Unidade Tematica10

Metalurgia da Soldadura II-X-1

Aços de Grão Fino

UNIDADE TEMÁTICA X – AÇOS DE GRÃO FINO

ÌNDICE TEMÁTICO

1. Introdução

2. Formação e diluição das partículas

3. Efeitos nas propriedades mecânicas

4. Aços normalizados. Aços temperados e revenidos

5. Composições típicas de aços microligados

6. Actividades / avaliação Objectivos Específicos No final desta unidade temática, o formando deve estar apto a: • Identificar os processos de obtenção de aços de grão fino. • Caracterizar os mecanismos que contribuem para a resistência de um aço

microligado. • Caracterizar o papel de cada um dos elementos de liga, aplicados nos aços de

baixa liga. • Indicar quais os consumíveis utilizados na soldadura destes aços.


Aços de Grão Fino

Introdução Antes da 2ª Guerra Mundial, o endurecimento dos aços, fracamente ligados, laminados a quente, era conseguido por adição de carbono até 0,4% e manganês até 1,5%, atingindo-se tensões de cedência de 350-400 MNm-2. No entanto, estes aços são, essencialmente, constituídos por uma mistura de ferrite e perlite, que não tem a tenacidade necessária a muitas das modernas aplicações. De facto, a tenacidade, medida pela transição dúctil-frágil, diminui, espectacularmente, com o teor de carbono, isto é, com o aumento da fracção volumétrica de perlite no aço (Fig. 1). Além disso, com a utilização crescente da soldadura como técnica de fabrico, verificaram-se graves problemas de fissuração nos aços com maiores teores de carbono, apontando para a sua substituição por aços com menos carbono. Cedo se verificou a enorme vantagem de obter nestes aços uma ferrite com pequeno tamanho de grão, o que levou à utilização crescente da laminagem controlada no estado austenítico. Verificou-se, também, que a obtenção dessa ferrite fina, no produto final, era fortemente beneficiada pela adição de pequenas concentrações de elementos refinadores do grão, como o nióbio, o titânio e o vanádio, e, também, o alumínio. Adicionando estes elementos a aços com 0,03-0,08%C e até 1,4%Mn, foi possível produzir materiais de grão fino com tensões de cedência entre 450 e 550 MNm-2 e com temperaturas de transição dúctil/frágil muito baixas, até -70°C. Estes aços são, hoje em dia, designados por HSLA (aços de alta resistência fracamente ligados) ou aços micro-ligados. Esta melhoria, relativamente à resistência moderada dos aços macios comuns (220-250 MNm-2), ocorreu num período de vinte anos e constitui, sem dúvida, um progresso notável da Metalurgia, cuja repercussão nas aplicações em Engenharia não é por demais realçar.

Fig. 1 - Efeito do teor de carbono na temperatura de transição entre os

comportamentos dúctil e frágil de aços ferríticos-perlíticos, submetidos a

ensaio de impacto

Os Aços HSLA

Refinamento do grão


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Formação e diluição das partículas O mecanismo básico de refinamento do grão na laminagem controlada é a recristalização da austenite, durante a deformação a quente, designada por recristalização dinâmica. Este processo é bastante influenciado pela temperatura e pelo grau de deformação praticado em cada passagem, ou passe, nos laminadores. No entanto, se a austenite não contiver partículas de outras fases, as altas temperaturas usadas na laminagem a quente provocarão um acentuado crescimento de grão, o que limita as possibilidades de refinamento do grão na deformação subsequente. A situação pode ser, consideravelmente, melhorada desde que se introduzam partículas finas na matriz austenítica. As partículas aparecem, em geral, nos limites de grão, em virtude da interacção que ocorre entre estes e as partículas. Uma pequena região do limite de grão é substituída pela partícula e a energia interfacial torna essa configuração estável. Mecanismo de refinamento Quando o limite de grão tenta mover-se e libertar-se da partícula, a energia local aumenta, o que é equivalente a uma espécie de força de atrito (ou de arrastamento) que as partículas exercem sobre o limite de grão. A teoria sobre a ancoragem de limites de grão por partículas define o tamanho crítico de partícula, abaixo do qual a ancoragem é efectiva. Como é evidente, o controlo do tamanho de grão às elevadas temperaturas de austenitização só é possível se os precipitados de limite de grão forem suficientemente finos e desde que não sejam, totalmente, solúveis na austenite às mais altas temperaturas utilizadas (1200-1300°C). Os melhores elementos refinadores do grão são os elementos com grande afinidade para o carbono e o azoto, como o nióbio, o titânio e o vanádio, que, facilmente, formam carbonetos e nitretos, e ainda o alumínio, que, apenas, forma o nitreto. Por um lado, o carbono e o azoto existem nos aços para laminagem controlada, por outro, os nitretos são ainda mais estáveis do que os carbonetos. Por isso, é de prever que os compostos mais eficientes, como refinadores de grão, sejam os carbonitretos dos elementos referidos, exceptuando, claro, o nitreto de alumínio. O grau de solubilidade destes compostos estáveis na austenite é, também, um parâmetro importante. É fundamental que essa solubilidade sólida seja suficiente às temperaturas mais altas de austenitização, a fim de que ocorra uma fina precipitação de nitretos e carbonetos, à medida que a temperatura diminui durante a laminagem. Todos estes compostos têm uma solubilidade pequena, mas crescente, no intervalo crítico de temperatura (900-1300°) (Fig. 2).

Mecanismo de refinamento

Elementos refinadores do grão


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Fig. 2 - Curva de solubilidade do NbC num aço com 0,15C-1,14Mn-0,04Nb

Pelo contrário, os carbonetos de crómio e de molibdénio têm solubilidades muito maiores, e serão, em regra, completamente dissolvidos na austenite, se a temperatura for suficientemente alta, e a sua precipitação só se dará quando a temperatura for bastante inferior ao intervalo crítico para o crescimento de grão. São muitas as possibilidades de variar a composição e, por isso, a discussão que se segue, limitar-se-à aos princípios gerais, aplicáveis a qualquer que seja o composto responsável pelo refinamento do grão num dado aço. Se bem que o crescimento de grão às mais altas temperaturas de austenitização, possa ser, parcialmente, limitado por uma dispersão residual, a verdade é que, praticamente, todo o refinamento do grão ocorre durante a laminagem, à medida que a temperatura vai diminuindo, dando origem a uma fina precipitação de carbonitretos na austenite. Estes novos precipitados têm, entre outros, os seguintes efeitos: • Aumentam a quantidade de deformação, para além da qual começa a

recristalização, a uma dada temperatura. • Restringem o movimento dos limites de grão recristalizados. Efeitos nas propriedades mecânicas Como resultado da utilização conjunta, da laminagem controlada e de finas dispersões de carbonitretos, tem sido possível obter, industrialmente, ferrite com tamanho de grão entre 5 e 10 mm. No laboratório consegue-se ir até 1 mm, que é, possivelmente, o limite prático para este tipo de processo. A relação entre o tamanho de grão e a tensão de cedência, é particularmente, relevante no caso dos aços microligados, onde se obtém, de facto, uma variação linear da tensão de cedência em função de d-1/2 (Fig. 3).

Refinamento de grão aumenta a resistência dos aços


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Fig. 3 - Efeito do tamanho de grão na tensão de cedência de um aço carbono-

manganês-nióbio A adição de 0,05-0,09%Nb a um aço carbono, refina o grão da ferrite, permitindo a sua redução até 5 mm (d-1/2 = 14) e, portanto, um aumento substancial da tensão de cedência. A diferença de ~ 100 MNm-2, entre as curvas relativas ao C-Mn e ao C-Mn-Nb, resulta do endurecimento por dispersão de NbC. As curvas da Fig. 3 foram obtidas com provetes austenitizados a 950°C e, depois, arrefecidos ao ar. Porém, se forem usadas temperaturas de austenitização sucessivamente superiores, por exemplo 1100°C e 1250°C, seguidas de arrefecimento ao ar, obtêm-se curvas com inclinações muito maiores (embora ainda rectilíneas), o que demonstra haver um aumento acentuado da tensão de cedência, para um dado tamanho de grão. Este aumento de resistência é devido à precipitação de NbC, durante o arrefecimento, a partir das temperaturas de austenitização mais elevadas, às quais o NbC é solúvel. Aços normalizados. Aços temperados e revenidos Há, pelo menos, três mecanismos de endurecimento que contribuem para a resistência final, dos modernos aços microligados de laminagem controlada. O peso relativo de cada um desses mecanismos é determinado pela composição do aço e depende, também, dos pormenores do tratamento termomecânico a que o aço for submetido. Na Fig. 4 estão indicadas, esquematicamente e em função do teor de manganês, as contribuições dos vários mecanismos de endurecimento, no caso de aços com 0,2% de carbono, 0,2% de silício, 0,15% de vanádio e 0,015% de azoto. Em primeiro lugar, há a considerar o endurecimento por solução sólida do manganês, do silício e do azoto não combinado. Em segundo lugar, há o efeito do tamanho de grão na tensão de cedência, que corresponde a uma contribuição muito substancial, cujo valor depende bastante da história termomecânica do aço. Finalmente, há o aumento de resistência típica do endurecimento por dispersão. A sobreposição destes contributos conduz a tensões de cedência entre cerca de 350 e 500 MNm-2. No exemplo particular a que se refere a Fig. 4, o aço foi normalizado (arrefecido ao ar) a partir de 900°C; se, em vez disso, o aço tivesse sido sujeito a laminagem controlada até 800°C, ou menos, os níveis de resistência seriam, consideravelmente, superiores.

Mecanismos de endurecimento dos Aços

Endurecimento por solução sólida do manganês

Endurecimento por dimensão do tamanho de grão

Endurecimento por dispersão


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Fig. 4 - Contribuições para a resistência de um aço 0,2C-0,15V em função do

teor de Mn O efeito da temperatura final de laminagem é importante porque determina o tamanho de grão e, por conseguinte, o nível de resistência que se pode alcançar num determinado aço. Actualmente, é cada vez mais corrente fazer a laminagem até ao estado, completamente, ferrítico, de modo a obter uma estrutura fina de sub-grão na ferrite, a que corresponde mais um contributo para o aumento da resistência. Em alternativa, pode terminar-se a laminagem acima da transformação γ/α e utilizar, depois, velocidades de arrefecimento variáveis, que alteram a natureza da transformação. Se a velocidade de arrefecimento for lenta, como acontece no caso da chapa ser bobinada a uma dada temperatura, a resistência é relativamente baixa, mas se o arrefecimento, após a laminagem, for feito com um jacto de água, a resistência é maior. Esta última alternativa pode dar origem a ferrite de Widmanstätten, com uma alta densidade de deslocações, em lugar de ferrite equiaxial. O aço tem, então, melhores propriedades mecânicas e, em muitos casos, há supressão do ponto de cedência nítida. Daqui resultam vantagens práticas no fabrico de chapa de aço, como por exemplo, para tubagens, em que é vantajosa uma curva de tracção contínua. Composições típicas de aços microligados Uma das aplicações, mais generalizadas, é no fabrico de condutas de transporte de gás natural e petróleo, o que tem a ver com a excelente soldabilidade resultante da baixa concentração total de elementos de liga (menor temperabilidade) e, em


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particular, dos baixos teores de carbono. Além disso, a necessidade de construir condutas de maiores diâmetros, implica o uso de aços com maiores tensões de cedência, a fim de evitar excessivas espessuras de parede. Verificou-se, na prática, que uma espessura entre 10 e 12,5 mm é a mais conveniente. Exemplos de composições que conduzem a tensões de cedência à volta de 410 MNm-2 (42 Kg mm-2) são: C 0,12% S 0,012% Mn 1,35% Nb 0,03% C 0,12% S 0,006% Mn 1,33% Nb 0,02% V 0,04% A composição seguinte conduz a uma maior tensão de cedência (450 MNm-2): C 0,06% S 0,006% Mn 1,55% Nb 0,05% V 0,10% Deve referir-se, porém, que frequentemente, se conseguem tensões de cedência mais elevadas, por simples controlo das variáveis de fabrico, como a temperatura final de laminagem e a temperatura a que a chapa é bobinada. O azoto é muitas vezes usado deliberadamente, como elemento de liga. Num grupo de aços muito em voga, utiliza-se o vanádio para formar precipitados de carbonitreto, que controlam o tamanho de grão e produzem endurecimento por dispersão. Em alguns deles, fazem-se adições de terras raras, com o objectivo de controlar a forma das inclusões. Na tabela 1 estão indicadas várias composições típicas para dois níveis (baixo e alto) de resistência.

Elemento Composição típica (%)

Tensão de cedência

345 MNm-2 (35 Kg mm-2) 550 MNm-2 (56 Kg mm-

2)

Carbono Manganês Fósforo Enxofre Silício Alumínio Vanádio Azoto Cério

0,08 - 0,12 0,75 - 1,10 0,008 - 0,013 0,007 - 0,020 0,05 - 0,15 0,03 - 0,06 0,03 - 0,07 0,006 - 0,012 0,02 - 0,06

0,12 - 0,17 1,20 - 1,55 0,008 - 0,013 0,007 - 0,020 0,30 - 0,55 0,03 - 0,06 0,10 - 0,14 0,015 - 0,022 0,02 - 0,06u

Tabela 1 Composições típicas de aços-vanádio microligados


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ACTIVIDADES / AVALIAÇÃO Exercício 1:

Qual a influência do Vanádio e do Titânio nas características da ZTA de uma soldadura? ____________________________________________________________

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Exercício 2: Quais os três mecanismos de endurecimento que contribuem para a resistência final dos aços microligados? ____________________________________________________________

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BIBLIOGRAFIA

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