Livro Tecnologia de Materiais com Ênfase nas Ligas Fe-C

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TECNOLOGIA DE MATERIAIS 
COM ÊNFASE NAS LIGAS FE-C 
 
 
 
 
 
 
 
TOMÁS DE AQUINO FERREIRA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ENGENHARIA AGRÍCOLA E 
ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO 
 
 
Departamento de Engenharia 
Universidade Federal de Lavras - UFLA 
Lavras-MG
 
 
 
 
S U M Á R I O 
 
1 INTRODUÇÃO .................................................................................................... 7 
2 OBTENÇÃO DO FERRO GUSA ............................................................................. 99 
2.1 DIAGRAMA SIMPLIFICADO DE UMA MODERNA USINA SIDERÚRGICA 
INTEGRADA ...................................................................................................... 9 
2.2 MINÉRIOS DE FERRO ....................................................................................... 9 
2.3 COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS UTILIZADOS EM SIDERURGIA ........................ 122 
2.3.1 Carvão vegetale em 2.3.2 Carvão mineral ................................................ 122 
2.4 FUNDENTES .................................................................................................. 133 
2.5 O ALTO-FORNO ............................................................................................. 133 
2.5.2 Formação da escória ................................................................................ 155 
2.5.3 Gás do alto-forno ...................................................................................... 155 
2.5.4 Regeneradores (recuperadores) ............................................................... 166 
2.5.5 Lingoteamento do gusa............................................................................. 177 
3 PROCESSOS DE OBTENÇÃO DO AÇO ............................................................. 188 
3.1 FORNO SIEMENS-MARTIN (ACIARIA SIEMENS-MARTIN) ......................... 188 
3.2 CONVERSORES BESSEMER ....................................................................... 200 
3.3 PROCESSOS DE SOPRAGEM A OXIGÊNIO ................................................ 233 
3.4 FORNOS ELÉTRICOS ..................................................................................... 24 
3.4.1 Fornos a arco ............................................................................................ 244 
3.4.2 Forno de indução ...................................................................................... 255 
4 AÇOS .................................................................................................................... 277 
4.1 IMPORTÂNCIA ............................................................................................... 277 
4.2 APLICAÇÃO ................................................................................................... 277 
4.3 CLASSIFICAÇÃO ........................................................................................... 277 
4.4 ALGUMAS DEFINIÇÕES IMPORTANTES, SEGUNDO A NORMA 
ABNT P-TB-52 ............................................................................................... 288 
4.5 ELEMENTOS DE LIGA ................................................................................... 299 
4.6 SISTEMAS DE DENOMINAÇÃO DOS AÇOS ................................................ 300 
4.6.1 Sistema de denominação dos aços ABNT(Associação Brasileira de Normas 
Técnicas), segundo a Norma ABNT Nbr 6006/80 ...................................... 30 
4.8 ALGUNS CRITÉRIOS A CONSIDERAR SOBRE A SELEÇÃO DE AÇOS ..... 322 
4.9 AÇOS CARBONO PARA ELEMENTOS DE MÁQUINAS - ALGUMAS 
INDICAÇÕES DE CARÁTER PRÁTICO ........................................................ 333 
5 CONTROLE E ENSAIO DE PRODUTOS SIDERÚRGICOS .................................. 34 
5.1 VERIFICAÇões ELEMENTARES ..................................................................... 34 
5.2 ENSAIOS DE LABORATÓRIO ....................................................................... 366 
5.2.1 Análise química ......................................................................................... 377 
5.2.2 Exames metalográficos ............................................................................. 377 
5.2.3 Ensaios mecânicos ................................................................................... 377 
5.3 ALGUMAS HETEROGENEIDADES DOS AÇOS QUE OCORREM NA 
SOLIDIFICAÇÃO ............................................................................................ 377 
5.4 MACROGRAFIA ............................................................................................. 411 
5.4.1 Preparo de corpos de prova ...................................................................... 411 
 
 
5.4.2 Exame e interpretação do resultado ......................................................... 433 
5.4.3 Algumas considerações sobre o comportamento de um metal (fadiga) ... 444 
5.4.4 Algumas ilustrações de análises macrográficas ...................................... 455 
5.5 MICROGRAFIA ............................................................................................... 499 
5.5.1 Noções sobre estrutura dos materiais ...................................................... 500 
5.5.2 Alotropia do ferro e em5.5.3 Noções sobre ligas metálicas ...................... 54 
5.5.4 Diagrama de equilíbrio das ligas ferro-carbono ........................................ 577 
5.5.5 - A Estrutura e a textura explicam as propriedades do aço........................ 633 
5.5.6 Técnica micrográfica ................................................................................. 655 
5.5.7 Interpretação micrográfica (aços-carbono esfriados lentamente) ............. 699 
6 TRATAMENTOS TÉRMICOS E TERMOQUÍMICOS DOS AÇOS ........................ 733 
6.1 TRATAMENTOS TÉRMICOS ......................................................................... 733 
6.1.1 Noções preliminares ................................................................................. 766 
6.1.2 Recristalização .......................................................................................... 777 
6.1.3 Recozimento ............................................................................................. 800 
6.1.4 Normalização ............................................................................................ 833 
6.1.5 Têmpera .................................................................................................... 844 
6.1.6 Têmpera superficial .................................................................................. 933 
6.1.7 Revenimento ............................................................................................. 955 
6.1.8 Coalescimento .......................................................................................... 977 
6.1.9 - Aços rápidos ............................................................................................ 988 
6.2 TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS ............................................................. 999 
6.2.1 Cementação .............................................................................................. 999 
6.2.2 Nitretação ................................................................................................ 1011 
6.2.3 Cianetação .............................................................................................. 1022 
6.2.4 Boretação ................................................................................................ 1022 
7 FERROS FUNDIDOS ......................................................................................... 1033 
7.1 FORNO CUBILÔ ........................................................................................... 1044 
7.2 DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO Fe-C SIMPLIFICADO .................................... 1066 
7.2.1 - Ferros fundidos eutéticos (4,3% de C)................................................... 1088 
7.2.2 - Ferros fundidos hipoeutéticos (2% A 4,3% de C) .................................... 108 
7.2.3 Ferrosfundidos hipereutéticos .................................................................. 109 
7.3 PRINCIPAIS TIPOS DE FERROS FUNDIDOS .............................................. 109 
7.3.1 Ferro fundido brancoe em 7.3.2 Ferro fundido cinzento ....................... 1099 
7.4 MELHORAMENTO DAS PROPRIEDADES DOS FERROS FUNDIDOS ..... 1155 
7.4.1 Inoculação ............................................................................................... 1155 
7.4.2 Ferro fundido maleável ........................................................................... 1155 
7.4.3 Ferro fundido nodular .............................................................................. 1166 
7.4.4 - Ferros fundidos ligados.......................................................................... 1177 
7.5 TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS FERROS FUNDIDOS ........................... 1188 
8 NOÇÕES SOBRE ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS METÁLICOS ..... 1199 
8.1 NOÇÕES PRELIMINARES ........................................................................... 1199 
8.2 ENSAIO DE TRAÇÃO .................................................................................. 1200 
8.3 ENSAIO DE DUREZA ................................................................................. 13535 
9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................... 147 
 
 
 
1 
INTRODUÇÃO 
Temos falado extensivamente a nossos estudantes sobre a necessidade e as 
vantagens de ter uma manutenção preventiva rigorosa de nossos tratores, 
implementos e máquinas agrícolas. Sem sombra de dúvida, a manutenção corretiva é 
muito mais cara que a preventiva. O custo financeiro da mão de obra, de peças de 
reposição e do tempo de máquina parada pesa fortemente sobre os custos de 
produção. 
Em nossos dias, com a ajuda de microcomputadores, principalmente em caso 
de frotas maiores, resultados notáveis podem ser conseguidos quanto aos cuidados 
necessários que resultem em aumento da vida útil das máquinas, trazendo um justo 
retorno sobre o capital investido. 
Falhas graves poderão ocorrer em máquinas e equipamentos, podendo 
serem atribuidas, no nosso entender, basicamente, a dois fatores: 
- cuidados mínimos e simples não são tomados, quer por 
desconhecimento ou displicência; 
- os operadores das máquinas não são treinados para operá-las 
adequadamente; 
Dessa forma, torna-se evidente que é altamente interessante investir no 
treinamento e na capacitação do operador para que o mesmo tenha condições de 
cuidar devidamente da máquina, seguindo com critérios as orientações do fabricante. 
É preciso que se tenha consciência dos limites da máquina, para que se possa obter 
da mesma a melhor performance possível, porém, sem sobrecarregá-la. 
Tira-se daí a conclusão óbvia: quem aprende como é uma máquina “por dentro” 
cuida melhor dela. 
Conhecendo-se como funcionam seus órgãos e elementos, a conseqüência 
natural é adotar um comportamento consciente quanto à manutenção e operação. 
Assim, a simples verificação diária do nível de óleo em um motor, por exemplo, passa 
a ter significado e importância, e como, muitas vezes, estas máquinas operam em 
condições severas de contaminação sólida do ar (poeira), a simples verificação do 
Tecnologia de Materiais 
 
8 
sistema de filtragem de ar aumenta enormemente a vida útil de um motor, com menor 
abrasão das peças, por melhor que sejam os materiais que tenham sido utilizados na 
sua execução, e assim por diante. 
No desenvolvimento de um produto, várias considerações são feitas, tais como: 
 
- configuração conforme o fim que se destina; 
- análise cinemática de seus componentes; 
- análise dinâmica dos esforços a que será submetido. Procura-se levantar 
dados numéricos, alguns empíricos, que permitam o correto 
dimensionamento pelos critérios da resistência dos materiais, ou avaliação 
pela análise experimental de tensões e dinamometria por transdutores 
resistivos, indutivos ou capacitivos; 
- escolha do material adequado para confecção dos seus elementos; 
- como estes materiais podem ser melhorados por meio de tratamentos 
térmicos e termoquímicos, para um melhor comportamento sob a ação dos 
esforços previstos; 
- decisões sobre a melhor forma para fabricar os componentes, com 
estabelecimento de critérios de controle de qualidade; 
- após montagem do protótipo, devem ser realizados exaustivos testes em 
bancadas dinamométricas, equipamentos de ensaios dinâmicos e ensaios 
simulados (pistas especiais, por exemplo); 
- finalmente, ensaios em condições reais de trabalho, o que pode levar à 
reavaliação para melhorar o comportamento de componentes, até se chegar 
a um produto de qualidade. 
 
Passa-se, portanto, obrigatoriamente pela decisão sobre qual o material a 
ser empregado, e como ele pode ser melhorado. 
Daí a importância de se conhecer os materiais metálicos, com ênfase em aços e 
ferros fundidos, o que fornece importantes subsídios, não só para a fabricação da 
máquina, mas com igual importância de como cuidar dela e operá-la devidamente. 
Em princípio, este é o propósito deste trabalho, resultado da compilação de uma 
série de notas de aulas oferecidas aos cursos de Engenharia Agrícola e 
Engenharia de Controle e Automaçãoda UFLA, que, longe da pretensão de se ter 
esgotado o assunto, pelo contrário, visa fornecer dados básicos para 
aprofundamentos posteriores. 
Sugestões e críticas construtivas serão bem aceitas. 
 
 
2 
OBTENÇÃO DO FERRO GUSA 
2.1 DIAGRAMA SIMPLIFICADO DE UMA MODERNA USINA SIDERÚRGICA 
INTEGRADA 
Serão abordados neste capítulo e nos capítulos 3 e 7 de forma mais simples, 
evitando-se propositalmente detalhes do processamento da obtenção dos produtos 
que constituem os principais materiais utilizados na fabricação das máquinas em 
geral. O ferro gusa como primeiro produto obtido, a partir do qual processa-se a 
obtenção dos aços e ferros fundidos, já que o gusa em si não tem aplicabilidade em 
mecânica, por razões que ficarão claras ao longo do texto. 
A importância dos materiais ferrosos (ligas Fe-C) na Engenharia é tão 
grande que, dentro da área de metalurgia, o processo até recebe um nome 
especial: siderurgia. Abordar devidamente somente essa área exigiria uma 
publicação específica, tão vasta ela é, e composta de inúmeros detalhes técnicos de 
importância. 
2.2 MINÉRIOS DE FERRO 
O minério de ferro (Fe) é um dos minerais metálicos mais amplamente 
difundidos no reino mineral. A crosta terrestre contém cerca de 5% de Fe na forma 
combinada. 
O minério consiste em ferro metálico em combinação química com quantidades 
variáveis de oxigênio, carbono e enxofre. O fósforo e o manganês também podem 
estar presentes e podem influir na quantidade do metal que dele pode ser obtida. 
 
O minério de ferro é composto, pois, de Fe combinado e pela “ganga”, 
matéria terrosa que geralmente contém SiO2 e Al2O3, óxidos de cálcio, 
magnésio e traços de P, S, Ti, Mn e outras substâncias. 
 
 
Tecnologia de Materiais 
 
10 
 
FIGURA 2.1 Diagrama Simplificado de uma Moderna Usina Siderúrgica 
Integrada 
Obtenção do Ferro Gusa 
 
11 
Os minérios de ferro de importância industrial estão classificados nos seguintes 
grupos: 
 
- hematita (Fe2O3): apresenta-se na forma compacta (cristalina) ou friável 
(amorfa). Tem coloração negra ao vermelho tijolo (aproximadamente 70% 
em peso de Fe). É o mais utilizado; 
- magnetita (Fe3O4): é o mais rico e também o mais raro (aproximadamente 
73% em peso de Fe). Tem coloração negra e é fortemente magnético; 
- limonita ou minério de ferro pardo (2Fe2O33H2O): é uma forma hidratada 
da hematita (o teor de Fe é de aproximadamente 60% em peso) 
- siderita(FeCO3 - carbonato de ferro): tem aproximadamente 48,3% de Fe. 
2.2.1 Preparação do minério de ferro 
- Britagem e classificação (por peneiramento) 
O minério é britado e classificado em dimensões uniformes e adequadasà boa 
operação do alto forno (pedaços muito grandes são mais difíceis de reduzir que os 
pequenos), permitindo também permeabilidade à passagem de maior volume de ar 
através da carga, possibilitando melhores condições de combustão no alto-forno. 
 
- Sinterização 
Tem por objetivo reconstituir, a partir de materiais finos, pedaços grandes de 
minério, adequados ao carregamento e operação do alto forno. O minério fino é 
misturado com quantidade dosadas de coque moído (ou carvão vegetal), calcário e 
água para obter certa aglomeração. É então colocado sobre uma esteira móvel 
(grelha móvel) e sua superfície levada à incandescência enquanto se succiona ar 
através da camada de mistura, por debaixo da esteira. As partículas ao aquecerem 
se unem pelas zonas de contato entre si, formando pedaços maiores. Resulta num 
material poroso que é depois quebrado no tamanho adequado para ser utilizado no 
alto forno ou aciaria (sinter). 
 
 - Pelotização (peletização) 
Utilizando minério fino, este ainda é mais pulverizado ainda a fim de se ter 
melhores condições de formação de pelotas. 
As pelotas cruas são aglomerados esferoidais de partículas, obtidas mediante a 
ação de rolamento sobre uma superfície em movimento (tambor rotativo) e a ação de 
um ligante intergranular líquido (água). A formação das pelotas dentro do tambor 
rotativo com10 a 15 mm de diâmetro. 
Em seguida, procede-se à “queima” das pelotas cruas em equipamentos que 
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12 
podem ser semelhantes à máquina de sinterização (esteira móvel). 
2.3 COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS UTILIZADOS EM SIDERURGIA 
2.3.1 Carvão vegetal 
Devido às suas qualidades como combustível e redutor e seu elevado grau de 
pureza, é considerado matéria-prima de qualidade, contribuindo com cerca de 40% 
do gusa produzido no Brasil. 
Dificuldades: enorme infraestrutura de reflorestamento, dada a escassez de 
reservas naturais. Consome-se cerca de 3 a 5 m3 de carvão/tonelada de gusa. 
Exemplo: uma siderúrgica que produza 450.000 t/gusa ao ano necessita de 
cerca de 180.000 hectares de eucaliptos e de 25.000 homens para exploração. 
2.3.2 Carvão mineral 
O carvão mineral é uma massa compacta e estratificada de matéria vegetal, 
cujo processo de decomposição foi interrompido como resultado de ação geológica. 
Geralmente, os depósitos carboníferos se localizam nos limites de regiões 
montanhosas, onde alterações geológicas causaram o soterramento de florestas. 
A turfa é considerada o estágio inicial da transformação da matéria vegetal em 
carvão. A ação combinada da pressão e calor durante longos períodos causou 
modificações profundas na estrutura da turfa, como eliminação da água, do gás 
carbônico e do metano, aumentando progressivamente o teor de carbono do material 
residual. Isto resultou na transformação da turfa em linhito, e nos demais tipos de 
carvão betuminoso, tal como hulha e antracito. 
▪ Coque 
Para a operação de um alto-forno, precisa-se de um combustível sólido que 
seja rico em carbono, fornecendo, pela queima, a elevação da temperatura 
necessária às reações químicas da redução do minério e contribuindo com o carbono 
como principal agente redutor. 
O carvão mineral bruto, após beneficiamento e lavagem, é a matéria-prima para 
a fabricação do coque. 
• Carvão, carregado nas câmaras de coqueificação da coqueria de uma usina 
siderúrgica, sofre, por aquecimento, a decomposição das moléculas mais 
complexas, com desprendimento de compostos mais simples e voláteis e 
formação de um resíduo sólido, poroso e carbonoso: o coque. 
O coque, portanto, exerce quatro funções principais em um alto forno: 
a) é o combustível; 
b) é o gerador de gás redutor (CO) ou age diretamente na redução; 
Obtenção do Ferro Gusa 
 
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c) assegura elevada permeabilidade (passagem dos gases) à coluna de 
carga. 
d) E também, como o carvão vegetal, é elemento de liga 
2.4 FUNDENTES 
• Calcário (CaCO3): calcita (romboédrico) e aragonita (ortorrômbico) sempre 
"contaminado" com dolomito. 
O calcário é a matéria-prima para fabricar a cal. Nos fornos de cal, acima 
de 725ºC obtêm-se CaO e CO2. No alto-forno é utilizado como fundente para 
eliminar as impurezas na produção do gusa, formando escórias fluidas. 
OBS.:Ver definição de ferro gusa (nº 1, na página 41, Capítulo 4). 
No alto-forno, a cal(CaO) é responsável pela transformação da ganga do 
minério (sílica e alumina) numa escória fundida, que se separa do gusa por 
diferença de densidade. 
É um fundente de grande importância em aciarias, como 
agentedesfosforizante do gusa. 
2.5 O ALTO-FORNO 
 
FIGURA 2.2 Corte longitudinal de um alto-forno, mostrando a variação da 
temperatura em função da altura. 
Tecnologia de Materiais 
 
14 
 
2.5.1 Reações de redução (eliminação do oxigênio do minério) 
A metalurgia do ferro - siderurgia - consiste, basicamente, na redução de 
seus óxidos por meio de um combustível carbonoso. 
Os materiais carregados em camadas sucessivas no alto-forno - coque, minério 
e fundente - durante o processo, se transformam em: ferro gusa, escória, gás de alto 
forno e poeira (100 t./dia para um forno de 1600 toneladas diárias de gusa). 
No alto-forno, a redução dos óxidos de ferro se processa à medida que o 
minério, o agente redutor (coque ou carvão de madeira) e o fundente (calcário ou 
calcário dolomítico) descem em contracorrente em relação aos gases (CO e CO2) 
provenientes da queima do carbono com o oxigênio do ar quente soprado pela 
ventaneiras. 
 
FIGURA 2.3 Na zona das ventaneiras, pela queima do combustível, geram-se 
calor e grandes quantidades de monóxido de carbono que 
ascendem através da carga 
A carga vem descendo no interior do forno, enquanto os gases (CO e CO2) 
resultantes da queima do coque (ou carvão vegetal) na altura das ventaneiras, 
ao ascenderem através da coluna de carga, reduzem o minério e préaquecem 
os materiais da zona superior. Aumentando o aquecimento, a composição dos 
componentes da carga vai alterando (secagem e calcinação), até realizarem-se as 
reações de redução indireta e direta, quando o oxigênio combinado com o ferro do 
Obtenção do Ferro Gusa 
 
15 
minério (Fe2O3) passa, sob a forma de óxidos de carbono (CO e CO2), a fazer parte 
dos gases. 
O processo de redução é acompanhado de outras reações químicas, como 
a formação de carbonetos e fusão de ganga e dos fundentes, dando origem à 
escória. 
As reações químicas e as regiões do alto forno em que ocorrem estão 
apontadas na Figura 2.4. 
2.5.2 Formação da escória 
A cal (CaO) e a ganga e as cinzas do coque reagem entre si na região de 
rampa, próximo das ventaneiras do alto-forno, numa temperatura acima de 
1.200ºC, dando formação à escória que se separa do gusa líquido, na região do 
cadinho, por diferença de densidade, eliminando as impurezas que cada um 
dos componentes da carga do alto forno traz consigo. 
A escória fluida resultante, depois de solidificada, é utilizada na construção de 
estrada, como lastro para ferrovias (sustentação e drenagem na região dos 
dormentes), na manufatura de lã de escória (material isolante), cimento, blocos para 
construção civil, ou como corretivo do solo (se a escória for básica) e na fabricação 
de pisos e ladrilhos. 
2.5.3 Gás do alto-forno 
O gás produzido tem a seguinte análise média: 13% de CO2, 27% de CO, 3% de 
H2 e 57% de N2. 
 
FIGURA 2.5 Diagrama do sistema de limpeza de gases de um alto-forno 
Tecnologia de Materiais 
 
16 
Devido à grande quantidade de pó arrastado, este gás deve ser tratado antes de 
utilizado. Passa, então. por coletores de pó e lavadores e, posteriormente, por um 
precipitador eletrostático. Assim, limpo e refrigerado, parte do gás de alto-forno é 
queimado para preaquecimento do ar que será soprado no alto forno, nos 
regeneradores (recuperadores). O restante do gás poderá ser queimado nas 
coquerias, aciarias e outros equipamentos. 
2.5.4 Regeneradores(recuperadores) 
Utilizando-se o gás do alto forno para preaquecimento do ar antes de enviá-lo às 
ventaneiras, obtém-se uma considerável economia de coque. O ar é então aquecido 
à temperatura da ordem de 800º a 1.200ºC. 
Os regeneradores são aparelhos para armazenamento de calor. Absorvem-no 
durante o período em que o gás do alto-forno é queimado na câmara de combustão e 
cedem-no depois ao ar soprado ao sentido inverso. 
Normalmente, são necessários quatro regeneradores: dois em aquecimento, um 
cedendo calor e outro como reserva para manutenção de um dos mesmos em uso. 
 
FIGURA 2.7 Esquema da região de um alto-forno, mostrando os 4 
regeneradores 
O regenerador é constituído em um corpo cilíndrico de chapa de aço protegido 
internamente por refratários. 
O volume interno é ocupado pela câmara de combustão e o restante pelo 
Obtenção do Ferro Gusa 
 
17 
empilhamento de tijolos refratários de formato especial, que formam canais para o 
máximo de superfície de troca de calor. 
2.5.5 Lingoteamento do gusa 
O gusa líquido, durante a corrida do alto-forno, enche panelas montadas sobre 
estruturas móveis sob trilhos ou os chamados carros torpedos que, por sua vez, irão 
alimentar as aciarias ou máquinas de lingotar. Estas máquinas são esteiras rolantes, 
contendo moldes. 
Os moldes (sob a forma de esteira) levam um borrifamento de leite de cal para 
proteção e, em seguida, são enchidos de gusa líquido proveniente da panela ou carro 
torpedo. Cerca de 3 minutos após o enchimento, chuveiros de água apressam a 
solidificação do gusa, antes dos pequenos lingotes (pães de gusa) serem 
descarregados no fim da esteira. 
2.6 MISTURADORES 
 
A freqüência de vazamento do alto forno (4 a 6 corridas por dia) é diferente da 
frequência dos conversores Bessemer ou Thomas (a cada 30/40 minutos) ou do 
Forno Siemens-Martin (a cada 6/9 horas), sendo pois necessário um depósito 
intermediário para: 
- homogeneizar o gusa, entre uma corrida do mesmo do alto-forno e a 
seguinte, ou para fusão de sucatas do setor de laminação das aciarias; 
- manter a temperatura do gusa usando queimadores em seu interior; 
- regularizar a cadência de trabalho, ou estocar gusa para as aciarias. 
2.7 O “BAIXO FORNO” 
O método de obtenção do gusa de maior importância, depois do alto forno, é por 
meio de um forno elétrico a arco voltaico. É também chamado forno de baixa cuba. 
É utilizado quando o minério é de maior pureza e onde o custo da energia 
elétrica é mais barato e mais fácil. Neste caso, o carbono deixa de ser combustível 
e age apenas como elemento redutor. 
 
 
3 
PROCESSOS DE 
OBTENÇÃO DO AÇO 
 
 
 
Acidentalmente, o homem primitivo, nas fogueiras para aquecimento à noite, 
juntou “pedras ao redor do fogo”. Era a casualidade da junção de três elementos: 
ocalor da combustão, o carvão da madeira já queimada e, provavelmente, as pedras 
eram minérios de ferro. Foi o início da siderurgia: assim surgia um material 
resistente, mais que o cobre. No limiar do século XVIII, quando iniciou-se a chamada 
Revolução Industrial, na Inglaterra, os teares artesanais davam lugar às primeiras 
“máquinas” têxteis. 
James Watt (1769) aperfeiçoou a máquina a vapor de Thomas Newcomen 
(1711). Henry Bessemer (1857) fabricou "ferro maleável" e aço sem utilizar 
combustível: por sopragem de ar, em larga escala para a época e a custo baixo. Foi 
uma nova impulsão na Revolução Industrial. 
Ninguém deteve a consequência inevitável: a união da máquina a vapor e a 
produção do aço, para construir máquinas de maior capacidade, substituindo mais 
ainda o artesanal. 
Na mesma época, os irmãos Martin aplicaram o princípio dos regeneradores, 
descoberto pelos irmãos Siemens, aumentando o rendimento da produção do aço, 
no processo que recebeu o nome deles. 
3.1 FORNO SIEMENS-MARTIN (ACIARIA SIEMENS-MARTIN) 
É um forno horizontal (longo) ou forno de soleira. O forno Siemens-Martin 
permite alcançar a fusão e, depois, o refino, de uma carga formada de uma mistura 
de sucata e gusa (sólido ou líquido) e fundente (calcário ou cal), sobre uma soleira 
ácida ou básica. Utiliza como fonte de calor uma chama de alta temperatura. É 
dotado de regeneradores para preaquecimento do ar ou do gás pobre (gás de A.F.). 
No caso de aquecimento por óleo ou combustível pesado, gás natural ou gás de 
coqueira (combustíveis de alto poder calorífico), somente o ar é preaquecido. 
Processos de Obtenção do Aço 
 
19 
 
FIGURA 3.2 Aciaria Siemens-Martin (S.M.) com regeneradores (recuperadores) 
 
▪ Partes constituintes: soleira, abóbada, muro de traz (com furo e calha de 
corrida), muro avante (com as portas de carga), regeneradores, queimadores 
e os canais (condutos) que interligam os dois últimos. 
▪ Classificação: 
- quanto ao revestimento: 
a) revestimento ácido: formado por tijolos refratários de sílica; 
b) soleira básica: formada por tijolos refratários básicos (magnésio ou dolomito); 
c) revestimento básico: inteiramente revestido de tijolos de magnésia ou 
cromita-magnésia. 
 
O revestimento básico suporta maiores temperaturas de operação e tem 
durabilidade maior, o que compensa o custo mais elevado do tijolo básico. 
Tecnologia de Materiais 
 
20 
A operação do forno Siemens-Martin é feita acima de 1.600ºC. A transmissão de 
calor à carga se faz, em parte, pela convecção, mas, principalmente, pela irradiação. 
O êxito da operação em fornos Siemens-Martin depende, em grande parte, do 
projeto e execução da soleira, pois o refratário utilizado nesta região deve resistir à 
temperatura de 1.650ºC e também à ação química das escórias. 
▪ Tipos de operação (conforme o carregamento): 
- sucata e gusa líquido: são usados quando se dispõe de ferro líquido em 
abundância e a menor preço que a sucata de aço (usina integrada); 
- gusa líquido: usa-se apenas o ferro líquido vindo diretamente do alto forno 
(usina integrada); 
- gusa sólido e sucata: quando não se dispõe de alto forno. A carga, em geral, 
é composta de 15 a 30% de gusa em pedaços (usina não integrada, aciarias 
isoladas); 
- sucata: em pequenas usinas quando não se tem gusa sólido disponível 
(aciaria isolada); 
- metal soprado: é utilizado em usinas que possuem conversores Bessemer. A 
carga compõe-se de 70% a 80% de gusa pré-refinado (soprado) líquido e o 
restante de sucata sólida (integrada ou não). 
▪ Reações químicas: 
 
Após a fase de carregamento e fusão da carga do forno Siemens-Martin, segue-
se a fase de trabalho (refino) do banho. Esta fase tem os seguintes objetivos: reduzir 
o silício, o manganês, o enxofre e o fósforo a percentuais permissíveis à 
especificação do aço, trazer o carbono ao nível desejado o mais rápido possível e 
obter a temperatura necessária ao vazamento. 
 
▪ Vazamento da corrida 
É a operação final, depois que carbono se encontra no teor desejado, os teores 
de fósforo, enxofre e manganês estando abaixo dos limites máximos tolerados e após 
a adição dos elementos de liga (cromo, vanádio, etc.). Procede-se, então, ao 
lingotamento. 
 
3.2 CONVERSORES BESSEMER 
A obtenção de aço por meio destes conversores (ou convertedores) consiste na 
injeção de ar sob pressão (sopragem) através do banho de gusa líquido. 
Trata-se de um forno basculante em cujo fundo se encontram orifícios 
(ventaneiras), por onde o ar passa sob pressão, borbulhando fortemente através do 
banho metálico. 
Processos de Obtenção do Aço 
 
21 
 
O conversor é basculado até a horizontal para receber a carga de gusa líquido. 
Nesta posição o metal líquido fica no ventre do recipiente e não entra em contato com 
as ventaneiras. À medida que retorna à posição vertical o ar passa a atravessar o 
banho. 
 
FIGURA 3.3 Representação das diversas etapas do processo Bessemer 
 
 
A transformação do gusa em aço pode se dar de duas maneiras: 
 
- Aço Bessemer 
O conversos é revestido de refratários silico-aluminosos (Processo 
Bessemerou processo ácido). 
O oxigênio do ar combina-se com o Fe e as reações químicas procedem-se na 
Tecnologia de Materiais 
 
22 
seqüência seguinte: 
2Fe + O2 (ar) → 2FeO 
2FeO + Si → SiO2 + Fe 
FeO + Mn → MnO + Fe 
 
Eliminam-se, portanto, estas impurezas sob a forma de escória (composta de 
silicatos de Fe e silicatos de Mn). 
A descarbonetação é a fase seguinte: 
2C + O2 → 2CO 
FeO + CO → Fe + CO2 
 
O CO pode também ser oxidado (queimado) na saída dos gases na boca do 
conversor, com chamas de comprimento entre 9 e 10 m. 
2C + O2 → 2CO2 
2CO + O2 → 2 CO2 
 
A seguir, a diminuição da chama e sua mudança de cor indicam para o 
operador, por meio de óculos especiais, o ponto final do processo. O aço Bessemer 
tem na sua composição fósforo e enxofre, pois estes elementos não são eliminados 
durante a soprada. 
 
 
- Aço Thomas (ou Processo Bessemer Básico) 
Utiliza-se o mesmo conversor Bessemer, porém, com revestimento 
refratário à base de dolomita (revestimento básico). 
O refino de aço no processo Thomas consiste na oxidação do carbono, silício, 
manganês e fósforo. Portanto, tanto no processo Bessemer ou no Thomas, o gusa 
deve ter baixos teores de enxofre, que é difícil de ser eliminado nestes conversores. 
No processo Thomas, devido ao revestimento básico, adiciona-se cal à carga 
como principal agente desfosforizante. 
 
- Vantagens da produção de aço pelos conversores 
Uma característica comum aos dois processos, apesar de não produzirem aços 
de qualidade Siemens-Martin, é a rapidez do ciclo que é da ordem de 30 a 45 
minutos. Outra característica é que, as impurezas que se deseja retirar do banho 
metálico, servirem de combustível, por serem reações exotérmicas, proporcionando 
uma considerável economia de combustível, em relação a outros processos. 
 
Processos de Obtenção do Aço 
 
23 
3.3 PROCESSOS DE SOPRAGEM A OXIGÊNIO 
▪ Conversor a oxigênio 
Apesar de antiga, somente depois do desenvolvimento de grandes 
instalações de produção de oxigênio, se tornou viável a idéia de sopragem 
direta com oxigênio puro. 
 
 
FIGURA 3.4Etapas de fabricação aço em um conversor a O2 
a) carga sólida 
b) carga líquida 
c) sopragem 
d) vazamento do aço 
e) vazamento de escória 
 
O processo consiste em soprar verticalmente dentro de conversores o 
oxigênio (99% de pureza), sobre a superfície do banho metálico, por meio de 
uma lança resfriada à água. 
Na zona de impacto do jato de O2, a reação com o metal líquido é violenta e 
imediata, com temperaturas locais de 2.500 a 3.000ºC, o que resulta numa enérgica 
movimentação do banho. Como a eficiência térmica é excelente, pois não há o peso 
morto do nitrogênio no gás soprado, pode-se usar qualquer tipo de gusa. 
Tecnologia de Materiais 
 
24 
Uma parte do óxido de ferro (2Fe + O2 → 2FeO), juntamente com a cal e outros 
fundentes, forma rapidamente uma escória ativa e espumante, que assegura a 
fixação do P2O5 (resultante da oxidação do P). 
É normal o revestimento básico, de tijolos de dolomita calcinada, misturada com 
alcatrão e prensada (tijolos de dolomita). Consomem-se cerca de 7 kg do refratário 
por cada tonelada de aço. 
Como o oxigênio é quase puro, o aço produzido possui menor teor de nitrogênio 
(abaixo de 0,002%) que os aços produzidos pelo Siemens-Martin. 
Carrega-se o conversor na posição inclinada com sucata e gusa líquido. Após o 
início da injeção, coloca-se a cal como fundente. 
Devido às altas temperatura envolvidas na região do impacto do jacto, uma 
certa quantidade de ferro evapora. O ferro arrastado junto com os gases (quase 
100% de CO), quando sai do conversor, queima em contato com o ar formando uma 
poeira vermelha de Fe2O3 e uma parte escura de Fe3O4. 
 
▪ Vantagens do conversor a oxigênio (comparado com o conversor Siemens-
Martin): 
Produz aço de qualidade equivalente à da aciaria Siemens-Martin, mas a custo 
de produção pouco superior à metade desta. Consome cerca de ¾ a menos de 
calorias para uma mesma quantidade de aço produzido, portanto, sensível economia 
de combustível. Consome cerca de 7 vezes menos refratário. 
O custo do investimento é também menor, cerca de 50% do custo de uma 
aciaria Siemens-Martin de igual capacidade. 
 
▪ Tipos de processos: 
São 2 os processos mais importantes: LD-AC e OLP, 
Estes usam a injeção simultânea de O2 e cal (CaO), pulverizada, através da 
lança ( de cobre, esfriada a água). 
3.4 FORNOS ELÉTRICOS 
Pelas melhores condições de se controlar a temperatura do banho e as 
condições de oxidação e redução do processo, os fornos elétricos se prestam à 
fabricação de aços de qualidade. 
3.4.1 Fornos a Arco 
Nestes fornos, há a transformação da energia elétrica em energia térmica, com 
a formação de um arco voltaico, utilizando-se eletrodos de grafite ou carvão amorfo. 
Processos de Obtenção do Aço 
 
25 
 
FIGURA 3.5 Funcionamento do forno elétrico à arco (trifásico) 
 
Basicamente existem três tipos de fornos: a arco indireto, a arco com 
aquecimento por resistência e a arco direto. 
 
▪ Forno elétrico a arco indireto: forma-se entre 2 ou 3 eletrodos, sendo a 
transmissão de calor à carga por irradiação, pois os eletrodos não 
mergulham na carga. 
▪ A arco com aquecimento por resistência: os arcos voltaicos se fazem no 
interior do material carregado, ainda não fundido. Há um fluxo de corrente 
através da carga, por cima da camada de metal líquido. 
▪ A arco direto: o arco se forma entre o eletrodo e o material carregado. A 
transmissão de calor é feita diretamente à carga. 
3.4.2 Forno de indução 
Difere dos outros processos de fusão do aço porque o calor não é transmitido à 
carga por irradiação ou convecção e sim produzido no interior da mesma. 
Uma corrente elétrica que circule por uma bobina (primária), pode, sem haver 
Tecnologia de Materiais 
 
26 
contato, mas devido ao efeito indutivo, transmitir sua energia a uma outra bobina 
(secundária). Este é o princípio do transformador elétrico. 
 
FIGURA 3.6 Forno de indução de baixa frequência 
 
À semelhança de um transformador, o forno de indução possui uma bobina 
primária e o banho metálico assume a função da bobina secundária. Ao se fazer 
passar uma corrente de alta voltagem pelo enrolamento primário, será feita circular no 
banho metálico uma corrente induzida de menor voltagem, porém, de maior 
amperagem. 
Quanto à frequência podem-se classificar em: baixa (frequência da rede), média 
(200-10000 hertz) e alta frequência (maior que 10.000 hertz). 
Na fabricação de aço nos fornos de indução (principalmente os de alta 
frequência), o carregamento é feito com pedaços de sucata de boa qualidade (com 
análise prévia) e como não há trabalho de escória, o metal produzido é sensivelmente 
a média dos componentes da carga. Adicionam-se também os elementos de liga 
necessários. 
Os fornos de baixa frequência (frequência da rede) tiveram grande expansão 
recentemente, competindo até com fornos Cubilot (para a obtenção de ferros 
fundidos), devido à possibilidade de fundir rebarbas e cavacos de torno e à facilidade 
de mudança da composição da liga. A capacidade, em geral, é de, pelo menos, 600 
kg para os metais ferrosos e 400 kg para fusão de metais não ferrosos. 
 
 
4 
AÇOS 
4.1 IMPORTÂNCIA 
A importância dos aços provém de vários fatores: boa resistência 
mecânica, ductilidade, relativa homogeneidade, possibilidade de ser forjado, 
laminado, estampado, estirado, moldado, caldeado, soldado, usinado, 
perfurado, rosqueado, etc., e modificado em suas propriedades, por meio de 
tratamentos mecânicos, térmicos e termoquímicos. 
Observações: 
a) Ver, nas páginas 41, 42 e 43, (Norma ABNT P-TB-52), as definições 
números 2, 3, 4, 5, 6, 7 e 8. 
b) Para melhor compreensão do que é ductilidade, recomenda-se estudar, no 
capítulo 8 “Ensaio de Tração”, antes de prosseguir. 
4.2 APLICAÇÃO 
Com o aço fazem-se barras, chapas, eixos, trilhos, perfis,parafusos, 
engrenagens, rolamentos, ferramentas, fios, tubos, numerosas peças de 
máquinas e motores, vergalhões para concreto armado, etc., além de um sem 
número de peças e fundidas. 
4.3 CLASSIFICAÇÃO 
Os aços podem ser classificados conforme diversos critérios: 
a) pelo tipo de forno em que foram produzidos: aço Siemens-Martin (SM), 
aço Bessemer (B), aço Thomas (T), aço de forno elétrico (E), aço LD, etc.; 
b) conforme sua composição química: aços-carbono, aços-liga (baixa e alta 
liga); 
c) segundo sua aplicação geral: 
Tecnologia de Materiais 
 
28 
- aços para construção civil (CA-25, CA-50, impropriamente denominados 
ferro de construção); 
- aços para construção mecânica: aços para estrutura de máquinas, para 
elementos de máquinas, para beneficiamento (que aceitam têmpera e revenimento), 
para cementação, etc. Obs.: estes tratamentos serão estudados no Capítulo 6; 
- aços ferramenta: indicados para ferramentas de corte (aços rápidos), brocas, 
lâminas de formão, punções, aços para trabalho a frio e a quente (para matrizes de 
cunhagem e estampagem, laminação, trefilação, etc.); 
- aços estruturais: perfis de estruturas metálicas; 
- aços para molas e outros; 
d) conforme suas características mecânicas ou físicas: aços de alta resistência, 
inoxidáveis, resistentes ao calor, de baixo coeficiente de dilatação, com 
características magnéticas, etc. 
4.4 ALGUMAS DEFINIÇÕES IMPORTANTES, SEGUNDO A NORMA ABNT P-TB-52 
1) Ferro gusa: liga ferro-carbono, contendo ainda outros elementos, é obtida 
por fusão redutora e destinada, geralmente, à refusão e refino. 
2) Aço: liga ferrosa (Fe + C); é capaz de ser deformada plasticamente, com 
teores mínimos e máximo de carbono da ordem de 0,008% a 2%, 
respectivamente, podendo conter outros elementos de liga, além das 
impurezas inerentes ao processo de fabricação. 
3) Aço-carbono: aço em que não se fizeram adições de elementos de liga e no 
qual os seguintes elementos não ultrapassam os teores indicados: 
manganês - 1,65%; silício - 0,60%; cobre - 0,60%. 
Costuma-se classificar os aços-carbonos segundo as denominações abaixo: 
Teor de C em % Denominação 
Menos que 0.15 Extra-doce Baixo-carbono < 1030 
0.15 - 0.30 Doce 
0.30 - 0.40 Meio-doce Médio-carbono 1030 - 1060 
0.40 - 0.60 Meio-duro 
0.60 - 0.70 Duro Alto-carbono 1060 - 10120 
0.70 - 1.20 Extra-duro 
Estas denominações e os teores correspondentes são variáveis e são 
apresentadas apenas como indicação. 
 
4) Aço-comum: denominação obsoleta impropriamente utilizada para 
designaraços-carbono. 
Controle e Ensaio de Produtos Siderúrgicos 
 
29 
5) Aço-liga: (aço ligado) aço que contém elementos de liga adicionados 
intencionalmente com a finalidade de conferir-lhe propriedades desejadas. 
6) Aço de baixa-liga: aço em que a soma dos teores dos elementos de liga 
não ultrapassa a 5%. 
7) Aço de alta liga: aço em que a soma dos teores dos elementos de liga 
ultrapassa a 5%. 
8) Aço especial (aço fino): aço caracterizado por propriedades superiores, para 
finalidades específicas, em virtude de precauções especiais na fabricação ou 
de requisitos de composição química, podendo ser ligado ou não ligado. 
9) Aço estrutural: aço destinado à construção de estruturas, de baixo ou médio 
carbono. 
10) Aço ferramenta: aço adequado à confecção de ferramentas de corte ou 
conformação. 
11) Aço rápido: aço para ferramentas capaz de suportar as elevadas 
temperaturas de trabalho e de usinagem com altas velocidades de corte, 
sem perder a dureza. Contém tungstênio, cromo e vanádio e, eventualmente, 
molibdênio, cobalto e outros elementos. 
12) Aço inoxidável: nome genérico das séries de aços de alto teor de cromo 
frequentemente com níquel e cuja principal propriedade é sua alta 
resistência à oxidação e corrosão. 
13) Aço manganês: aço com excelente resistência à abrasão e choques, com 
10% a 14% de manganês e de 1% a 1,4% de carbono (aço Hadfield). 
14) Ferro-liga: liga de ferro e um ou mais elementos que não o carbono. Usado 
em siderurgia como um meio de introduzir estes elementos no aço e no ferro 
fundido; ou como agente desgaseificante ou de limpeza do aço e do ferro 
fundido. 
4.5 ELEMENTOS DE LIGA 
São elementos químicos intencionalmente adicionados ao aço com a 
finalidade de melhorar suas características. Assim, pode-se aumentar sua 
resistência mecânica, a resistência ao calor, ao desgaste, à corrosão, etc., ou 
melhorar suas propriedades elétricas e magnéticas, a elasticidade, a resiliência, 
aumentar o rendimento dos tratamentos térmicos e termoquímicos, etc. 
Dependendo das características desejadas, os elementos mais utilizados na 
adição são: alumínio (Al), boro (B), chumbo (Pb), cobalto (Co), cobre (Cu), cromo 
(Cr), enxofre (S), fósforo (P), lítio (Li), manganês (Mn), molibdênio (Mo), níquel (Ni), 
nióbio (Nb), silício (Si), tântalo (Ta), titânio (Ti), tungstênio (W), vanádio (V). 
Tecnologia de Materiais 
 
30 
4.6 SISTEMAS DE DENOMINAÇÃO DOS AÇOS 
4.6.1 Sistema de denominação dos aços ABNT(Associação Brasileira de 
Normas Técnicas), segundo a Norma ABNT Nbr 6006/80 
Esta norma considera conveniente que as demais Normas Brasileiras adotem o 
sistema de denominação de aços laminados e forjados descritos a seguir. 
Este sistema foi baseado no sistema da Society of Automotive Engineers (SAE) 
e da American Iron and Steel Institute (AISI) e é usado para identificar composições 
químicas dos aços. 
A denominação do aço é feita basicamente por meio de quatro ou cinco dígitos. 
Os dois primeiro dígitos indicam a classe a que o aço pertence e os demais indicam o 
teor médio aproximado de carbono. 
Se o teor médio aproximado de carbono for inferior a 1%, o aço é denominado 
por quatro dígitos, e se o teor médios aproximado de carbono for igual ou superior a 
1%, o aço é denominado por cinco dígitos. 
Quando especificada a adição de boro ou de chumbo, acrescentam-se, após os 
dois primeiros dígitos, as letras B e L, respectivamente. 
As classes de aços ABNT são as seguintes: 
1 - Aços carbono: 
10xx: aços ao carbono com Mn 1% Max. 
11xx: aços ressulfurados 
12xx: aços ressulfurados e refosforados 
14xx: aços ao nióbio 
15xx: aços ao carbono com Mn de 1% e 1,65% 
 
2 - Aços manganês: 
13xx: aços com Mn 1,75% 
 
3 - Aços níquel: 
23xx: Ni 3,50% 
25xx: Ni 5% 
 
4 - Aços Níquel-cromo: 
31xx: Ni 1,25 - Cr 0,65 e 0,80% 
32xx: Ni 1,75 - Cr 1,07% 
33xx: Ni 3,50 - Cr 1,50 a 1,57% 
34xx: Ni 3,00 - 0,77% 
 
Controle e Ensaio de Produtos Siderúrgicos 
 
31 
5 - Aços cromo-molibdênio: 
41xx: Cr 0,50 - 0,80 e 0,95 / Mo 0,12 - 0,20 - 0,25 e 0,30% 
 
6 - Aços níquel-cromo-molibdênio: 
43xx: Ni 1,82 / Cr 0,50 e 0,80 / Mo 0,25% 
47xx: Ni 1,05 / Cr 0,45 / Mo 0,20 e 0,35% 
81xx: Ni 0,30 / Cr 0,40 / Mo 0,12% 
86xx: Ni 0,55 / Cr 0,50 / Mo 0,20% 
87xx: Ni 0,55 / Cr 0,50 / Mo 0,25% 
88xx: Ni 0,55 / Cr 0,50 / Mo 0,35% 
93xx: Ni 3,25 / Cr 1,20 / Mo 0,12% 
94xx: Ni 0,45 / Cr 0,40 / Mo 0,12% 
97xx: Ni 0,55 / Cr 0,20 / Mo 0,20% 
98xx: Ni 1,00 / Cr 0,80 / Mo 0,25% 
 
7 - Aços níquel-molibdênio: 
46xx: Ni 0,85 e 1,82 / Mo 0,20 e 0,25% 
48xx: Ni 3,50 / Mo 0,25% 
 
8 - Aços cromo: 
50xx: Cr 0,27 - 0,40 - 0,50 e 0,65% 
51xx: Cr 0,80 - 0,87 - 0,92 - 1,00 - 1,05 - 1,15 e 1,25% 
50xxx: Cr 0,50% 
51xxx: Cr 1,02 
52xxx: Cr 1,45% 
 
9 - Aços cromo-vanádio: 
61xx: Cr 0,60 - 0,80 - 0,95 e 1,05 / V 0,10 - 0,10 min e 0,15 min. 
 
10 - Aços silício-manganês: 
92xx: Si 1,40 e 2,00 / Mn 0,65 - 0,82 e 0,85 / Cr 0 e 0,65% 
 
11 - Aços ao boro e ao chumbo: 
xxBxx: B indica ao Boro 
xxLxx: L indica ao Chumbo 
 
 
Tecnologia de Materiais 
 
32 
Para aços fundidos (peças obtidas de aço vazado em moldes), adota-se a 
seguinte designação: o sufixo AF precedido por 4 algarismos. Os dois primeiros 
indicam a tensão de ruptura (r) em kgf/mm2 e os dois últimos o alongamento 
percentual. 
Ex.: ABNT 4825 AF: aço fundido comr = 48 kgf/mm2 e alongamento de 25%. 
 
SISTEMAS DE DENOMINAÇÃO DE FERROS FUNDIDOS (NORMAS DIN) 
Para os ferros fundidos mais aplicados usam-se as seguintes siglas: 
GG = Gussein mit Lammellengraphit (Grauguss) - ferro fundido com grafita 
lamelar - ferro fundido cinzento. 
GGG = Gusseisen mit Kugelgraphit - ferro fundido esferoidal - ferro fundido 
nodular. 
GT = Temperguss - ferro fundido maleável. 
Após as siglas, usam-se números que representam os valores mínimos de 
resistência à tração. 
GG 22 - ferro fundido cinzento com r = 22 kgf/mm2 (DIN 1691) 
GGG 45 - ferro fundido nodular com r = 45 kgf/mm2 (DIN 1693). 
4.8 ALGUNS CRITÉRIOS A CONSIDERAR SOBRE A SELEÇÃO DE AÇOS 
De forma geral, pode-se dizer que um aço para determinada aplicação foi bem 
escolhido quando o resultado é uma peça ou ferramenta que satisfaz as exigências 
técnicas pelo menor custo. 
Os principais fatores que determinam a escolha de um aço podem ser 
resumidas segundo os itens abaixo: 
 
a) esforços mecânicos a que será submetida a peça (valores a serem usados 
para cálculos pela resistência de materiais); 
b) características geométricas e dimensões da peça; 
c) intensidade e natureza das solicitações mecânicas: solicitações estáticas, 
dinâmicas (pulsantes, cíclicas e ou aleatórias, etc); 
d) propriedades mecânicas dos aços (elasticidade, ductilidade, dureza, 
tenacidade, resiliência); 
e) propriedades termoquímicas dos mesmos (capacidade de melhorar suas 
características mecânicas por meio de tratamentos térmicos e químicos); 
f) resistência à corrosão, quando necessário; 
Controle e Ensaio de Produtos Siderúrgicos 
 
33 
g) se o aço deve ser ligado ou não; 
h) custos de aquisição e fabricação mínimos. 
 
Um projeto meticuloso de uma peça não deve se basear, portanto, 
somente no dimensionamento. Relacionar os cálculos com outras 
características do aço é de grande importância. Estas devem estar relacionadas 
em função das condições que o elemento da máquina estará submetido. 
4.9 AÇOS CARBONO PARA ELEMENTOS DE MÁQUINAS - algumas indicações 
de caráter prático 
ABNT-1020 r = 40-55 kgf/mm2 
e = 20 kgf/mm2 
HB = 153 
boa usinabilidade 
aplicações gerais de oficina, 
rebites, arames, pregos, 
parafusos, chapas, fios, etc. 
ABNT-1030 r = 40-60 kgf/mm2 
e = 23 kgf/mm2 
HB = 160 
eixos, suportes e peças 
pouco solicitadas, tubos sem 
costura, alavancas, polias, 
barras laminadas perfiladas, 
etc. 
ABNT-1040 r = 50-65 kgf/mm2 
e = 27 kgf/mm2 
HB = 183 
parafusos especiais, 
engrenagens, peças para 
indústria automobilística, 
eixos e máquinas agrícolas, 
etc. 
ABNT-1050 r = 60-75 kgf/mm2 
e = 30 kgf/mm2 
HB = 223 
eixos, virabrequins, anéis, 
facões, lâminas, discos de 
arados. 
ABNT-1070 r = 80-95 kgf/mm2 
e = 40 kgf/mm2 
HB = 264 
molas pouco solicitadas 
ferramentas agrícolas 
resistentes ao desgaste, 
trilhos, ferramentas de corte, 
etc. 
ABNT-1080 r = 90-100 kgf/mm2 
e = 
HB = 
molas chatas de média 
solicitação 
peças com alta dureza após a 
têmpera, etc. 
ABNT-1090 r = 100-110 kgf/mm2 
e = 
HB = 
chavetas, molas chatas e 
helicoidais, cabos, cutelaria, 
etc. 
 
 
Tecnologia de Materiais 
 
34 
5 
CONTROLE E ENSAIO DE 
PRODUTOS SIDERÚRGICOS 
Observação: Neste capítulo alguns tópicos são tratados de forma mais ampla 
(materiais ferrosos e não ferrosos), mas as técnicas metalográficas são específicas 
para aços e ferros fundidos. 
5.1 VERIFICAÇÕES ELEMENTARES 
Consistem em verificações rápidas e simples com a intenção, em primeira 
instância, de verificar as características dos metais. 
 
- Aspecto da superfície: 
▪ casca oxidada: material recozido; 
▪ manchas e coloração características: material temperado; 
▪ em materiais fundidos: 
a) Bolhas e asperezas: areia de moldagem de granulação grosseira. 
b) Casca de areia aderente: areia fusível. 
- Trabalho mecânico: 
▪ na região de cortes pode-se perceber se foi por meio de maçarico ou 
tesoura-guilhotina. 
- Quanto à superfície de uma fratura: 
Percebe-se que o material tem comportamento frágil ou dúctil. 
 
FIGURA 5.1 Fraturas na torção: frágil (a) e dúctil (b) 
 
Controle e Ensaio de Produtos Siderúrgicos 
 
35 
▪ Se o material se rompeu provocado pelo fenômeno da fadiga. 
 
FIGURA 5.2 Fratura por fadiga em um eixo-árvore (a) e um eixo (b) 
- Sob ação de uma lima: 
Informará se o material é duro ou se está temperado 
- Pelas fagulhas emitidas por um esmeril. 
 
FIGURA 5.4 Ilustração dos diversos tipos de centelhamento produzido durante 
o esmerilhamento dos aços, com diferentes teores de carbono 
Tecnologia de Materiais 
 
36 
- Pela ação de um imã: 
• os aços e ferros fundidos são geralmente atraídos por um imã. Já os aços 
inoxidáveis não o são (porém, suas limalhas o são). 
- Pela resposta a ação de um martelo: 
• material mole - provoca deformação plástica; 
• material duro - ruptura frágil; 
• material temperado - funciona como mola. 
- Pela sonoridade: 
• som puro e duradouro - não existe fissuras; 
• som chocho - presença de fissuras; 
epela forma dos cavacos de uma ferramenta de corte: 
 
FIGURA 5.5 Forma dos cavacos resultantes de torneamento 
 
 
5.2 ENSAIOS DE LABORATÓRIO 
Indicações mais técnicas e completas sobre o metal são fornecidas pelos 
ensaios de laboratório, com o auxílio de máquinas, instrumentos e métodos 
adequados. 
(Observação: Sugere-se a leitura de “Ensaios não Destrutivos” no Capítulo 8, a 
partir da página 140.) 
Os ensaios de laboratório podem ser divididos em três categorias principais: 
análise química, exame metalográfico e ensaios mecânicos. 
Controle e Ensaio de Produtos Siderúrgicos 
 
37 
 
5.2.1 Análise química-→ consultar literatura específica. 
 
5.2.2 Exames metalográficos 
Visa analisar a estrutura do metal ou liga metálica, procurando relacioná-la com 
as propriedades físicas, composição, processo de fabricação, etc. Estes exames são 
feitos em superfícies do metal devidamente polidas e com o ataque de reativos 
adequados. 
Pelo exame à vista desarmada ou com o auxílio de uma lupa (máximo 10x), 
chamado macrografia, obtêm-se informações de caráter geral; um aspecto de 
conjunto sobre a homogeneidade do material; a distribuição, natureza e quantidade 
de certas impurezas; processos de fabricação, tratamentos térmicos, etc. 
Pela utilização de microscópio (micrografia), pode-se observar a granulação do 
material; a natureza, quantidade, distribuição e forma dos diversos constituintes; 
certas inclusões, etc. 
 
5.2.3 Ensaios mecânicos 
Procura-se determinar valores numéricos correlacionando-os com as 
propriedades mecânicas do metal. O ensaio pode ser feito sobre a peça ou 
sobre pedaços retirados da peça de forma conveniente (corpos de prova). 
Os ensaios mais importantes são os de tração, dureza, dobramento, 
resistência ao choque, flexão, torção, fadiga, compressão, desgaste e outros 
menos freqüentes. 
 
5.3 ALGUMAS HETEROGENEIDADES DOS AÇOS QUE OCORREM NA 
SOLIDIFICAÇÃO 
O aço é relativamente homogêneo no estado líquido, mas na sua solidificação 
em um molde ou lingoteira alguns fenômenos ocorrem que o tornam heterogêneo, 
podendo surgir o que se classifica como macro-defeitos. 
Alguns destes defeitos são minimizados ou mesmo eliminados pelos 
tratamentos térmicos e mecânicos a que o aço é submetido até se transformar em 
peça acabada. Outros porém persistem e ainda podem ser observados. 
Tecnologia de Materiais 
 
38 
 
a) Vazio (chupagem): a solidificação inicia na superfície do metal que está em 
contato com molde ou lingoteira e na parte exposta do ar. Forma-se, em toda a 
periferia do produto uma camada sólida (pele), quando o interior ainda permanece 
líquido. 
 
FIGURA 5.9 Diversas fases da solidificação de um metal numa lingoteira 
Como o metal, à medida que solidifica, diminui de volume, aparecerá no interior 
do corpo uma região oca que se denomina vazio.b) Segregação: apesar dos processos de refino do aço, este contém impurezas 
normais, vários outros metais ou metalóides. No estado líquido estas impurezas ficam 
distribuídas quase uniformemente. 
Durante a solidificação, como esta ocorre da periferia para o centro, para lá se 
dirigem estas impurezas, principalmente o fósforo e o enxofre. Ao acúmulo destas 
impurezas em certa região de um lingote ou peça, chama-se segregação. 
 
FIGURA 5.10 Disposição da segregação que se encontra nas seções de 
produtos laminados e forjados de qualidade inferior 
Como as propriedades mecânicas estão ligadas à composição química nestas 
regiões aquelas ficaram afetadas. O aço torna-se mais duro e quebradiço e oferece 
um campo favorável à propagação de fissuras. 
Controle e Ensaio de Produtos Siderúrgicos 
 
39 
c) Estrutura dendrítica: os metais se solidificam sempre sob uma forma 
cristalina. Pequenos cristais são formados e têm seu crescimento segundo direções 
preferenciais, à medida que a solidificação aumenta. Na maioria dos metais os eixos 
(direções) são triortogonais e, ao conjunto de cada eixo principal e os secundários dá-
se o nome de dendrita (semelhante à ramificação das árvores). 
 
FIGURA 5.11 a) Crescimento das dendritas originadas na solidificação; b) 
aspecto típico da seção de um “lingote” mostrando algumas 
formas que as dendritas adquirem durante a solidificação no 
interior de uma “lingoteira”; c) efeito dos cantos na cristalização 
 
Uma dendrita cresce até o ponto em que esbarra com as dendritas vizinhas e, 
terminada a solidificação, cada dendrita forma um pequeno cristal de contornos 
irregulares. 
Da mesma forma que ocorre a segregação na parte central de uma peça ou 
lingote, por motivos semelhantes ocorre, nos encontros das dendritas, a chamada 
segregação interdendrítica, com maior concentração de impurezas. 
A velocidade de solidificação está diretamente ligada com o tamanho das 
dendritas. Um aço esfriado lentamente terá, pois, dendritas maiores. O esfriamento 
rápido provoca o aparecimento de um grande número de centros de solidificação 
(origem das dendritas), o que resultará na subdivisão em áreas menores da 
segregação interdendrítica, com conseqüente distribuição mais uniforme das 
impurezas, ou seja, um aço menos heterogêneo. 
Tecnologia de Materiais 
 
40 
d) Bolhas: são pequenas cavidades cheias de gases, principalmente CO. Elas 
são oriundas do aprisionamento de gases mecanicamente arrastados durante o 
vazamento do lingote ou peça, ou de gases dissolvidos no metal em fusão, ou ainda, 
das reações químicas antes da solidificação completa. 
O aço líquido dissolve quantidades consideráveis de H2, N2, O2. Estes gases se 
libertam enquanto a viscosidade da massa o permitir. As bolhas que se formam por 
último não conseguem mais se desprender. 
Na laminação ou forjamento a quente, as paredes das bolhas podem se soldar 
(caldeamento), devido às pressões do processo, desde que o gás seja CO, que 
impede a oxidação das superfícies internas. É comum também a presença de 
impurezas nestas superfícies, o que dificulta ou impede de se soldarem o que 
tomarão forma de fissuras, na superfície da peça ou internamente, o que 
comprometerá suas propriedades mecânicas. 
 
e) Trincas: trincamento (fissuramento) nos lingotes ou peças fundidas são 
decorrentes das tensões excessivas que se desenvolvem durante o resfriamento ou 
reaquecimento demasiadamente rápidos. Tolher o movimento de contração é originar 
tensões que poderão ocasionar trincas superficiais, profundas ou internas, e até 
mesmo ruptura. 
 
FIGURA 5.12 Defeitos de contração (levando à ruptura) em volantes fundidos e 
modo de corrigi-los 
Para se ter uma idéia da diminuição de volume do aço ao solidificar-se, a 
densidade do mesmo no estado líquido (1600ºC) é 7,06 e no estado sólido é 7,87. 
 
Controle e Ensaio de Produtos Siderúrgicos 
 
41 
f) Gotas frias: ao verter o metal líquido no molde ou lingoteira, pequenas gotas 
respingam contra as paredes, resfriando com maior rapidez e oxidando-se super-
ficialmente. Algumas permanecem nas paredes e outras caem dentro da massa 
fluida, ficando retidas. 
 
5.4 MACROGRAFIA 
O exame do aspecto de uma peça ou amostra metálica, segundo uma secção 
plana devidamente lixada e geralmente atacada por um reativo apropriado, chama-se 
macrografia e o aspecto chama-se macroestrutura (podendo mostrar macro-defeitos) 
. 
Quando um material ou peça é entregue a um laboratório de ensaios, afim de 
ser examinado para esclarecer alguma questão, é necessário que o interessado 
explicite claramente o que deseja e qual a finalidade do exame. Um histórico é 
necessário pois as peças podem fracassar em virtude de um defeito local, acidental 
ou de construção e também por causa do material com que foram feitas. 
É altamente prudente que o técnico do laboratório proceda um exame detalhado 
da peça sob diversos ângulos, como: o aspecto de uma fratura, marcas de pancadas, 
sinais de grimpamento, vestígios de soldas, azulamento por aquecimento, 
porosidade, rebarbas, trincas, polimentos locais, corrosões, desgastes, 
entortamentos, etc. 
É importante que o interessado especifique as regiões da peça que deve ser 
ensaiada ou, pelo menos, a finalidade do exame para que o laboratorista possa 
delinear e executar um programa de ensaios que caso requeira. 
A omissão de informações ou observações pode levar até ao fracasso, pela 
decepção que se poderá ter após a análise da amostra. 
5.4.1 Preparo de corpos de prova 
A técnica de preparo dos corpos de prova segue as seguintes frases: 
a) Escolha e localização da secção a ser estudada 
A forma da peça, os dados que se quer obter e outros objetivos determinam: 
• Corte transversal - quando se quer verificar: 
- homogeneidade da secção; 
- forma e intensidade da segregação; 
- posição, forma e dimensões das bolhas; 
- forma e dimensões das dendritas; 
- existência de restos de vazio; 
Tecnologia de Materiais 
 
42 
- profundidade de tratamentos térmicos; 
- se um tubo é inteiriço, ou soldado; 
- etc. 
• Corte longitudinal - quando se quer saber: 
- se a peça é fundida, forjada ou laminada; 
- se foi estampada ou torneada; 
- eventuais defeitos perto das fraturas; 
- extensão de tratamentos térmicos, etc 
b) Obtenção de uma superfície plana e lixada 
Inclui duas etapas, ou seja, desbaste e lixamento. 
• Corte e desbaste: 
Feito com serra ou disco abrasivo (cut off), ou procede-se ao desbaste por 
esmeril ou mesmo utilizando uma plaina, até atingir a região de interesse. Deve-se 
proceder com cuidado evitando aquecimento (maiores que 150ºC), que venha a 
distorcer a análise. Algumas sugestões para métodos de seccionamento podem ser 
classificadas conforme o Quadro 5.1. 
• Lixamento: 
É indispensável até retirar qualquer defeito (deformação) da superfície, que 
possa “mascarar” o resultado final. O desbaste, mesmo que cuidadoso, pode 
provocar deformações superficiais. 
 
FIGURA 5.13 Deformação da textura do material por desbaste 
É feito por lixas d’água nas direções perpendiculares aos riscos da lima ou lixa 
grossa, até o completo desaparecimento dos riscos. Gira-se a peça de 90º e procede-
se ao lixamento com lixa de granulação mais fina ainda, até desaparecerem os riscos 
da anterior, e assim por diante até o acabamento final (geralmente lixa d’água nº 
600). 
 
Controle e Ensaio de Produtos Siderúrgicos 
 
43 
c) Ataque por um reagente químico 
Com a superfície apenas lixada já se pode observar algumas particularidades 
como restos de vazios, trincas, grandes inclusões, porosidades, falhas em soldas, 
mas é indispensável o ataque químico para evidenciar outras heterogeneidades. 
Ao ser submetido à ação de um reativo, certas regiões são mais atacadas que 
outras, devido a duas razões principais: diferenças de composição química e de 
estrutura cristalina.A aplicação do reativo pode ser feita de três maneiras: ataque por imersão do 
reagente; por aplicação com algodão e por umedecimento de papel fotográfico com 
reagente próprio, aplicando-se o papel sobre a superfície do corpo de prova 
(impressão direta de Baumann) (esta última menos utilizada). 
Os ataques químicos poderão ser ainda lentos e profundos e rápidos e 
superficiais, sendo este último o mais utilizado. 
São cinco os principais reativos, porém o reativo de iodo apresenta um melhor 
contraste: 
Reativo de Iodo 
Iodo sublimado............................................................................................................10 g 
Iodeto de potássio........................................................................................................20 g 
Água..........................................................................................................................100 g 
 
d) Precauções 
- Evitar aquecimento ou deformação plástica (encruamento) do corpo de 
prova. 
- Enxugar muito bem o reativo ou água da superfície de exame, que poderá 
ficar retido nas trincas, cavidades, etc., pois poderá vir à tona (superfície), 
distorcendo resultados (formação de estrias). 
- Não tocar com os dedos a superfície, mantendo-a o mais limpa possível. 
- Cuidado com os reativos que contêm ácidos. 
- Um polimento muito brilhante dificulta o ataque, pois, o reativo não “molha” 
homogeneamente a superfície (tensão superficial do líquido), contraindo-se 
em gotas. 
- Bolhas de ar, principalmente na imersão, produzirão áreas não atacadas. 
5.4.2 Exame e interpretação do resultado 
Algumas regiões escurecerão mais que as outras. O reativo de iodo é o mais 
utilizado e se presta melhor para fotografia. Um repolimento leve após um primeiro 
ataque poderá ser desejável com o intuito de realçar certos aspectos estruturais 
produzidos por uma reação mais profunda ou para novos ataques. 
Tecnologia de Materiais 
 
44 
Com relação à composição química, escurecem bastante: 
a) as áreas com maior teor de carbono; 
b) as áreas com maior quantidade de inclusões não metálicas, como o fósforo 
e, principalmente os sulfuretos. 
 
Portanto, as zonas segregadas, as bolhas cheias de material mais impuro, 
superfícies cementadas, etc., sobressaem-se em tom escuro. 
As regiões com cristalização diferente dividem-se em: 
a) granulações muito grosseiras, como pequenos mosaicos claros e escuros; 
b) texturas diferentes devido a tratamentos térmicos (têmpera, etc.); as regiões 
escurecerão bastante; 
c) texturas deformadas plasticamente a frio (encruadas). as regiões serão mais 
corroídas, portanto, estarão mais escuras. 
5.4.3 Algumas considerações sobre o comportamento de um metal (fadiga) 
Os produtos siderúrgicos, por vários motivos apresentam certas 
heterogeneidades, nem sempre fáceis de serem evitadas. 
 Estes defeitos criam regiões de resistência mais baixa e, em esforços estáticos 
não assumem tanta importância quanto para as solicitações dinâmicas. É comum 
microfissuras originarem-se nos postos mais fracos, propagando-se por toda a 
secção sob influência de choque e tensões repetidas, ocasionando as rupturas por 
fadiga, altamente perigosas por passarem geralmente desapercebidas até a ruptura 
brusca da peça. 
 
FIGURA 5.14 Exemplo de uma ruptura por fadiga em uma mola helicoidal. 
Observação: As Figuras 5.2 e 5.3 são também exemplos 
Controle e Ensaio de Produtos Siderúrgicos 
 
45 
Porém, a ruptura de uma peça nem sempre é de responsabilidade das 
heterogeneidades do material. Erros de dimensionamento e sobrecargas podem levar 
diretamente à ruptura ou acelerar a fadiga do metal, por melhor que seja sua 
qualidade. A escolha inadequada do material, erros de construção ou formas mal 
projetadas também podem ser responsáveis. Eliminando-se estas hipóteses, é válido 
suspeitar de possíveis defeitos do material. Alguns podem ser detectados pela 
macrografia, outros somente por meio de micrografia. 
Porém, nem sempre é possível determinar com precisão as razões que levam 
uma peça a um rápido desgaste ou ruptura, já que muitos fatores podem entrar em 
jogo, tornando-se muito complexa a análise. 
5.4.4 Algumas ilustrações de análises macrográficas - macro-defeitos (a maioria 
atacada por iodo) 
 
 
FIGURA 5.15 Gancho de aço moldado. Notam-se falhas e porosidades 
Tecnologia de Materiais 
 
46 
 
FIGURA 5.16 Secção transversal de uma barra de aço pouco laminada. Os eixos das 
dendritas estão pouco recurvados. As áreas pretas são concentrações 
de impurezas 
 
FIGURA 5.17 Secção longitudinal de um tirefond. Nota-se, a presença desegregação. 
 
FIGURA 5.18 Barra de aço. Secção transversal. Segregação quadrada. (laminação ou 
forjamento e não por torneamento do lingote original). 
Controle e Ensaio de Produtos Siderúrgicos 
 
47 
 
FIGURA 5.19 Barra chata com segregação irregular devido às deformações na 
laminação. Secção transversal 
 
FIGURA 5.20 Tubo com emenda. A macrografia mostra que a chapa foi previamente 
laminada de um lingote com segregação, depois recurvada e 
caldeada de topo 
 
FIGURA 5.21 Cabeça estampada de um parafuso. A região segregada se apresenta 
fibrosa. Na parte superior, as fibras tomaram um aspecto que 
denuncia uma obtenção por estampagem 
 
Tecnologia de Materiais 
 
48 
 
 
FIGURA 5.22 Tubo sem emenda (Mannesmann). Secção transversal. A parte 
segregada aproxima-se da periferia em quatro pontos, o que 
indica que o lingote original tinha secção transversal quadrada 
 
 
 
FIGURA 5.26 Secção transversal de uma engrenagem. Peça cementada ao 
longo dos dentes e na superfície interna. A macrografia revela a 
espessura da camada cementada, sua regularidade e a 
ocorrência de trincas na base dos dentes; mostra também a 
homogeneidade da estrutura do aço 
 
Controle e Ensaio de Produtos Siderúrgicos 
 
49 
5.5 MICROGRAFIA 
A metalografia microscópica ou micrografia dos metais estuda os 
produtos metalúrgicos, com o auxílio do microscópio, visando a determinação 
de seus constituintes e de sua textura. 
 
FIGURA 5.28 Representação esquemática do processo de solidificação 
(cristalização) de um metal 
Os metais na solidificação se cristalizam formando os chamados grãos, 
dado o formato que apresentam. Os grãos que apresentam formas particulares 
chamam-se nódulos, veios, agulhas, etc. Por meio de uma técnica apropriada, 
torna-se visível a textura microscópica do material, conseguindo-se evidenciar 
os diversos grãos de que é formado. 
 
FIGURA 5.29 Região onde os cristais se encontram formando os contornos dos 
grãos. Nesta figura podem ser vistos 3 tipos de imperfeições da 
rede: a ausência de um átomo (vazio), a descontinuidade de um 
plano de átomos (discordância) e a desordem atômica na 
transição de um grão para outro (de contorno) 
Tecnologia de Materiais 
 
50 
A importância da micrografia decorre do fato de que as propriedades 
mecânicas de um metal não dependem apenas de sua composição química mas 
também de sua textura. Desta forma, de acordo com sua textura, um aço pode 
ser mole, duro, quebradiço, elástico, etc., e sua textura pode ser modificada por 
meio de tratamentos mecânicos e térmicos, com conseqüente alteração de suas 
propriedades mecânicas. 
 
 
FIGURA 5.30 Formas em que grãos nodulares são vistos ao microscópio (neste 
caso: metal puro ou liga monofásica) 
 
5.5.1 Noções sobre estrutura dos materiais 
As propriedades dos materiais dependem do arranjo de seus átomos, que se 
classificam em: estruturas moleculares (agrupamento de átomos), estruturas 
cristalinas (arranjo repetitivo de átomos) e estruturas amorfas (sem nenhuma 
regularidade). 
No interior de um metal fundido, os átomos não assumem posições fixas, mas 
seu arranjo não é tão desordenado como num gás. Têm seus movimentos 
restringidos pelos outros átomos e pelas paredes do recipiente. Quando o metal é 
esfriado,o movimento dos átomos torna-se cada vez mais lento até que, na chamada 
temperatura de solidificação, ele cessa. O arranjo dos átomos neste instante é a 
chamada estrutura cristalina (reticulado cristalino). 
Os metais, de grande interesse na Engenharia, têm arranjos atômicos que são 
repetições nas três dimensões (no espaço) de uma unidade básica. Tais estruturas 
são denominadas cristais. 
Controle e Ensaio de Produtos Siderúrgicos 
 
51 
 
FIGURA 5.31 Reticulado cristalino (cristal); arranjo repetitivo segundo x, y e z 
QUADRO 5.2 Sete principais ângulos e dimensões das arestas das células 
básicas que dão origem ao reticulado, determinados por Bravais 
Sistema Eixos e ângulos Retículo de Bravais 
Triclínico a b  c 
 90º 
Simples 
Monoclínico a b  c 
 =  = 90º  
Simples 
Base centrada 
Ortorrômbico a b  c 
 =  =  = 90º 
Simples 
Base centrada 
Corpo centrado 
Face entrada 
Tetragonal a = b  c 
 =  =  = 90º 
Simples 
Corpo centrado 
Cúbico a = b = c 
 =  =  = 90º 
Simples 
Corpo centrado 
Face entrada 
Hexagonal a = b  c 
 =  = 90º,  = 120º 
Simples 
Robboédrico a = b = c 
 =  =  90º 
Simples 
 
Existem sete tipos de sistemas cristalinos principais, ou seja, 7 formas de 
empacotamento atômico: cúbico, tetragonal, ortorrômbico, monoclínico, triclínico, 
hexagonal, romboédrico(e sete derivados, totalizando 14 sistemas cristalinos). 
Tecnologia de Materiais 
 
52 
 
FIGURA 5.32 Grupos espaciais. Estes 14 reticulados de Bravais se repetem nas 
três dimensões (7 básicos e 7 derivações) 
A maior parte dos metais comuns se cristaliza na forma cúbica. 
O ferro, por exemplo, tem estrutura cúbica, chamada de cúbica de corpo centrado 
(ccc). O cromo e o tungstênio, idem. Já o cobre, o alumínio, o chumbo, o níquel, a prata 
são alguns exemplos de estruturas cúbicas de faces centradas (cfc). 
 
FIGURA 5.34 Células ccc e cfc 
Controle e Ensaio de Produtos Siderúrgicos 
 
53 
 
FIGURA 5.35 Com o modelo de esferas rígidas, célula ccc e seu reticulado 
 
FIGURA 5.36 Idem, para o arranjo cfc 
 
Esta repetição de uma unidade básica (célula), formando um reticulado espacial, 
algumas vezes controla a forma externa do cristal. A simetria hexagonal dos flocos de 
neve é um bom exemplo. As superfícies planas dos cristais de pedras preciosas e 
também do quartzo (SiO2) são também manifestações externas de arranjos cristalinos 
internos. 
 
 
➢ A título de ilustração, os metais zinco, magnésio, cobalto, cádmio, berílio 
e outros se organizam no estado sólido, na forma denominada hexagonal 
compacta. 
Tecnologia de Materiais 
 
54 
 
FIGURA 5.37 Células básicas hexagonais compactas e o modelo dos átomos como se 
fossem esferas rígidas 
5.5.2 Polimorfismo ou alotropia do ferro 
Um cristal de mesma composição química, que pode se apresentar em 
estruturas cristalinas diferentes, é chamado de polimorfo, e o fenômeno, de 
polimorfismo e ou alotropia. 
Como o exemplo, o ferro puro, na temperatura ambiente e até 910ºC tem 
estrutura cristalina ccc e é chamado de ferro alfa (Fe). No intervalo 910-1.400ºC, a 
estrutura torna-se cfc e denomina-se ferro gama (Fe). Finalmente, de 1.400ºC a 
1.535ºC, passa a ter novamente a estrutura ccc e é chamado de ferro delta (Fe). 
 
5.5.3 Noções sobre ligas metálicas ---→Soluções 
Muitas vezes, elementos são adicionados a um material com a finalidade de 
melhorar suas propriedades. O bronze é um exemplo típico: adiciona-se estanho ao 
cobre. Se tal adição passa a fazer parte integral da fase sólida, deu-se origem à 
chamada solução sólida (liga). 
 
FIGURA 5.38 Exemplo de uma solução sólida (cristal misto)-Aço X 10 Cr Ni 18 8 
 
Controle e Ensaio de Produtos Siderúrgicos 
 
55 
Soluções sólidas em metais 
• Soluções sólidas substitucionais 
Estas se formam facilmente, porquanto os átomos do solvente e do soluto têm 
dimensões e estruturas eletrônicas semelhantes. Quando se adiciona zinco ao cobre 
(latão), ele substitui facilmente o cobre num reticulado cfc, até que um máximo de 
40% dos átomos de cobre tenham sido substituídos (raio atômico do cobre: 1,276 Å; 
raio atômico do zinco: 1,332 Å). 
 
FIGURA 5.39 a) Solução substitucional aleatória (a esmo) → Latão: Cu + Zn; 
 b) Solução substitucional ordenada 
No caso do latão, a distribuição do zinco no cobre é inteiramente aleatória (ao 
acaso), mas a estrutura cristalina não é alterada. Existem as chamadas soluções 
sólidas ordenadas, em que o soluto se distribui de forma organizada na rede 
cristalina. 
• Soluções sólidas intersticiais 
Um pequeno átomo pode se localizar nos intertícios (vazios) entre átomos 
maiores. O carbono no ferro cfc (Fe) é um exemplo característico. 
 
FIGURA 5.40 Solução sólida intersticial. Carbono alojado no vazio do retículo cfc do Fe 
Tecnologia de Materiais 
 
56 
 
 
QUADRO 5.3 Os mais importantes acompanhantes do ferro e elementos de liga 
1 
Elemento 
2 
Abreviatura 
3 
Diâmetro 
atômico 
Å (10º 
cm) 
4 
Reticulado 
cristalino 
5 
Peso 
atômico 
6 
Solubilidad
e ferro  % 
em peso 
7 
Max. em 
ferro  % 
em peso 
8 
Dissolvido 
em 
Chumbo 
Titânio 
Nióbio 
Alumínio 
Tungstênio 
Manganês 
Molibdênio 
Vanádio 
Cobre 
Cobalto 
Níquel 
Cromo 
Ferro 
Silício 
Fósforo 
Enxofre 
 
Boro 
Carbono 
Nitrogênio 
Hidrogênio 
Pb 
Ti 
Nb 
Al 
W 
Mn 
Mo 
V 
Cu 
Co 
Ni 
Cr 
Fe 
Si 
P 
S 
 
B 
C 
N 
H 
3.50 
2.90 
2.89 
2.87 
2.75 
2.74 
2.73 
2.63 
2.56 
2.50 
2.49 
2.49 
2.48 
2.35 
2.18 
2.03 
 
1.77 
1.54 
cfc 
hd 
ccc 
cfc 
ccc 
cfc 
ccc 
ccc 
cfc 
cfc 
cfc 
ccc 
ccc 
D 
rh 
K 
 
K 
D 
207.2 
47.9 
92.9 
27.0 
183.9 
54.9 
95.9 
50.9 
63.5 
58.9 
58.7 
52.0 
55.8 
28.1 
31.0 
32.0 
 
10.8 
12.0 
14.0 
1.0 
0 
6.3 
1.8 
37.0 
33.0 
3.5 
37.5 
100 
3.5 
76.0 
8.0 
100 
 
14.4 
2.8 
0.02 
 
0.15 
0.02 
0.115 
0.0005 
0 
0.75 
1.4 
1.0 
3.2 
100 
1.6 
1.5 
8.5 
100 
100 
12.5 
 
2.2 
0.25 
0.05 
 
0.15 
2.06 
2.6 
0.001 
- 
S 
S 
S 
S 
S 
S 
S 
S 
S 
S 
S 
 
S 
S 
S 
 
E 
E 
E 
E 
- na coluna 4: cfc cúbica de face centrada; hd hexagonal compacta; D rede de 
diamante; ccc cúbica de corpo centrado; rh rômbica; K rede de estrutura 
complexa 
- na coluna 5: trata-se do peso atômico relativo. Dividindo-o pelo número de 
Loschmidt (6,02.1023), resulta o peso de cada átomo em gramas 
- nas colunas 6 e 7: refere-se a max. solubilidade sob temperatura elevada 
- na coluna 8: colocado na rede no lugar de átomos de ferro, substituição; 
E = depositado em espaços intersticiais. 
 
 
 
 
Controle e Ensaio de Produtos Siderúrgicos 
 
57 
Conforme afirmado no item 4.2, o ferro abaixo de 910ºC, é ccc, acima de 910º é 
cfc. No retículo cfc, existe um “buraco” desocupado, relativamente grande, onde o 
carbono, sendo de diâmetro bem menor, pode se alojar e produzir uma solução sólida 
de ferro e carbono. 
Quando o ferro, em temperaturas mais baixas, passa a ser ccc os intertícios 
entre os átomos tornam-se menores (maior empacotamento) e, conseqüentemente, a 
solubilidade do carbono no ferro ccc é relativamente pequena. 
 
• Limite de solubilidade sólida 
Há um limite bem definido na quantidade possível de um soluto em um solvente, 
sem alterar sua estrutura cristalina. O soluto em excesso, além deste limite, forma 
uma outra fase (uma segunda fase). 
 
FIGURA 5.41 O aço é um exemplo típico da presença de mais de uma fase 
 
5.5.4 Diagrama de equilíbrio das ligas ferro-carbono 
A via de acesso para o estudo das propriedades físicas e mecânicas dos aços e 
de tratamentos térmicos nos mesmos é o diagrama ferro-carbono. 
A distribuição do ferro e do carbono no interior de uma massa é que dita suas 
propriedades. Uma representação gráfica destes arranjos em função da temperatura 
e do teor de carbono é obtida experimentalmente.