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5 - TIPOS DE AÇO – AO CARBONO, BAIXA LIGA E ALTA LIGA. Quanto melhores forem as propriedades mecânicas de um material, melhor será a sua utilização. Tanto durante o processo de fabricação e durante o uso da peça já fabricada. As propriedades mecânicas do aço podem ser melhoradas, seja pelo controle da quantidade de carbono e de impurezas, seja pela adição de outros elementos, por meio de tratamento térmico, ou mesmo, por meio de tratamento mecânico. Materiais de uso na Construção Naval, Offshore e Mecânica. Na indústria da Construção Naval, offshore e Mecânica, o AÇO é um material com larga utilização, devido às suas propriedades. Entretanto, outros materiais também fazem parte deste processo, tais como: cobre, latão e os mais novos materiais como os compósitos. AÇO CARBONO (Aço Comum) – É uma liga de ferro (Fe) e carbono (C), contendo entre 0,008 a 2,11% de carbono, além de outros elementos residuais, como o manganês, o silício, o fósforo e o enxofre, participam igualmente do ajuste do nível de resistência do aço. A quantidade de Carbono define sua classificação, conforme a ABNT: Baixo carbono - Possui no máximo 0,3% (C). Características: Boa tenacidade, conformabilidade e soldabilidade. Baixa temperabilidade. Aplicações: Pontes, edifícios, navios, vagões, caldeiras, tubos gerais, estruturas mecânicas, etc. Médio carbono - Apresenta de 0,3 a 0,5% (C). Características: Média conformabilidade e soldabilidade. Média temperabilidade. Aplicações: Rodas e equipamentos ferroviários, engrenagens e outras peças de máquinas.
Alto carbono – Acima de 0,5% (C). Características: Má conformabilidade e soldabilidade. Altas temperaturas e resistência ao desgaste. Aplicações: Peças metálicas, parafusos especiais, implementos agrícolas, trilhos e rodas ferroviárias, etc. CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS QUANTO À APLICAÇÃO AÇOS PARA BAIXAS TEMPERATURAS (APLICAÇÕES CRIOGÊNICAS) Os aços classificados para as aplicações em baixa temperatura tem a seguinte composição e característica: Análise Química
Composição Química
Propriedades Mecânicas
Limite Resistência Limite Escoamento Característica de Fabricação Serviços em baixa temperatura. Aumento do Mn proporciona a compensação da diminuição do C, mantendo os limites de resistência e escoamentos aos níveis do aço de médio carbono com uma melhor tenacidade.
Aplicação
Carbono - C <= 0,23% Manganês – Mn <= 1,10% 42 – 49 kgf/mm2 23 – 27 kgf/mm2 Aços acalmados ao Si ou Al. Normalmente, utiliza-se o processo de Normalização. A adição de alumínio refina o grão e melhora as propriedades mecânicas, aumentando a resistência ao impacto.
AÇOS ESTRUTURAIS DE ALTA RESISTÊNCIA E BAIXA LIGA (ARBL) Os aços microligados são especificados pela sua resistência mecânica, e não pela sua composição química. São desenvolvidos a partir dos aços de baixo carbono (como o ASTM A-36), com pequenas adições de Mn (até 2%) e outros elementos em níveis muito pequenos. Estes aços apresentam maior resistência mecânica que os aços de baixo carbono idênticos, mantendo a ductilidade e a soldabilidade, e são destinados a estruturas nas quais as soldagem é um requisito importante, assim como a resistência. Para a área de tubulação pode-se destacar os aços API X60, X65, X70 e X80. AÇOS LIGA (Aços Especiais) - São obtidos mediante a adição e dosagem de certos elementos ao aço-carbono quando esse está sendo produzido. Os principais elementos que adicionam-se aos aços são os seguintes: alumínio(Al), manganês (Mn), níquel (Ni), cromo (Cr), molibdênio (Mo), Vanádio (V), Silício(Si), cobre (Cu), cobalto (Co) e tungstênio (W). São os aços que contém um ou mais elementos de liga além do Fe e C, em quantidades tais que modifiquem ou melhorem substancialmente uma ou mais de suas propriedades quer sejam físicas, mecânicas ou químicas. Com a adição desses elementos, de forma isolada ou combinada em porcentagens variáveis, fabrica-se uma enorme variedade de aços-liga, cada qual com suas características e aplicações. Quanto ao teor de elementos de liga os aços classificam-se em:
Aços de baixa liga – São aços cuja quantidade de elementos liga é inferior a 5%, e tem a finalidade de aumentar a temperalidade e ao revenimento. Os elementos típicos são: Cr, Mo, Ni, Mn e Si. Aços de média liga – São os que tem a somatória dos elementos de liga entre 5% a 10%. São aplicados em situações que envolvem elevada resistência mecânica em temperaturas elevadas, tais como para trabalhos quentes. Aços de alta liga – A quantidade dos elementos de liga nesses aços é maior do que 10%. São aços que podem ser aplicados em diversas finalidades como: Elevadas resistência à oxidação, mecânica e ao desgaste. Capacidade de corte e capacidade de endurecer sob impacto.
AÇO INOXIDÁVEL - É uma liga de ferro e cromo, com um teor de 12% a 27% de cromo, podendo conter também (níquel, molibdênio, titânio, mióbio, etc.) com o objetivo de elevar sua resistência à corrosão e melhorar a suas propriedades físicas e mecânicas. A resistência à oxidação e corrosão do aço inoxidável se deve principalmente à presença do cromo, que permite uma formação de uma película finíssima de óxido de cromo sobre a superfície do aço, que é impermeável e insolúvel nos meios corrosivos usuais. Classificação, Constituição e Utilização: Podemos dizer que existem grupos de aços inoxidáveis, sendo estes observados em sua microestrutura, que apresentam em temperatura ambiente. São eles: Aços Inoxidáveis Martensíticos (Fe,Cr) – (Endurecíveis). São aços magnéticos. São aços que se caracterizam por serem aços-cromo, com 12 a 30% de Cr. Podem atingir altas durezas por tratamento térmico, além de excelente resistência mecânica. Endurecem por têmpera. São utilizados em cutelaria, instrumentos de medida, lâminas de corte, correntes para máquinas, discos de freio, etc. Apresentam dureza muito elevada, excelente resistência mecânica e baixa usinabilidade.
Aços Inoxidáveis Ferríticos (Fe,Cr) – (Não-endurecíveis por têmpera). São aços magnéticos. Apresenta estrutura ferrítica em qualquer temperatura. São utilizados em baixelas, fogões, geladeiras, pias, sistemas de exaustão de gases em motores de explosão, recheio de colunas de destilação, moedas, etc. Com 12 a 30% de Cr, é um material com ótima resistência à corrosão e mais barato por não conter níquel. Aços Inoxidáveis Austeníticos (Fe,Cr,Ni) – (Não endurecíveis por têmpera). São aços não-magnéticos Apresentam resistência à corrosão melhorada pela adição do níquel e são facilmente conformados à frio, devido a uma combinação favorável de propriedades mecânicas. São utilizados para fins estruturais, equipamentos para indústria alimentícia, aeronáutica, ferroviária, petrolífera, química e petroquímica, papel e celulose, construção civil, etc. Com 16 a 26% de Cr e 6 a 22% de Ni, de excelente resistência à corrosão, ductilidade e soldabilidade. Aços Inoxidáveis Duplex - São ligas Fe-Cr-Ni-Mo com microestrutura composta por austenita e ferrita em proporções aproximadamente iguais. Essa classe de materiais apresenta inúmeras vantagens quando comparada a dos aços inoxidáveis ferriticos e austeniticos convencionais:
Limite de escoamento e quase o dobro do que possuem os aços inoxidáveis austeniticos; Combina resistência mecânica com boa tenacidade; Apresenta maior resistência à corrosão em meios contendo cloreto e soldabilidade superior a dos aços inoxidáveis ferriticos.
Suas principais aplicações estão nas indústrias químicas, de óleo, gás, papel e celulose, aplicado principalmente em evaporadores, dutos, unidades de dessalinização e dessulfuração, equipamentos para destilação, tanques de condução e armazenamento de material corrosivo. Aços Inoxidáveis Superduplex – Possuem maior teor de elementos de liga, principalmente de nitrogênio, para acelerar a formação da austenita e para obtenção de uma maior resistência a corrosão por pite associada a uma elevação das propriedades mecânicas. Este produto altamente ligado é especialmente desenvolvido para marinha, química e aplicações de engenharia de petróleo que requer alta resistência mecânica e resistência à corrosão em ambientes extremamente agressivos (contendo cloretos ácidos. etc.). O Aço Inoxidável Super duplex, em relação a outros produtos de aço inoxidável, proporciona:
Alta resistência à corrosão; Alta resistência à fissuração/trincamento por corrosão; Alto limite de escoamento e tração.
Suas principais aplicações estão nas indústrias de petróleo e gás (offshore), linhas de fluxo (risers), manifolds, separadores, refrigeradores, vasos e tubulações de processos. E nas (onshore) estão os trocadores de calor, caldeiras, planta de processo químico e vasos de pressão em petroquímica. Atualmente, os aços inoxidáveis Duplex e Superduplex contem reduzidos teores de carbono e pequena adições de nitrogênio. O maior limite de escoamento dos aços inoxidáveis Duplex e Superduplex quando comparados com os outros tipos de aços inoxidáveis, permite importantes reduções na seção resistente, obtendo-se grandes economias em peso. Alem disso, devido à excelente resistência a corrosão, a vida útil do equipamento pode ser prolongada, tornando-se, desta forma, estes materiais muito atrativos do ponto de vista econômico.
Efeito dos elementos de adição (liga):
Alumínio (Al): Desoxidante; Boro (B): Melhora a têmpera do aço; Resistência a fadiga; Cobalto (Co): Aumenta a dureza sob altas temperaturas; Cobre (Cu): Melhora a resistência à corrosão atmosférica; Cromo (Cr): Aumenta a resistência mecânica, a dureza e ao desgaste; Manganês (Mn): Ductilidade, resistência ao desgaste/choque; Molibdênio (Mo): Alta resistência ao amolecimento, resistente ao desgaste e a dureza após a têmpera. Níquel (Ni): Boa ductilidade e resistência à corrosão; Silício (Si): Aumenta a elasticidade e melhora a resistência à oxidação a temperaturas elevadas. Tungstênio (W): Alta resistência mesmo em altas temperaturas; Vanádio (V): Tenacidade e excelente desoxidante; Tântalo, Nióbio e Titânio – Evitam o fenômeno de corrosão intergranular, dos aços inox cromo-níquel.
TRATAMENTOS TÉRMICOS – São os conjuntos de operações de aquecimento e resfriamento a que são submetidos as ligas metálicas, sob condições controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de resfriamento, com o objetivo de alterar as microestruturas e como consequência as propriedades mecânicas das ligas metálicas. Seus principais objetivos são:
Aumentar ou diminuir a dureza; Aumentar a resistência mecânica; Melhorar a usinabilidade; Melhorar a resistência ao desgaste, à corrosão e ao calor; Modificar propriedades elétricas e magnéticas; Remover tensões internas, provenientes de resfriamentos desigual; Melhorar a ductilidade, a mão de obra e as propriedades de corte.
PROPRIEDADES TÉRMICAS: INFLUÊNCIA NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS TRATAMENTO TÉRMICO
FINALIDADE
RECOZIMENTO
Remoção de tensões deixadas no aço por Aquecimento seguido de trabalho a frio. Diminui a dureza e as tensões resfriamento no próprio de escoamento e ruptura. Amolece o aço. forno (lentamente).
NORMALIZAÇÃO
Homogeneização da microestrutura e alívio de Aquecimento seguido tensões internas causadoras de resfriamento ao ar. empenamento.
PROCESSO
de
PATENTEAMENTO
Obtensão de uma estrutura que combine com Aquecimento seguido de alta resistência a tração, boa ductilidade resfriamento em banhos de (especial para arames de alta taxa de chumbo líquido a 450ºC. trefilação), resultando em alta tenacidade. Obtensão de uma microestrutura interna extremamente dura (martensita) que aumenta o limite de resistência a tração e também a sua dureza.
Aquecimento a alta temperatura seguido de resfriamento rápido (em água ou óleo)
REVENIMENTO
Acompanha a têmpera, aliviando ou removendo as tensões internas deixadas por ela, e corrigindo as excessivas dureza e fragilidade do material, melhorando sua ductilidade.
Aquecimento e permanência em temperatura de 250 a 550º C, seguido de resfriamento.
CEMENTAÇÃO
Elevar a dureza superficial, aumentando o teor de Carbono. Aumentar a dureza e resistência ao desgaste superficial (por fricção ou atrito), enquanto mantém o núcleo (miolo) do material ainda dúctil.
Aquecimento em conjunto com uma substância em carbono permitindo a difusão do carbono para o aço.
TÊMPERA
TIPOS DE AÇO E SUA CLASSIFICAÇÃO Dada a grande variedade de aços, procura-se constantemente criar sistemas para classificação. A classificação mais comum é a que considera a composição química do aço. Dentre os sistemas mais conhecidos, os mais usados são: SAE : Society of Automotive Engeneers (Sociedade de Engenharia Automotiva). AISI : American Iron and Steel Institute( Istituto Americano de Ferro e aço). ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas. ASTM: American Society for Testing Materials (Sociedade Americana de Testes de Materiais). Essas associações seguem aproximadamente o mesmo método numérico de identificação, que é o seguinte: Os vários tipos de aços utilizados na indústria da construção mecânica podem ser classificados com o sistema de codificação SAE/AISI que usa em geral quatro algarismos na forma ABXX onde:
PADRONIZAÇÃO DOS AÇOS PELA ABNT: A especificação obedece a um sistema de número e letras conforme abaixo: 1º e 2º algarismo: A e B - Classe do Aço. Percentual do elemento de liga predominante.
3º e 4º algarismo: XX - Teor médio de carbono. Indicam a porcentagem em peso de carbono do aço dividido por 100. Exemplo: aço SAE 1045. Assim, um exemplo da designação por quatro algarismos é descrita abaixo: 10 - Tipo de aço (aço carbono) e percentual de elemento liga. 45 - Teor médio de carbono (0,45% de carbono aproximadamente). Observações: A. Na classificação da AISI a letra B no meio numeral indica a presença de Boro na fórmula. O aço tem um teor de boro no mínimo 0,0005% em peso (o boro, quanto presente no aço em teores muito baixos, facilita a têmpera do aço, aumentando a sua resistência). Ex. AISI 50B20. B. Na classificação da AISI a letra antes do numeral indica o processo pelo qual o aço foi produzido. Ex. AISI E3315 - produzido em forno elétrico.
Exemplo: SAE-1020. Aço carbono, não contém elemento predominante, com 0,20% de carbono.
Exemplo: SAE-5130. Aço ao cromo com 1% de cromo, com 0,30% de carbono.
Exemplo: SAE-9220. Aço ao silício – Manganês com 2% de Si-Mn e com 0,20% de carbono.
A introdução dos elementos de liga nos aços carbonos é feita objetivando um dos seguintes efeitos: - Aumentar a dureza e a resistência mecânica; - Conferir resistência uniforme através de toda a seção em peças de grandes dimensões; - Diminuir o peso (com o aumento da resistência, reduz-se a carga morta);
- Conferir resistência á corrosão; - Aumentar a resistência ao calor; - Aumentar resistência ao desgaste; - Aumentar a capacidade de corte; - Melhorar as capacidades elétricas e magnéticas.
CONFORMABILIDADE – É a capacidade do material de ser deformado plasticamente, através de processos de conformação mecânica. Esta propriedade esta associada a ductilidade ou plasticidade do material. TEMPERABILIDADE – Ou endurecibilidade dos aços está diretamente relacionada com a capacidade que os mesmos tem de endurecer da superfície em direção ao núcleo, considerando-se a quantidade de martensita formada durante o resfriamento. SOLDABILIDADE- É a capacidade que os materiais tem de ser unidos pelo processo de soldagem, tendo por objetivo a continuidade da propriedades físicas (mecânicas) e químicas dos mesmos.
