Aços e ligas especiais - 4ª Edição | 2021

As ligas a base de ferro, especialmente os aços, são materiais tão comuns e importantes na nossa civilização que, por vezes, sua existência e presença generalizada em nossas vidas é pouco percebida. A esfera da caneta do estudante, lâminas de barbear, talheres, ferramentas manuais dos mecânicos e pedreiros, carroceria, estrutura e peças dos automóveis, trilhos e o reforço estrutural do concreto armado são alguns exemplos mais comuns das aplicações do aço à nossa volta. Desde o início da sua fabricação em escala industrial, no século XIX, o aço atingiu e manteve este destaque notável entre os materiais. O mundo produz, hoje, mais do que o dobro do aço produzido em 1980. Evidentemente, para manter esta posição de destaque entre os materiais, a metalurgia do aço evoluiu de forma extraordinária. Segundo o Instituto Internacional do Aço (IISI), por exemplo, cerca de 75% dos graus de aços hoje em uso não existiam há 20 anos. Parte desta evolução envolve o esforço da siderurgia em cada vez mais reduzir seu impacto e o impacto do aço no meio ambiente: aços mais resistentes e tenazes e com uso mais cuidadoso de recursos naturais, como energia e elementos de liga são a norma atual. Além disso, o aço é 100% reciclável, de forma indefinida, e os produtos de aço, hoje, têm cerca de 38% de índice médio de reciclagem. Na década de 2020, a Siderurgia foca em reduzir sua pegada de carbono: embora seja a liga industrial de menor pegada de carbono por unidade produzida, a quantidade de aço empregada no mundo torna muito importante a responsabilidade da indústria Siderúrgica. Aços e Ligas Especiais, inicialmente publicado há cerca de 40 anos como Tecnologia dos Aços, procura, nesta 4ª edição, apresentar os conhecimentos essenciais para a correta seleção destes materiais, assim como o perfeito ajuste de seu processamento, essencial para a otimização de suas propriedades e desempenho. Ao mesmo tempo, busca destacar os mais importantes avanços na área ocorridos desde a 3ª edição, lançada há mais de 10 anos. Estes conhecimentos são essenciais para os novos engenheiros e técnicos que, de alguma forma, lidam com aços e ligas especiais, bem como para os estudantes das disciplinas de Materiais e Metalurgia que se preparam para produzi-los ou utilizá-los.

Capítulo 1 – O sistema ferro-carbono

1.1 O elemento ferro

1.2 Soluções sólidas de ferro

1.3 Diagrama ferro-grafita

1.4 Diagrama ferro-cementita

1.4.1 Ferrita (α)

1.4.2 Austenita (γ)

1.4.3 Ferrita (δ)

1.4.4 Cementita (Fe3C)

1.5 Pontos relevantes do diagrama ferro-cementita

1.5.1 Linha A1

1.5.2 Linha A2

1.5.3 Linha A3

1.5.4 Linha Acm

1.5.5 Linha A4

1.5.6 Linha Liquidus

1.5.7 Linha Solidus

1.6 Efeito do resfriamento e aquecimento nas linhas de transformação

1.7 Reações invariantes

1.8 Observações da microestrutura

1.9 Determinação da fração volumétrica das fases

1.10 Efeito da velocidade de resfriamento na fração volumétrica da ferrita e perlita

Exercícios

Respostas

Referências bibliográficas

Capítulo 2 – Decomposição da austenita e curvas TTT

2.1 Ferrita e cementita

2.2 Perlita

2.3 Curvas ITT

2.4 Bainita e ferrita acicular

2.5 Martensita

2.6 Construção das curvas TTT

2.6.1 Curvas ITT

2.6.2 Curvas CCT ou TRC

2.6.3 Austenita retida

Exercícios

Respostas

Referências bibliográficas

Capítulo 3 – Tratamentos térmicos

3.1 Introdução

3.2 Recozimento

3.2.1 Recozimento pleno ou simplesmente recozimento

3.2.2 Recozimento subcrítico

3.2.3 Esferoidização

3.2.4 Recozimento para usinabilidade

3.3 Proteção da superfície

3.4 Normalização

3.5 Têmpera

3.5.1 Meios de têmpera

3.5.2 Tensões na têmpera

3.6 Temperabilidade (Hardenability)

3.6.1 Taxa de resfriamento crítico

3.6.2 Ensaio Grossmann

3.6.3 Ensaio Jominy

3.6.4 Fatores que afetam a temperabilidade

3.6.5 Técnicas para se revelar o contorno do grão austenítico

3.6.6 Crescimento do grão austenítico

3.7 Revenimento

3.7.1 Efeito nas propriedades

3.7.2 Transformações no revenimento de aços carbono

3.7.3 Revenimento múltiplo

3.7.4 Fragilidade do revenido

3.8 Martêmpera

3.9 Austêmpera

3.10 Austenita retida

3.11 Têmpera superficial

3.11.1 Aquecimento indutivo

3.11.2 Aquecimento por chama

3.12 Exemplos de microestruturas obtidas com tratamentos térmicos

3.13 Austenita revertida

3.14 Têmpera e partição

3.15 Solubilização

Referências bibliográficas

Capítulo 4 – Tratamentos termoquímicos

4.1 Introdução

4.2 Difusão e solubilidade dos elementos químicos

4.3 Perfil de distribuição do soluto

4.4 Cementação

4.4.1 Cementação sólida

4.4.2 Cementação gasosa

4.4.3 Cementação líquida

4.4.4 Cementação a vácuo

4.4.5 Cementação iônica ou a plasma

4.5 Nitretação

4.5.1 Nitretação a gás

4.5.2 Nitretação líquida

4.5.3 Nitretação iônica ou a plasma

4.6 Cianetação (carbonitretação líquida ou cianetação líquida)

4.6.1 Reações principais

4.7 Carbonitretação

4.7.1 Profundidade da camada carbonitretada

4.8 Nitrocarbonetação

4.8.1 Nitrocarbonetação ferrítica

4.8.2 Oxinitrocarbonetação

4.8.3 Nitrocarbonetação austenítica

4.9 Boretação

4.9.1 Vantagens

4.9.2 Desvantagens

4.10 Tratamentos termorreativos

4.11 Resumo dos tratamentos termoquímicos

4.12 Microestruturas obtidas nos tratamentos termoquímicos

Exercícios

Respostas

Referências bibliográficas

Capítulo 5 – Influência dos elementos de liga nos aços

5.1 Elementos estabilizadores da austenita e da ferrita [1,2]

5.1.1 Tipo A1 (ou campo austenítico aberto)

5.1.2 Tipo A2 (ou campo austenítico expandido)

5.1.3 Tipo B1 (ou campo austenítico fechado)

5.1.4 Tipo B2 (ou campo austenítico contraído)

5.2 Influência dos elementos de liga nos aços não endurecidos

5.3 Efeito dos elementos de liga na formação da ferrita

5.3.1 Nucleação

5.3.2 Crescimento

5.3.3 Propriedades da ferrita

5.4 Efeito dos elementos de liga na formação da perlita

5.5 Efeito dos elementos de liga nos carbonetos

5.5.1 Distribuição

5.5.2 Solubilidade

5.5.3 Formas de precipitação

5.5.4 Composição dos carbonetos

5.5.5 Cinética da precipitação e coalescimento dos carbonetos

5.5.6 Efeito da precipitação dos carbonetos finos nos aços

5.5.7 Efeito dos carbonitretos na laminação

5.6 Efeito das inclusões não metálicas

5.7 Efeito dos elementos de liga nos compostos intermetálicos

5.8 Efeito de partículas metálicas dispersas

5.9 Efeito dos elementos de liga na formação da austenita

5.10 Efeito dos elementos de liga na têmpera

5.10.1 Temperaturas mi e mf

5.10.2 Dureza da martensita

5.10.3 Temperabilidade

5.11 Efeito dos elementos de liga no revenimento

5.11.1 Formação dos carbonetos de ferro

5.11.2 Endurecimento secundário

5.11.3 Aços com V, Cr, Mo e W

5.11.4 Propriedades mecânicas

5.11.5 Aços Maraging

5.12 Efeitos dos elementos de liga na formação da bainita

5.12.1 Temperatura de início da formação bainítica (BI)

5.12.2 Aços bainíticos de alta resistência

5.13 Efeito dos principais elementos de liga nos aços

5.13.1 Boro

5.13.2 Cobre

5.13.3 Zircônio

5.13.4 Selênio

5.13.5 Chumbo

5.13.6 Nióbio

5.14 Impurezas dos aços [66]

5.14.1 Fósforo

5.14.2 Enxofre

5.14.3 Estanho

5.14.4 Hidrogênio

5.14.5 Oxigênio

5.15 Produção e preço das matérias primas metálicas para a produção de aço

Exercícios

Respostas

Referências bibliográficas

Capítulo 6 – Classificação e seleção de aços

6.1 Classificação e especificação de materiais

6.2 Seleção de materiais

6.3 Seleção de aços

6.4 Aços baixo carbono para conformação mecânica

6.5 Aços estruturais

6.5.1 Aços de alta resistência e baixa liga (ARBL)

6.5.2 Aços AHSS

6.5.3 Aços estruturais, para caldeiras, vasos de pressão e tubulações

6.6 Vergalhões para concreto

6.7 Perfis estruturais

6.8 Aços para a construção mecânica

6.8.1 O sistema de classificação ABNT para aços construção mecânica

6.8.2 Seleção empregando as curvas Jominy

6.8.3 Parâmetros de revenido

6.8.4 Fragilização em aços temperados e revenidos

6.8.5 Fadiga

6.8.6 Outros métodos de seleção de aços para construção mecânica

6.9 Aços de ultra-alta resistência

6.10 Aços para cementação

6.11 Aços para molas

6.12 Aços para aplicações ferroviárias

Referências bibliográficas

Capítulo 7 – Aços ferramenta, inoxidáveis e ligas especiais

7.1 Aços para ferramentas

7.1.1 Introdução

7.1.2 Classificação

7.1.3 Aplicações de aços em ferramentas – características dos aços

7.1.4 Aços para trabalho a frio

7.1.5 Aços para trabalho a quente

7.1.6 Aços para trabalho a morno

7.1.7 Aços para fins especiais

7.1.8 Aços rápidos

7.1.9 A Escolha do aço ferramenta

7.1.10 Revestimentos

7.2 Aços inoxidáveis

7.2.1 Introdução

7.2.2 Relações entre composição química e estrutura

7.2.3 Inoxidáveis martensíticos

7.2.4 Inoxidáveis ferríticos

7.2.5 Inoxidáveis austeníticos

7.2.6 Aços ferrítico-austeníticos (duplex)

7.2.7 Aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação

7.2.8 Resistência à corrosão

7.2.9 Corrosão em alta temperatura

7.3 Aços Maraging

7.3.1 Introdução

7.3.2 Metalurgia dos aços Maraging

7.4 níquel e suas ligas

7.5 Superligas

7.5.1 Introdução

7.5.2 Metalurgia das superligas

7.6 Titânio e suas ligas

7.6.1 Introdução

7.6.2 Metalurgia do Titânio e suas ligas

7.6.3 Obtenção do Titânio

7.7 Zircônio e suas ligas

7.8 Metais refratários e suas ligas

7.8.1 Nióbio e Tântalo

7.8.2 Molibdênio

7.8.3 Tungstênio

Referências bibliográficas

Capítulo 8 – Processos de elaboração de aços

8.1 Introdução

8.2 A produção de ferro-gusa – o alto-forno

8.2.1 O ferro-gusa

8.2.2 O alto-forno

8.3 Processos de redução direta

8.4 Aciaria

8.4.1 Fundamentos do refino dos aços

8.4.2 Processos pneumáticos de aciaria (conversores)

8.4.3 O forno elétrico

8.5 Lingotamento e lingotes

8.5.1 Lingotamento convencional

8.5.2 Lingotamento contínuo

8.5.3 Transmissão de calor na solidificação

8.5.4 Estrutura de lingotes e produtos de lingotamento contínuo

Referências bibliográficas

Capítulo 9 – Processos especiais de refino e obtenção de aços e ligas especiais

9.1 Introdução

9.2 Metalurgia de panela

9.2.1 Tratamento sob vácuo – desgaseificação

9.2.2 Operações de metalurgia de panela – forno-panela

9.2.3 Processos de produção de aços inoxidáveis

9.3 Forno de indução sob vácuo (VIM)

9.4 Processos de refusão

9.4.1 Refusão sob escória eletrocondutora (ESR)

9.4.2 Refusão a arco sob vácuo (Vacuum Arc Remelting – VAR)

9.4.3 Forno de refusão por feixe eletrônico

9.5 Metalurgia do pó para aços ferramenta

9.6 Conformação por spray (Spray Forming)

9.7 Manufatura aditiva

Referências bibliográficas

Capítulo 10 – Conformação mecânica

10.1 Introdução

10.2 Efeito da temperatura – trabalho a quente e trabalho a frio

10.3 Trabalho a quente

10.3.1 Efeito sobre a resistência mecânica e alterações microestruturais

10.3.2 Consolidação de Cavidades

10.3.3 Alteração de forma e distribuição de segregados

10.3.4 Efeito sobre fases insolúveis – Inclusões não-metálicas, carbonetos e nitretos estáveis

10.3.5 Efeito do trabalho a quente sobre as propriedades mecânicas

10.3.6 Conformação a quente – tratamentos termomecânicos

10.3.7 Aquecimento

10.3.8 Temperatura

10.3.9 Sequência de deformação

10.3.10 Resfriamento

10.4 Trabalho a frio

10.4.1 estado de tensões durante a deformação

10.5 Forjamento

10.6 Laminação

10.7 Extrusão

Referências bibliográficas

Capítulo 11 – Gestão e controle da qualidade

11.1 Introdução

11.2 Tipos de testes e ensaios no controle da qualidade

11.3 Ensaios empregados na produção de aços e ligas especiais

11.3.1 Inspeção por ultrassom

11.3.2 Testes de trincas superficiais

11.3.3 Radiações ionizantes (raios x e raios γ)

11.3.4 Ensaios mecânicos

Referências bibliográficas

Apêndice 1 – Curvas Jominy de alguns aços para construção mecânica

Apêndice 2 – Tabelas de dureza

Apêndice 3 – Sistema Internacional de unidades (SI)

Índice remissivo