O que torna o aço forte e durável? O segredo está em sua composição química. Este artigo analisa os efeitos de 19 elementos diferentes, como carbono, silício e manganês, nas propriedades do aço. Desde o aumento da força e da tenacidade até o efeito sobre a soldabilidade e a resistência à corrosão, você descobrirá como cada elemento desempenha um papel crucial. Mergulhe de cabeça para entender como a combinação certa de elementos pode adaptar o aço para várias aplicações, fornecendo uma visão da engenharia de materiais.
O papel do carbono no aço é um equilíbrio delicado. Por um lado, como o teor de carbono aumenta, o limite de escoamento e a resistência à tração do aço aumentam, mas, por outro lado, sua plasticidade e resistência ao impacto diminuem.
Como resultado, o teor de carbono deve ser adaptado ao uso pretendido do aço. Quando o teor de carbono excede 0,23%, o desempenho da soldagem se deteriora significativamente, e é por isso que o teor de carbono do aço estrutural de baixa liga usado para soldagem não deve exceder 0,20%.
Além disso, o teor excessivo de carbono reduz a resistência do aço à corrosão atmosférica, tornando o aço com alto teor de carbono vulnerável à corrosão em ambientes ao ar livre.
Entretanto, o alto teor de carbono não é totalmente negativo, pois também pode melhorar a fragilidade do aço a frio e a sensibilidade ao envelhecimento.
O silício é adicionado como agente redutor e desoxidante durante o processo de fabricação do aço, resultando em um aço que contém 0,15-0,30% de silício. Quando o teor de silício excede 0,50-0,60%, ele é considerado um elemento de liga.
O silício pode aumentar significativamente o limite elástico, resistência ao escoamentoe resistência à tração do aço e, portanto, é amplamente utilizado em aços para molas, como 65Mn e 82B, que contêm 0,15-0,37% de silício.
Adição do silício 1.0-1.2% ao temperado e revenido o aço estrutural pode aumentar sua resistência em 15-20%.
Além disso, quando combinado com elementos como molibdênio, tungstênio e cromo, o silício melhora a resistência à corrosão e à oxidação do aço e é usado para produzir aço resistente ao calor.
O aço de baixo carbono contendo 1,0-4,0% de silício tem uma permeabilidade magnética extremamente alta e é usado para fabricar chapas de aço silício no setor elétrico.
No entanto, o silício tem a desvantagem de reduzir o desempenho de soldagem do aço.
Durante o processo de fabricação de aço, o manganês atua como um bom desoxidante e dessulfurizador, e o aço normalmente contém 0,30-0,50% de manganês.
Se mais de 0,70% de manganês for adicionado ao aço carbono, ele será considerado "aço manganês".
Esse tipo de aço tem não apenas a tenacidade adequada, mas também maior resistência e dureza do que o aço comum. O manganês melhora a temperabilidade e a capacidade de trabalho a quente do aço; por exemplo, o limite de escoamento do aço 16Mn é 40% maior do que o do aço A3.
O aço contendo manganês 11-14% tem resistência extremamente alta ao desgaste e é usado em aplicações como caçambas de escavadeiras e revestimentos de moinhos de bolas. No entanto, o alto teor de manganês também tem desvantagens.
Quando o teor de manganês é alto, o aço fica mais propenso à fragilidade por têmpera. O manganês promove o crescimento de grãos, o que deve ser levado em consideração durante o tratamento térmico. Quando a fração de massa de manganês excede 1%, o desempenho de soldagem do aço diminui.
O enxofre é um elemento nocivo no aço, proveniente do minério de fabricação de aço e do coque combustível. No aço, o enxofre existe na forma de FeS e forma compostos com Fe que têm um ponto de fusão baixo (985 °C), enquanto a temperatura de trabalho a quente do aço é normalmente de 1150 a 1200 °C.
Como resultado, durante o trabalho a quente, o composto FeS derrete prematuramente, causando rachaduras na peça de trabalho, um fenômeno conhecido como "fragilidade a quente". Quanto maior o teor de enxofre, mais grave será a fragilidade a quente, portanto, o teor de enxofre deve ser controlado.
Para aço de alta qualidade, o teor de enxofre é inferior a 0,02-0,03%; para aço de qualidade, é inferior a 0,03-0,045%; e para aço comum, é inferior a 0,055-0,07%. Em alguns casos, o enxofre é adicionado ao aço.
Por exemplo, a adição de 0,08-0,20% de enxofre ao aço pode melhorar sua capacidade de trabalho de corte, resultando no que é conhecido como "free-corte de aço.
No entanto, o enxofre também tem efeitos negativos sobre o desempenho da soldagem e pode reduzir a resistência à corrosão.
O fósforo é introduzido no aço por meio do minério. De modo geral, o fósforo é um elemento prejudicial ao aço. Embora ele possa aumentar a resistência e a dureza do açoIsso reduz muito a plasticidade e a resistência ao impacto.
Em baixas temperaturas, o fósforo torna o aço significativamente frágil, um fenômeno conhecido como "fragilidade a frio", que deteriora o trabalho a frio e a resistência ao calor. soldabilidade.
Quanto maior o teor de fósforo, mais grave será a fragilidade a frio, portanto, o controle do teor de fósforo no aço é rigoroso.
O aço de alta qualidade tem um teor de fósforo inferior a 0,025%, o aço de qualidade tem um teor de fósforo inferior a 0,04% e o aço comum tem um teor de fósforo inferior a 0,085%.
O oxigênio é um elemento nocivo ao aço que entra naturalmente no processo de fabricação do aço. Apesar da adição de manganês, silício, ferro e alumínio para desoxidação no final da produção de aço, não é possível remover todo o oxigênio.
O oxigênio aparece no aço como FeO, MnO, SiO2, Al2O3 e outras inclusões, o que diminui a resistência e a plasticidade do aço. Em particular, ele tem um impacto significativo sobre resistência à fadiga e resistência ao impacto.
A ferrita tem baixa capacidade de dissolver nitrogênio. Quando o nitrogênio é supersaturado no aço, ele precipita na forma de nitretos após um longo período de tempo ou após o aquecimento a 200-300°C, aumentando a dureza e a resistência do aço, mas reduzindo sua plasticidade e causando envelhecimento.
Para eliminar a tendência ao envelhecimento, Al, Ti ou V podem ser adicionados ao aço fundido para o tratamento de fixação de nitrogênio, que fixa o nitrogênio na forma de AlN, TiN ou VN.
O cromo aumenta muito a força, a dureza e a resistência ao desgaste do aço estrutural e do aço para ferramentas, proporcionando ao aço boa resistência à oxidação e à corrosão.
Como resultado, o cromo é um importante elemento de liga para o aço inoxidável e o aço resistente ao calor. O cromo também melhora a temperabilidade do aço e é um elemento de liga crucial.
No entanto, o cromo também aumenta a temperatura de transição frágil do aço, aumenta a fragilidade da têmpera e pode causar dificuldades no processo de processamento.
O níquel aumenta a resistência do aço e, ao mesmo tempo, preserva a plasticidade e a tenacidade. Ele tem alta resistência à corrosão por ácidos e álcalis e é resistente à ferrugem e ao calor em altas temperaturas. Entretanto, como o níquel é um recurso escasso, outros elementos de liga são frequentemente usados em vez do aço níquel-cromo.
O molibdênio refina a estrutura de grãos do aço, melhora a temperabilidade e a resistência a quente e mantém a força e a resistência suficientes à fluência em altas temperaturas (quando a deformação ocorre sob tensão de longo prazo em altas temperaturas).
Quando adicionado ao aço estrutural, o molibdênio melhora suas propriedades mecânicas e também reduz a fragilidade do aço estrutural. liga de aço devido ao fogo. Além disso, quando adicionado ao aço para ferramentas, o molibdênio melhora sua dureza vermelha.
Titânio é um forte desoxidante do aço. Ele torna a estrutura interna do aço mais densa, refina sua estrutura de grãos, reduz a sensibilidade ao envelhecimento e a fragilidade a frio e melhora o desempenho da soldagem. A adição de uma quantidade adequada de titânio ao aço inoxidável austenítico Cr18Ni9 pode evitar corrosão intergranular.
O vanádio é um excelente desoxidante do aço. Ao adicionar 0,5% de vanádio ao aço, a estrutura do grão é refinada e a resistência e a tenacidade são aprimoradas. Os carbonetos formados pela combinação de vanádio e carbono aumentam a resistência à corrosão por hidrogênio sob alta temperatura e pressão.
O tungstênio tem um alto ponto de fusão e uma alta densidade, o que o torna um elemento de liga essencial. Os carbonetos formados por tungstênio e carbono têm alta dureza e resistência ao desgaste. A adição de tungstênio ao aço para ferramentas melhora significativamente sua dureza vermelha e resistência ao calor, tornando-o adequado para uso como ferramentas de corte e matrizes de forjamento.
O nióbio refina a estrutura de grãos do aço e reduz sua sensibilidade ao superaquecimento e à fragilidade da têmpera, além de melhorar sua resistência, mas diminuir sua plasticidade e tenacidade.
A adição de nióbio ao aço comum de baixa liga aumenta sua resistência à corrosão atmosférica e à corrosão por hidrogênio, nitrogênio e amônia em altas temperaturas. O nióbio também melhora o desempenho da soldagem. Quando adicionado ao aço inoxidável austenítico, o nióbio evita a corrosão intergranular.
O cobalto é um metal raro e valioso, usado principalmente em aços e ligas especiais, como aço resistente ao calor e materiais magnéticos.
O aço WISCO, fabricado com minério Daye, geralmente contém cobre. O cobre aumenta a resistência e a tenacidade, principalmente o desempenho em relação à corrosão atmosférica. A desvantagem é que a fragilidade a quente é mais provável de ocorrer durante o processamento a quente. Quando o teor de cobre excede 0,5%, a plasticidade é bastante reduzida, mas quando o teor de cobre é inferior a 0,50%, não há impacto na soldabilidade.
O alumínio é um desoxidante comum no aço. Ao adicionar uma pequena quantidade de alumínio ao aço, a estrutura do grão é refinada e a resistência ao impacto é melhorada, como visto no aço 08Al usado para chapas de repuxo profundo. O alumínio também tem resistência à oxidação e à corrosão.
Quando combinado com cromo e silício, o alumínio melhora muito o desempenho de não esfolamento em altas temperaturas e a resistência à corrosão em altas temperaturas. No entanto, o alumínio afeta negativamente a capacidade de trabalho a quente, o desempenho de soldagem e o desempenho de corte do aço.
Ao adicionar uma pequena quantidade de boro ao aço, a compactação e as propriedades de laminação a quente do aço são aprimoradas e sua resistência é aumentada.
Os elementos de terras raras referem-se aos 15 lantanídeos com números atômicos 57 a 71 na tabela periódica. Esses elementos são todos metais, mas seus óxidos são semelhantes a "terra", por isso são comumente chamados de terras raras. A adição de elementos de terras raras ao aço modifica a composição, a forma, a distribuição e as propriedades das inclusões no aço, aprimorando várias propriedades, como resistência, soldabilidade e trabalhabilidade a frio. A adição de elementos de terras raras ao ferro para arado melhora a resistência ao desgaste.
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Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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