O objetivo principal da utilização dos elementos de liga nos aços ARBL é melhorar a resistência mecânica de forma direta, por meio do refino de grão, solução sólida e endurecimento por precipitação, ou indiretamente, por aumento de temperabilidade e modificação das microestruturas de transformação.
Estudos sobre o efeito da utilização de nióbio e vanádio nas propriedades de aços estruturais revelam que teores menores que 0,10% em peso destes elementos endurecem os aços sem interferir no processamento (DAVIS, 1995). Estes elementos refinam o grão ferrítico, o qual é o mecanismo mais efetivo para aumentar a resistência mecânica e a tenacidade. O processo ocorre por meio da restrição do crescimento do grão austenítico durante o aquecimento e/ou retardamento da recristalização da austenita durante a deformação a quente, de forma que a transformação / acontece na austenita não recristalizada (MAALEKIAN, 2007). O arrastamento de soluto provocado pela segregação de elementos de liga nos contornos e a precipitação de carbonitretos induzidos por deformação são responsáveis pela inibição do deslocamento dos contornos de grão (FATEHI, 2008). O nióbio em solução diminui a temperatura de transformação austenita-ferrita em até 100 °C para condições de resfriamento acelerado. Mantém a estabilidade da austenita em menores temperaturas e favorece a formação de bainita em detrimento da ferrita. A diminuição da temperatura ou tempo de permanência em uma dada temperatura causa a precipitação de nióbio e a diminuição da estabilidade da austenita. O nióbio em solução afeta os fatores cinéticos, em particular, diminui a mobilidade aparente da interface ferrita-austenita. O efeito de arraste do nióbio na migração da interface austenita-ferrita aumenta com a concentração do soluto (MILITZER et al., 2014).
Outros elementos como alumínio e titânio também contribuem com o refino de grão em temperaturas acima da austenitização, pois se apresentam na forma de carbonetos, nitretos e carbonitretos distribuídos homogeneamente na matriz e estáveis em altas temperaturas (PORTER et al., 2009).
O nitrogênio, quando não está combinado com o titânio, promove a formação de nitreto de nióbio (NbN) preferencialmente ao carboneto NbC. Este efeito é maior
quando o aço permanece em temperaturas da ordem de 900 a 960°C e reduz o efeito do nióbio no refino de grão. O teor máximo recomendado de nitrogênio é de 0,008 a 0,009%, em conjunto com teor de titânio entre 0,009 a 0,015%, de forma a prevenir efeitos indesejados (MALCOLN, 2007).
A contribuição do titânio e de outros elementos nas temperaturas de recristalização é mostrada na Figura 17. Observa-se que o efeito do nióbio é maior que os demais. Figura 17 - Efeito de elementos de liga na temperatura de recristalização da austenita em um aço
baixo carbono com 1,4% em peso de manganês.
Fonte: (GLADMAN, 1997).
A Figura 18 apresenta as isotermas de solubilidade carbonetos e nitretos formados em ligas ARBL. O carboneto de vanádio é o mais solúvel, enquanto o nitreto de titânio é o mais estável em todas as temperaturas e tem maior efetividade no controle do tamanho de grão austenítico (SPEER e MATLOCK, 2007).
O carboneto de vanádio está disponível para posterior endurecimento por precipitação. O vanádio também melhora a tenacidade pela estabilização do nitrogênio dissolvido e os teores nos aços microligados situam-se na faixa de 0,03 a 0,1%.
Figura 18 - Produtos de solubilidade para diversos carbonetos e nitretos de elementos de liga.
Fonte: Adaptado de (PORTER et al., 2009).
Com relação ao molibdênio, a adição em aços ferrítico-perlíticos ligados ao nióbio aumenta o limite de escoamento em aproximadamente 20 a 30 MPa por 0,1% adicionado (DAVIS, 1995). Este efeito é provocado pelo endurecimento por solução sólida na ferrita, precipitação secundária de partículas de Mo2C e endurecimento por
precipitação de carbonetos de nióbio (DAVIS, 2001).
O molibdênio, assim como o nióbio, influencia a cinética de decomposição da austenita. O principal efeito é atrasar a formação da ferrita e favorecer a formação da bainita superior (MILITZER et al., 2014). Esta é uma estratégia eficiente para controlar a transformação de fases e atingir as propriedades no produto final.
Os efeitos de adições combinadas de molibdênio e nióbio são de interesse especial na fabricação dos aços microligados, uma vez que o primeiro influencia o comportamento da precipitação de carbonetos de nióbio. Estudos apontam maior fração de precipitados do tipo (Nb,Mo)(C,N) após revenimento. Além disso, o molibdênio inibe o coalescimento dos carbonetos de nióbio ao segregar na interface matriz-carboneto (MOHRBACHER, 2014). Este efeito favorece a utilização de aços para construção de estruturas resistentes ao fogo, onde a resistência ao coalescimento de precipitados mantém a resistência mecânica em altas
temperaturas (SPEER, ENLOE, et al., 2015). No entanto, a adição de molibdênio em aços ARBL com nióbio, favorece a formação do microconstituinte M/A, que reduz a tenacidade e age como iniciadora de trincas no material (ISASTI, JORGE-BADIOLA,
et al., 2014).
Estudos mostram que as adições combinadas de nióbio e molibdênio são tão eficientes no aumento de resistência como adições isoladas de molibdênio. Nestes aços, a adição de nióbio diminui o efeito do molibdênio na transformação bainítica, embora a perda de resistência é compensada pelo refino do grão que promove a diminuição do tamanho das placas de bainita (HU, XU, et al., 2015). Por este motivo a substituição de parte do molibdênio por nióbio é uma estratégia interessante na fabricação destes aços.
Outro elemento importante é o manganês que atua como inibidor da transformação da ferrita poligonal e da perlita, além de aumentar a resistência mecânica da ferrita por solução sólida. No tratamento intercrítico aumenta a concentração deste elemento na austenita e da temperabilidade. Outro efeito importante é a eliminação da fragilidade a quente devido à formação de sulfeto de manganês (MnS). Entretanto, a presença excessiva deste composto reduz a energia absorvida no ensaio de impacto Charpy. Por isso, nos aços API 5L procura-se manter o teor de enxofre abaixo de 0,010% (MALCOLN, 2007).
Com relação ao silício, este elemento atua moderadamente como agente de endurecimento por solução sólida. Entretanto, sua função principal é atuar como desoxidante e estabilizador da ferrita (SOEIRO JR et al., 2013).
Ainda nestes aços, o cromo atua no aumento de resistência mecânica pela formação de ferrita acicular ou bainita em condições de resfriamento acelerado, enquanto o níquel aumenta a tenacidade (MALCOLN, 2007).