com tensão de escoamento de 50 a 80 ksi e boas qualidades de tenacidade. Este aumento nas propriedades mecânicas é resultado de muitos fatores, dos quais os mais importantes são:

1. Refinamento do tamanho de grão da ferrita pela formação de uma estrutura de sub-grãos finos.

2. Precipitação de carbonetos e nitretos de Nb, Ti e V por deformação induzida. 3. Endurecimento por precipitação da ferrita.

Mecanismo de precipitação na laminação a quente de aços microligados

Antes da operação de laminação a quente os lingotes de aços são pré- aquecidos

(soaked) acima de 1230ºC e, como resultado, uma significante quantidade de carbonitretos é dissolvida. Com o decréscimo da temperatura durante a laminação a quente, os carbonitretos se tornam insolúveis e precipitam fora na austenita durante a laminação (figura 3-30).

Nos estágios iniciais da laminação a quente os grãos grosseiros de austenita produzidos por pré-aquecimento são progressivamente reduzidos em tamanho por recristalização, induzida pela deformação de cada redução. As partículas de carbonitretos

Pg. 116 que são induzidas pela deformação, reduzem o tamanho dos grãos recristalizados imobilizando as suas fronteiras (ou contornos de grão) (pinning the grain boundaries).

Segundo, nos estágios finais da laminação a quente estes precipitados retardam a recristalização, pois eles previnem a mudança da sub-estrutura pelo processo de discordância e migração do contorno de sub-grão. O efeito de rede destes processos é de progressivamente achatar os grãos austeníticos para que uma estrutura de “panqueca” seja produzida, a qual tem uma maior área de contorno de grão austenítico por unidade de volume do que normalmente seria obtida.

Como a ferrita nucleia principalmente nos contornos de grão austeníticos, o aumento da área de contorno de grão irá promover uma maior nucleação da ferrita e conseqüentemente irá gerar um tamanho de grão mais refinado da ferrita. Finalmente, qualquer elemento de microligação não precipitado durante a laminação a quente precipitará na ferrita tanto durante resfriamento a temperatura ambiente (chapas de aço), quanto durante a operação de resfriamento (lingotes de aço). A precipitação na ferrita irá proporcionar uma resistência adicional aos aços microligados.

Precipitação dos carbonetos e nitretos de Nb, Ti e V

M(C,N) precipitação na austenita. O principal composto que precipita no aço

microligado é a fase tipo CFC (NaCl) de fórmula geral M(C,N). A fase precipitada na austenita está de acordo com a seguinte relação:

(100) M(C,N)||(100)γ

A figura 3-30 mostra finas partículas de NbC formadas na austenita quando um aço com 0,1%C – 1,3%Mn – 0,1% Nb, foi pré-aquecida a 1288°C laminada a quente a 870°C, e envelhecida por 15 minutos na temperatura de laminação.

M(C,N) precipitação na ferrita. A Precipitação de M(C,N) pode também ocorrer na

ferrita tanto na matriz quanto no contorno de interface de γ/α. A seguinte relação tem sido determinada para precipitação do M(C,N) na ferrita super saturada:

(100) M(C,N)||(100)α

A figura 3-31 mostra finas partículas de NbC nucleadas na ferrita num aço de baixo carbono com Nb, temperado e revenido.

Os precipitados nucleados de M(C,N) nos contornos de interface γ /α se formam com a mesma orientação de nucleação da ferrita descrito anteriormente e estão ordenados em forma de placa, os planos de cada um denotam a posição dos contornos de fase no momento da nucleação. Estes precipitados de interface algumas vezes aparecem como precipitados sucessivos (Fig 3-32), na qual são formados por VC num aço microligado normalizado. Pg. 117

Fig. 3-31: Partículas de NbC nucleadas na matriz ferrítica em um aço microligado de Nb temperado e revenido. Aumento de 110000x.

Fig 3-32: Uma colônia de partículas de VC formadas por precipitação de interface num aço de Vanádio. Aumento de 25000x.

Aumento de resistência em aços microligados por refinamento de grão e subgrão

Os aços microligados também são endurecidos em certo grau por uma estrutura

refinada de grão e sub-grão. A figura 3-33 compara o tamanho de grão de aços de Nb de 50- e 80-Ksi. Embora o tamanho de grão seja apenas um fator contribuinte para o aumento da resistência em aços microligados, há algum aumento em baixas tensões de escoamento devido a um tamanho de grão mais refinado como mostrado na figura 3-34.

Uma muito melhor combinação estrutural em relação à resistência está relacionada com uma estrutura de subgrão refinado. A figura 3-35 mostra a diferença microscópica observada na subestrutura entre o aço microligado de 50 e 80 Ksi. A estrutura altamente refinada do aço de 80-ksi é rapidamente notável. A figura 3-36 mostra um incremento na tensão de escoamento devido a um refinamento de sub-grão, o qual foi descoberto que Pg.118

Fig 3-33: Microestruturas óticas de aços microligados de Nb com 50- e 80-Ksi. depende do tamanho do sub-grão e da fração de volume de grãos com sub-grãos.

Assim, aços microligados são endurecidos por uma combinação de refino de grão, formação de subgrão, e endurecimento por precipitação. A quantidade de endurecimento por precipitados de carbonitretos de Nb depende da quantidade de Nb adicionado, temperaturas finais de laminação, e quantidade de deformação. Pg.119

Fig 3-34: Relação entre tamanho de grão e baixa tensão de escoamento em chapa de aço AISI 1005.

Fig. 3-35 Sub-estrutura de a) 50 ksi e b) 80ksi de aços de Nb microligados; micrografias de transmissão eletrônica. 3-11 AÇOS DE DUAS FASES

Esta é uma nova classe de aços baixo carbono de alta resistência (HSLA), os quais são

caracterizados por uma microestrutura consistindo de uma mistura de aproximadamente 20% de partículas duras de martensita em uma matriz ferrítica macia e dúctil (Fig. 3-37). O termo duas fases refere-se, como o próprio nome diz, a existência de essencialmente duas fases, martensita e ferrita, mesmo que pequenas quantidades de bainita, perlita, e austenita retida estejam presentes na microestrutura. Os aços de duas fases possuem relativamente Pg. 120

Fig. 3-35 continuação uma alta resistência à tração, comportamento de escoamento contínuo, baixa compensação de 0.2% na tenção de escoamento, e uma elongação total maior que outros aços baixo-carbono de alta resistência com resistência similar.

As composições químicas típicas estão listadas na tabela 3-4. Em geral, esses aços possuem de 0,06 a 0,12% C, o que lhes permite ser soldado (spot-welded). Manganês numa

Fig 3-36: Linha de regressão entre tamanho de sub-grão e seus efeitos de endurecimento ( ∆σSG ) para um aço 1005 AISI. Pg. 121

Fig 3-37: Microestrutura ferrita martensita de um aço de duas fases (0,06%C e 1,5%Mn); temperado em água a partir de 760ºC. A fase clara é martensita e a fase escura é ferrita. quantidade de 0,4 a 2,5 % garante que a martensita será formada por resfriamento rápido. Silício em quantidades de 0,4 a 1,4% é adicionado para aumentar o endurecimento por solução sólida. Às vezes, quantidades de 0,6% de Cromo e 0,4% de Molibdênio são adicionadas para garantir a formação da martensita. Pequenas quantidades de Ti, Nb e V podem ser adicionadas para promover o endurecimento por precipitação e/ou controle do tamanho de grão.

Aços duas fases são produzidos por recozimento intracrítico, geralmente entre 720 e 780ºC, por recozimento contínuo ou em caixa (Fig. 3-38). A microestrutura de ferrita e austenita produzida pelo recozimento é transformada em martensita e ferrita após a têmpera, com pequenas quantidades de outras fases como bainita, perlita e austenita retida. Folhas de aço podem ser rapidamente resfriadas após o recozimento continuo, mas com o recozimento em caixa os tempos de aquecimento são mais longos e as taxas de resfriamento são menores. Em geral, os aços recozidos em caixa contendo Mn e o Si são mais resistentes para uma mesma quantidade de carbono do que para aços de recozimento continuo (tabela 3-4).

Pg. 122

Fig 3-38: Diagrama de fases para um aço com 1,5% Mn mostrando a temperatura intercrítica de recozimento no campo de fase α + δ para um aço de duas fases com 1,01%C. Este ponto é indicado no diagrama de fases por C0 .

Em geral, aços duas fases ferrita-martensita não possuem ponto de escoamento. A combinação de altas tensões residuais (devido à têmpera) e alta densidade de discordâncias móveis na ferrita, permitem a deformação plástica de ocorrer facilmente a baixas tensões. Como resultado, o escoamento ocorre em vários sítios da ferrita e o escoamento descontínuo é suprimido.

A taxa de trabalho de endurecimento inicial é alta, e isso leva a uma alta resistência e boa conformabilidade comparado a outros aços HSLA de nível de resistência similar (Fig. 3-39a). A figura 3-39b compara a resistência a tração e elongação total de aços de duas fases com outros aços HSLA. Sua ductilidade foi atribuída a muitas causas, incluindo o

Tabela 3-4 Composições típicas de aços duas fases ( “dual phase”)

Composição, % em peso Método de Produção

C Mn Si Cr Mo V Recozimento contínuo, laminado a quente

0,11 1,43 0,61 0,12 0,08 0,06

Recozimento contínuo, laminado a frio

0,11 1,20 0,40

Recozimento em caixa 0,12 2,10 1,40

baixo teor de carbono da ferrita, a plasticidade da fase martensítica, e a quantidade de de austenita retida. Desses fatores, a quantidade de austenita retida e a forma com que ela se

Fig 3-39: a) Relação entre resistência a tração e elongação total para várias chapas de aço HSLA. b) Curvas de tensão-deformação para chapas de aço HSLA, SAE 950 x e SAE 980x (com tensão de escoamento de 340 e 550 Mpa, ou 50 e 80 ksi respectivamente) e um aço duas fases (com tensão de escoamento de 550 Mpa, ou 80 Ksi). Pg.123 transforma durante a deformação plástica é a principal causa da alta ductilidade.

Em geral, os aços de duas fases não são “envelhecíveis” a temperatura ambiente e exibem envelhecimento lento a temperaturas acima de 270ºC. São usados em automóveis para aplicações que requerem alta resistência e boa conformabilidade, como os pára-choques.