A composição química do aço é um dos fatores que determinam as características para sua aplicação. Elementos microligantes têm alguns efeitos característicos que são comuns a todos os aços. Outros efeitos são específicos para cada elemento [34].
Carbono (C) – O aumento do teor de carbono é a maneira mais econômica de obter resistência mecânica, principalmente no limite de escoamento. No entanto, é prejudicial à tenacidade do material, pois em alta porcentagem torna o aço “quebradiço”, além de comprometer a soldabilidade do aço.
Manganês (Mn) – o aumento do teor de manganês aumenta seguramente a resistência mecânica e resistência à fadiga. Em média, para cada 1% de manganês, a resistência à tração aumenta 100MPa. Para aços temperáveis, aumenta a dureza após a têmpera. Desoxidante, forma MnS, o qual impede trincas a quente causado por fusão em contornos de grão de filmes de FeS. Abaixa a temperatura de transição dúctil/frágil; agente endurecedor. Prejudica a soldabilidade, contudo é menos prejudicial que o carbono;
Silício (Si) – Favorece a resistência mecânica (limite de escoamento) e a resistência à corrosão, mas como o manganês, reduz a soldabilidade; desoxidante.
Enxofre (S) – Muito prejudicial aos aços. Diminui a ductilidade, tenacidade à fratura e soldabilidade. Forma sulfeto com o ferro, deixando o aço quebradiço, e forma o sulfeto de manganês, favorecendo a usinagem, pela formação de cavacos que se quebram facilmente.
Fósforo (P) – Aumenta o limite de resistência, favorece a resistência à corrosão, mas diminui a soldabilidade. Diminui a ductilidade e a tenacidade à fratura e torna o aço frágil, se ultrapassar certos teores.
Cobre (Cu) – Aumenta a resistência à fadiga e à corrosão, se usado em teores de 0,2 a 0,5%, mas reduz a soldabilidade.
Níquel (Ni) – Aumenta a resistência mecânica e a resistência à corrosão. Em relação à tenacidade, abaixa a temperatura de transição dúctil/frágil. Agente endurecedor e estabilizador da austenita. Em média, para cada 1% de níquel a resistência à tração aumenta 40MPa, aumenta o limite de escoamento e na têmpera, reduz a velocidade de resfriamento.
Nióbio (Nb) – É um dos principais elementos de liga dos aços microligados, sendo quase obrigatório nos aços ARBL. Pequenos teores desse elemento aumentam o limite de resistência e o limite de escoamento. Permite diminuir os teores de carbono e manganês. O nióbio admite dissolução substancial de carbo-nitetos de nióbio somente em temperaturas elevadas. Em baixas temperaturas, na faixa austenítica, mostra uma solubilidade restrita, e o endurecimento por precipitação não é observado. Os carbo-nitretos não dissolvidos nestas temperaturas atuam como um efetivo refinador de grão. A mudança significativa na dissolução dos carbo-nitretos entre elevadas e baixas temperaturas (1300ºC e 900ºC), na faixa de temperatura austenítica, provoca substancial precipitação induzida por deformação em temperaturas abaixo de 1000ºC, e produz o que é argumentado como sendo o efeito mais peculiar do nióbio nos aços: o significativo retardamento da recristalização nestas
temperaturas. Embora este efeito possa ser verificado em aços ao vanádio e aços ao titânio, ele não é tão marcante como nos aços ao nióbio.
Titânio (Ti) – Aumenta o limite de resistência e melhora o desempenho mecânico em temperaturas elevadas. A baixíssima solubilidade do nitreto de titânio é tal que mesmo modestos níveis de adição de titânio podem induzir a precipitação de carbo-nitretos de titânio ricos em nitrogênio (quase que exclusivamente nitretos) no aço líquido. Uma distribuição extremamente fina e estável de nitretos pode ser alcançada por adições restritas de titânio, que evitam extensa precipitação no estado líquido. Níveis de titânio em excesso ao requerido para combinar estequiometricamente com o nitrogênio resultam em combinação com o carbono, cuja solubilidade é similar ao carboneto de nióbio, portanto levando-o a efeitos similares aos do nióbio. Estes efeitos, entretanto, somente são observados quando a quantidade de titânio excede exageradamente a requerida para combinar com o nitrogênio. De todos os elementos microligados comumente utilizados no aço, o titânio é o único capaz de formar um sulfeto ou carbo-sulfeto. Embora o titânio, em comum com diversos outros elementos que formam sulfetos, seja capaz de produzir endurecimento por solução sólida, reduz a deformação plástica dos sulfetos durante a conformação a quente. Existe competição entre o manganês e o titânio pelo enxofre.
Cromo (Cr). Em média, cada 1% de cromo a resistência à tração aumenta 80MPa, aumenta a resistência à corrosão, melhora a facilidade de têmpera e aumenta a resistência ao desgaste. Fornece resistência à corrosão, por exemplo, nos aços inoxidáveis (Cr ≥ 10,5%). É agente endurecedor nos aços temperados e revenidos e forte formador de carbonetos.
Vanádio (V). Refina a estrutura do aço, impedindo o crescimento dos grãos. Forma carbonetos duros e estáveis. A solubilidade do carboneto de vanádio é grande na fase austenítica, mesmo a baixas temperaturas, enquanto que a do nitreto de vanádio é mais baixa, e admite somente dissolução parcial em baixas temperaturas, por exemplo, 900ºC. Para garantir um refino de grão na condição normalizada, a quantidade de nitrogênio nos aços ao vanádio (máximo de 0,15%V) geralmente é aumentada para níveis acima de 0,01%N.
Tungstênio (W). Aumenta a resistência à tração em altas temperaturas. Forma carbonetos bastante duros e é usado em aços para ferramentas.
Cobalto (Co). Aumenta a dureza do aço, sob altas temperaturas nos aços ferramentas.
Alumínio (Al). Atua como desoxidante e controla o crescimento dos grãos. Forma AlN que fixa o contorno de grão e mantém pequeno o tamanho do grão da ferrita. A formação do AlN também serve para remover N da solução sólida, mas diminuindo a resistência do reticulado para movimentação de discordâncias e abaixando a temperatura de transição dúctil/frágil.
Molibdênio (Mo). Agente endurecedor nos aços temperados e revenidos e forte formador de carbonetos. Suprime a fragilidade do revenimento. Estabiliza a película passiva em aços inoxidáveis (portanto, aumenta resistência a corrosão por pite).
Akselsen e os outros (et al.) [35] ressaltam que os aços ARBL (Alta Resistência e Baixa Liga) têm sido utilizados com sucesso em aplicações que requerem um custo relativamente baixo, boa resistência mecânica e tenacidade. Estes aços são empregados em tubos, vasos de pressão, estruturas navais, vagões, tanques, construção civil, componentes automotivos e outros.
Conforme Buzzichelli e Anelli [36], o desenvolvimento dos aços ARBL e de graus mais elevados de aços microligados da classe API com maior resistência mecânica foi também influenciado pela necessidade de fabricar tubulações com grande diâmetro, com menor espessura de parede e operando sob alta pressão, permitindo aumentar a produtividade, tanto pela redução do peso da estrutura, quanto pelo aumento do volume de fluido transportado com segurança, através de grandes distâncias.
Fairchild [37] destaca que pressões elevadas geram um estado de tensões bastante severo sobre um defeito (ou trinca) potencialmente presente no material do tubo, e a extensão estável deste defeito, numa parede de pequena espessura, pode levar à falha da estrutura. Os vários graus dos aços para tubos, especificados pela Norma API 5L, podem ser classificados como aços ARBL. Usualmente são microligados com nióbio, titânio ou
vanádio, garantindo boa tenacidade à fratura, alta resistência à tração e resistência à fragilização por hidrogênio.
Akselsen et al. [35], Thaulow et al. [38] afirmam que devido ao efeito de endurecimento promovido pela adição dos elementos de liga, o teor de carbono pode ser reduzido, resultando em melhor soldabilidade e tenacidade à fratura. Novos materiais têm sido desenvolvidos para atender as especificações das normas técnicas e exigências dos clientes.
De acordo com Hannertz [39] e Shiga [40], no processo de fabricação procura-se otimizar a qualidade interna do aço, reduzindo-se e controlando-se o nível de impurezas residuais como o enxofre e o fósforo e, também, evitando-se zonas de segregação e o bandeamento da microestrutura, com a finalidade de dificultar a formação de trincas e regiões de alta temperabilidade.
Grãf e Hillenbrand [41] destacam o grande avanço ocorrido nas técnicas de processamento termomecânico do aço, como os processos de laminação controlada e resfriamento acelerado.
Conforme enfatizado por Akselsen [35] e Thawlow [38], a característica mais importante dos aços ARBL é a apreciável resistência mecânica, combinada com ductilidade e tenacidade, em comparação com os outros aços que estes substituem. Trata- se, pois, do resultado do compromisso entre duas características metalúrgicas do material: 1 - pequeno tamanho de grão; 2 - preciptados finamente dispersos na matriz.
Desta forma, os graus API X52 até X70 são basicamente aços ARBL, nos quais os níveis de uma resistência mecânica e tenacidade são atingidos pela combinação de uma microestrutura refinada de ferrita-perlita (ou ferrita-martensita), alta densidade de discordâncias (gerado pelo trabalho a frio do material), endurecimento por preciptação (causado por carbonetos de Ti, V ou Nb finamente dispersos na matriz ferrítica) e um endurecimento residual causado pela textura/anisotropia no material [37-39].
A adição de elementos microligantes permitiu, inicialmente, uma significativa redução no carbono equivalente. Porém, uma maior redução no carbono equivalente
tornou-se possível com procedimentos de melhoria no processamento termomecânico, como a laminação controlada, dentre outros [35].
Buzzichelli e Anelli [36] destacam que, em meados de 1960, importantes pré- requisitos começaram a ser introduzidos nas especificações, com intenção de usar aços resistentes e tenazes para os novos gasodutos de grande diâmetro e produtividade. Desde então, materiais mais resistentes foram continuamente produzidos pelas laminações de tubos, com o objetivo de satisfazer as inovações propostas pelas exigentes especificações dos engenheiros projetistas das companhias de óleo. Isto, claro, refletiu num esforço enorme dos pesquisadores das siderúrgicas e induziram o desenvolvimento de novas composições químicas, novos processos de laminação e tratamentos de refino do aço líquido, seguido de inovações apropriadas de conformação do tubo para as operações de soldagem. A construção de grandes gasodutos foi a força motriz para as mudanças e, em menos de 20 anos, tubos de grande diâmetro, tenazes, com grande soldabilidade e resistência à tração (API X80) foram usados na Europa, América do Norte e Japão [41].
De acordo com Hillenbrand e Kalwa [30], até meados de 1970, os aços de alta resistência e baixa liga, como os aços API X52 e API X60, eram produzidos pelo processo de laminação a quente, seguida de normalização, e era necessário um cuidadoso projeto metalúrgico com o objetivo de prevenir a formação de bandas altamente segregadas (manganês e fósforo são os elementos chave) que promovem redução na resistência à fragilização por hidrogênio.
Na década de 1970, a laminação a quente e a normalização foram complementadas pelo tratamento termomecânico, que possibilitou o desenvolvimento de aços até API X70, microligados com nióbio e vanádio e menor teor de carbono [41].
Uma melhoria no processamento, consistindo de tratamento termomecânico com subseqüente resfriamento acelerado, possibilitou a produção de aços mais resistentes como o API X80, com teor de carbono ainda mais reduzido e excelente tenacidade e soldabilidade.
Hillenbrand [42] e Buzzichelli & Anelli [36] destacam que, mais recentemente, adições de molibdênio, cobre e níquel, associadas a tratamentos termomecânicos com resfriamento acelerado modificado, tornaram possível o aumento da resistência e o desenvolvimento dos aços API X100 e API X120, o que pode ser visto na Figura 4.3.
Figura 4.3 – Desenvolvimento dos aços API. Adaptação de Hillenbrand [30].
As soluções dos produtores de aço convergiram em alguns aspectos básicos como: microestrutura dos aços com ferrita acicular de baixo carbono e/ou bainita inferior; aços com adequado nível de limpidez, capaz de atender eficientemente as mais exigentes especificações em 7 tipos de resistência, ductilidade e soldabilidade, além de novos processos de laminação a quente e de resfriamento controlado [30].
Houve grande esforço por parte de algumas entidades para realizar os ensaios dos tubos em escala real, especialmente aqueles associados com as várias possibilidades de modos de fratura.
A Figura 4.4 mostra microestruturas típicas de três aços API com os respectivos tamanhos de grão. A Figura 4.4 (a) mostra a micrografia de uma chapa do aço API X60, conformada pelo processo de laminação convencional e normalizada. Observa-se microestrutura típica de ferrita e perlita, bandeada, com tamanho de grão (ASTM 7 a 8). Verifica-se na Figura 4.4 (b) que um menor tamanho de grão ferrítico (ASTM 10 a 11) está presente na chapa do aço API X70, conformada por tratamento termomecânico.
Microestrutura mais uniforme e mais fina (ASTM 12 a 13) é verificada na chapa do aço API X80, conforme mostra a Figura 4.4 (c).
Conforme esclarece Hillenbrand et al. [30], o resfriamento acelerado, sucedendo o tratamento termomecânico possibilita a formação de microestrutura do tipo ferrita-bainita, com excelentes propriedades mecânicas.
Figura 4.4 – Microscopia características de três aços API, mostrando a relação entre a evolução do processamento dos aços e o tamanho dos grãos. (a) API X60, (b) API X70, (c) API X80 [30].
O desenvolvimento de aços de alta resistência está sendo intensificado mundialmente por razões econômicas. A utilização de tubos fabricados a partir de aços com melhores propriedades mecânicas tem contribuído para a redução de custos na produção das malhas de oleodutos, gasodutos e minerodutos, pois permite selecionar menores espessuras de parede, mantendo-se a mesma pressão de trabalho, o que resulta na diminuição do peso dos tubos e da quantidade de solda depositada em cada junta.
A crescente demanda por gás natural influenciará o tipo de transporte no futuro, tanto no ponto de vista econômico quanto estratégico. Gasodutos, oleodutos e minerodutos de longa distância são um meio seguro e econômico de transportar gás, óleo e minério das regiões de produção até aos usuários. Pelo exposto acima, os minerodutos, com o desenvolvimento dos tubos para gasodutos e oleodutos, têm um grande ganho ao utilizarem os aços API X70 e API X80. Tudo dependerá da relação custo benefício.