(a) Explique porque os aços inoxidáveis martensíticos com maior teor de carbono apresentam um teor de cromo mais elevado. (b) Analise as implicações de se utilizar um aço inoxidável martensítico contendo 16 % p Cre 0,1 % p C, e explique porque em um aço com essa composição é necessário adicionar 2%p Ni.

Passo 1

Beleza, aqui a gente tem um exercício de Materiais (ligas metálicas), mais especificamente sobre aços inoxidáveis martensíticos.
O enunciado pede:
(a) Por que, quanto mais carbono num inox martensítico, mais cromo a gente precisa?
(b) Se eu fizer um aço martensítico com 16 %Cr e 0,1 %C, quais são as “armadilhas” dessa composição e por que tenho que botar 2 %Ni nele?
Para resolver isso, a gente vai usar dois conceitos básicos:
  1. Como se forma a película passiva de Cr₂O₃ (e por que o Cr em solução sólida é fundamental).
  2. Como o carbono e outros elementos influenciam a transformação martensítica (temperaturas Ms, carbetos e equilíbrio ferrita/austenita).

Passo 2

(a) Por que mais C → mais Cr?
  1. Teoria da passivação: para ser “inox”, é preciso ter, no ferro, pelo menos uns ~11,5 %Cr em solução sólida que forme a película de Cr₂O₃ na superfície.
  2. Carbono e carbonetos: C gosta de reagir com Cr para formar carbetos (por exemplo Cr₂₃C₆). Ou seja, parte do Cr some da solução sólida e vai parar nesses precipitados.
  3. Consequência prática: se eu colocar muito C (pra aumentar dureza/ resistência do martensito), vou gerar mais carbetos e “queimar” Cr. Logo, para manter ~11–12 %Cr livre no ferro, eu tenho que aumentar a %Cr total.
  4. Resumindo com uma “conta de padeiro”: se eu quero ter 12 %Cr sólido, mas 1 %Cr vai ficar em carbetos, preciso botar 13 %Cr na liga. Se o C aumenta e vira 2 %Cr em carbetos, preciso botar 14 %Cr… e por aí vai.

Passo 3

(b) Implicações de 16 %Cr e 0,1 %C
  1. 16 %Cr é bem acima do mínimo ~12 % para passivação, beleza, mas:
    – A liga fica rica em elemento ferrita-estabilizador. Ao aquecer para austenitizar (cerca de 950–1 050 °C), parte da estrutura pode não virar austenita completa e formar ferrita δ. Isso é ruim, porque na têmpera não vira martensita δ e sobra ferrita mole, atrapalhando dureza e tenacidade.
    – 0,1 %C não é muito alto, mas ainda gera alguns carbeto Cr₂₃C₆ na têmpera ou têmpera e revenido, consumindo Cr de novo.
  2. Ms (temperatura de início da martensita): tanto C como Cr reduzem Ms (por volta de –34 °C a cada 0,1 %C e –3 °C a cada 1 %Cr). Com 16 %Cr e 0,1 %C, Ms ainda fica acima de 20 °C, então a transformação ocorre, mas fica meio “apertado” para garantir martensita total.
  3. Riscos principais dessa composição “pura”:
    – Presença de ferrita δ residual → mistura martensita + ferrita (difícil de controlar a dureza e tenacidade).
    – Menor tenacidade e soldabilidade por causa da ferrita dura e dos carbetos.

Passo 4

Por que adicionar 2 %Ni?
  1. Ni é austenita-estabilizador. Com 2 %Ni, a curva de equilíbrio ferrita/austenita se move, de modo que, na faixa de austenitização (~1 000 °C), praticamente toda a estrutura vira austenita γ, com quase nada de ferrita δ.
  2. Assim, na têmpera você converte quase 100 % em martensita, sem sobrar ferrita “mole”.
  3. E de quebra o Ni melhora um pouquinho a tenacidade e a resistência à corrosão localizada, colaborando para uma liga mais equilibrada.

Resposta

(a) Porque o carbono forma carbetos de Cr, consumindo o Cr em solução sólida que é quem faz a película passiva. Quanto mais C, mais Cr total preciso para manter ~11–12 %Cr livre e inoxidável.
(b) Um aço com 16 %Cr e 0,1 %C tende a formar ferrita δ residual na têmpera (reduz dureza uniforme e soldabilidade) e carbetos que gastam Cr. Addicionar 2 %Ni estabiliza austenita durante a austenitização, evitando ferrita δ, garantindo martensita total na têmpera e dando mais tenacidade e resistência à corrosão.

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