ARTIGOS

17 de fevereiro de 2022

Aços de alta resistência

Aços de alta resistência
Editoria Serrametal

Os aços micro ligados, de alta resistência e baixa liga (do inglês HSLA – high-strength, low-alloy) são materiais estruturais importantes e contêm pequenas quantidades de elementos de liga, como nióbio, titânio, vanádio e alumínio, que aumentam a resistência através da formação de carbonetos estáveis e nitretos ou carbonitretos, e afetam a temperabilidade. Esses aços contêm menos de 0,1 % das adições de liga, usadas individualmente ou em combinação e possuem aumentos de resistência ao escoamento duas ou três vezes maiores que o aço carbono-manganês simples podem ser alcançados. Atualmente, os aços fundidos micro ligados também têm encontrado muitas aplicações na fabricação de peças industriais que costumavam ser produzidas por processos de fabricação mais caros.

Esses aços são muito aplicados em equipamentos de construção, mineração, componentes estruturais de carros, aeronaves, caçambas e veículos pesados.

 

Os aços micro ligados utilizados atualmente são obtidos por meio de uma combinação adequada de parâmetros de composição química e tratamento termomecânico, com o objetivo de alcançar o equilíbrio adequado entre resistência, tenacidade, ductilidade e conformabilidade. Essas propriedades dependem de características microestruturais, enquanto a soldabilidade é geralmente aceita como dependente da composição.

O limite de escoamento do aço pode ser aumentado por um ou mais dos vários mecanismos de endurecimento, tais como [1, 2]:

a) Endurecimento por discordâncias: A discordância é um defeito cristalino que pode contribuir para o endurecimento por meio da resistência ao movimento delas devido aos obstáculos apresentados em relação às outras na rede cristalina. As limitações deste mecanismo devem-se à saturação da estrutura com discordâncias.

Figura 1 – Exemplo de discordância em uma rede cristalina. Fonte: [2]

b) Endurecimento pelo contorno de grão: causado pelo impedimento da movimentação de discordâncias pelo contorno de grão. Os grãos podem ser refinados a um tamanho muito pequeno e uma resistência muito alta pode ser alcançada. Abaixo de um tamanho de grão crítico, a tenacidade pode ser reduzida.

Figura 2 – Impedimento de deslocamento da discordância causado pelo contorno de grão. Fonte: [2]

 

c) Endurecimento por solução sólida: a resistência ao movimento de deslocamento devido à presença de átomos de soluto intersticiais ou substitucionais em uma rede cristalina. A limitação deste mecanismo é imposta pelo limite de solubilidade em cada sistema de liga.

d) Endurecimento por precipitação: a resistência ao movimento de deslocamento devido ao efeito de partículas de segunda fase. As partículas de segunda fase podem ser dispersóides (partículas estáveis ​​adicionadas mecanicamente e sinterizadas) ou precipitados (partículas formadas a partir de uma solução sólida supersaturada) que está mais presente na prática. A limitação deste mecanismo é regida pela influência do tamanho e forma na tenacidade.

e) Endurecimento por textura: a resistência ao movimento de deslocamento devido à presença de uma orientação de textura preferencial na estrutura. Este mecanismo não parece ser tão potente quanto outros mecanismos de endurecimento, enquanto o desenvolvimento de textura é difícil em aços com uma segunda fase dispersa.

f) Endurecimento por transformação de fase: a resistência ao movimento de deslocamento devido à presença de fases recém-formadas introduzidas por uma transformação de fase que inicia simultaneamente com uma deformação. Este mecanismo oferece novas oportunidades e pode ser considerado como o principal desafio de pesquisa no futuro.

Estes mecanismos influenciam diretamente nas propriedades mecânicas dos aços de alta resistência. Existem três principais requisitos de propriedade para os aços HSLA: alto limite de escoamento, baixa temperatura de transição de impacto e boa soldabilidade [1, 3].

O alto limite de escoamento e baixa temperatura de transição de impacto são alcançados através do refinamento do grão de ferrita, onde o nitrogênio é parcialmente útil. No entanto, o nitrogênio dissolvido na ferrita também influencia a resistência e a tenacidade. Este reforço de solução sólida é muito pequeno, especialmente porque a solubilidade sólida do nitrogênio na ferrita é muito limitada, mas a propensão à fragilização também pode ser aumentada [1, 3].

Assim, o nitrogênio dissolvido na ferrita deve ser minimizado, o que é feito em aços micro ligados com adições de Al, V, Nb ou Ti, que formam nitretos estáveis. Esses nitretos têm a capacidade de refinar grãos de austenita e, assim, também grãos de ferrita [1, 3].

Microestrutura

Figura 3 – Microestrutura de um aço HSLA composta por grãos ferríticos e uma pequena quantidade de grão perlíticos. Fonte: [4]

 

Os aços de alta resistência e baixa liga têm uma microestrutura de martensita temperada. O grau de têmpera determina a faixa de resistência. Esses aços são usados ​​principalmente em sistemas mecânicos de aeronaves, notadamente em componentes de trens de pouso e caixas de câmbio e parafusos e conexões de alta resistência [5].

As ligas incluem as classes AISI 4330, 4330M e 4340, e 300M, D6 e H11. Todos são suscetíveis a SCC (suscetibilidade à corrosão sob tensão), e também fragilização por hidrogênio [4], em limites de escoamento acima de 1200 MPa; e são extremamente suscetíveis a limites de escoamento acima de 1400 MPa. É por isso que as diretrizes aconselham restringir a resistência à tração final (UTS) a menos de 1400 MPa.

Os aços de alta resistência podem variar em teor de carbono de “ultra-baixo”, normalmente entre 0,02 e 0,04% até ~0,2%. Quaisquer adições intencionais de elementos como Ni, Cr, Cu e Mo são limitadas a menos de 1,5% no total, enquanto o Mn varia de 1 a 2% e Si até ~0,5%.

Dentro desses limites composicionais, tais aços são pouco diferentes dos aços C-Mn ferrita/perlita convencionais, como mostra a Figura 3, e limites de escoamento superiores a cerca de 350 MPa só são alcançados com o uso da reação martensita seguida de revenimento.

Quando, no entanto, esses aços são ligados com pequenas adições de, principalmente, Nb, Ti e V, mas ocasionalmente Zr ou Ta, uma ampla gama de propriedades mecânicas é possível. Tais adições são usadas de uma maneira que pode aumentar a resistência desproporcionalmente à quantidade adicionada, por exemplo, a adição de 0,02% de Nb pode aumentar a resistência ao escoamento em até 200 MPa em comparação com o efeito de, digamos, 1% de Ni, o que aumenta resistência ao escoamento em 38 MPa.

Assim, a razão para o termo geralmente usado para denotar essas adições como “microligadas” torna-se evidente. Adições deliberadas de microligantes podem variar de 0,008% a mais de 0,1%.

Existem, também, elementos residuais de minérios usados ​​na siderurgia, por exemplo, Ti varia significativamente de fonte para fonte, mas tipicamente, as quantidades vestigiais de Nb, V ou Zr e Ta estão abaixo de 0,005%.

Alguns aços foram fabricados para explorar deliberadamente algumas das influências benéficas da microligação nas propriedades mecânicas através de seus efeitos no comportamento de transformação. Tais aços podem utilizar adições de Nb até 0,15% ou V até 0,45%.

Os limites de escoamento obtidos podem variar até aproximadamente 500 MPa com uma microestrutura de ferrita/perlita e, potencialmente, até 890 MPa para microestruturas descritas como ferrita “quasi-poligonal”, bainita ou “ferrita acicular”.

Um exemplo de aços de alta resistência pode ser o Toolox, que apresenta baixo carbono e baixo teor de elementos de liga, mas com um grande refino de grão, e também tantos outros que servem para chaparia, alguns chamados de DP1000, onde apresenta duas fases.

Outros aços apresentam a especificação do limite de escoamento superior a 690 MPa juntamente com uma resistência ao impacto Charpy superior a 50 Joules a -50°C. Juntamente com a necessidade de soldagem econômica e uma resistência moderada à corrosão, a especificação só pode ser atendida com atenção cuidadosa aos detalhes de composição e controle de processamento.

Por sua vez, isso exigiu uma compreensão completa de como a transformação de austenita para ferrita e outras morfologias é influenciada por adições de micro ligas, isoladamente ou em combinação.

Os aços de alta resistência foram adotados e adaptados para uma enorme variedade de aplicações, desde chapas finas laminadas a quente para prensagem de carrocerias até aços estruturais para construção de navios até seções para edifícios resistentes a terremotos e tiras de alta resistência para uso doméstico, ferramentas de jardim, etc.

Processamento

 

O efeito das adições de micro ligas na transformação austenita/ferrita pode ser amplamente classificado em três áreas. Primeiramente, os elementos micro ligantes formam carbonetos ou nitretos com solubilidade variável tanto em ferrita quanto em austenita.

As interações entre o processamento do aço e a precipitação desses compostos formam a base para a utilidade das adições de micro ligas. Em segundo lugar, eles podem atuar puramente como adições de liga, no entanto, como as concentrações são pequenas, pode haver mudanças correspondentemente modestas na temperabilidade ou nas características de transformação.

Uma exceção a isso é durante a transformação nas zonas afetadas pelo calor da solda (ZTA) em torno das juntas de aço estrutural, a presença de elementos microligantes em solução sólida ou como precipitados e suas interações com subestruturas de discordância produzidas durante a laminação no campo da fase austenita tem uma influência marcante no desenvolvimento subsequente da ferrita.

O primeiro efeito é historicamente o mais importante, mas o último é cada vez de mais interesse no recente desenvolvimento de aços ferrita/bainita de maior resistência.

As operações de fabricação de aço com maior precisão também são essenciais para controlar as propriedades e a química dos aços HSLA. Os níveis ideais de propriedades dependem de fatores como o controle de elementos de liga significativos e a redução de impurezas e inclusões não metálicas.

Desenvolvimentos na siderurgia secundária, como dessulfuração, desgaseificação a vácuo e proteção de argônio, permitiram um melhor controle da química do aço e o uso eficazes de elementos micro ligados.

Os limites de composição para os graus de aço HSLA descritos nas especificações ASTM e o uso de equipamentos de desgaseificação a vácuo permitem a produção de aços IF (do inglês “interstitial-free”: livre de elementos intersticiais). Os aços IF apresentam excelente conformabilidade, alto alongamento e boa trefilação/capacidade.

O laminador de tiras a quente normalmente tem calibres de rolos a quente que variam de cerca de 2 a 10 mm. O processamento em um laminador de tiras a quente é especialmente favorável para maximizar a resistência durante a laminação termomecânica.

O retardo da recristalização, responsável pelo refinamento do grão, ocorre naturalmente em aços micro ligados com nióbio nas temperaturas de laminação típicas encontradas no trem de acabamento. A alta velocidade de deformação e o curto tempo de interpasse permitem que cerca de 50% do conteúdo total de nióbio permaneça em solução sólida, aumentando assim o retardo da transformação durante o resfriamento acelerado, o que também suporta o refinamento do grão e permite o endurecimento por precipitação adicional na bobina.

 

Como o produto final muitas vezes passa por uma operação de conformação a frio, a ductilidade necessária é obtida pela produção de aço com baixo teor de carbono (<0,08%) e baixo teor de enxofre (<0,005%), incluindo controle de forma de sulfeto.

Todos esses tipos de aço modernos são baseados em nióbio como micro liga. A laminação (semi) contínua em um laminador de tiras a quente exige esforços específicos para garantir uma alta uniformidade de propriedades ao longo da largura e comprimento da banda a quente bobinada.

Classificação

Os aços HSLA são classificados como uma categoria de aço separada, semelhante ao aço carbono macio laminado com propriedades mecânicas aprimoradas obtidas pela adição de pequenas quantidades de ligas e, talvez, técnicas de processamento especiais, como laminação controlada e métodos de resfriamento acelerado.

Esse reconhecimento de produto separado dos aços HSLA é refletido pelo fato de que os aços HSLA geralmente são precificados a partir do preço base dos aços carbono, não do preço base dos aços-liga. Além disso, os aços HSLA são frequentemente vendidos com base em propriedades mecânicas mínimas, com o teor de liga específico deixado a critério do produtor de aço.

Os aços HSLA podem ser divididos em seis categorias:

  • Aços resistentes às intempéries, que contêm pequenas quantidades de elementos de liga, como cobre e fósforo, para melhorar a resistência à corrosão atmosférica e fortalecer a solução sólida (consulte o artigo “Aços de carbono e ligas”);
  • Aços de ferrita-perlita microligados, que contêm adições muito pequenas (geralmente, menos de 0,10%) de carboneto forte ou elementos formadores de carbonitreto, como nióbio, vanádio e/ou titânio para fortalecimento de precipitação, refinamento de grão e possivelmente controle de temperatura de transformação;
  • Aços perlíticos laminados, que podem incluir aços carbono-manganês, mas que também podem ter pequenas adições de outros elementos de liga para aumentar a resistência, tenacidade, conformabilidade e soldabilidade;
  • Aços ferrita acicular (bainita de baixo carbono), que são aços de baixo carbono (menos de 0,05% C) com uma excelente combinação de altos limites de escoamento, (até 690 MPa ou 100 ksi) soldabilidade, conformabilidade e boa dureza;
  • Aços bifásicos, que possuem uma microestrutura de martensita dispersa em uma matriz ferrítica e proporcionam uma boa combinação de ductilidade e alta resistência à tração;
  • Aços controlados por forma de inclusão, que fornecem ductilidade melhorada e tenacidade de espessura através das pequenas adições de cálcio, zircônio ou titânio, ou talvez elementos de terras raras, de modo que a forma das inclusões de sulfeto seja alterada de longarinas alongadas para pequenas, glóbulos dispersos, quase esféricos.

 

Elaboração e Edição: Thiago Cortiz, Renata Brandolin e Karina França
Conteúdo não pode ser publicado ou redistribuído sem prévia autorização.

 

Referências Bibliográficas

[1] Danijela A. Skobir, HIGH-STRENGTH LOW-ALLOY (HSLA) STEELS (VISOKOTRDNA MALOLEGIRANA (HSLA) KONSTRUKCIJSKA JEKLA). Materiali in tehnologije / Materials and technology 45 (2011) 4, 295–301.

[2] CALLISTER, W. D., Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. John Wiley & Sons, Inc., 2002.

[3] H. K. D. H. Bhadeshia, R. Honeycomb, Steels Microstructure and Properties, 3rd ed., Elsevier, 2006

[4] Advanced Steels for Transport Applications. In: Structural Materials and Processes in Transportation

[5] Wanhill, R. J. H., R. T. Byrnes, and C. L. Smith. “Stress corrosion cracking (SCC) in aerospace vehicles.” Stress Corrosion Cracking (2011): 608-650.

Referências de Figuras

[1] SSAB Image Bank.