Por que o aço é mais propenso a fraturar com maior teor de carbono?

O aço desempenha um papel crucial no setor industrial e é amplamente utilizado em inúmeras indústrias, incluindo construção, fabricação de máquinas, automotiva e aeroespacial. Sendo um dos elementos de liga mais importantes do aço, o teor de carbono tem um impacto profundo nas suas propriedades. Em aplicações práticas, descobrimos que o aço com alto teor de carbono é frequentemente mais propenso à fratura, o que não só afeta a qualidade e a confiabilidade do produto, mas também pode levar a graves acidentes de segurança. Portanto, uma pesquisa-profundada sobre as razões pelas quais o aço com alto-carbono é propenso à fratura é de grande importância teórica e prática.

 

 

Formas de carbono no aço e seu impacto na microestrutura

 

1. Formas de Carbono

 

No aço, o carbono existe principalmente como soluções sólidas intersticiais e carbonetos. Quando o teor de carbono é baixo, a maioria dos átomos de carbono se dissolve na rede de ferro como soluções sólidas intersticiais. À medida que o teor de carbono aumenta, o excesso de átomos de carbono reage com o ferro e outros elementos de liga para formar vários carbonetos, como a cementita (Fe₃C).

 

2. Impacto na Microestrutura

 

Mudanças no teor de carbono alteram significativamente a microestrutura do aço. Em aços-de baixa liga, à medida que o teor de carbono aumenta, o teor de perlita na estrutura de equilíbrio-da temperatura ambiente aumenta gradualmente, enquanto o teor de ferrita diminui. A perlita é uma estrutura eutetóide lamelar composta por ferrita e cementita alternadas. À medida que o teor de carbono aumenta ainda mais, ultrapassando a composição eutetóide, a cementita secundária aparece na estrutura do aço, e sua quantidade aumenta com o aumento do teor de carbono.

 

A cementita é uma fase dura e quebradiça e sua presença limita a deformabilidade do aço. Quando o aço é submetido a forças externas, a fase ferrita pode sofrer alguma deformação plástica para absorver energia, enquanto a fase cementita é menos suscetível à deformação. À medida que o teor de carbono aumenta, a quantidade de cementita no aço aumenta e sua distribuição muda. Isto perturba a continuidade da matriz de ferrita, tornando mais provável a concentração de tensões quando o aço é submetido a tensões, criando assim condições para o início e propagação de fissuras.

 

Efeito do teor de carbono nas propriedades mecânicas do aço

 

1. Mudanças na resistência e dureza

 

De modo geral, a resistência e a dureza do aço aumentam com o aumento do teor de carbono. Isto se deve ao efeito de fortalecimento da solução sólida dos átomos de carbono e ao efeito de fortalecimento da dispersão dos carbonetos. A solução sólida intersticial de átomos de carbono na rede de ferro causa distorção da rede, dificultando o movimento das discordâncias e aumentando assim a resistência do aço. Simultaneamente, a distribuição dispersa de partículas de metal duro na matriz evita efetivamente o deslizamento das discordâncias, aumentando ainda mais a resistência e a dureza do aço.

 

2. Diminuição da plasticidade e resistência

 

No entanto, enquanto a resistência e a dureza aumentam, a plasticidade e a tenacidade do aço diminuem significativamente com o aumento do teor de carbono. A plasticidade refere-se à capacidade de um material sofrer deformação permanente sem fraturar sob carga, enquanto a tenacidade reflete sua capacidade de absorver energia antes da fratura. A grande quantidade de fase de cementita no aço de alto{2}}carbono torna difícil que o aço sofra deformação plástica uniforme sob carga. Quando submetida a forças externas, a tensão tende a concentrar-se na interface entre a cementita e a ferrita, fazendo com que a tensão nesta área exceda a resistência de aderência, iniciando assim fissuras.

 

Do ponto de vista da resistência à fratura, o aço com alto-carbono tem baixa resistência à fratura. A tenacidade à fratura é a capacidade de um material resistir à propagação de trincas e está intimamente relacionada à sua microestrutura e composição. A fase de cementita dura e quebradiça no aço de alto{3}}carbono, bem como possíveis defeitos estruturais, como segregação de carboneto, reduzem a tenacidade à fratura do aço. Quando uma trinca se forma no aço, a alta tensão na ponta da trinca rompe rapidamente as fases duras e frágeis circundantes, levando à rápida propagação da trinca e, por fim, à fratura.

 

Mecanismo de fratura de aço de alto{0}}carbono

 

1. Iniciação do crack

 

Em aços com alto-carbono, devido à presença de cementita e sua heterogeneidade estrutural, as trincas são propensas ao início nos seguintes locais: Primeiro, na interface entre a cementita e a ferrita. Devido à diferença significativa nas propriedades mecânicas entre as duas fases, a concentração de tensão ocorre facilmente nesta interface quando submetida a tensão. Quando a tensão excede a resistência de união da interface, formam-se microfissuras. Segundo, em áreas de segregação de carboneto. A segregação do carboneto causa regiões localizadas com composição e estrutura diferentes da matriz circundante, criando zonas fracas. Sob forças externas, estas zonas fracas tornam-se facilmente pontos de iniciação de fissuras.

 

2. Propagação de crack

 

Uma vez iniciada uma trinca, ela se propaga rapidamente sob tensão. A baixa tenacidade do aço de alto{1}}carbono reduz a resistência à propagação de trincas. Durante a propagação da fissura, encontra a fase de cementita dura e quebradiça. A trinca pode se propagar ao longo da interface entre a cementita e a ferrita, ou diretamente através da fase de cementita. Devido à fragilidade da fase de cementita, a trinca não requer energia excessiva para se propagar através dela, resultando em rápido crescimento da trinca.

 

3. Fratura Final

 

Quando uma trinca atinge um determinado tamanho, a área de suporte de carga efetiva-do aço diminui drasticamente, deixando a área restante incapaz de suportar a carga aplicada, levando à fratura. Esse processo de fratura em aços de alto{2}}carbono costuma ser rápido e se enquadra na categoria de fratura frágil.

 

Estudos de caso de fratura de aço com alto-carbono em aplicações práticas

 

1. Fabricação de ferramentas

 

Na fabricação de ferramentas, o aço com alto-carbono é frequentemente usado para arestas de corte porque sua alta dureza e resistência mantêm uma aresta viva. No entanto, durante o uso real, as ferramentas podem quebrar repentinamente. Isso ocorre porque a ferramenta de corte está sujeita a forças alternadas de corte e impacto durante o processo de corte. A baixa tenacidade do aço de alto{4}}carbono o torna propenso a trincas que começam na aresta de corte ou a defeitos internos quando submetido a impactos significativos. Essas fissuras se propagam rapidamente, levando à fratura.

 

2. Fabricação de Primavera

 

As molas requerem um alto limite elástico e resistência à fadiga. Embora o aço com alto-carbono tenha alta resistência, sua falta de plasticidade e tenacidade durante flexões ou alongamentos repetidos pode levar à fratura em pontos de concentração de tensão. Por exemplo, as molas de suspensão de automóveis, expostas ao impacto da estrada e à vibração do veículo durante longos períodos de uso, são propensas a fissuras por fadiga e eventual fratura, comprometendo a segurança ao dirigir.

 

Medidas para melhorar a propensão à fratura do aço com alto-carbono

 

1. Liga

 

A microestrutura e as propriedades do aço de alto{0}}carbono podem ser melhoradas com a adição de elementos de liga, como cromo, molibdênio e vanádio. Esses elementos de liga reagem com o carbono para formar carbonetos mais estáveis, modificando a morfologia e distribuição dos carbonetos e mitigando os efeitos adversos da cementita. Por exemplo, o cromo forma carbonetos de cromo finamente dispersos, melhorando o equilíbrio entre resistência e tenacidade.

 

2. Otimizando o Processo de Tratamento Térmico

 

Um processo de tratamento térmico razoável pode ajustar a microestrutura do aço com alto-carbono e melhorar seu desempenho geral. Por exemplo, a austêmpera pode produzir uma estrutura de bainita, que possui um excelente equilíbrio entre resistência e tenacidade, aumentando a resistência à fratura do aço de alto{2}}carbono. Além disso, o revenido pode eliminar as tensões de têmpera e ajustar a dureza e tenacidade do aço.

 

3. Controle da segregação de carboneto

 

Durante os processos de fabricação de aço e fundição, podem ser tomadas medidas para controlar a segregação de carbonetos. Por exemplo, a agitação eletromagnética e a otimização do processo de fundição contínua podem alcançar uma distribuição mais uniforme de carbonetos no aço, reduzindo o acúmulo localizado de carbonetos e, portanto, a probabilidade de início de trincas.

 

Conclusão

 

A principal razão pela qual o aço com alto{0}}carbono é propenso à fratura é que o aumento do teor de carbono altera a microestrutura do aço, levando a um aumento na fase de cementita dura e quebradiça e a uma redução na plasticidade e tenacidade do aço. Quando submetido a tensões, o aço de alto{2}}carbono é propenso ao início de trincas na interface entre a cementita e a ferrita ou em áreas de segregação de carbonetos. Devido à sua baixa tenacidade, as trincas se expandirão rapidamente, eventualmente causando a quebra do aço. Em aplicações práticas, o problema de fratura do aço com alto-carbono representa um risco à segurança em muitos campos da engenharia. Através de medidas como ligas, otimização de processos de tratamento térmico e controle da segregação de carbonetos, a tendência à fratura do aço com alto-carbono pode ser melhorada até certo ponto, melhorando assim seu desempenho geral. Em futuras pesquisas de materiais e aplicações de engenharia, são necessárias pesquisas-mais aprofundadas sobre o mecanismo de fratura do aço com alto-carbono, e medidas de melhoria mais eficazes devem ser desenvolvidas para atender aos requisitos de desempenho mais elevados do aço em diferentes campos da engenharia.