Composição |
Carbono de Ferro |
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Cor | Cinza |
Data da descoberta | 1865 |
Módulo de Young | 210 gigapascals |
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Um aço é uma liga metálica que consiste principalmente em ferro e carbono (em proporções entre 0,02% e 2% em massa para o carbono).
É essencialmente o teor de carbono que dá à liga as propriedades do aço. Existem outras ligas à base de ferro que não são aços, como ferros fundidos e ferroligas .
O aço é projetado para suportar tensões mecânicas ou químicas, ou uma combinação de ambas.
Para resistir a essas tensões, elementos químicos podem ser adicionados à sua composição, além do carbono. Esses elementos são chamados de elementos adicionais, os principais são manganês (Mn), cromo (Cr), níquel (Ni), molibdênio (Mo).
Os elementos químicos presentes no aço podem ser classificados em três categorias:
O teor de carbono tem uma influência considerável (e bastante complexa) nas propriedades do aço: abaixo de 0,008%, a liga é bastante maleável e falamos em “ferro”; acima de 2,1%, entramos no campo do ferro / carboneto de ferro ou ferro / grafite eutético , que modifica profundamente o ponto de fusão e as propriedades mecânicas da liga, e falamos de ferro fundido .
Entre esses dois valores, o aumento do teor de carbono tende a melhorar a dureza da liga e a reduzir seu alongamento na ruptura; falamos de aços “macios, semimoles, semiduros, duros ou extra-duros” de acordo com a “classificação tradicional”.
Dureza | Conteúdo de carbono (%) |
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Aço extra macio | <0,15 |
Aço macio | 0,15 - 0,25 |
Aço semi-macio | 0,25 - 0,40 |
Aço semiduro | 0,40 - 0,60 |
Aço duro | 0,60 - 0,70 |
Aço extra duro | > 0,70 |
Em livros didáticos de metalurgia um tanto antigos, pode-se encontrar como definição de aço uma liga de ferro-carbono onde o carbono varia de 0,2 a 1,7%; o limite de corrente foi estabelecido a partir do diagrama binário ferro / carbono. Porém, existem aços com concentrações de carbono acima desses limites (aços ledeburíticos), obtidos por sinterização .
As propriedades dos aços também são modificadas pela adição de outros elementos, principalmente metálicos, e falamos de aços "liga". Suas características podem ainda ser bastante melhoradas por tratamentos térmicos (em particular têmpera ou cimentação ) assumindo a superfície ou o cerne do material; falamos então de aços "tratados".
Além dessas diversas potencialidades, e em comparação com outras ligas metálicas, o maior interesse dos aços reside, por um lado, no acúmulo de altos valores nas propriedades mecânicas fundamentais:
Por outro lado, seu custo de produção permanece relativamente moderado, pois o minério de ferro é abundante na terra (cerca de 5% da casca) e sua redução bastante simples (pela adição de carbono em alta temperatura). Por fim, os aços são praticamente totalmente recicláveis graças ao setor de sucata.
Eles podem, no entanto, ser reconhecidos como tendo alguns inconvenientes, em particular sua fraca resistência à corrosão, que pode, no entanto, ser remediada por vários tratamentos de superfície ( pintura , polimento , zincagem , galvanização por imersão a quente , etc.), ou pelo uso de qualidades do denominado aço " inoxidável ". Além disso, os aços são difíceis de moldar e, portanto, não são recomendados para peças grandes de formas complexas (estruturas de máquinas, por exemplo). Então, preferimos as fontes . Finalmente, quando sua alta densidade penaliza (no setor aeronáutico por exemplo), recorremos aos materiais mais leves ( ligas à base de alumínio , titânio , compósitos , etc.), que têm a desvantagem de serem mais caros.
Quando o preço é um importante critério de escolha, os aços permanecem preferidos em quase todas as áreas de aplicação técnica: equipamentos públicos (pontes e estradas, sinalização), química, petroquímica, farmacêutica e nuclear (equipamentos de pressão, equipamentos sujeitos à ação da chama, capacidades de armazenamento, vários recipientes), processamento de alimentos (embalagem e armazenamento), construção (acessórios, estruturas, ferragens, hardware), indústria mecânica e térmica (motores, turbinas, compressores), automotivo (carroceria, equipamentos), ferroviário, aeronáutica e aeroespacial , construção naval, médica (instrumentos, dispositivos e próteses), componentes mecânicos (parafusos, molas, cabos, rolamentos, engrenagens), ferramentas de impacto (martelos, cinzéis, matrizes) e ferramentas de corte (cortadores, brocas, porta-pastilhas), móveis, design e eletrodomésticos, etc.
A Idade do Ferro é caracterizada pela adaptação do alto-forno à redução do ferro. Esse alto-forno produz uma lupa , uma mistura heterogênea de ferro, aço e escória , cujas melhores peças devem ser selecionadas e, em seguida, trincadas para expulsar a escória.
Ao empurrar o vento, a combustão é ventilada e a temperatura de fusão do metal é atingida. O metal é extraído com o esvaziamento do cadinho : trata-se da produção no alto-forno . O ferro fundido é então obtido, o ferro líquido assumindo carbono ao entrar em contato com o carvão . De fato, dois fenômenos complementares ocorrem no cadinho do alto-forno: o ferro torna-se carregado de carbono ao entrar em contato com o carvão, o que diminui seu ponto de fusão. Então, esse metal fundido continua a ser enriquecido em carbono, pela dissolução do carvão. As primeiras fundições foram feitas pelos chineses durante o período dos Reinos Combatentes (entre -453 e -221). Eles também sabem queimar o carbono do ferro fundido, fazendo-o reagir com o ar, para obter o aço. Esse é o processo indireto, pois a produção do aço ocorre após a obtenção do ferro fundido. Na Europa e na Ásia, durante a Antiguidade, o aço também era produzido por reabastecimento de ferro com gases de combustão e carvão ( aço cementado ).
Réaumur , realizando um grande número de experimentos e publicando os resultados de suas observações em 1722, fundou a indústria siderúrgica moderna: ele foi o primeiro a teorizar que o aço é um estado intermediário entre o ferro fundido e o ferro puro, mas o conhecimento do tempo não permite que seja cientificamente preciso. Somente em 1786 a metalurgia se tornou científica: naquele ano, três cientistas franceses da escola de Lavoisier, Berthollet , Monge e Vandermonde apresentaram à Royal Academy of Sciences uma Mémoire sur le fer em que definiram os três tipos de produtos ferrosos: ferro , ferro fundido e aço. O aço é então obtido a partir do ferro, ele próprio produzido pelo refino do ferro fundido do alto-forno. O aço é mais tenaz que o ferro e menos frágil que o ferro fundido, mas cada transformação intermediária para obtê-lo aumenta seu custo.
A revolução industrial surge graças ao desenvolvimento de novos métodos de fabricação e conversão do ferro fundido em aço. Em 1856, o processo Bessemer foi capaz de produzir aço diretamente do ferro fundido. Seu aprimoramento por Thomas e Gilchrist permite sua generalização. Essas descobertas levam à produção em massa de aço de qualidade (para a época). Finalmente, para a segunda metade do XIX ° século, Dmitry Chernov descoberto transformações polimórficas de aço e estabelece o ferro diagrama binário / carbono, passando a metalurgia de artesanato estado do que ciência.
Existem vários tipos de aços de acordo com a porcentagem em massa de carbono que eles contêm:
O limite de 2,11% corresponde à zona de influência do eutético ( ledeburite ); existem, no entanto, alguns aços ledeburíticos.
A estrutura cristalina dos aços em equilíbrio termodinâmico depende de sua concentração (principalmente carbono, mas também de outros elementos de liga) e da temperatura. Também pode haver estruturas fora de equilíbrio (por exemplo, no caso de uma têmpera ).
A estrutura do ferro puro depende da temperatura:
A estrutura do ferro + carbono evolui de forma mais complexa dependendo da temperatura e do teor de carbono. As regras diferem dependendo se alguém está fora da "zona de influência" do eutetóide (entre 0% e 0,022%), entre 0,022% e 0,77% (hipoeutetóide) ou entre 0,77% e 2,11% (hipereutetóide; além disso , é ferro fundido). Veja o estudo do diagrama ferro-carbono.
De forma simplificada, para um carbono entre 0,022% e 2,11%:
Os aços sem liga (carbono) podem conter até 2,11% em massa de carbono. Certos aços-liga podem conter mais carbono ao adicionar os chamados elementos “gammagens”.
As diferentes microestruturas de aço são:
O carbono é de suma importância porque é ele que, associado ao ferro, dá à liga o nome de aço. Sua influência nas propriedades mecânicas do aço é preponderante. Por exemplo, no que diz respeito à melhoria da propriedade de dureza, a adição de carbono é trinta vezes mais eficiente do que a adição de manganês.
Alumínio : excelente desoxidante. Combinado com oxigênio, reduz o crescimento de grãos na fase austenítica. Além de um certo limite, pode tornar o aço impróprio para galvanização por imersão a quente.
Cromo : é o elemento de adição que confere ao aço a propriedade de resistência mecânica ao calor e à oxidação (aços refratários). Também desempenha um papel decisivo na resistência à corrosão quando está presente em um teor de mais de 12 a 13% (dependendo do teor de carbono). Adicionado de 0,5% a 9%, aumenta a temperabilidade e a conservação das propriedades mecânicas em temperaturas acima da ambiente (família dos aços liga de cromo). Ele tem uma função alfagênica.
Cobalto : usado em muitas ligas magnéticas. Causa resistência ao amolecimento no revenido.
Manganês : forma sulfuretos que melhoram a maquinabilidade. Aumenta moderadamente a temperabilidade.
Molibdênio : aumenta a temperatura de superaquecimento, resistência a altas temperaturas e resistência à fluência. Aumenta a temperabilidade.
Níquel : produz aços austeníticos com alto teor de cromo (função gama-magnética). Utilizado para produzir aços de moderada ou alta temperabilidade (dependendo dos demais elementos presentes), baixa temperatura de austenitização e alta tenacidade após revenido. É o elemento de liga por excelência para a produção de aços dúcteis a baixas temperaturas (aço 9% Ni para a construção de tanques criogênicos, aço 36% Ni denominado " Invar " para a construção de tanques de GNL. E instrumentos de medição de precisão).
Nióbio : a mesma vantagem do titânio, mas muito menos volátil. No campo da soldagem, portanto, substitui-o nos metais de adição.
Fósforo : aumenta muito a temperabilidade. Aumenta a resistência à corrosão. Pode contribuir para a fragilidade da renda.
Silício : promove a orientação cristalina necessária para a fabricação de um aço magnético, aumenta a resistividade elétrica. Melhora a resistência à oxidação de certos aços refratários. Usado como elemento desoxidante.
Titânio : alto poder carburogênico (como o nióbio) e, portanto, reduz a dureza da martensita. Captura o carbono em solução em alta temperatura e, portanto, reduz o risco de corrosão intergranular dos aços inoxidáveis (TiC é formado antes do Cr 23 C 6 e, portanto, evita o esgotamento do cromo no limite do grão).
Tungstênio : melhora a dureza em alta temperatura de aços revenidos. Funções substancialmente idênticas às do molibdênio.
Vanádio : aumenta a temperabilidade. Aumente a temperatura de superaquecimento. Causa resistência ao amolecimento por revenido (acentuado efeito de endurecimento secundário).
Após o resfriamento de um lingote, o aço se solidifica no estado austenítico. Durante o resfriamento, a 727 ° C , a austenita se decompõe, seja em ferrita + perlita , seja em perlita + cementita . A taxa de resfriamento assim como os elementos de liga têm grande importância na estrutura obtida e, portanto, nas propriedades do aço. De fato :
Geralmente :
Certos elementos químicos podem "prender" o carbono para formar carbonetos (por exemplo, titânio ou alumínio). Assim, evitam a formação de cementita.
A estrutura do aço pode ser modificada por tratamentos termomecânicos :
A metalurgia do pó consiste na compactação do pó do aço e aquecimento abaixo da temperatura de fusão, mas o suficiente para que os grãos sejam “soldados” ( sinterização ). Isso torna possível controlar a estrutura do aço e sua condição de superfície (em particular sem encolhimento ou encolhimento ), mas introduz porosidade .
Existem aços de baixa liga e de baixo carbono e, ao contrário, aços que contêm muitos elementos de liga (por exemplo, um aço inoxidável típico contém 8% de níquel e 18% de cromo em massa).
Cada país tem seu próprio método de designar aços. O diagrama ao lado mostra a designação europeia de acordo com as normas EN 10027-1 e -2. Este padrão distingue quatro categorias:
Eles são destinados à construção soldada, usinagem, dobra, etc. Nós distinguimos:
A designação destes aços inclui a letra que indica o tipo de utilização, seguida do valor do limite elástico mínimo ( R e ) expresso em megapascais (MPa). Observe que este é o valor de espessura baixo, a resistência diminuindo com a espessura.
Se for um aço fundido, a designação é precedida da letra G. A designação pode ser complementada por indicações adicionais (pureza, aplicação dedicada, etc. ).
Exemplos:
O teor de manganês é inferior a 1% e nenhum elemento de adição excede 5% em massa. A sua composição é mais precisa e pura e corresponde a utilizações previamente definidas.
Suas aplicações comuns são brocas ( brocas ), molas , eixos de transmissão , matrizes ( moldes ), etc.
Sua designação inclui a letra C seguida do teor de carbono multiplicado por 100. Se for um aço fundido, a designação é precedida da letra G.
Exemplos:
O teor de manganês é superior a 1% e nenhum elemento de adição deve exceder 5% em massa. Eles são usados para aplicações que requerem alta resistência.
Exemplos de designação padrão:
Pelo menos um elemento de adição excede 5% em massa, destinado a usos muito específicos, há aços ferramenta, refratários, maraging (resistência muito alta, usado na aeronáutica e para a fabricação de cascos subaquáticos. -Marinhos), Hadfields (desgaste muito alto resistência), Invar (baixo coeficiente de expansão ).
Um exemplo de designação padrão é "X2CrNi18-9" (isso é aço inoxidável ).
Aços especiais de alta velocidade (ARS, ou aços rápidos , HSS) fazem parte desta família.
Aços inoxidáveisEsses aços apresentam grande resistência à corrosão , oxidação a quente e fluência (deformação irreversível). São essencialmente ligados ao cromo , elemento que confere a propriedade anti-ferrugem, e ao níquel , elemento que confere boas propriedades mecânicas. Os aços inoxidáveis são classificados em quatro famílias: ferrítico, austenítico, martensítico e austeno-ferrítico. Os aços inoxidáveis austeníticos são os mais maleáveis e retêm essa propriedade em temperaturas muito baixas ( −200 ° C ).
Suas aplicações são múltiplas: química , nuclear , alimentícia , mas também cutelaria e equipamentos domésticos. Esses aços contêm pelo menos 10,5% de cromo e menos de 1,2% de carbono .
Aços multifásicosEsses aços são projetados de acordo com os princípios dos compósitos : por meio de tratamentos térmicos e mecânicos, o material é enriquecido localmente com certos elementos de liga . Obtém-se então uma mistura de fases duras e fases dúcteis , cuja combinação permite obter melhores características mecânicas. Podemos citar, por exemplo:
O aço é uma liga essencialmente composta por ferro, portanto sua densidade varia em torno da do ferro (7,32 a 7,86), dependendo de sua composição química e de seus tratamentos térmicos. A gravidade específica de um aço inoxidável austenítico é normalmente um pouco acima de 8, devido à estrutura do cristal. Por exemplo, a densidade de um aço inoxidável do tipo AISI 304 (X2CrNi18-10) é de aproximadamente 8,02.
Os aços têm um módulo de Young de cerca de 200 GPa (200 bilhões de pascal ), independentemente de sua composição. As outras propriedades variam enormemente dependendo de sua composição, do tratamento termomecânico e dos tratamentos de superfície a que foram submetidos.
O coeficiente de expansão térmica do aço é 11,7 × 10 -6 ° C -1 .
O tratamento termomecânico é a associação:
O tratamento de superfície envolve a mudança da composição química ou estrutura de uma camada externa de aço. Pode ser:
Veja também o artigo detalhado sobre tratamentos antidesgaste .
A soldabilidade dos aços é inversamente proporcional ao teor de carbono. Nem todos os tipos de aço têm a mesma soldabilidade e exibem diferentes graus de soldabilidade (consulte o artigo sobre soldagem ). Além disso, certos aços são intrinsecamente não soldáveis. Para que um aço seja soldável, é essencial que os siderúrgicos cuidem da soldabilidade dos aços que produzem desde o estágio de desenvolvimento, a fim de otimizar a implementação subsequente.
Por exemplo, deve-se observar que o código ASME ( American Society of Mechanical Engineers ), em seu volume específico para a construção de equipamentos sob pressão, exige que o certificado de conformidade de um aço utilizado mesmo como peça provisória soldada em caráter temporário em um trabalho sujeito ao referido código menciona inequivocamente a qualidade do “aço soldável”.
Pelo menos sete fatores determinam o custo de produção do aço:
O impacto dos seis primeiros requisitos pode ter um impacto de algumas dezenas de euros por tonelada em mais de 50% do preço base (o preço base é o preço do aço padrão em conformidade com o padrão e sem quaisquer opções), daí o importância, antes de fazer qualquer pedido, consultar o vendedor ou a siderúrgica (também conhecida como "forja" ou "fundição") com base em uma especificação técnica de compra elaborada de acordo com os requisitos técnicos contratuais e / ou administrativos . A 7 ª entretanto local não tem limite racional.
Novos tipos de aços especiais podem ser bioinspirados , por exemplo, imitando o princípio construtivo do osso. Assim, em 2016-2017, os pesquisadores produziram um osso imitando aço . Dentro do osso, as fibras de colágeno em nanoescala formam uma estrutura em camadas, cujas camadas são orientadas em direções diferentes. Em escalas milimétricas, o osso possui uma estrutura de migalhas organizada em uma treliça (conjunto ordenado) que o fortalece, evitando a propagação de fissuras em todas as direções e a partir de qualquer ponto. Dos metalúrgicos se inspiraram para produzir um aço nanoestruturado incluindo ligas diferentes (com durezas diferentes). Para ali se propagar, uma trinca deve seguir um caminho complexo e superar muitas resistências, pois as nano-peças flexíveis do conjunto absorvem a energia de tensões, mesmo repetidas, que podem até fechar as microfissuras logo após o seu aparecimento.
Aços leves (possivelmente " impressos em 3D ") tornam-se possíveis para criar pontes, robôs, espaçonaves ou submarinos ou veículos terrestres ou estruturas que queremos tornar mais resistentes a rachaduras ou mais exatamente à propagação de rachaduras com risco de levar a uma fratura do inteira.
“Ligas de ferro-carbono contendo mais de 2% de carbono constituem ferros fundidos. "
- Philibert et al. , Metalurgia de minério para material (Dunod, 2002), p. 660
“Ferros fundidos são ligas de ferro e carbono em quantidade superior a 2%. "
- Hazard et al. , Mémotech - Estruturas metálicas (Casteilla, 2000), p. 14
Porém, os valores retidos variam segundo os autores, entre 1,67 e 2,11%, dependendo se se baseia nos conteúdos habitualmente utilizados pelos fabricantes ou nos valores dos diagramas obtidos em laboratório.