Composição do aço: elementos químicos, práticas de liga e especificações

Ferro, carbono e a definição de aço

O aço é uma liga à base de ferro na qual o carbono é o principal elemento de liga. O carbono se dissolve na rede cristalina do ferro e, dependendo do tratamento térmico, se distribui de maneiras que resultam em uma ampla variedade de microestruturas e propriedades mecânicas. O limite superior de carbono para o aço é geralmente considerado como 2,1% em peso; acima desse valor, a liga se solidifica com carbonetos primários e é classificada como ferro fundido, com características de processamento fundamentalmente diferentes.

Na gama de aços, o teor de carbono é a principal variável que determina a resposta ao tratamento térmico. Os aços de baixo carbono são tenazes e soldáveis, mas não se endurecem significativamente. Os tipos de alto carbono atingem alta dureza e resistência após o resfriamento rápido, mas tornam-se progressivamente mais difíceis de soldar e mais sensíveis à fratura frágil se os procedimentos térmicos não forem cuidadosamente controlados.

Elementos de liga no aço

Além do carbono, a maioria dos aços comerciais contém elementos adicionais incorporados intencionalmente para alcançar resultados metalúrgicos específicos. A seleção e o equilíbrio desses elementos são o que diferenciam um aço estrutural macio de um aço inoxidável duplex, de um aço de grau criogênico ou de um aço para vasos de pressão resistente à fluência.

O manganês está presente em praticamente todos os tipos de aço de qualidade comercial. Ele atua como desoxidante durante a produção do aço, melhora a temperabilidade e se combina com o enxofre para formar sulfeto de manganês, que é significativamente menos prejudicial às propriedades do que o sulfeto de ferro. O cromo, em teores superiores a aproximadamente 10,5% em peso, forma a película de óxido passiva que confere aos aços inoxidáveis sua resistência à corrosão; em concentrações mais baixas, contribui para a temperabilidade e a resistência ao desgaste. O níquel melhora a tenacidade e a resistência ao impacto em baixas temperaturas e abaixo de zero, tornando-o o elemento essencial em aços para aplicações criogênicas e em serviços árticos. O molibdênio aumenta a resistência a altas temperaturas e a resistência à fluência, sendo um elemento padrão em aços para vasos de pressão e instalações que operam em temperaturas elevadas. O vanádio e o nióbio, eficazes em concentrações muito baixas, são refinadores de grãos e endurecedores por precipitação; são os aditivos característicos nas modernas classes de aço de alta resistência e baixa liga (HSLA), nas quais se obtêm aumentos significativos de resistência sem elevar o teor de carbono. O silício atua principalmente como desoxidante, embora, em níveis mais elevados, seja utilizado para ajustar as propriedades magnéticas em aços elétricos.

O fósforo e o enxofre também estão presentes em todos os aços, não como adições intencionais, mas como impurezas do processo introduzidas pelas matérias-primas. Ambos prejudicam as propriedades mecânicas quando estão acima de níveis vestigiais e são controlados dentro de limites máximos definidos em todas as classes de aço para engenharia. As práticas modernas de produção de aço mantêm esses elementos em níveis baixos o suficiente para que seu efeito sobre as propriedades seja insignificante na grande maioria das aplicações.

A tabela abaixo resume esses elementos, suas funções e as faixas de composição típicas da prática comercial.

Tabela 1. Principais elementos na composição do aço, suas funções e faixas indicativas de porcentagem em peso. Os valores refletem a prática comercial usual; os limites das especificações são definidos pela norma aplicável ao produto.

Como a composição do aço é especificada e relatada

Análise térmica e análise de produtos

A composição do aço é relatada em duas etapas da produção. A análise da fornada, também chamada de análise da concha, é realizada no aço fundido durante ou imediatamente após a fusão e representa a composição da fornada como um todo. A análise do produto é realizada no produto laminado ou forjado acabado. Como os elementos podem se segregar durante a solidificação, a análise do produto pode diferir ligeiramente da análise da fornada, e as normas do produto definem o desvio permitido entre as duas. Ambas as análises são relatadas no certificado de ensaio de material que acompanha o produto.

Para os engenheiros responsáveis pela verificação do material recebido, o certificado de composição é o documento principal. Compará-lo com a tabela de composição da norma aplicável, elemento por elemento, é uma etapa simples, mas importante, na qualificação de materiais.

O equivalente de carbono como ferramenta prática

Como vários elementos de liga influenciam o comportamento do aço de maneiras qualitativamente semelhantes às do carbono, um parâmetro combinado chamado equivalente de carbono (CE) é utilizado na engenharia de soldagem para avaliar os requisitos de pré-aquecimento e o risco de fissuração induzida por hidrogênio. A versão mais amplamente utilizada combina o carbono com as contribuições ponderadas do manganês, cromo, molibdênio, vanádio, níquel e cobre. O CE é calculado diretamente a partir do certificado de composição e é um dos usos práticos mais comuns dos dados de composição para engenheiros envolvidos na fabricação e na qualificação de procedimentos de soldagem.

Um aço com baixo CE geralmente pode ser soldado sem pré-aquecimento em seções de dimensões moderadas. À medida que o CE aumenta, o pré-aquecimento torna-se necessário para diminuir a taxa de resfriamento na zona afetada pelo calor e reduzir o risco de fissuração. As temperaturas específicas de pré-aquecimento exigidas para um determinado CE e espessura de seção estão descritas nas normas de soldagem e são um tema que será abordado nos guias de engenharia da Total Materia, onde a metalurgia da soldagem é tratada no contexto prático da seleção de classes de aço e do planejamento da fabricação.

Composição, Propriedades e Equivalência

A composição define o potencial de um aço; o processamento térmico e mecânico determina em que ponto desse potencial o produto acabado se situa. A
composição também é a base principal para avaliar se duas classes de normas nacionais diferentes são genuinamente equivalentes. A correspondência de nomes entre uma classe ASTM e uma classe EN não é um indicador confiável de verdadeira equivalência; o que é, sim, uma comparação direta dos limites de composição e dos requisitos de propriedades mecânicas.