Guia Completo sobre Aço-Carbono: Propriedades e Tratamentos

Definição de aço-carbono: é uma liga Fe-C que contém entre 0,008% e 2,1% de carbono e, ainda, alguns elementos residuais do processo de fabricação, como o fósforo, enxofre, silício e manganês.

Considerações:

• Empregado na maior parte das construções metálicas.
• Corresponde a 90% dos materiais metálicos produzidos.
• Baixo preço em relação à resistência mecânica.
• Para uso prático, os aços apresentam entre 0,05% e 1,5% de C.
• O limite de resistência à tração dos aços-carbono pode variar de 32 a 60 kgf/mm².
• O limite de escoamento dos aços-carbono pode variar de 17 a 27 kgf/mm².

Definições do diagrama Fe-C:

• Aços hipoeutetóides: Aços com teor de carbono menor que 0,8%.
• Aços eutetóides: Aços com teor de carbono igual a 0,8%.
• Aços hipereutetóides: Aços com teor de carbono entre 0,8% e 2,1%.
• Ferro α (Alfa): Cristalização cúbica de corpo centrado (CCC), magnética e praticamente não dissolve carbono em solução sólida. É bastante macia e se apresenta estável abaixo da temperatura de 910 ºC.
• Ferro γ (Gama): Cristalização cúbica de face centrada (CFC), não magnética, dissolve até 2,1% de carbono em solução sólida. Apresenta-se estável em temperaturas entre 910 ºC e 1390 ºC.
• Ferrita: Solução sólida de carbono em ferro α.
• Austenita: Solução sólida de carbono em ferro γ.
• Cementita: Composto químico (carboneto de ferro - Fe₃C) contendo 93,33% de Fe e 6,67% de C, com dureza elevada e quebradiço.
• Perlita: Misto de Ferrita e Cementita.
• Martensita: Solução sólida supersaturada de carbono em ferro α. Decorrente do resfriamento rápido da Austenita.
• Bainita: Agregado de Ferrita e um carboneto muito fino (Cementita). Sua formação depende do tipo de resfriamento ou dos elementos da liga.

Curvas TTT - Determinação das curvas:

• Geradas através de estudos experimentais.
• Várias amostras de aço eutetóide com pequenas seções.
• Amostras mantidas em temperaturas abaixo da zona crítica.
• Em cada temperatura, aguarda-se um tempo de transformação diferente para cada amostra.
• Avaliação micrográfica para determinar o início e o fim das transformações.
• Geração das curvas a partir dos dados levantados.

1) Fatores que influenciam nas curvas:

• Composição química: Em geral, os elementos de liga e o %C retardam a transformação da Austenita, deslocando a curva para a direita e favorecendo a formação de Martensita.
• Tamanho do grão: Quanto maior for o grão, maior o tempo de transformação; o tamanho do grão desloca a curva para a direita.
• Homogeneidade da Austenita: A homogeneidade desloca a curva para a direita.

1) Tratamentos térmicos para os aços-carbono:

• A) Recozimento: Consiste na austenitização do aço (aprox. 50 ºC acima de A₃ ou A₁), seguido de um resfriamento lento, obtendo-se os produtos normais de transformação. Objetivo: Remover tensões oriundas de tratamento mecânico; diminuir a dureza e aumentar a ductilidade; regularizar a textura bruta de fusão; eliminar os efeitos de tratamentos térmicos anteriores.
• B) Normalização: Consiste na austenitização do aço (aprox. 50 ºC acima de A₃ ou A_cm), seguido de um resfriamento mais rápido que o do recozimento, normalmente ao ar, obtendo-se também os produtos normais de transformação, porém com uma granulação mais refinada. Objetivo: Os mesmos do recozimento; a granulação mais fina melhora as propriedades mecânicas em relação ao recozimento.
• C) Têmpera: Consiste na austenitização do aço (aprox. 50 ºC acima de A₃ ou A₁), seguido de um resfriamento com rapidez suficiente para evitar a transformação da austenita nos produtos normais. Objetivos: Obtenção da martensita (limite de resistência à tração elevado, dureza elevada, baixa tenacidade e presença acentuada de tensões residuais).
• D) Revenido: Consiste num aquecimento abaixo da zona crítica, numa temperatura específica, seguido do resfriamento. Feito logo após a têmpera e visa corrigir os inconvenientes da mesma. Objetivos: Obtenção da martensita revenida (dureza um pouco menor, maior tenacidade e diminuição das tensões residuais).
• E) Martêmpera: Idêntico à têmpera. Porém, antes do início da formação de martensita, o resfriamento é interrompido por alguns segundos para que a temperatura do centro e da superfície da peça fiquem iguais. Objetivos: Obtenção de martensita com menor concentração de tensões residuais.
• F) Austêmpera: Tratamento de resfriamento isotérmico (não contínuo) que consiste na austenitização do aço (aprox. 50 ºC acima de A₃ ou A₁), seguido de um resfriamento rápido até certa temperatura para evitar a transformação da Austenita nos produtos normais. Em seguida, é feito um resfriamento isotérmico nesta temperatura, seguido de um resfriamento contínuo ao ar. Objetivos: Obtenção da Bainita (teor > 0,5% C ou Mn), proporcionando boas propriedades mecânicas e ausência de tensões residuais.

2) Tratamentos termoquímicos para Fe-C:

São tratamentos que visam o endurecimento superficial através da modificação parcial da composição química dos aços.

• A) Cementação: Consiste na introdução de carbono na superfície dos aços com baixo teor. Em seguida, realiza-se a têmpera do mesmo, visando a formação de martensita.
• B) Nitretação: Tratamento precedido de têmpera e revenido (entre 600 ºC e 700 ºC). Consiste no aquecimento do aço num ambiente nitrogenoso, com o objetivo de formar nitretos complexos de elevada dureza na superfície do aço.
• C) Cianetação: Consiste no aquecimento em uma temperatura adequada, num banho de sal de cianeto fundido, acarretando um enriquecimento superficial de carbono e nitrogênio. Em seguida, é feito um resfriamento em água.
• D) Carbo-nitretação: Consiste no aquecimento do aço numa atmosfera carbo-nitretante.
• E) Boretação: Consiste na introdução de boro para formação de boreto de ferro.

3) Aplicação dos aços-carbono:

• Efeito da composição química.
• Soldabilidade e tratamentos térmicos.
• Efeitos da temperatura (baixa e elevada) nos aços-carbono.
• Tipos de aço-carbono (baixo carbono, médio carbono, para baixas temperaturas, de qualidade estrutural, de alta resistência).
• Corrosão.