Os elementos de ligas nos aços podem alterar as propriedades físicas e mecânicas das fases presentes e dependendo dos elementos combinados, estes podem apresentar propriedades ligeiramente diferentes. Alguns elementos normalmente adicionados e suas respectivas características são apresentadas a seguir.
Ferro (Fe) – Atua diretamente no mecanismo de resistência por solução sólida. Aumenta a solubilidade do carbono no níquel, melhorando assim a resistência a altas temperaturas (ASM HANDBOOK, 1993b).
Carbono (C) – É encontrado em quantidades mínimas e sua principal atuação é na precipitação de carbonetos, devido à reação com outros elementos de liga presentes. Estes carbonetos podem ter efeito benéfico ou não, de acordo com o tipo e a morfologia do mesmo (ASM HANDBOOK, 1993a).Elemento com forte poder sobre a formação de austenita. Ele age no diagrama de equilíbrio expandindo o campo austenítico (SOUZA, 1989; LAFFLER, 1999).
Cromo (Cr) – Elemento ferritizante que, dependendo do teor presente, promove a formação da camada passivadora, constituída por uma película de óxido de cromo (Cr
2O3) fortemente aderida à superfície. Aumenta a resistência à corrosão em
ambientes contendo ácido nítrico (HNO
3) e ácido crômico (H2CrO4). Aumenta a
resistência à corrosão por vapores sulfurosos a altas temperaturas. Em termos microestruturais, participa da formação de carbonetos de cromo. Aumenta a endurecibilidade do material (ASM HANDBOOK, 1993b, SEDRICKS, 1996; SOUZA, 1989; LAFFLER, 1999; CHIAVERINI, 1988).
Níquel (Ni) – Altera a estrutura cristalográfica da liga, conferindo maior ductilidade, resistência mecânica, soldabilidade, e tornando o aço não magnético. Além disso, associado ao cromo, favorece o aumento da resistência à corrosão (SEDRICKS, 1996; SOUZA, 1989; LAFFLER, 1999).
Molibdênio (Mo) – Aumenta a resistência a atmosferas ácidas não oxidantes, à corrosão localizada e a resistência à altas temperaturas. Participa da formação de carbonetos. Ele atua na formação de uma microestrutura ferrítica, assim como o cromo. Proporciona um aumento da resistência mecânica e promove a formação de fases secundária nos aços ferríticos, austeníticos e duplex, além de torná-los mais duros (ASM HANDBOOK, 1993b; ASM HANDBOOK, 1993c; HIGGINS, 1982; SOUZA, 1989; LAFFLER, 1999; EDSTRÖM E LJUNDBERG, 1964).
Manganês (Mn) – Sua principal função é anular o efeito de impurezas perniciosas nos aços, como exemplo, o oxigênio e o enxofre. Pequenas quantidades deste elemento, associadas a presença de níquel, melhoram substancialmente a resistência mecânica (HIGGINS, 1982; BRIANT et al., 1982; HULL et al., 1967).
Silício (Si) – Melhora a resistência à oxidação a altas temperaturas. Aumenta a endurecibilidade dos aços e a resistência de aços de baixo teor em liga (HIGGINS, 1982; ARMIJO, 1968; CHIAVERINI, 1988).
Nitrogênio (N) – Juntamente com o cromo e molibdênio, é usado para dar maior resistência à corrosão. Adições de nitrogênio (0,1 a 0,3%) aumentam significativamente a resistência à corrosão por pite (SEDRICKS, 1996; AIDAR, 1996).
Titânio (Ti) e Nióbio (Nb) – Apresentam uma importante função na manutenção da inoxidabilidade. Evitam a ocorrência da combinação do carbono com o cromo, evitando assim perda de resistência à corrosão. Além disso, pelo mesmo motivo, a soldabilidade é favorecida com a adição desses elementos (SEDRICKS, 1996; FOLKARD, 1984).
Alumínio (Al) – melhora a resistência à oxidação a altas temperaturas; seu comportamento é semelhante ao silício, porém o excesso deste elemento dissolvido na ferrita (Ferro-#) fragiliza o material. Restringe o crescimento de grão (HIGGINS, 1982; CHIAVERINI, 1988).
3.5 Sistema Fe-Cr
Em uma primeira aproximação, as ligas Fe-Cr são estruturalmente simples. A temperatura ambiente, eles consistem de uma solução sólida de cromo em ferro com estrutura cúbica de corpo centrado (CCC). Como esta solução pode conter muito pouco carbono e nitrogênio (elementos intersticiais) dissolvidos, estes elementos estão presentes principalmente na forma de precipitados de carbonetos e nitretos de cromo. Como o cromo é o elemento fundamental destes aços, o seu estudo pode se iniciar pelo diagrama de equilíbrio Fe-Cr (Figura 8), particularmente na sua porção de menores teores de cromo (DEMO, 1977
;
MODENESI et al., 1992; VILLAFUERTE E KERR, 1992).Neste diagrama, alguns pontos podem ser ressaltados (MODENESI et al., 1992):
• o cromo é um elemento alfagênio, isto é, que estabiliza a ferrita (Ferro- #) e tende a reduzir ou suprimir o campo de existência da austenita (Ferro-");
• devido a esta propriedade, a faixa de temperatura de existência da austenita (Ferro-") diminui rapidamente para teores superiores a 7% de cromo e, para teores acima de 13%, a austenita (Ferro-") não mais se forma;
• para teores de cromo entre cerca de 12 e 13%, o material pode sofrer somente uma transformação parcial, permanecendo bifásico (Ferro-# + Ferro-") entre temperaturas de 900 e 1200ºC.
Contudo, estas considerações são válidas somente para ligas binárias Fe-Cr puras. Elementos gamagênios, particularmente carbono e nitrogênio, causam a expansão do campo de existência da austenita ($) para maiores teores de cromo (MODENESI et al., 1992).
Assim, dependendo das quantidades de elementos alfagênios e gamagênios, ligas Fe-Cr com teores de cromo muito superiores a 13% poderão sofrer uma transformação parcial a alta temperatura (tipicamente entre 900 e 1200ºC) e apresentar nesta faixa de temperaturas uma estrutura bifásica (austenita + ferrita). Esta austenita (Ferro-") apresenta alta temperabilidade e pode ser facilmente transformada em martensita durante o resfriamento. Entretanto, se o aço tiver a adição de certos elementos estabilizantes da austenita (Ferro-") , como níquel e manganês, a formação da martensita pode ser inibida e o aço apresentará, à temperatura ambiente, uma estrutura austeno-ferrítica. Estes aços são conhecidos como austeno-ferríticos ou duplex (MODENESI et al., 1992).
Como já discutido, a quantidade de austenita (Ferro-") que pode se formar em uma liga Fe-Cr depende de sua composição. Uma estrutura completamente não transformável é favorecida por maiores teores de cromo, menores teores de intersticiais e pela presença de elementos com alta afinidade ao carbono e nitrogênio (como nióbio e titânio, por exemplo). Assim, em um aço com 17% de cromo, teores de intersticiais superiores a 0,03% já possibilitam a formação de austenita (Ferro-"). Pequenas adições de nióbio e titânio (inferiores: a 1%) podem suprimir esta formação (MODENESI et al., 1992).
A maior desvantagem da utilização de algumas ligas Fe-Cr tem sido a perda da ductilidade e da resistência à corrosão após exposição a temperaturas elevadas, como em soldagem e em certos tratamentos térmicos. Outros problemas com estes aços (fragilização a 475ºC e por fase sigma - !) são menos comuns porque requerem tempos de exposição relativamente longos a temperaturas moderadas para sua ocorrência. Contudo, caso o material não apresente boa resistência à corrosão e boa ductilidade na condição soldada, sua utilidade como material de construção fica severamente limitada (LINK E MARSHALL, 1952; MODENESI et al.,1992).
A severa fragilização e perda de resistência à corrosão de ligas Fe-Cr, quando submetidas a temperaturas elevadas, e sua baixa tenacidade na condição soldada dependem, em grande parte, do seu teor de elementos intersticiais. Pesquisas realizadas a partir dos anos 60 resultaram no desenvolvimento de uma série de ligas ferríticas com melhores características de ductilidade, soldabilidade e resistência à corrosão. Estas ligas estão baseadas na redução dos teores de intersticiais a valores muito baixos (por exemplo, inferiores a 0,04%), na estabilização conjunta com nióbio e titânio e na adição de certa quantidade de molibdênio, para melhorar sua resistência à corrosão (MODENESI et al., 1992).