Por que o aço com alto teor de carbono quebra mais facilmente? Quando o carbono é adicionado ao aço para aumentar sua resistência, ele forma carbonetos de ferro que atuam como cátodos, acelerando a corrosão. Esse processo aprisiona átomos de hidrogênio, levando à fragilização por hidrogênio e à rachadura por corrosão sob tensão. Consequentemente, à medida que o teor de carbono aumenta, a resistência do aço a esses problemas diminui. Neste artigo, você aprenderá sobre o intrincado equilíbrio entre o teor de carbono e as propriedades mecânicas do aço, esclarecendo como mitigar esses desafios.
As barras com alto teor de carbono sofreram várias fraturas.
Por exemplo, um eixo feito de aço 45# pode quebrar se não for usado por um longo período.
A coleta de amostras das peças quebradas e a realização de análises metalográficas frequentemente não conseguem determinar a causa da fratura.
Mesmo que um motivo seja identificado, ele pode não ser a causa real.
Para aumentar a resistência do aço, é necessário adicionar carbono. Isso resulta na precipitação de carbonetos de ferro. Do ponto de vista eletroquímico, os carbonetos de ferro atuam como cátodos, acelerando a reação de dissolução anódica em torno do substrato. A maior fração de volume de carbonetos de ferro na microestrutura também está ligada às características de baixa sobretensão de hidrogênio dos carbonetos.
A superfície do aço é propensa a gerar e absorver hidrogênio. À medida que os átomos de hidrogênio penetram no aço, a fração de volume de hidrogênio pode aumentar, reduzindo a resistência do material a fragilização por hidrogênio. Essa redução na resistência à corrosão e na resistência à fragilização por hidrogênio afeta significativamente as propriedades do aço e restringe suas aplicações.
Por exemplo, quando o aço automotivo é exposto a ambientes corrosivos, como o cloreto, pode ocorrer rachadura por corrosão sob tensão (SCC), o que representa uma ameaça à segurança da carroceria.
Quanto maior o teor de carbonoquanto menor o coeficiente de difusão do hidrogênio e maior a solubilidade do hidrogênio. Alguns pesquisadores sugeriram que vários defeitos de rede, como precipitados, potenciais e poros, aumentam proporcionalmente com o teor de carbono. À medida que o teor de carbono aumenta, a difusão do hidrogênio é inibida, levando a uma diminuição do coeficiente de difusão do hidrogênio.
O teor de carbono é proporcional à solubilidade do hidrogênio, portanto, à medida que os carbonetos prendem os átomos de hidrogênio, quanto maior a fração de volume, menor o coeficiente de difusão do hidrogênio dentro do aço. Isso resulta em um aumento da solubilidade do hidrogênio e da sensibilidade à fragilização por hidrogênio.
À medida que o teor de carbono aumenta, o coeficiente de difusão do hidrogênio diminui e a concentração de hidrogênio na superfície aumenta devido a uma diminuição da sobretensão do hidrogênio na superfície do aço.
Os resultados do teste de polarização por tensão conduzida mostram que quanto maior o teor de carbono da amostra, mais fácil é a ocorrência da reação de redução do cátodo (reação de geração de hidrogênio) e da reação de dissolução do ânodo em um ambiente ácido.
Os carbonetos atuam como cátodos e sua fração de volume aumenta em comparação com a matriz com uma baixa sobretensão de hidrogênio. Os resultados do teste eletroquímico de permeação de hidrogênio indicam que quanto maior o teor de carbono e a fração de volume dos carbonetos na amostra, menor o coeficiente de difusão dos átomos de hidrogênio e maior sua solubilidade. À medida que o teor de carbono aumenta, a resistência à fragilização por hidrogênio diminui.
O teste de tração com taxa de deformação lenta confirmou que quanto maior o teor de carbono, menor a resistência à rachadura por corrosão sob tensão. Isso é proporcional à fração de volume de carbonetos.
À medida que a reação de redução de hidrogênio e a permeação de hidrogênio na amostra aumentam, ocorre a reação de dissolução anódica, acelerando a formação de zonas de deslizamento. À medida que o teor de carbono aumenta, os carbonetos se precipitam no interior do aço, aumentando a possibilidade de fragilização por hidrogênio sob a ação de reações de corrosão eletroquímica.
Para garantir a excelente resistência à corrosão e à fragilização por hidrogênio do aço, o controle da precipitação de carbonetos e da fração de volume é um método eficaz.
A utilização do aço em peças e componentes de automóveis é limitada devido à sua baixa resistência à fragilização por hidrogênio.
Esse fenômeno é resultado da corrosão causada pela exposição a soluções aquosas.
A sensibilidade à fragilização por hidrogênio está diretamente ligada ao teor de carbono do aço.
Os carbonetos de ferro (Fe2.4C / Fe3C) são formados em condições de baixa sobretensão de hidrogênio.
Para atenuar a corrosão da superfície causada por rachaduras por corrosão sob tensão ou fragilização por hidrogênio, o tensão residual é normalmente removido por meio de tratamento térmico, o que também aumenta a eficiência do aprisionamento de hidrogênio.
Pode ser um desafio criar aços automotivos de altíssima resistência que ofereçam resistência excepcional à corrosão e à fragilização por hidrogênio.
À medida que o teor de carbono aumenta, a taxa de redução de hidrogênio também aumenta, enquanto a taxa de difusão de hidrogênio diminui significativamente.
A chave para a utilização de carbono médio ou aço de alto carbono para componentes automotivos ou eixos de transmissão está no controle eficaz dos componentes de carboneto dentro da microestrutura.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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