Quais são os efeitos dos elementos de liga no ferrita?

A maioria dos elementos de ligação são adicionados ao aço de baixo carbono para produzir aço endurecido por solução sólida que resiste à deformação em certas temperaturas ambientais, aumentando a tensão de atrito da rede δi. No entanto, atualmente é impossível prever a tensão de escoamento inferior apenas usando fórmulas, a menos que o tamanho do grão seja conhecido. Embora os fatores determinantes para a tensão de escoamento sejam a temperatura de revenimento e a taxa de resfriamento, este método de pesquisa ainda é importante porque pode prever a faixa dentro da qual um único elemento de ligação pode reduzir a tenacidade do aço aumentando δi.

Até o momento, não há relatos sobre a análise de regressão da temperatura de transformação não plástica (NDT) e da temperatura de transição de Charpy do aço ferrítico. No entanto, essas são apenas discussões qualitativas sobre o efeito da adição de um único elemento de ligação na tenacidade. A seguir, uma breve introdução aos efeitos de vários elementos de ligação nas propriedades do aço.

1) Manganês. A maioria do conteúdo de manganês é de aproximadamente 0,5%. Como desoxidante ou agente fixador de enxofre, pode prevenir a rachadura térmica do aço e tem os seguintes efeitos no aço de baixo carbono.

Para o aço com teor de carbono de 0,05%, após resfriamento no ar ou no forno, há uma tendência de reduzir a formação de filmes de carboneto nas fronteiras dos grãos.

Pode reduzir ligeiramente o tamanho dos grãos de ferrita.

Pode produzir um grande número de finas partículas de perlita. 

Os dois primeiros efeitos indicam que a temperatura NDT diminui à medida que o conteúdo de manganês aumenta, enquanto os dois últimos efeitos fazem com que o pico da curva de Charpy se torne mais agudo.

Quando o teor de carbono do aço é alto, o manganês pode reduzir significativamente a temperatura de transformação em aproximadamente 50%. A razão para isso pode ser devido à maior quantidade de perlita, em vez da distribuição de cementita na fronteira. Deve-se observar que, se o teor de carbono do aço for superior a 0,15%, o alto conteúdo de manganês desempenha um papel decisivo no desempenho de impacto do aço normalizado. Porque a alta capacidade de têmpera do aço faz com que a austenita se transforme em bainita superior frágil em vez de ferrita ou perlita.

2) Níquel. O efeito da adição de níquel ao aço é semelhante ao do manganês, que pode melhorar a tenacidade da liga ferro-carbono. A extensão de seu efeito depende do teor de carbono e do tratamento térmico. Em aços com teor de carbono muito baixo (cerca de 0,02%), um teor de 2% pode evitar a formação de carbonetos nos limites de grão do aço laminado a quente e normalizado, enquanto abaixa substancialmente a temperatura inicial de transformação TS e eleva o pico da curva de impacto Charpy.

Aumentar ainda mais o teor de níquel reduz a melhoria na tenacidade ao impacto. Se o teor de carbono for baixo o suficiente (até o ponto em que não apareçam carbonetos após a normalização), o efeito do níquel na temperatura de transformação se tornará muito limitado. Em aços normalizados com teor de carbono de aproximadamente 0,10%, a adição de níquel tem o maior benefício de refinamento de grãos e redução do teor de nitrogênio livre, embora o mecanismo atualmente não esteja claro. Pode ser devido ao níquel atuar como um estabilizador da austenita, abaixando assim a temperatura na qual a austenita se decompõe.

3) Fósforo. Em uma liga pura de ferro-fósforo, a segregação de fósforo nas fronteiras dos grãos de ferrita reduz a resistência à tração Rm, causando fragilidade entre os grãos. Além disso, como o fósforo também é um estabilizador da ferrita, adicioná-lo ao aço aumentará significativamente o valor de δi e o tamanho dos grãos de ferrita. Os efeitos combinados farão do fósforo um embrittler extremamente prejudicial, levando à fratura transgranular.

4) Silício. Adicionar silício ao aço é para desoxidação e é benéfico para melhorar o desempenho de impacto. Se houver tanto manganês quanto alumínio no aço, a maior parte do silício se dissolve na ferrita e aumenta o δi através do efeito de endurecimento por solução sólida. O efeito combinado desta ação e do aumento do δi devido à adição de silício é que, em uma liga de ferro-carbono estável com tamanho de grão, adicionar silício em porcentagem em peso eleva a temperatura de transformação de 50% em aproximadamente 44°C. Além disso, o silício é semelhante ao fósforo, sendo um estabilizador da ferrita, o que pode promover o crescimento dos grãos de ferrita. Adicionar silício em porcentagem em peso ao aço normalizado aumentará a temperatura média de conversão de energia em aproximadamente 60°C.

5) Alumínio. As razões para adicionar alumínio como agente de ligação e desoxidante ao aço são as seguintes: Primeiro, ele forma AlN com o nitrogênio no fundido para remover o nitrogênio livre; segundo, a formação de AlN refine os grãos de ferrita. O resultado desses dois efeitos é que a cada aumento de 0,1% de alumínio, a temperatura de transformação diminuirá em aproximadamente 40°C. No entanto, quando a adição de alumínio excede a quantidade necessária, o efeito de "fixar" o nitrogênio livre se enfraquecerá.

6) Oxigênio. O oxigênio no aço causará segregação nas fronteiras dos grãos, levando à fratura intergranular da liga de ferro. Quando o teor de oxigênio no aço atinge 0,01%, a fratura ocorrerá ao longo dos canais contínuos formados pelas fronteiras frágeis dos grãos. Mesmo se o teor de oxigênio no aço for muito baixo, as trincas se concentrarão na nucleação nas fronteiras dos grãos e depois se espalharão pelo grão. A solução para o problema de fragilização por oxigênio é adicionar agentes desoxidantes, como carbono, manganês, silício, alumínio e zircônio, que se combinam com o oxigênio para formar partículas de óxido e remover o oxigênio das fronteiras dos grãos.