Como os elementos químicos na composição do aço influenciam suas propriedades?

conteudo01 27 / set

Para a maioria das pessoas, a composição química dos objetos não passa de um detalhe. Porém, para muitos profissionais, esse é um fator extremante importante para o manuseio, os processos de fabricação e os resultados finais de uma gama de produtos. E, nesse sentido, a composição do aço não é diferente.

Confira abaixo, como os elementos químicos influenciam as propriedades do aço e geram várias possibilidades na nossa realidade.

Antes da química, um pouco de história

Vamos voltar um pouquinho no tempo, há alguns milhares de anos atrás e imaginar o que o mundo oferecia aos nossos antepassados. Anteriormente, o homem precisava buscar formas de vencer inimigos muito mais fortes, que ameaçavam sua sobrevivência a todo o momento. Mas o homem tinha um grande diferencial, sua inteligência.

Assim, ele aprendeu que se tivesse uma pedra nas mãos, seu golpe teria mais força. Se essa pedra tiver um cabo (efeito alavanca), esta força aumentaria e, com uma extremidade afiada, sua capacidade de corte aumentava. Devido a isso, era preciso desbastar, polir e prender para fabricar, por exemplo, um machado. Isso aguçou sua curiosidade sobre o desenvolvimento das operações de desbaste, furação e corte e, sobre os diferentes tipos de materiais.

Entretanto, com a descoberta e desenvolvimento da cerâmica, o homem percebeu que poderia exercer controle sobre o material. Pois ele poderia moldá-lo, de acordo com suas necessidades.

A história da descoberta dos metais não é precisa por motivos óbvios. Mas, de maneira geral, temos que, por volta de 4.000 a.C. o homem percebeu que também podia fazer o mesmo com alguns metais. Porém, as experiências com este tipo de material começaram muito antes.

~8.000 a.C.

O ouro teria sido o primeiro metal a ser utilizado;

~7.000 a.C.

Aqui começa a utilização do cobre. Há relatos de que o homem fazia experiências com este material em um local chamado Anatólia (onde hoje fica a Turquia) e descobriu que o cobre endurecia quando martelado;

~6.000 a.C.

Conta-se que um caçador fez uma fogueira em seu acampamento e fundiu, sem querer, cobre e arsênico (que é extremamente tóxico), obtendo um material mais duro e resistente que o cobre puro. Mais tarde, substituímos o arsênico pelo estanho, dando origem ao bronze.

~3.500 a.C.

Começa o uso do ferro, que era conhecido como “Metal do céu” ou “Metal das estrelas”, provavelmente por vir de meteoritos. Contudo, existem indícios de sua utilização pelos antigos Sumérios e Egípcios. Os mais antigos artefatos de ferro que se têm notícia são dois objetos encontrados no Egito, um na Grande Pirâmide de Gizé, construída aproximadamente em 2.900 a.C., e outro na tumba de Abidos, construída aproximadamente em 2.600 a.C.

~1.200 a.C. (Idade do Ferro)

Há indícios de que foram construídos os primeiros fornos para redução de minério de ferro, para a produção ferro-carbono, que seria considerado um aço rudimentar.

~400 a.C.

A Índia ficou famosa pela produção do aço Wootz, que, para a época, era um aço de alta qualidade. Este processo de produção de aço envolvia a fusão de ferro com carbono em fornos de argila.

~200 a.C.

Na China, desenvolveram-se técnicas avançadas de fundição de ferro, incluindo a produção de ferro fundido e ferro forjado, contribuindo para o desenvolvimento de aço de melhor qualidade.

~Séculos III a XVII:

O aço de Damasco, famoso pela aplicação em lâminas de espadas, surge no Oriente Médio. Esse aço foi conhecido por sua resistência e capacidade de manter uma borda afiada, e foi fabricado a partir do aço Wootz importado da Índia.

Do passado para a composição do aço

Agora que levantamos alguns pontos sobre a origem do aço, podemos destacar como a composição química é fundamental em seu uso.

A junção aço + carbono revolucionou o uso de ferramentas e armas na antiguidade. Consequentemente, conforme a humanidade foi evoluindo e aumentando seus conhecimentos sobre o manuseio do ferro, as possibilidades no uso do aço também se expandiram.

Entendendo e explorando as possibilidades químicas, outros elementos foram incluídos na formulação de novos aços. E, em cada combinação, diferentes propriedades foram alcançadas, estudadas e adotadas.

A ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) define o aço como “uma liga ferrosa (Binária: dois elementos básicos, Ferro e Carbono) passível de deformação plástica que, em geral, apresenta teor de carbono entre 0,008% e 2,0% na sua forma combinada e, ou, dissolvida e que pode conter elementos de liga adicionados, ou residuais”.

E quais elementos se uniram à composição do aço?

Os elementos de liga mais comuns usados nos aços são: carbono (C), níquel (Ni), cromo (Cr), vanádio (V), tungstênio (W), molibdênio (Mo), manganês (Mn), cobalto (Co), entre outros. Cada um destes elementos interfere de maneira diferente nas propriedades físicas, mecânicas e químicas dos aços, conforme apresentado na tabela abaixo:

Elemento de ligaCarbonoSilícioManganês (em aços aperlíticos)Manganês (em aços austeníticos)CromoNíquel (em aços perlíticos)Níquel (em aços austeníticos Cr-Ni)AlumínioTungstênioVanádioCobaltoMolibdênioCobreEnxofreFósforo
Propriedades mecânicasDureza↑↑↑↑↑↓↓↓↑↑↑↓↓−↑↑↑↑↑−↑
Resistência↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑−↑↑↑↑↑−↑
Limite de estiramento↑↑↑↑↑↑↓↑↑↑↓−↑↑↑↑↑↑−↑
Alongamento↓↓↔↑↑↑↓↔↑↑↑−↓↔↓↓↔↓↓
Redução de área↔↔↔↔↓↔↑↑↓↓↔↓↓↔↓↓
Resistência ao impacto↓↓↔−↓↔↑↑↑↓↔↑↓↑↔↓↓↓↓
Elasticidade↓↑↑↑↑−↑−−−−↑−−−−−
Estabilidade a alta temperatura↓↑↔−↑↑↑↑↑−↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑−−
Resistência ao desgaste↑↑↓↓↓↓↓−↑↓↓−−↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑−−−
Forjabilidade↓↓↑↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↑↓↓↓↓↓↓↓↓↓
Usinabilidade↓↓↓↓↓↓−↓↓↓↓−↓↓−↔↓↔↑↑↑↑↑
Nitretabilidade↑↓↔−−↑↑−−↑↑↑↑↑−↑↑−−−
Resistência a corrosão↔−− ↑↑↑−↑↑−−↑−−↑↓−
↑Incremento ↓Redução ↔Não afeta −Não caracterizado

Toda característica nova do aço é uma composição diferente?

Por mais que certas capacidades sejam possíveis com a inclusão de novos elementos na composição do aço, precisamos lembrar que formulação e microestruturas são fatores diferentes. Estas atuam de forma diferenciada nas propriedades dos materiais, mesmo que o objetivo seja o mesmo. Por exemplo, o aumento da resistência ao impacto.

Para aumentar a resistência ao impacto, pode-se adicionar, por exemplo, Vanádio e Molibdênio (alteração da composição química). Ou buscar rotas de fabricação que proporcionem uma microestrutura mais homogênea. Os dois métodos têm, em teoria, o mesmo objetivo, porém, com intensidades diferentes. É importante ainda, observar que, quando adicionamos um determinado elemento químico – vamos novamente utilizar o molibdênio como exemplo – podemos ter um efeito positivo na resistência ao impacto. Porém, há uma piora na usinabilidade do aço.

Ou seja, para criar um aço novo ou melhorar as propriedades de um material já existente, as usinas podem trabalhar em várias frentes, como na composição química, nos processos de fabricação (forjamento, laminação etc.), no tratamento térmico, entre outros.

O tratamento para todo tipo de aço é o mesmo?

Os elementos de liga interferem na temperabilidade dos aços, portanto diferentes combinações de elementos químicos (ou seja, diferentes aços) terão diferentes respostas ao tratamento térmico.

Quando uma usina desenvolve um aço quimicamente novo, faz-se toda uma série de testes e estudos para entender a sua reação com os tratamentos térmicos. Com base nestes resultados, são estabelecidos os parâmetros para as operações de tratamento e, são confeccionados os catálogos e fichas técnicas.

Mudança do aço para o mundo

A evolução dos aços, seja através da composição química ou da melhoria em processos de fabricação, não diz respeito somente às alterações de suas propriedades. Sendo assim, essa inovação proporciona um avanço em diversos setores do mercado.

Todo o setor automotivo, tecnológico e, até mesmo o setor da saúde, são grandes exemplos de segmentos que se beneficiaram e cresceram com a evolução dos materiais.

A ISOFLAMA também acompanha essa melhoria!

Realizando estudos e processos cuidadosos antes de levar os tratamentos térmicos aos materiais dos nossos clientes, a ISOFLAMA atualmente atende a uma ampla gama de aços, com as mais diversas composições químicas, como aços para trabalho a quente, aços para trabalho a frio, aços inoxidáveis, aços rápidos, aços para o processamento de plásticos, entre outros.

Para cada tipo de aço, temos um tratamento térmico adequado, otimizando assim as propriedades desejadas do material, atendendo nossos clientes com soluções inteligentes e seguras.

Vale mencionar que a composição química de uma liga metálica não baliza os parâmetros utilizados no tratamento térmico sozinha. Ou seja, fatores como propriedades desejadas, dimensões, criticidade geométrica, composição de carga (inclusive o posicionamento dentro do forno), entre outros também estão em foco.

Nesse domínio de manusear bem os diferentes tipos de materiais, levando sempre em consideração os fatores mencionados acima, temos o reconhecimento do mercado com a nossa expertise.

Por fim, essas foram as nossas considerações sobre como os elementos químicos na composição do aço influenciam suas propriedades. Se você leu até aqui e precisa de ajuda para entender sobre algum processo térmico de um aço específico, entre em contato e fale com um de nossos especialistas. E, para se manter atualizado em nossas atividades, nos acompanhe pelas redes sociais e acesse a área Infotec em nosso site para conferir mais informativos.

Nos vemos em breve!