O papel do nitrogênio no aço: O que você deve saber

1. Efeito do nitrogênio na microestrutura e no tratamento térmico do aço

① O nitrogênio, análogo ao carbono, forma uma solução sólida intersticial no ferro, ocupando locais octaédricos na estrutura cristalina. Essa dissolução influencia significativamente as propriedades mecânicas e a microestrutura do aço.

② O nitrogênio é um potente estabilizador de austenita, expandindo o campo da fase austenita no diagrama de fase ferro-carbono. Seu efeito promotor de austenita é aproximadamente 20 a 30 vezes mais forte do que o do níquel, o que o torna uma alternativa econômica em aços inoxidáveis austeníticos. Essa propriedade permite a redução do teor de níquel sem comprometer a estabilidade da austenita, levando a projetos de ligas econômicas.

③ Quando o nitrogênio se difunde na superfície do aço, ele pode formar nitretos altamente estáveis com elementos de liga como cromo, alumínio, vanádio e titânio. Esses nitretos, incluindo CrN, AlN, VN e TiN, aumentam significativamente a dureza da superfície, a resistência ao desgaste e a resistência à fadiga. O processo de formação de nitreto, conhecido como nitretação, é uma técnica crucial de engenharia de superfície no tratamento térmico de aços.

④ Nos aços com alto teor de cromo e cromo-níquel, o nitrogênio contribui para o refinamento dos grãos e o fortalecimento da solução sólida. Isso resulta em uma microestrutura mais compacta e robusta, melhorando a resistência geral, a tenacidade e a resistência à corrosão do aço. A estrutura de granulação fina também aumenta a resistência do aço à corrosão intergranular.

⑤ Embora o nitrogênio ofereça inúmeros benefícios, o teor excessivo de nitrogênio residual no aço pode levar a efeitos prejudiciais. Altos níveis de nitrogênio podem causar a formação de porosidade de gás ou bolhas durante a solidificação, comprometendo a integridade estrutural do aço. Esse fenômeno, conhecido como porosidade de nitrogênio, é particularmente problemático na soldagem de aços com alto teor de nitrogênio e deve ser cuidadosamente controlado por meio de práticas adequadas de fusão e solidificação.

2. Efeito do nitrogênio nas propriedades mecânicas do aço

① O nitrogênio apresenta um potente efeito de fortalecimento de solução sólida no aço, aumentando significativamente sua temperabilidade. Isso ocorre devido à capacidade dos átomos de nitrogênio de distorcer a estrutura do ferro, impedindo o movimento de deslocamento e, assim, aumentando a resistência.

② Nos aços ferríticos contendo nitrogênio, é possível observar um complexo mecanismo de endurecimento por precipitação. Durante a têmpera ou a exposição prolongada à temperatura ambiente após o resfriamento rápido, nitretos ultrafinos (normalmente Fe16N2 ou CrN) precipitam. Essas partículas em nanoescala atuam como obstáculos ao movimento de deslocamento, aumentando ainda mais a resistência e a dureza do aço.

A presença do nitrogênio pode induzir o envelhecimento por deformação em aços com baixo teor de carbono, um fenômeno caracterizado por um aumento na resistência ao escoamento e uma diminuição na ductilidade ao longo do tempo. Esse efeito é particularmente pronunciado em aços com teor de carbono abaixo de 0,15%.

À medida que a resistência e a dureza do aço aumentam devido à adição de nitrogênio, há uma diminuição correspondente na tenacidade e um aumento na sensibilidade ao entalhe. Essa compensação é crucial em aplicações de engenharia em que são necessárias tanto a força quanto a resistência à fratura.

O efeito de fragilização do nitrogênio no aço é comparável e, em muitos casos, mais grave do que o do fósforo. O forte impacto do nitrogênio na coesão dos limites dos grãos e na dinâmica de deslocamento contribui para essa fragilização acentuada.

O nitrogênio desempenha um papel importante na fragilidade azul, um fenômeno observado quando o aço é aquecido a 200-300°C (392-572°F). Essa faixa de temperatura permite que o nitrogênio se difunda rapidamente para os deslocamentos, causando envelhecimento por deformação e fragilização temporária.

③ Em aços com alto teor de cromo e alto teor de cromo-níquel, as adições controladas de nitrogênio podem aumentar a resistência e a tenacidade ao impacto sem perda significativa de plasticidade. Isso é obtido por meio da formação de nitretos de cromo finos e estáveis e do efeito estabilizador de austenita do nitrogênio.

④ O nitrogênio melhora a resistência à fluência e à ruptura em alta temperatura do aço por meio da formação de nitretos termicamente estáveis e do fortalecimento da solução sólida da matriz. Esse efeito é particularmente benéfico em aços inoxidáveis austeníticos e ligas resistentes ao calor que operam em temperaturas elevadas.

3. Efeito do nitrogênio nas propriedades físicas, químicas e tecnológicas do aço

① A presença de nitrogênio afeta significativamente a resistência à corrosão do aço inoxidável. Ao contrário da afirmação original, o nitrogênio geralmente melhora a resistência à corrosão por pite e em frestas, principalmente nos aços inoxidáveis austeníticos e duplex. Essa melhoria é atribuída à capacidade do nitrogênio de estabilizar o filme passivo e aumentar o potencial de corrosão por pite.

② Quando o teor de nitrogênio excede aproximadamente 0,2% por massa em aços inoxidáveis austeníticos, a resistência do aço à oxidação em alta temperatura pode diminuir. Entretanto, o limite exato depende da composição específica da liga e da aplicação pretendida. Em alguns casos, adições controladas de nitrogênio de até 0,5% podem aumentar a resistência à oxidação em temperaturas moderadas.

③ O aço contendo nitrogênio apresenta maior taxa de endurecimento por trabalho durante a deformação a frio. Esse fenômeno, conhecido como efeito de fortalecimento do nitrogênio, resulta da interação entre os átomos de nitrogênio e os deslocamentos, levando ao aumento da resistência e da dureza. Essa propriedade é particularmente benéfica em aplicações que exigem alta resistência e resistência ao desgaste.

④ O nitrogênio reduz efetivamente a tendência de crescimento de grãos em aços inoxidáveis ferríticos com alto teor de cromo, melhorando assim suas características de soldagem. Ele atua como um estabilizador de austenita, promovendo a formação de estruturas de granulação fina durante os ciclos térmicos de soldagem. Esse refinamento de grãos melhora as propriedades mecânicas e a resistência à corrosão da zona de solda e da área afetada pelo calor.

Além disso, o nitrogênio melhora a resistência ao escoamento e a resistência à tração final dos aços inoxidáveis sem reduzir significativamente a ductilidade. Ele também aumenta a resistência do aço a rachaduras por corrosão sob tensão em ambientes com cloreto, tornando os aços inoxidáveis com liga de nitrogênio particularmente adequados para aplicações marítimas e de processamento químico.

4. Aplicação de nitrogênio no aço

① O nitrogênio serve como um elemento de liga crucial no aço, com seu conteúdo variando normalmente de quantidades vestigiais até 0,3% (por massa) na maioria das aplicações e atingindo um máximo de 0,6% em aços especializados com alto teor de nitrogênio. Esse controle preciso do teor de nitrogênio permite propriedades mecânicas e características microestruturais personalizadas.

② A liga de nitrogênio tem ampla aplicação em vários tipos de aço, inclusive:

• Aços nitretados, temperados e revenidos: Aumento da dureza da superfície e da resistência ao desgaste por meio da formação de nitretos.
• Aços comuns de baixa liga: Melhoria da resistência e da tenacidade sem aumento significativo do custo.
• Aços inoxidáveis austeníticos: Estabilização da fase de austenita e aumento da resistência à corrosão, especialmente em ambientes ácidos.
• Aços resistentes ao calor e que não esfoliam: Proporcionam excelente resistência a altas temperaturas e resistência à oxidação, essenciais para componentes de turbinas a vapor, turbinas a gás e outras aplicações de alta temperatura.

A adição de nitrogênio oferece benefícios exclusivos, como fortalecimento de soluções sólidas, refinamento de grãos e maior resistência à corrosão por pite, tornando-o um elemento de liga inestimável na metalurgia moderna do aço.