Que tipos de aço podem ser endurecidos?

Qualquer tipo de aço que contenha uma grande quantidade de carbono é capaz de sofrer alterações. Isso também é conhecido como sendo temperado. Se o elemento não contiver carbono suficiente, a estrutura cristalina não poderá ser alterada e nenhuma quantidade de aquecimento alterará a composição do material.

O aço é um dos metais mais essenciais e emblemáticos do planeta. Da combinação de ferro e carbono, surge uma liga robusta, versátil e amplamente utilizada. Desde prédios, infraestrutura, caixas d'água, carros, máquinas, eletrodomésticos até utensílios simples como garfos e colheres, suas aplicações parecem não ter limites. Isso se deve às inúmeras propriedades desejáveis ​​que o aço possui. Uma dessas propriedades é a dureza, a capacidade de um material resistir à deformação induzida por indentação, impacto ou abrasão. No entanto, a dureza natural do aço nem sempre é suficiente para certas aplicações de engenharia, como estruturas de suporte de carga e peças de motores. É por isso que métodos foram desenvolvidos para aumentar significativamente a dureza juntamente com outras propriedades do aço. Esses métodos são conhecidos como endurecimento do aço.

O endurecimento do aço geralmente é realizado em produtos acabados e não em matérias-primas. Na usinagem CNC, o endurecimento do aço é um processo pós-usinagem que é realizado nas peças usinadas. Isso é feito por vários motivos. Em primeiro lugar, não é econômico endurecer um bloco inteiro de aço, pois uma grande porcentagem dele será removida no processo de usinagem. Além disso, o aço temperado é muito mais difícil de usinar, pois a dureza da peça dificulta a penetração da ferramenta.

Estruturas internas de aço e sua dureza

Nem todos os aços que vemos têm a mesma composição. Precisamente, existem diferentes composições de aço para diversos fins. A diferença entre os aços se resume a suas estruturas internas. À medida que a necessidade de metais mais fortes para suportar cargas aumentou, tornou-se necessário endurecer o aço. O aço em sua forma mais básica tem resistência e dureza relativamente baixas. No entanto, uma modificação de suas estruturas internas produz resultados impressionantes em sua resistência e dureza. O endurecimento do aço consiste simplesmente em processos projetados para favorecer a formação de uma estrutura interna específica em vez de outra. As estruturas internas de aço incluem

Martensita

É a forma mais dura da estrutura cristalina interna do aço. O resfriamento rápido do ferro austenítico forma a martensita. Devido à sua rápida taxa de resfriamento, o carbono fica preso em uma solução sólida que faz com que a peça endureça. É extremamente duro e quebradiço. A martensita tem uma microestrutura acicular em forma de agulha que aparece como placas lenticulares ou plaquetas que dividem e subdividem os grãos da fase original, sempre se tocando, mas nunca se cruzando. Essa estrutura ocorre em um grande número de sistemas de ligas, incluindo Fe-C, Fe-Ni-C.

Austenita

A austenita é a próxima estrutura interna de aço mais dura depois da martensita. Refere-se a ligas de ferro em que o ferro é gama. Geralmente aparece abaixo de 1500ºC e acima de 723ºC.

perlita

A perlita é diferente da martensita, pois a estrutura da perlita é formada por resfriamento lento. É um arranjo laminar de ferrita e cementita. A 723ºC, o ferro gama se transforma de sua estrutura FCC em ferro alfa, forçando o carboneto de ferro (cementita) a sair da solução.

Métodos de endurecimento do aço

Existem vários métodos para realizar o endurecimento do aço. Esses métodos podem ser térmicos, mecânicos, químicos ou uma combinação de dois ou mais deles. Os processos de endurecimento térmico são os métodos mais comuns de endurecimento do aço. Eles geralmente envolvem três etapas principais, que são aquecer o aço, mantê-lo em uma determinada temperatura e resfriá-lo. A primeira etapa geralmente envolve o aquecimento do metal a uma temperatura muito alta para induzir mudanças estruturais dentro dele. Isso também facilita o trabalho no metal, como alterar sua forma. Os diferentes métodos de endurecimento do aço são

trabalho a frio

O trabalho a frio geralmente altera as propriedades do aço ou dos metais. Este método de endurecimento do aço envolve simplesmente deformar um metal a uma temperatura abaixo do seu ponto de fusão. Propriedades como limite de escoamento, resistência à tração e dureza aumentam, enquanto a plasticidade e a deformabilidade do material diminuem. O encruamento, que resulta do acúmulo e emaranhamento de discordâncias durante a deformação plástica, é uma forma essencial de fortalecimento de membros. Embora cerca de 90% da energia durante o trabalho a frio seja dissipada como calor, o restante é armazenado na rede cristalina, aumentando assim sua energia interna.

Endurecimento de Liga Sólida

O endurecimento por solução é a adição de um elemento de liga ao metal base para criar uma solução sólida. Após a solidificação, o metal endurece devido à presença dos átomos da liga na rede cristalina do metal base. A diferença de tamanho entre os átomos do soluto e do solvente afeta a eficácia da solução sólida. Se o átomo de soluto for maior que o átomo de solvente, campos de deformação compressivos são produzidos. Em vez disso, se o átomo do solvente for maior que os átomos do soluto, são produzidos campos de deformação de tração. Átomos de soluto distorcendo a rede em uma estrutura tetragonal causam um endurecimento rápido. Um exemplo óbvio é o efeito da cementita no aço.

têmpera e têmpera

Na têmpera, também chamada de transformação martensítica, o aço é aquecido acima da temperatura crítica até a faixa da austenita, mantido nessa temperatura e, em seguida, resfriado rapidamente ou, mais frequentemente, resfriado em água, óleo ou água. Para aços hipoeutetóides, a temperatura de aquecimento é 30-50ºC acima do limite da linha de solubilidade da austenita. Para aços hipereutetóides, a temperatura está acima da temperatura eutetóide. O resfriamento causa transformação martensítica, que endurece consideravelmente o aço. No entanto, o aço endurecido é muito frágil. Portanto, o revenimento é necessário para aliviar as tensões internas e reduzir a fragilidade. A dureza máxima é obtida quando a taxa de têmpera é rápida o suficiente para garantir a transformação completa da martensita.

Endurecimento da caixa (em caixa)

Como o próprio nome sugere, o endurecimento da caixa cria uma superfície dura, necessária para resistir ao desgaste em aplicações como virabrequins, rolamentos e similares. Este método de endurecimento do aço geralmente envolve uma das três abordagens:

Indução e endurecimento por chama

Este é um tratamento térmico diferencial da superfície. A superfície aquece rapidamente para evitar que o centro do material seja afetado. O material então sofre resfriamento muito mais rápido. Desta forma, um alto nível de martensita é desenvolvido na superfície.

Endurecimento por difusão (nitretação)

É uma alteração da composição da área de superfície. Partículas finas se dispersam permitindo que gases selecionados reajam e se difundam no aço. Neste processo, o aço é tratado termicamente para obter uma estrutura martensítica temperada. Ele é então exposto a uma atmosfera de amônia a cerca de 550°C por 12-36 horas. Pequenos elementos de liga, como Al ou Crenhance, favorecem a formação de uma fina dispersão de nitretos, que aumentam significativamente a dureza superficial e a resistência ao desgaste. Esta composição de nitreto é muito superior à martensita em termos de dureza.

carburação

Consiste em expor o aço a uma atmosfera carbonácea em alta temperatura. A atmosfera carbonácea pode ser gerada a partir de carvão de alta qualidade ou gás natural dissociado. Os átomos de carbono se difundem na subsuperfície do metal, resultando em uma caixa de alto teor de carbono que, após resfriamento subsequente, cria uma superfície martensítica dura e resistente ao desgaste.

Testes de dureza do aço

A dureza não tem uma unidade de medida específica. Em vez disso, é descrito por números de índice. Existem vários testes de dureza e o índice utilizado para descrever a dureza de um material depende do teste utilizado. Alguns testes de dureza comuns são

Teste de dureza Brinell

Neste teste, uma esfera de aço de diâmetro conhecido é aplicada como carga na superfície do material. O número de dureza Brinell (BHN) é então calculado usando a fórmula na tabela abaixo. O diâmetro da impressão resultante é medido; juntamente com o diâmetro da esfera de aço, o BHN é calculado.

Teste de dureza Vickers

No teste de dureza Vickers, a carga é uma pirâmide de diamante com base quadrada. Essa carga é aplicada na superfície do material por cerca de 30 segundos. A área da impressão piramidal é calculada e usada para calcular a dureza do metal.

Teste de microdureza Knoop

Este teste de dureza é específico para chapas finas ou materiais muito frágeis. Uma ponta de diamante piramidal cria um recuo muito pequeno no material. A indentação feita é então estudada ao microscópio e usada para calcular a dureza do material.

Teste de dureza Rockwell

A dureza Rockwell foi desenvolvida para medir a diferença na dureza do aço antes e depois do tratamento térmico. O penetrador pode ser uma esfera de aço ou um penetrador esférico de diamante. A dureza é medida determinando a profundidade de penetração no material. Duas cargas são normalmente aplicadas. Uma carga mais baixa para fazer uma impressão inicial e uma carga mais alta para causar a penetração principal.

Tipos de aço que podem ser endurecidos

O American Iron and Steel Institute (AISI) classifica o aço em quatro grupos principais:

aços carbono

Aços de liga

Aços inoxidáveis

aços ferramenta

Os elementos básicos do aço são o ferro e o carbono. No entanto, quantidades variáveis ​​de carbono e outros elementos de liga determinam as propriedades de cada grau. O teor de carbono de qualquer aço determina sua temperabilidade, bem como sua dureza máxima atingível. Isto é especialmente verdadeiro no caso de têmpera, uma vez que o carbono favorece a formação de martensita.

Aço carbono (UNS G{{0}}G15900, DIN 1.0xx)

Os aços carbono são ligas de ferro que contêm até 2% de carbono. Eles geralmente contêm oligoelementos de liga que melhoram certas propriedades. Com base na quantidade real de carbono que eles contêm, os aços carbono podem ser classificados em aços de baixo carbono, aços de médio carbono e aços de alto carbono.

aço de baixo carbono

Também conhecido como aço macio, contém entre {{0}},08 e 0,35 por cento de carbono. Devido ao seu baixo teor de carbono, os aços de baixo carbono não endurecem por resfriamento. No entanto, eles podem ser endurecidos por cementação.

aços de médio carbono

Esses aços contêm entre {{0}},35% e 0,5% de carbono. Eles são mais fortes que os aços de baixo carbono, mas são mais difíceis de trabalhar. Aços de médio carbono são facilmente endurecidos por têmpera. Quando ligado com traços de manganês, sua temperabilidade aumenta. Aços de carbono médio também são cementados para aplicações onde a resistência ao desgaste é crítica, como virabrequins.

aços de alto carbono

Aços de alto carbono contêm mais de 0,5 por cento de carbono. Este tipo de aços são muito endurecíveis devido ao alto teor de carbono. Eles geralmente são endurecidos por têmpera. No entanto, isso os torna bastante quebradiços, portanto, o revenimento é necessário.

Aços de liga (UNS G13300-G98500, DIN 1.2xxx)

Além do teor de carbono, a composição química é outro fator que afeta a temperabilidade dos aços. Os aços de liga contêm quantidades variadas de cobre, níquel, manganês, boro e vanádio. Esses aços são altamente endurecíveis por têmpera. Isso ocorre porque os elementos de liga retardam a decomposição da austenita, formando assim facilmente a martensita em aços-liga. O endurecimento em solução sólida também é uma maneira eficiente e comum de endurecer ligas de aço.

Aços inoxidáveis ​​(UNS S00001-S99999, DIN 1.4xxx)

Os aços inoxidáveis ​​são aços que contêm entre 10 e 20 por cento de cromo como principal elemento de liga. São altamente resistentes à corrosão e à erosão. Dependendo de sua estrutura e composição, os aços inoxidáveis ​​podem ser classificados como

Austenítico

Os aços austeníticos normalmente contêm ferro, 18% de cromo, 8% de níquel e menos de 0,8% de carbono. Eles são o tipo de aço inoxidável mais utilizado. Os aços austeníticos não são magnéticos ou tratáveis ​​termicamente. No entanto, eles são facilmente endurecidos por trabalho a frio.

Ferríticos

Esses aços normalmente contêm menos de 0,1 por cento de carbono, entre 12 e 17 por cento de cromo e vestígios de níquel. Os aços ferríticos são magnéticos, mas não podem ser endurecidos por tratamento térmico. O trabalho a frio é um método eficaz de endurecê-los.

martensítico

Devido às suas estruturas internas, os aços martensíticos são bastante duros. Esses aços contêm até 1,2 por cento de carbono, mais 12-17 por cento de cromo. Devido ao seu teor de carbono relativamente alto, os aços martensíticos são facilmente endurecidos por tratamento térmico.

Duplex

Os aços duplex têm microestruturas ferríticas e austeníticas. Esses aços são endurecidos por tratamento térmico ou cementação.

Endurecimento por Precipitação

Os aços endurecidos por precipitação são aços inoxidáveis ​​que contêm cromo, níquel e outros elementos de liga, como cobre, alumínio e titânio. Esses elementos de liga permitem que o aço inoxidável seja endurecido por tratamento térmico de solução e envelhecimento. Podem ser austeníticos ou martensíticos.

Aços ferramenta (UNS T00001-T99999; DIN 1.23xx, 1.27xx, 1.25xx)

Como o nome sugere, os aços ferramenta são comumente usados ​​na fabricação de ferramentas, como ferramentas de corte e perfuração. Eles geralmente contêm tungstênio, cobalto, vanádio e molibdênio. Essas ferramentas podem ser endurecidas por trabalho a frio e também por tratamentos térmicos, como têmpera.

Tipos de aço e seu método de endurecimento mais adequado