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A introdução de outros elementos de liga nos aços-carbono e feita quando se deseja um ou diversos dos seguintes efeitos:
a) aumentar a dureza e a resistência mecânica;
b) conferir resistência uniforme através de toda a secção em peças de grandes dimensões;
c) diminuir o peso (conseqüência do aumento da resistência), de modo a reduzir a inércia de uma parte em movimento ou reduzir a carga-morta em um veículo ou numa estrutura;
d) conferir resistência à corrosão;
e) aumentar a resistência ao calor;
f) aumentar a resistência ao desgaste;
g) aumentar a capacidade de corte;
h) melhorar as propriedades elétricas e magnéticas.
Os três primeiros requisitos são alcançados porque os elementos de liga, como se viu, aumentam a resistência da ferrita e formam ainda outros carbonetos, ale do Fe3C, contribuindo para a melhora da resistência do aço, sobretudo em secções que, se se tratasse de aços-carbono comum, dificilmente teriam a resistência alterada.
Geralmente esse aumento da resistência é conseguido pela adição de um ou vários elementos de liga em teores relativamente baixos, não ultrapassando sua soma o valor de 5%. Nessas condições, os princípios fundamentais dos tratamentos térmicos permanecem porque, ainda que a presença de novos elementos de liga obrigue a um ajuste nas temperaturas dos tratamentos, a transformação da austenita e as estruturas resultantes são as mesmas que ocorrem nos aços-carbono.
A obtenção dos outros característicos, de d a h, requer a introdução dos elementos de liga em teores mais elevados, produzindo-se alterações mais profundas na ferrita, além de resultarem carbonetos mais complexos. Neste caso, os tratamentos térmicos também devem ser mudados, para facilitar muitas vezes a formação dos carbonetos especiais.
Esses aços de alto teor em liga são mais difíceis de fabricar e tratar termicamente de modo que são muito despendiosos, mesmo porque alguns dos elementos de liga utilizados são relativamente raros.
De quantidade total de aços-liga produzida, cerca de 60% pertence à série 86XX, com três elementos de liga (Ni, Cr e Mo) em baixos teores.
5.1- Tendência da distribuição dos elementos de liga nos aços recozidos
Como se sabe, nos aços recozidos, os dois microconstituintes essenciais são:
- ferrita – isto é, ferro alfa contendo elementos dissolvidos;
- carboneto – essencialmente a cementita ou carboneto de ferro contendo elementos dissolvidos ou carbonetos especiais contendo ferro e elementos de liga.
Os aços contém ainda pequenas quantidades de materiais não metálicos, na forma de partículas diversas. Essas inclusões, nos aços comerciais, são geralmente partículas de certas substâncias mineralógicas, como óxidos complexos, sulfetos, nitretos, silicatos, etc. Convém lembrar, por outro lado, que tais dispersões finamente divididas servem para evitar excessivo crescimento de grão.
Um quarto tipo de constituinte, presente em certas circunstâncias, é representado por compostos intermetálicos especiais. Nos aços, entretanto, tais compostos são muito raros.
Finalmente, um quinto constituinte presente pode ser representado pelo próprio elemento de liga adicionado; por exemplo: cobre ou chumbo.
Lembrados esses fatos, deve-se fazer referência à tabela 2, apresentada no capítulo III, a qual, numa primeira aproximação, mostra a tendência geral de distribuição de vários elementos de liga nos aços esfriados lentamente.
Os elementos indicados, com exceção do cobre e do chumbo, tendem, na ausência do carbono, a se dissolver na ferrita, a não ser pequenas quantidades que podem aparecer como inclusões não-metálicas.
Por outro lado, a tendência formadora de carbonetos desses elementos só se revelará na presença de teores apreciáveis de carbono.
Dos elementos que se consideram em definitivo como formadores de carbonetos, o manganês é talvez o mais fraco. A tendência geral nesse sentido se manifesta mais ou menos na seguinte ordem de intensidade crescente: Mn, Cr, Mo, W, Ta, V, Nb e Ti. Os que apresentam menor tendência do que o ferro para combinar-se com o carbono formando carbonetos são: Si, Al, Cu, Ni, Co e talvez Zr. A posição do Mo é considerada incerta.
5.2 – Efeito dos elementos de liga sobre a ferrita
A figura 112 mostra a ação relativa de diversos elementos de liga quando dissolvidos na ferrita, no sentido de aumentar a sua dureza (e, portanto, a resistência mecânica) antes mesmo de qualquer tratamento térmico. Esse aumento de resistência não é acompanhado por sensível decréscimo da ductilidade, como acontece quando se verifica aumento de dureza ou resistência devido a modificações estruturais.
- Efeito endurecedor dos elementos de liga na presença de carbonetos – A figura 113 mostra comparativamente o efeito endurecedor na ferrita do manganês e do cromo em ligas isentas de carbono e com 0,1% deste elemento. As faixas para as ligas contendo 0,1% de carbono indicam que os dados experimentais que levaram à determinação das curvas não são suficientes nem tão precisos quanto seria desejado. De qualquer modo, a figura confirma o efeito endurecedor dos elementos indicados, devido à sua solução na ferrita, como já foi explicado.
Fig. 112 - Ação relativa de alguns elementos de liga que se dissolvem na ferrita, no sentido de aumentar a sua dureza.
Fig. 113 – Curvas mostrando o aumento da dureza causado pela presença de cromo e de manganês em ferro puro e em aço com 0,1% (faixa). Pela disposição das linhas e das faixas, verifica-se que o efeito endurecedor do cromo e do manganês deve também ser atribuído à solução desses elementos na ferrita.
5.3 – Efeito dos elementos de liga nos carbonetos
O segundo dos constituintes básicos dos aços esfriados é o carboneto; é conhecida a influência sobre as propriedades dos aços da quantidade, assim como da forma e da finura da dispersão das partículas de carboneto.
Por outro lado, sendo todos os carbonetos encontrados nos aços muito frágeis e relativamente muito duros, sua influência sobre as propriedades de tração dos aços, obtido normalmente, é idêntica, independentemente das suas composições específicas, desde, é claro, que suas partículas apresentem as mesmas condições de dispersão.
Entretanto, as propriedades especiais podem ser conferida aos aços pela presença de carbonetos especiais.
De qualquer modo, sob o ponto de vista de propriedades mecânicas, sobretudo às relativas à tração, as mudanças de composição dos carbonetos pouco interesse apresentam.
A fase carboneto é pouco modificada pelo níquel, silício ou alumínio, a não ser que a grafitização seja acelerada pela sua presença, desde que haja ou não pequena porcentagem de elementos formadores de carbonetos.
Dos elementos conhecidos como formadores de carbonetos, com exceção do manganês, cuja tendência formadora de carbonetos é apenas ligeiramente superior à do ferro, somente uma pequena quantidade daqueles elementos citados é aceita pela cementita ou pelos cristais de Fe3C, formando-se assim novos carbonetos relativamente complexos, tais como (FeCr)3, contendo até cerca de 15% de Cr, (CrFe)7C3, contendo um mínimo de 36% de Cr, (FeMo)6C, (FeW)6C, (VFe)4C3, etc.
Em resumo, de um modo geral, as partículas de carbonetos, quando sua dispersão for semelhante, atuam no mesmo sentido, diferenciando-se apenas na resistência à tração, assim como nas propriedades especiais que podem conferir aos aços, dependendo da sua composição química.
5.4 – Efeito dos elementos de liga na forma de inclusões não-metálicas
Geralmente inclusões não-metálicas de grandes dimensões são indesejáveis, ao passo que dispersões muito finas podem ser benéficas ou prejudiciais. O nitreto de alumínio, por exemplo, exerce grande e importante controle sobre o crescimento da austenita. O maior interesse nas inclusões não-metálicas relaciona-se com o seu efeito no sentido de melhorar a usinabilidade dos aços recozidos, como, por exemplo, através de criteriosa presença do sulfeto de manganês na forma de pequenas tiras alongadas.
A grafita é igualmente considerada uma forma de inclusão não-metálica nos aços, às vezes desejada para conferir certas particularidades e propriedades em alguns tipos de aços de alto carbono.
5.5 – Efeito dos elementos de liga na forma de compostos intermetálicos
Considerando-se os nitretos como compostos intermetálicos, eles constituirão o exemplo mais importante da formação de tais compostos. De fato, certos aços ao alumínio para nitretação apresentam a formação de uma dispersão de partículas duras de grande finura, constituídas de AIN, levando a notável endurecimento do aço.
5.6 – Efeito dos elementos de liga na forma de partículas metálicas dispersas
Os dois exemplos importantes referem-se ao cobre e ao chumbo. O cobre, que é solúvel em apreciáveis proporções no ferro gama, dissolve-se na ferrita, a 810 graus C, em porcentagem inferior a 2% a 593 graus C sua solubilidade na ferrita é provavelmente inferior a 0,3%. Assim sendo, o cobre dissolvido a altas temperaturas é rejeitado na forma de partículas quase que inteiramente puras, a temperaturas inferiores, ocasionando, em aços com 1,5% a 1,75% de cobre, endurecimento por precipitação. O chumbo, em aços com cerca de 0,25% desse elemento, produz o conhecido efeito de aumentar a sua usinabilidade, devido ao fato de diminuir a formação de cavacos alongados.
