Aços Especiais: A influência dos elementos de liga em suas propriedades
O aço é uma liga metálica à base de ferro e carbono e está entre os materiais mais utilizados pela indústria. Sua combinação de resistência mecânica, disponibilidade, versatilidade e custo permite sua aplicação em setores como construção civil, energia, petróleo e gás, transporte, máquinas e equipamentos industriais.[1]
A utilização do aço, entretanto, não se limita aos chamados aços carbono. Diferentes condições de serviço podem exigir propriedades que não são obtidas de maneira adequada apenas pela combinação de ferro e carbono. Temperaturas elevadas, ambientes corrosivos, esforços mecânicos elevados, desgaste, fadiga e condições de baixa temperatura são alguns exemplos de situações que exigem materiais com características específicas.[1]
Para atender a essas necessidades, determinados elementos químicos são adicionados intencionalmente ao aço, modificando suas propriedades e dando origem aos aços liga e aos aços inoxidáveis. Esses elementos podem alterar significativamente características físicas, químicas mecânicas e metalúrgicas do material. Entretanto, influência de cada elemento não deve ser analisada de forma isolada. O comportamento de uma liga depende da composição química como um todo, da interação entre os elementos, microestrutura e das condições de fabricação do material.
Principais elementos de liga nos aços
Além dos elementos de liga intencionalmente adicionados, os aços também podem conter elementos residuais provenientes das matérias-primas e do próprio processo de fabricação. Em determinados teores, esses elementos podem prejudicar o desempenho do material. Entre os principais exemplos estão o fósforo e o enxofre:
As famílias de aços liga
O desenvolvimento de uma nova composição de aço não se limita à definição de sua composição química. Antes de ser disponibilizado comercialmente, o material precisa ser estudado e submetido a processos de validação que estabeleçam requisitos de composição, propriedades, fabricação e ensaios. Para isso foram criadas diversas organizações regulamentadoras que definem os requisitos mínimos para o uso e fabricação desses materiais. [1]
Entre os códigos de materiais mais utilizados estão a ASTM, ASME, AISI e SAE, cada uma possuindo objetivos e aplicações distintas. A ASTM estabelece especificações para materiais e produtos definindo requisitos como composição química, propriedades mecânicas, condições de fabricação e ensaios. A ASME adota diversas especificações ASTM e incorpora ao seu sistema de normas para aplicações em sistemas de pressão e componentes industriais. Já a AISI e SAE são tradicionalmente associados à designação e classificação dos aços conforme sua composição química. São algumas das principais famílias de aços e alguns exemplos de ligas:
Aço Cromo
Os aços cromo são ligas à base de ferro e carbono nas quais o cromo é adicionado para modificar propriedades como temperabilidade, dureza, resistência ao desgaste e resistência à corrosão. A influência do cromo depende de seu teor e da composição química global da liga. Em teores a partir de 12%, o cromo promove a formação de uma camada passiva na superfície do material, protegendo-o contra processos corrosivos. Essa é uma característica fundamental dos aços inoxidáveis [7]. Dessa forma, essa família inclui desde aços de baixa liga, nos quais o cromo contribui principalmente para a resistência mecânica e à temperabilidade, até aços inoxidáveis, com estruturas ferrítica e martensítica [6]. Alguns exemplos de aços cromo são:
Aço Níquel-Cromo
Aços níquel-cromo são ligas metálicas que combinam ferro, carbono e proporções variadas de cromo e níquel. A adição de níquel aumenta a fração de austenita, estabilizando-a na temperatura ambiente. A combinação desses elementos resulta em materiais com boa ductilidade e tenacidade, além de elevada resistência à corrosão e estável em altas temperaturas. Alguns exemplos de aços cromo-níquel são: [6]
Aço Cromo-Molibdênio
Aços cromo-molibdênio (Cr-Mo) são ligas metálicas que combinam ferro, carbono e adições controladas de cromo e molibdênio, variando em até 9% de cromo e 1% de molibdênio. A combinação desses elementos confere ao material excelente capacidade de trabalhar sob altas temperaturas e pressões, além de resistir à corrosão. Alguns exemplos de aços Cr-Mo são: [4], [14]
Aço Níquel-Cromo-Molibdênio
Aços níquel-cromo-molibdênio (Ni-Cr-Mo) são ligas metálicas que combinam ferro, carbono e adições balanceadas de cromo, níquel e molibdênio. Em teores moderados, a ação conjunta desses três elementos confere uma excepcional temperabilidade, resistência mecânica e boa tenacidade, sendo ideais para peças críticas que suportam altas cargas e fadiga contínua. [11] Para aços inoxidáveis, uma ligeira adição de molibdênio, em torno de 2 a 3%, torna o material mais resistente à chamada corrosão por pites, especialmente em maiores temperaturas [12]. Quando os teores desses elementos são elevados, o material transforma-se em aços inoxidáveis especiais ou superligas. Alguns exemplos de aços Ni-Cr-Mo são:
Aços Duplex
Os aços inoxidáveis duplex são ligas que apresentam uma microestrutura bifásica, formada por austenita e ferrita, geralmente em proporções aproximadamente equilibradas. Sua composição contém principalmente ferro, cromo, níquel, molibdênio e pequenas quantidades de nitrogênio. A combinação desses elementos proporciona elevada resistência mecânica, e resistência à corrosão superior à de muitos aços inoxidáveis convencionais. Essas características tornam os aços duplex adequados para equipamentos e componentes submetidos simultaneamente a elevados esforços mecânicos e ambientes corrosivos. É importante também apontar que este material não deve ser utilizado em temperaturas acima de 300 °C, devido ao risco de perda de certas propriedades, em especial a tenacidade. [7] Alguns exemplos de aços duplex são:
Similaridade entre materiais
Apesar da existência de diferentes sistemas de designação de materiais, esses podem vir a apresentar compatibilidade, desde que cumpram os requisitos estabelecidos pelas respectivas normas. Essa similaridade, entretanto, não significa equivalência automática entre os materiais. A avaliação deve considerar não somente a composição química, mas também forma de fornecimento, propriedades mecânicas, tratamento térmico, processos de fabricação e aplicações. A tabela a seguir relaciona alguns materiais comumente utilizados comercialmente com a sua disponibilidade conforme processo de fabricação.
Referências
1- VASCONCELOS, Maria Filomena Leitão. Estudo dos efeitos dos principais elementos de liga na microestrutura dos aços carbono, aços baixa liga e aços alta liga. 2018. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Metalúrgica) – Centro de Tecnologia, Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2018.
2- MOURA, Felipe Pires de. Estudo da microestrutura de um aço com alto teor de manganês. 2018.
3- SILVA, André Luiz V. da Costa e; MEI, Paulo Roberto. Aços e ligas especiais. 2. ed. rev. e ampl. São Paulo: Edgard Blücher, 2006. 646 p.
4- DA SILVA, Ricardo Cordeiro. Qualificação de procedimento de soldagem de aço cromo-molibdênio ASTM A387 GR. 22 CL. 2. 2024.
5- DA FONSECA, Solange Tamara. Efeito de adições de vanádio, nióbio e molibdênio na estrutura e propriedades mecânicas de aços com 0, 7% C utilizados na fabricação de rodas ferroviárias. 2015. Tese de Doutorado. [sn].
6- SOUSA, João Matheus Batista Amaro de. Influência dos elementos de liga nos aços inoxidáveis duplex e superduplex utilizados na indústria do petróleo: Uma revisão. 2021.
7- BONUTI, Robert de Souza. Efeito da adição de níquel e nitrogênio na microestrutura e propriedades mecânicas de juntas de aço superduplex UNS S32750 soldadas com Laser Pulsado Nd: YAG. 2018.
8- ASTM INTERNATIONAL. ASTM A276/A276M: Standard Specification for Stainless Steel Bars and Shapes. West Conshohocken, PA: ASTM International, 2017.
9- DE MENDONÇA CORDEIRO, Fabrício César. Avaliação da influência da temperatura de tratamento térmico de um aço inoxidável AISI 430, laminado a quente e recozido, na dissolução de carbonetos de cromo e no ataque corrosivo à superfície. 2023.
10- FRANCISCO, Helbert Stéfano Goulart; LOPES, Wellington; CORRÊA, Elaine Carballo Siqueira. Estudo da evolução do encruamento e das deformações do aço AISI 430 após estampagem. Tecnologia em Metalurgia, Materiais e Mineração, v. 20, p. 0-0, 2023.
11- LOPES, Maurício Pereira. Influência do tratamento criogênico nas propriedades mecânicas e metalúrgicas no aço SAE 4340 modificado. 2020.
12- BOSQUETTI, Péricles; GARDENGHI, Luis Fernando; ANGELONI, Murício; COELHO, Laura Alves. Avaliação da resistência à corrosão nos aços inoxidáveis AISI 304 e AISI 316, em processos de extração da cana em usinas de açúcar e álcool. In: INTERCORR 2016, Búzios, RJ, maio 2016. [S. l.]: ABRACO, 2016.
13- GRUPO AÇOTUBO. Catálogo geral. Guarulhos: Grupo Açotubo, maio 2024.
14- DANTAS, V. A.; SILVA JÚNIOR, M. Q.; GOMES, A. V. R. Estudo das propriedades mecânicas para diversos tratamentos térmicos do aço ASTM A182 F22. In: Anais do Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais. São Paulo: Metallum. 2016. p. 4930-4941.
15- ASTM INTERNATIONAL. ASTM A335/A335M: Standard specification for seamless ferritic alloy-steel pipe for high-temperature service. West Conshohocken, PA: ASTM International, 2023
16- CAVALCANTE, Nathália Escóssio et al. Estudo de procedimentos de soldagem MIG/MAG para aplicação de revestimentos de liga de níquel Inconel 625 em aço estrutural ASTM A387 Gr. 11. Soldagem & Inspeção, v. 21, n. 1, p. 70-82, 2016.
17- GARCIA, Douglas Neves et al. Comportamentos mecânico e metalúrgico de junta soldada em aço ASTM A182 F22 aplicado na indústria offshore. 2018.
18- ASTM INTERNATIONAL. ASTM A182/A182M: Standard specification for forged or rolled alloy and stainless steel pipe flanges, forged fittings, and valves and parts for high-temperature service. West Conshohocken, PA: ASTM International, [ano da edição utilizada].
19- ASME. ASME B16.34: Valves—Flanged, Threaded, and Welding End. New York: American Society of Mechanical Engineers, 2020.