Mundo dos Aços - Processos de Fabricação

Prévia do material em texto

2
 Aços são ligas ferro-carbono com teor de carbono de até 2% em peso. É de 
longe o material mais amplamente empregado na fabricação de bens de consumo 
e bens de produção, nas indústrias, na fabricação de máquinas, veículos automo-
tores, na construção civil, etc. O aço é utilizado para fabricar quase tudo, desde 
uma agulha de costura até tanques de armazenamento de óleo. Além disso, as 
ferramentas, necessárias para construir e fabricar esses artigos, são também fabri-
cadas em aço.
 Como indicação da importância relativa deste material, a produção mundial 
de aço em 2009 foi de 1,220 bilhão de toneladas, enquanto a produção do alumínio 
(segundo metal mais importante na engenharia) foi de somente 38 milhões de tone-
ladas. O Brasil produz hoje entre planos e não planos a cifra de 30 milhões de tonela-
das e é hoje o nono produtor mundial de aço.
 As principais razões da popularidade do aço são seu baixo custo de fabri-
cação, de conformação e de processamento, em 
relação a outras ligas e a abundância das maté-
rias primas (minério de ferro e sucata), além da 
possibilidade de se ter uma faixa sem paralelo de 
variação de propriedades mecânicas, para aços 
com diferentes composições químicas ou para 
um mesmo aço com diferentes tratamentos ter-
momecânicos.
 Existem, no mundo inteiro, milhares de tipos 
de aços, com composições químicas registradas e 
patenteadas ou definidas por normas, classifica-
Aço
Módulo 1
3
dos segundo sistemas de numeração e codificação desenvolvidos em 
diferentes países, dando cobertura ao enorme número de ligas exis-
tentes. Além disso, o número de opções para o consumidor de aço é 
enorme, pois os aços podem ser oferecidos com diferentes tratamen-
tos térmicos, microestruturas, condições de conformação, geometrias 
e acabamento superficial. 
 Entretanto, os aços podem ser classificados em uns poucos gru-
pos maiores, de acordo com sua composição química, aplicações, for-
mas e acabamentos superficiais.
 Com base na composição química os aços podem ser agrupa-
dos em três categorias principais: aços carbono, aços de baixa-liga e 
aços de alta-liga. 
 Os aços carbono são de longe os mais produzidos, constituin-
do cerca de 90 % da produção mundial. Eles são geralmente agrupa-
dos em aços de alto carbono C>0,5%; médio carbono 0,2% < %C < 
0,49%; aços de baixo-carbono com teores entre 0,05% e 0,19%; aços 
4
de carbono extra-baixo com 0,015% < %C < 0,05% e aços de ultrabaixo carbono 
com %C < 0,015 %. Os aços carbono são também definidos como contendo me-
nos que 1,65% Mn, 0,6 %Si e 0,6% Cu, com o teor total dos outros elementos não 
excedendo 2%.
 As inúmeras aplicações do aço mostram sua enorme versatilidade. Na 
maior parte das vezes as necessidades do consumidor são atendidas por aços ao 
carbono não ligados. Como exemplo temos chapas para estampagem de carro-
cerias de veículos automotores, utensílios fabricados em aço baixo carbono ou 
em aços estruturais de médio teor de carbono, placas empregadas na indústria 
da construção civil e da construção mecânica, trilhos e arames de alta resistência 
fabricados em aços de alto carbono.
A adição de elementos de liga mais caros começa quando se deseja combinação de 
propriedades impossível de se atingir utilizando os aços carbono.
Módulo 1
5
 Os aços de baixa-liga contêm elementos de liga (Cr, Ni, Mn, V, Mo, etc.) em 
teores totais menores que 8%. Aços com teores totais de elementos de liga maiores 
que esse são considerados aços de alta liga. Cerca de 20 elementos de liga, além do 
carbono, são utilizados na composição química dos aços com o intuito de melhorar 
suas propriedades. São eles: manganês, silício, alumínio, níquel, cromo, cobalto, molib-
dênio, vanádio, tungstênio, nióbio, titânio, chumbo e outros. Muitos desses elementos 
são adicionados simultaneamente para alcançar propriedades específicas. 
Tipos de
e sua classificaçãoaço
 Os vários tipos de aço utilizados na indústria da construção mecânica podem ser 
classificados de acordo com o sistema de codificação SAE/AISI que usa em geral quatro 
algarismos na forma ABXX onde A e B são números que identificam os principais ele-
mentos de liga presentes no aço e seus teores, dados em porcentagem em peso. Já os 
algarismos XX indicam a porcentagem em peso de carbono do aço multiplicado por 100. 
Assim um aço 1045 é um aço carbono (10XX) contendo 0,45% em peso de carbono em 
sua composição química. Os aços carbono de médio carbono são utilizados na fabricação 
de eixos, engrenagens, girabrequins e forjados em geral. Aços de alto teor de carbono 
(p.e. 1070) são utilizados na fabricação de molas e arames de alta resistência. 
TABELA 1 - Sistema de Codificação SAE/AISI
atschip
Cross-Out
atschip
Sticky Note
5%.
6
TABELA 2 - Sistema de Codificação
DIN (DIN EN 10027-1)
- Um número que é 100 vezes o teor especificado de carbono;
- Uso dos simbolos dos elementos quimicos que indicam os elementos de liga que 
 caracterizem o aço em questão;
- A sequência dos símbolos deve estar em ordem decrescente de seu teor; quando o 
 valos dos teores for o mesmo para dois ou mais elementos, os símbolos
 correspondentes devem ser indicados em ordem alfabética;
- Números indicados os teores dos elementos de liga. Cada número representa, 
 respectivamente, a percentagem média do elemento indicação, multiplicação pelos 
 fatores dados pela tabela de arredondados para o mais próximo inteiro, números 
 que se referem a diferentes elementos devem ser separados por hifens;
- Exemplo: Aço 37CrS4: Este aço possui 0,37% de carbono, 0,90% de Cromo (4x 0,90% 
 = 3,60%, arredondandp = 4) além de Enxofre.
Elementos
Cr, Co, Mn, Ni, Si, W 4
Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr 10
Ce, N, P, S 100
B 1000
Fator
 Um aço 5160 é um aço ao cromo contendo de 0,8 a 1,05% Cr e 0,6 % de carbo-
no. Aços ao cromo da série 51XX são utilizados na fabricação de molas, barras de torção, 
parafusos, prisioneiros e necessitam tratamento térmico para alcançar os níveis de resis-
tência desejados.
 A tabela abaixo mostra o sistema de codificação SAE/AISI para os aços de cons-
trução mecânica. Algumas vezes aparece a letra B entre os dois primeiros números e os 
dois últimos o que indica que o aço tem um teor de boro de no mínimo 0,0005% em 
peso (o boro, quando presente no aço em teores muito baixos, facilita a têmpera do aço, 
aumentando sua resistência). 
 Quando o teor de carbono excede 1% o sistema admite a utilização de cinco 
algarismos; por exemplo, o aço comercialmente denominado aço prata tem codificação 
52100 o que corresponde a 1,5% Cr e 1% de carbono. O aço prata se destina à fabricação 
de anéis, esferas e roletes de rolamentos, pois apresenta dureza muito elevada e quando 
corretamente tratado apresenta elevada resistência à fadiga de contacto.
atschip
Cross-Out
atschip
Sticky Note
símbolos
atschip
Cross-Out
atschip
Sticky Note
químicos
atschip
Cross-Out
atschip
Sticky Note
indicam
atschip
Cross-Out
atschip
Sticky Note
indicados
atschip
Cross-Out
atschip
Sticky Note
multiplicados
atschip
Cross-Out
atschip
Cross-Out
atschip
Sticky Note
;
atschip
Cross-Out
atschip
Sticky Note
arredondando
atschip
Sticky Note
cromo
atschip
Sticky Note
enxofre
atschip
Cross-Out
Módulo 1
7
 O sistema de classificação SAE/AISI pode também conter a letra H depois da 
numeração, significando que a especificação do aço é feita pela sua temperabilidade 
e não por sua composição química. Isso quer dizer que a aceitação ou não de um lote 
deste material está sujeita à uma medida de sua temperabilidade, através de ensaio 
específico e o não atendimento da composição química dentro da faixa especificada 
não significa que o material possa ser rejeitado. Assim um aço 5160H pode ter um 
teor de cromo menor que o mínimo especificado desde que atenda as especifica-
ções de temperabilidade
 A norma DIN alemã utiliza outro sistema de codificação um pouco mais lógi-
co, porém de mais difícil memorização, como indicado na Tabela abaixo. O primeiro 
númerocorresponde ao teor de carbono do aço multiplicado por 100. Os elementos 
de liga são identificados por seus símbolos na Tabela Periódica, obedecendo a uma 
ordem decrescente de teor. Os teores de elementos de liga presentes no aço são da-
dos por números que correspondem à multiplicação do teor por um fator que varia 
com o elemento em questão, sendo os fatores dados na Tabela abaixo. Assim um aço 
42CrMo4 tem 0,42% C, 0,9% Cr (4 x 0,9% = 3,6%, arredondando = 4%) e Mo.
 O sistema de arredondamento é razoavelmente impreciso. Na dúvida po-
dem-se consultar Tabelas de equivalência entre a classificação SAE/AISI, o sistema 
DIN, as normas japonesas, francesas e britânicas, como mostrado a título de exem-
plo para o caso de aços tratamento térmico. 
 Os aços para construção mecânica tratados termicamente são destinados à 
fabricação de peças e com-
ponentes estruturais, tais 
como: eixos, pinos, engre-
nagens, etc. Esse grupo de 
materiais necessita trata-
mentos térmicos de têm-
pera e revenimento, aus-
têmpera, martêmpera, ou 
equivalentes, para que as 
propriedades mecânicas de-
sejadas sejam conseguidas. 
Em geral, estes aços sofrem 
resfriamento brusco (têm-
pera) de uma temperatura 
elevada para endurecer e 
posteriormente são aqueci-
dos em temperaturas mais 
baixas (revenimento) para 
se tornarem mais tenazes.
atschip
Sticky Note
temperabilidade.
atschip
Inserted Text
.
atschip
Inserted Text
,
atschip
Cross-Out
atschip
Sticky Note
acima.

Ou muda-se a Tabela de lugar ou coloca-se Tabela acima.
atschip
Cross-Out
atschip
Line
atschip
Sticky Note
Essa linha está repetida na Tabela
8
 A produção de ferro teve início 
na Anatólia cerca de 2000 AC tendo 
sido a idade do ferro plenamente 
estabelecida por volta de 100AC. 
Nessa época a tecnologia de fabri-
cação de ferro se espalhou pelo 
mundo; cerca de 500 AC chegou às 
fronteiras orientais da Europa e por 
volta de 400 AC chegou à China. Os 
minérios de ferro eram facilmente encontrados e a outra matéria prima importante para a 
fabricação do aço, o carvão era bastante disponível. O ferro era produzido em pequenos fornos 
poço na forma de torrões ou pedaços sólidos, denominado tarugos. Esses eram em seguida 
forjados a quente na forma de barras de ferro trabalhado, possuindo maleabilidade, contendo, 
entretanto pedaços de escória e carvão.
 O teor de carbono destes primeiros aços variava de 0,07% até 0,8% sendo so-
mente este último considerado, de fato, um aço. Quando o teor de carbono do aço 
supera 0,3%, o material se torna muito duro e frágil caso seja temperado (resfriado brus-
camente em água) de uma temperatura acima de 850° a 900°C. A fragilidade pode ser 
evitada ou minimizada por reaquecimento do aço a uma temperatura entre 350ºC e 
500ºC, tratamento térmico denominado revenido.
 Esse tipo de tratamento térmico era conhecido dos egípcios por volta de 900 AC 
e constituía a base de uma indústria siderúrgica que produzia um material ideal para 
fabricação de espadas e facas.
 Os chineses produziam aços tratados termicamente por volta de 200 AC e os 
japoneses aprenderam a arte da produção de artefatos em metal dos chineses, embora 
a indústria japonesa de aço somente tenha aparecido em épocas muito posteriores. 
Os romanos não introduziram grandes inovações técnicas no processo, embora tenham 
ajudado a espalhar o conhecimento da tecnologia de fabricação de aços, aumentando 
muito a produção de ferro trabalhado no mundo romano.
 Com o declínio do Império Romano, a produção de aço ou ferro trabalhado se estabilizou 
na Europa até que, no começo do século XV, começou-se a utilizar quedas d’água para insuflar ar 
nos fornos de fusão. Em conseqüência a temperatura no interior dos fornos passou a ser maior 
que 1200 ºC, de forma que, ao invés de se formarem torrões sólidos de ferro, obtinha-se por go-
tejamento, um líquido rico em carbono: o ferro fundido. Para se obter ferro trabalhado e reduzir o 
teor de carbono deste ferro fundido, o mesmo era solidificado e em seguida fundido em atmosfe-
ra oxidante, utilizando carvão como combustível. Esse processo retirava o carbono do ferro dando 
origem a um tarugo semi-sólido que após resfriamento era martelado até chegar na forma final.
Ferro e aço na antiguidade
Fabricação do aço
atschip
Sticky Note
100 AC
atschip
Cross-Out
atschip
Inserted Text
 e
atschip
Inserted Text
,
Módulo 1
9
 No início do século 18 começou-se a utilizar coque em lugar do carvão como 
combustível para o alto-forno e o ferro fundido foi se tornando mais barato e de uso 
mais generalizado. A Revolução Industrial aumentou muito a demanda por ferro tra-
balhado, que era o único material disponível para suportar cargas e esforços de tração. 
Um dos maiores problemas é que a produção era feita em pequenos lotes. No final do 
século 18 este problema foi resolvido com a utilização dos primeiros alto-fornos.
 O alto-forno é basicamente um trocador de calor e de oxigênio em con-
tracorrente no qual a corrente ascendente de gases de combustão perde a maior 
parte do calor, durante sua trajetória, sain-
do pela parte superior na forma de fumos a 
temperaturas de aproximadamente 200 ºC. 
Os óxidos de ferro, por sua vez, descem em 
contracorrente sendo totalmente converti-
dos para ferro metálico. 
 O princípio geral de funcionamento do 
alto forno é que a carga fria (mistura de mi-
nério de ferro e coque) entra por cima e é co-
locada no topo do empilhamento. À medida 
que a carga desce, é aquecida pela corrente 
de ar (pré-aquecido em temperaturas entre 
900 ºC e 1350 ºC), enriquecido às vezes, com 
cerca de 25 % de oxigênio. Próximo à saída 
inferior do alto forno, na região mais quente, 
ocorre fusão do ferro e gotejamento de gusa 
líquido, na saída do forno. Dois subprodutos 
são formados: escória e gás. A escória e o 
gusa acumulam no cadinho 
e se separam por diferença 
de densidade, a escória so-
brenadando o banho de gusa 
líquido. 
O gás que sai pelo topo do 
forno é composto de mo-
nóxido de carbono (CO), di-
óxido de carbono (CO2) e 
principalmente nitrogênio 
(N2) e após mistura com gás 
de coqueria é utilizado para 
pré-aquecer o ar insuflado 
no alto-forno.
O alto forno
atschip
Cross-Out
atschip
Sticky Note
N2

Tem que subescrito.
10
Reação químicas
 As principais matérias primas fonte de ferro, para fabricação do aço, são o 
gusa líquido, sucata de aço e ferro obtido por redução. O gusa líquido contém entre 
3,8 e 4,5 %C, 0,4 a 1,2 % Si, 0,6 a 1,2% Mn, até 0,2% P e até 0,04% S. A temperatura 
do gusa situa-se entre 1400ºC e 1500ºC. O teor de fósforo depende do minério uti-
lizado já que o fósforo não é removido no alto-forno. Já o enxofre é incorporado ao 
aço a partir do coque metalúrgico utilizado no processo de redução. O ferro obtido 
por redução direta do minério no estado sólido contém cerca de 3 % de óxido de fer-
ro e 4% de outras impurezas, na forma de óxidos e sulfetos. Geralmente é fornecido 
na forma de briquetes e carregado no alto forno juntamente com a sucata. A sucata 
é constituída por ferro metálico contendo impurezas como cobre, estanho, cromo, 
etc, dependendo de sua origem.
 Existem dois processos principais de fabricação de aço – em conversor a 
oxigênio ou em forno elétrico. Ambos estão indicados no fluxograma de operações 
Refino do gusa
Matérias primas
 O coque queima na presença de oxigênio (contido no ar insuflado) segundo uma 
reação de combustão que ocorre próximo da base do alto forno, bem em frente aos so-
pradores.
2C + O2 2CO + calor
 O calor gerado pela reação é levado para cima, pelos gases ascendentes e 
transferido para a carga fria. O CO reage com o óxido de ferro da carga, produzindo 
ferro metálico e CO2:
Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2
 
 Como a temperatura no interior do forno atinge 1.500ºC, o metal produzido 
está no estado fundido e desce até a base do forno onde é coletado o gusa.
 Nem todo o oxigênio é removido através da reação com o CO e algum oxigênio 
reage diretamente com o carbono em temperaturas mais altas, na parte maisbaixa do 
forno, acima das ventaneiras, segundo a reação:
FeO + C Fe + CO
 O amolecimento e a fusão do minério ocorrem nessa região e gotas do 
metal e da escória pingam e escorrem para o cadinho do alto forno onde é cole-
tado o gusa líquido. Quando o cadinho fica cheio destapa-se o furo de vazamento 
e o gusa escorre através de canaletas para o carro torpedo. O gusa líquido pode 
sofrer dessulfuração, no interior do carro torpedo, antes mesmo de chegar na 
aciaria, por reação com a cal segundo a reação:
FeS + CaO CaS + FeO
atschip
Cross-Out
Módulo 1
11
Processo de Refino
 As principais reações que ocorrem no interior do conversor a 
oxigênio são a oxidação do carbono para monóxido de carbono, de 
silício para sílica, manganês para óxido de manganês e fósforo para 
fosfato:
 Entretanto, não há como evitar a perda por oxidação de ferro, simultânea a essas reações:
Reações de oxidação - Conversor a oxigênio
2C + O2 2CO
Si + O2 SiO2
2Mn + O2 2MnO
2P + 5/2 O2 P2O5
2Fe + O2 2FeO
abaixo. O primeiro utiliza gusa líquido e sucata como matéria-prima e o segundo 
utiliza sucata e gusa sólido. A Figura mostra o fluxograma de operações realizadas no 
interior de uma indústria siderúrgica, desde o armazenamento de matéria-prima no 
pátio até o vazamento do metal líquido através de operação de lingotamento contí-
nuo, obtendo-se placas e tarugos.
atschip
Sticky Note
Serria interessante aumentar essa Figura até a largura do próprio texto.
12
Os produtos das reações acima (SiO2, MnO, P2O5 e FeO) junto com a cal (CaO) adi-
cionada como fluxante formam a escória. 
 A presença da cal é importante para a desfosforação do aço, pois o fósforo 
vindo do minério de ferro e do calcáreo pode ser removido por reação com a cal:
MP2O5 + nCaO nCaO.mP2O5
 A remoção do carbono é feita, também, por oxidação, havendo evolução de 
gases constituídos principalmente por CO. Antes de sair pelo sistema de exaustão 
do forno, os gases promovem borbulhamento do banho e garantem a mistura de 
seus componentes, acelerando as reações químicas em seu interior. Além disso, o 
borbulhamento por CO promove a purga de hidrogênio e de nitrogênio e aumento a 
transferência de calor. 
 Com freqüência o carbono é oxidado até teores menores que os especifica-
dos para acerto da composição química. À medida que o carbono vai sendo oxidado 
o teor de oxigênio aumenta segundo uma relação:
% C x % O2 = 0,0025
 Isso significa que um aço contendo 0,1% de carbono contém, no equilíbrio, 
cerca de 0,025% em peso de oxigênio dissolvido ou 250 ppm (partes por milhão). 
 O nível de oxigênio dissolvido deve ser diminuído para evitar a reação com o 
carbono e a formação de bolhas no lingote fundido, durante a solidificação. 
 Níveis elevados de oxigênio resultam em alta quantidade de inclusões não 
metálicas, prejudiciais para a maior parte dos produtos siderúrgicos.
 Geralmente, ao final das operações de refino, os aços são desoxidados com 
silício na forma de Fe-Si ou Fe-Si-Mn, ou alumínio, elementos forte formadores de 
óxidos que reagem com o oxigênio formando sílica (SiO2) e alumina (Al2O3). Esses 
óxidos, de menor densidade, flutuam e são absorvidos pela escória. Entretanto, o 
movimento de subida é lento e muitos óxidos podem ficar aprisionados no interior 
dos aços, constituindo as assim chamadas inclusões não metálicas. A desoxidação 
é importante, também, para garantir bom rendimento durante adição de elemen-
tos de liga aos aços ligados. Elementos de liga facilmente oxidáveis como o cromo, 
titânio, vanádio e outros, exigem baixo nível de oxigênio dissolvido no banho, para 
minimizar perdas e melhorar o controle do processo. Elementos de liga como níquel, 
cobalto e molibdênio, que não oxidam facilmente, podem ser adicionados ao banho 
metálico, ainda no forno, para aproveitar as altas taxas de aquecimento.
 A maior parte dos elementos de liga é adicionada ao banho, na forma de 
ferro-ligas, mais baratas que os respectivos metais puros. Por exemplo, pode-se adi-
cionar Fe-Si contendo 50, 75 e 90% de silício com teores variáveis de carbono. 
antschip
Sticky Note
A seta tem que ficar alinhada e na mesma altura do texto.
antschip
Sticky Note
SiO2

O 2 é subscrito como na equação abaixo
antschip
Sticky Note
P2O5

O 2 e o 5 são subscritos como na equação abaixo.
antschip
Sticky Note
SiO2

O 2 é subscrito como na equação acima.
antschip
Sticky Note
Al2O3

O 2 e o 3 são subscritos como na equação acima.
atschip
Cross-Out
atschip
Sticky Note
o m é minúsculo
atschip
Cross-Out
atschip
Cross-Out
atschip
Sticky Note
aumenta
Módulo 1
13
 As reações que controlam o processo de refino dos 
aços em forno elétrico são as mesmas indicadas ante-
riormente para o conversor a oxigênio. Utiliza-se o arco 
elétrico de elevada corrente para fundir a escória e obter 
aço líquido. O forno elétrico permite um controle mais 
acurado da temperatura do banho, quando comparado 
com o processo de sopro de oxigênio (onde o aqueci-
mento ocorre devido à liberação de calor das reações de 
oxidação). Isso permite adicionar teores mais elevados de 
elementos de liga. Entretanto o forno elétrico não é tão 
oxidante e a mistura escória-banho não ocorre tão inten-
samente. Em conseqüência o teor de carbono é sempre 
maior que 0,05%. Os aços fabricados em forno elétrico 
têm, geralmente teores mais elevados de nitrogênio, de 
40 a 120 ppm. O nitrogênio, elemento que fragiliza o aço, 
é absorvido da atmosfera em contato com a superfície 
do banho metálico, na zona de abertura do arco elétrico. 
Sua eliminação pode ser conseguida com operações adi-
cionais de injeção de CO ou argônio, ou através da apli-
cação de vácuo nas operações de refino secundário. 
 A maior parte da carga dos fornos elétricos é constituída de sucata de aço. 
Dependendo da conjuntura de mercado utiliza-se de 18 a 25% de gusa sólido no 
volume da carga fria. A qualidade da sucata tem influência direta na qualidade do 
aço produzido. Para se obter aços de alta ductilidade deve-se trabalhar com sucata 
de composição química controlada contendo teores totais máximos de residuais 
(cobre, estanho, cromo, níquel e molibdênio) da ordem de 0,2%.
Forno elétrico
Metalurgia secundária do ferro
 O tratamento secundário do aço líquido é feito em panelas de manutenção 
e transporte. Nessas operações pode-se tirar a escória, aquecer eletricamente ou 
através de tochas de plasma, resfriar o banho através da adição de sucata fria, 
injetar pó ou arame metálico ou ainda promover agitação pelo borbulhamento de 
gás ou agitação magnética.
 O tratamento do aço na panela é uma prática comum nas aciarias, pois re-
duz custos ao utilizar o forno elétrico como equipamento de fusão rápida, sendo o 
ajuste final de composição química e de temperatura feito na panela. Além disso, 
devido às características de projeto e de operação, certas reações metalúrgicas 
ocorrem de maneira mais eficiente na panela. O tratamento dos aços na pane-
la consiste em adicionar desoxidantes, dessulfurantes, formadores de escória e 
14
pequenas quantidades de elementos de liga no jato de vazamento, aproveitando, 
desta forma, a agitação causada no interior da panela, pelo jato em queda. Esses 
materiais podem ser colocados, também, no fundo da panela, antes do vazamento.
 O objetivo destas operações é a eliminação das impurezas oxigênio (O), en-
xofre (S), nitrogênio (N), hidrogênio (H) e o fósforo (P). O oxigênio, o enxofre, o fós-
foro e o nitrogênio formam compostos denominados inclusões (óxidos, sulfetos, ni-
tretos), que quase sempre são prejudiciais para as propriedades mecânicas do aço, 
diminuindo a plasticidade, a tenacidade, favorecendo a formação de trincas e de 
defeitos superficiais. O hidrogênio, pode em certas condições causar o aparecimen-
to de trincas internas no aço.
A desfosforação do aço pode ser feita facilmente nos fornos de fusão (conversor a 
oxigênio ou forno elétrico). Já a remoção de outras impurezas é maisdifícil nestes 
fornos e o tratamento do aço líquido precisa ser feita em panelas que funcionam 
como reatores metalúrgicos (Metalurgia de Panela). A obtenção de aços, com ele-
vado grau de limpeza e controle acurado de composição química, depende muito 
das operações de refino secundário, realizados em panelas revestidas com refra-
tários especiais, de maior estabilidade química e menor reatividade. As adições de 
elementos de liga são feitas através de calhas de adição sendo o banho agitado por 
meio de borbulhamento de gases ou agitação magnética.
 A temperatura de vazamento deve ser controlada para se otimizar as operações 
de vazamento e lingotamento. As perdas de calor durante e após enchimento da 
panela exigem, muitas vezes, a utilização de fornos panela que são pequenos fornos 
a arco de três eletrodos, como ilustrado na Figura . Em algumas aciarias adiciona-se 
alumínio na panela para aumentar a temperatura (reação exotérmica) e promover 
desoxidação do banho. O aquecimento pode ser feito, também, por meio de tochas 
de plasma. A agitação por borbulhamento de argônio ou por meio eletromagnético 
melhora a transferência de calor no interior da panela. O borbulhamento por argô-
nio ajuda a eliminar as inclusões de alumina, aumentando sua velocidade de subida 
e a eliminação de gases hidrogênio e nitrogênio. Essas duas técnicas de aquecimento 
do banho permitem longos tempos de manutenção de panelas cheias e melhoram 
as condições de operação da unidade de lingotamento contínuo.
Metalúrgica Secundária do ferro
antschip
Sticky Note
Falta a indentação de parágrafo
antschip
Sticky Note
Falta a indentação de parágrafo
Módulo 1
15
 A maneira mais fácil de solidificar o aço líquido é vazar em moldes de ferro 
fundido, muito pesados e de paredes grossas, como mostra a Figura.
 Durante e após vazamento as paredes e a parte inferior do molde extraem 
calor do banho metálico, formando-se uma casca sólida em volta do banho líquido. Ao 
término da solidificação extrai-se o lingote sólido da lingoteira metálica. 
 Como o aço sólido ocupa um volume menor que o ocupado pelo aço líqui-
do, durante a solidificação, forma-se uma cavidade no topo do lingote, diminuindo 
o rendimento da operação. Além disso, as paredes desta cavidade podem ser oxida-
das em contato com o ar, impedin-
do caldeamento posterior durante 
a laminação. Essa região deve ser 
cortada antes da laminação e volta 
como sucata de recirculação para 
as operações de refino do aço. Um 
artifício utilizado para diminuir a 
formação deste vazio é o de man-
ter aquecido o topo da lingoteira 
fazendo com que a última parte do 
lingote a solidificar se localize em 
sua parte superior, ficando o vazio 
fora da parte útil do lingote.
Lingotamento convencional
Ligotamento
 O refino secundário em panelas exige equipamentos que possam aquecer 
o banho, submetê-lo a baixas pressões para extração de gases dissolvidos, possu-
am lanças de oxigênio para eliminação de impurezas e calhas de adição de elemen-
tos de liga e recursos adicionais que permitam realizar as operações de purificação 
com qualidade. Estas operações garantem a obtenção de aços com baixos níveis 
de impurezas fragilizantes e de inclusões não metálicas.
atschip
Cross-Out
atschip
Sticky Note
esquematizado na 
16
rolos guia, em seu movimento de 
descida, para evitar que a pressão 
ferrostática do líquido dobre a casca. 
Na medida em que a casca vai fican-
do mais espessa, na zona de resfria-
mento secundário, os rolos de apoio 
são maiores e mais espaçados. Nessa 
zona desenvolve-se a estrutura “bru-
ta de fusão” do material. Dependen-
do da seção transversal da placa ou 
do tarugo e da velocidade de lingo-
tamento, a zona de resfriamento se-
cundário pode ter de 10 a 40 metros 
de extensão. Ao passar pelo último 
rolo de sustentação, o tarugo entra 
em uma mesa de saída e é cortado, 
ainda em movimento, por tochas oxi-
acetilênicas.
 Cerca de 80% da produção mundial de aço é obtida através de lingotamen-
to contínuo. O lingotamento contínuo consiste no vazamento do aço líquido em 
um pequeno molde vertical de cobre refrigerado e na extração simultânea da cas-
ca solidificada que contém aço líquido em seu interior. Os tarugos, barras e placas 
assim obtidos são, após operação de corte e re-enfornamento, laminados. 
 O molde, onde ocorre a solidificação do aço, é feito de cobre - metal de 
alta condutividade térmica – refrigerado com água e oscila verticalmente para 
evitar adesão da casca solidificada ao molde. O tarugo é suportado por vários 
Lingotamento contínuo
Módulo 1
17
 Diferentes perfis podem ser fundidos, dependendo da aplicação e da finalida-
de a que se destinam. As operações de fusão, lingotamento e laminação encontram-
se cada vez mais vinculadas e perfis com formas quase próximas da final (Near Net 
Shape) podem ser obtidos com grande eficiência: o tempo total de processamento, 
desde o metal líquido até o produto final laminado dura em média 2 horas.
 Os lingotes brutos de fusão possuem estrutura de grãos determinada pelo 
processo de solidificação. Assim, a estrutura dos tarugos obtidos por lingotamento 
contínuo é constituída de grãos colunares e grãos equiaxiais grandes. Essa estru-
tura será modificada e refinada por operações de conformação a quente do aço 
durante as quais ocorre deformação plástica e recristalização.
 Os processos de conformação transformam o aço solidificado em produtos 
para construção mecânica. A conformação plástica tem por objetivo, não somente 
obter uma forma geométrica especifica, mas também, condicionar melhores pro-
priedades mecânicas: a estrutura bruta de fusão dos aços apresenta propriedades 
mecânicas geralmente inadequadas para a maior parte das aplicações. Durante a 
conformação plástica os cristais grandes e direcionados, presentes na estrutura 
do aço fundido são quebrados e transformados em milhares de pequenos cristais, 
fazendo com que o fundido, geralmente frágil, passe a ser dúctil e tenaz. Para con-
seguir isso é necessário reduzir a seção transversal do fundido para menos de 1/6 
da seção original.
Conformação do aço
atschip
Inserted Text
,
18
 A redução de seção transversal pode ser calculada subtraindo a seção 
transversal de saída S2 da seção transversal de entrada S1 e dividindo o resultado 
pela seção de entrada S1:
 Um tarugo obtido por lingotamento contínuo, de 13 m de comprimento e 
sessão quadrada 20 X 20 cm possui uma área de 400 cm2. Para que o laminado tenha 
boas propriedades de resistência mecânica e tenacidade é preciso reduzir sua seção 
para no mínimo 1/6 da seção original, ou seja, aproximadamente 66 cm2. O menor 
diâmetro de barra redonda para se conseguir essa redução é de 9,2 mm. Como, 
durante a conformação, o perfil mantém o volume original, o comprimento final L2 
dividido pelo comprimento original L1 é igual S1/S2. O lingote de 13 m do exemplo 
acima terá na saída, após laminação para uma barra redonda de 9,2 mm um compri-
mento 34, 5m. Por esta razão as linhas de laminação contínuas são muito extensas 
chegando a atingir mais de 2 km.
 A maior parte das operações de conformação é feita a quente, em tempe-
raturas da ordem de 1.200ºC, na qual a resistência à deformação plástica do aço é 
muito baixa. A conformação a frio é freqüentemente aplicada como um processo de 
acabamento de fabricação de arames ou chapas. 
 Entre todos os processos de 
conformação existentes - forjamen-
to, compactação, estampagem, ex-
trusão, etc. - o mais importante é a 
laminação. Nesse processo, cilindros, 
operando sempre aos pares, são mo-
vimentados em sentidos opostos, 
com a mesma velocidade e manti-
dos a uma distância específica um 
do outro. O tarugo, esboço ou placa 
de aço é puxado por atrito no espaço 
existente entre os cilindros (luz), me-
nor que a seção transversal do perfil 
que está sendo laminado. Os dois 
cilindros exercem simultaneamente 
pressão sobre o perfil e deformam 
continuamente o aço até que saia do 
outro lado com seção menor, porém 
com comprimento maior.% red = (S1 - S2)
S1
antschip
Sticky Note
Se não der para usar um editor de equações é melhor escrever essa equação assim:

% red = (S1-S2)/S1
antschip
Cross-Out
antschip
Sticky Note
S1
atschip
Sticky Note
cm2
atschip
Sticky Note
L2
atschip
Sticky Note
L1
atschip
Sticky Note
S1/S2
atschip
Cross-Out
atschip
Sticky Note
34,5 m
atschip
Cross-Out
atschip
Sticky Note
frequentemente
Módulo 1
19
 No caso de laminação de chapas é necessário utilizar cilindros de encosto 
muito pesados que dão apoio a cilindros de laminação menores, pois os cilindros 
de laminação menores são melhores para laminar produtos planos. 
 Os arranjos de layout podem ser do tipo trem aberto no qual as cadeiras se 
encontram lado a lado e são movimentadas pelo mesmo motor, acopladas por um 
mesmo eixo. Esse arranjo é utilizado na laminação de produtos compridos e neces-
sita guias ou dispositivos transferidores para movimentar os perfis de uma cadeira 
para outra. Já o arranjo tandem é o de um laminador contínuo, onde cada cadeira 
fica à frente da outra e o arranjo permite uma alta produtividade na laminação de 
qualquer produto. O arranjo contínuo requer, entretanto, a construção de trens de 
laminação e galpões muito compridos. 
 Os componentes básicos de um 
laminador estão mostrados na figura 
ao lado. Consiste de uma estrutura pe-
sada denominada gaiola na qual estão 
montados os cilindros laminadores. A 
distância entre os cilindros de lamina-
ção (luz) é regulada por meio de um 
parafuso que movimenta os cilindros 
verticalmente, possibilitando variar o 
grau de redução. Existem também uni-
dades de laminação compactas (C) que 
não possuem gaiolas, freqüentemente 
utilizadas em laminadores “tandem”. Têm a vantagem de permitir troca rápida de 
cilindros para reparos ou devido à mudança de programação de laminação. 
 Os cilindros são movimentados por um ou mais motores elétricos acopla-
dos a redutores e engrenagens. Dependendo do produto laminado existem cadei-
ras de laminação com dois, três, quatro e mais cilindros chamados de cadeira de 
dois, de três, de quatro cilindros e cadeira planetária.
atschip
Cross-Out
20
 A obtenção de diferentes perfis em operações de laminação pode ser con-
seguida através da combinação de laminadores horizontais e verticais obtendo-se 
perfis quadrados e redondos, como mostra as figuras acima.
 Os fluxogramas que seguem mostram o fluxo de fabricação de chapas, tu-
bos, barras e perfis a partir de blocos, tarugos e placas e o detalhamento, corres-
pondente ao ciclo de produção específico para obtenção de barras, a partir de 
tarugos lingotados continuamente, em aciaria de forno elétrico.
Módulo 1
21
 O desempenho em serviço dos aços depende de suas pro-
priedades mecânicas. Cada aço, em função da sua composi-
ção química e da forma como foi processado, possui proprie-
dades mecânicas características. O conjunto de propriedades 
mecânicas de um aço irá definir como esse material irá se 
comportar sob as solicitações mecânicas especificadas em 
projeto para aquele componente.
 As propriedades mecânicas dos aços dependem de sua mi-
croestrutura, que é condicionada pela composição química e pela seqüência de 
tratamentos termomecânicos e tratamentos térmicos utilizados. Essa interdepen-
dência entre Processamento, Estrutura, Propriedades e Desempenho do Produto 
pode ser representada por um tetraedro que mostra estas ligações.
Propriedades
e ensaios
Mecânicas
22
 As propriedades mecânicas dos aços podem ser avaliadas por meio 
de diferentes ensaios: tração, compressão, dureza, ensaio de impacto, etc.
 De todos os ensaios usados para avaliar as propriedades mecânicas 
dos aços, o mais útil é o ensaio de tração simples, em que um corpo-de-
prova é tracionado até a fratura em um intervalo de tempo pequeno. Nesse 
ensaio a amostra é alongada sob tração uniaxial a uma velocidade constan-
te. A carga necessária para alongar o corpo-de-prova é registrada em função 
do tempo e do alongamento, obtendo-se, desta forma, uma curva carga-
alongamento, característica do material ensaiado. 
Corpo de prova padrão
Módulo 1
23
As curvas obtidas são transformadas em curva tensão-deformação, sendo a tensão 
definida por:
onde F é a força e Ao é a sua área inicial.
A deformação é definida por:
P
A
=
li - lo l 
lo lo = =
onde l0 é o comprimento inicial e li o comprimento em um determinado instante do 
ensaio, sendo l a diferença entre o comprimento final e comprimento inicial. 
Inicialmente o material se deforma elasticamente. Se a carga aplicada ao corpo de 
prova for retirada, o mesmo volta ao seu comprimento original.
 O carregamento do corpo-de-
prova e o descarregamento seguem a 
lei de Hook, em que a tensão aumenta 
linearmente com a defromação. O co-
eficiente E é chamado de módulo de 
elasticidade.
E=
atschip
Cross-Out
atschip
Sticky Note
P
atschip
Sticky Note
P/A0
atschip
Sticky Note
O símbolo delta (triângulo) tem que estar alinhado com o texto
atschip
Cross-Out
atschip
Sticky Note
deformação
24
 O limite de escoamento é definido como a tensão acima da qual 
ocorre deformação plástica do aço. Em geral é difícil definir com exatidão 
o ponto sobre a curva onde isso ocorre. Costuma-se utilizar o LE 0,2%, 
determinado pela interseção de uma reta paralela ao módulo de elastici-
dade, traçada a partir do ponto em que deformação é de 0,2%.
 Ao ultrapassar o limite de escoamento o corpo-de-prova sofre 
deformação plástica e alongamento, sendo que a tensão aumenta conti-
nuamente com a deformação. No ponto em que a tensão atinge o valor 
máximo de ensaio define-se o limite de resistência – LR. Neste ponto o 
corpo-de-prova começa a sofrer estricção ou empescoçamento e a defor-
mação se concentra em sua região central.
 Quando a carga ultrapassa um certo valor o aço começa a se de-
formar plasticamente, o que significa que, mesmo após descarregamen-
to, fica com uma deformação residual denominada deformação plástica. 
A curva tensão-deformação obtida, pode ter as características apresenta-
das na figura abaixo. Na curva são definidos Limite de Escoamento, Limite 
de Resistência, alongamento uniforme e alongamento total.
Módulo 1
25
 A partir do limite de resistência ocorre uma forte redução da seção transver-
sal do CDP até a sua fratura. No ponto M da curva, correspondente ao Limite de Re-
sistência mede-se, também, o alongamento uniforme (máximo alongamento sem 
que ocorra estricção do CDP). Finalmente em F ocorra a fratura final do material.
Como exemplo, podemos determinar a partir da curva abaixo os valores de LE, LR, 
alongamento uniforme e alongamento total, onde LE = 30000 psi = 210 MPa, LR = 
60000 psi = 420MPa, EU = 14%, ET = 22%.
26
Tenacidade
 Pode-se comparar o comportamento de dois materiais, um dútil e o outro 
frágil avaliando a área debaixo da curva tensão-deformação correspondente à ener-
gia absorvida até a fratura do material. Esta energia é definida como tenacidade à 
fratura. Pode-se observar, na Figura, que a energia absorvida no ensaio do material 
frágil é muito menor que a energia absorvida no ensaio do material dútil. Diz-se, 
nesse caso, que o material A é mais tenaz.
 A medida de tenacidade, entretanto deve ser feita através do ensaio de im-
pacto, que consiste em deixar cair um martelo de um pêndulo sobre um CDP pre-
viamente entalhado e medir a energia absorvida no ensaio, pela diferença entre a 
altura inicial e altura final do pêndulo, após a fratura. A medida de energia absorvi-
da é lida diretamente no mostrador angular.
Módulo 1
27
Os ensaios Charpy podem ser feitos com corpos-de-prova em uma 
faixa ampla de temperaturas, visando determinar a temperatura de 
transição frágil-dútil do material. 
28
Os aços apresentam uma forte variação de tenacidade com a 
temperatura tornando-se frágeis em temperaturas sub-zero. 
Aumentando o teor de carbono do aço aumenta a tempera-
tura de transição: para um aço com 0,01% de carbono essa 
temperatura é de -70ºC, para um aço com 0,43% de C a tem-
peraturasobe para 0º C e para um aço com 0,63% de C a 
temperatura de transição chega a 90 ºC.
Módulo 1
29
Dureza
 De todos os ensaios mecânicos de materiais o 
ensaio de dureza é o mais simples de ser realizado. 
Consiste na aplicação de uma carga conhecida atra-
vés de um penetrador de geometria conhecida e na 
medição da profundidade de penetração. Existem 
máquinas que fornecem a dureza diretamente no 
mostrador. Nas máquinas em que a leitura não é 
feita diretamente no mostrador é necessário fazer 
a impressão e medir através de uma lupa ou um mi-
croscópio o diâmetro de impressão, para calcular a 
profundidade de penetração.
 Há várias escalas de dureza que utilizam geo-
metrias de penetradores diferentes e cargas aplica-
das diferentes. O quadro a seguir mostra as diferen-
tes escalas de dureza usualmente utilizadas.
Ensaio de dureza
30
 Embora a dureza, ao contrário do limite de escoamento e da tenacidade à 
fratura, não seja um parâmetro característico do material (depende da máquina, 
da carga, do tipo de penetrador, etc…) o ensaio de dureza tem grande importância 
tecnológica, principalmente no controle de qualidade de rotina.
 Existem relações empíricas entre a dureza, medida na escala Brinell e o Limi-
te de Resistência do aço expresso em MPa, de acordo com a fórmula abaixo:
 Essas relações são importantes, pois através de um ensaio mecânico muito 
simples é possível avaliar a resistência mecânica do aço.
 Como mencionado na introdução deste módulo, os aços temperados apre-
sentam forte aumento de dureza com o aumento do teor de carbono. Os aços nor-
malizados e recozidos também, embora a variação de dureza, neste caso, seja me-
nor. Ao selecionar um aço para construção mecânica é preciso ter em mente que o 
aumento da dureza e, consequentemente, da resistência mecânica, são obtidos em 
detrimento da tenacidade. Aços de elevada dureza possuem, em geral, baixa tenaci-
dade impondo restrições à sua utilização.
LR (MPa) = 3,45 x HB
atschip
Sticky Note
Essa Figura está em local errado. Deve ficar abaixo do último parágrafo desta página.
Módulo 1
31
Fadiga
 Os componentes mecânicos de máquinas e equipamentos, veículos e gran-
des estruturas, trabalham sob cargas dinâmicas, que variam ao longo do tempo, 
podendo trabalhar em regime de variação de carga do tipo tração-tração, tração-
compressão, flexão-rotativa, etc. Geralmente estes componentes se rompem sob 
a atuação de cargas bem menores que o Limite de Escoamento e tanto menores 
quanto maior for o número de ciclos a que o material foi submetido.
 A figura mostra um equipamento onde se faz um ensaio para medir o núme-
ro de ciclos em que ocorre ruptura de corpos-de-prova submetidos a uma tensão 
determinada sob condições de flexão rotativa. 
 Pode-se determinar o número de ciclos, para tensões variando em uma am-
pla faixa, estabelecendo pares de valores de tensão/ número de ciclos necessários 
para romper o material.
atschip
Cross-Out
32
 Os aços, como outras ligas metálicas, apresentam curvas tensão para rup-
tura em fadiga X número de ciclos decrescentes, sendo que a partir de um certo 
número (entre 106 e 107) a curva se estabiliza em torno de um valor denomina-
do Limite de Fadiga. Isso quer dizer que quando o corpo-de-prova é submetido a 
tensões menores que o limite de fadiga o corpo-de-prova nunca rompe. Esse valor 
é freqüentemente utilizado como parâmetro no projeto mecânico de máquinas 
e equipamentos. Já os metais e ligas não ferrosos como por exemplo, o alumínio 
2014-T6, não apresentam estabilização nítida da curva Tensão X nº de ciclos e a 
prática comum é adotar o valor de tensão para ruptura correspondente a 107 ci-
clos como limite de fadiga desse grupo de materiais.
atschip
Cross-Out
atschip
Cross-Out
atschip
Sticky Note
106 e 107
atschip
Cross-Out
atschip
Sticky Note
107
Módulo 1
33
Prof. Dr. André Paulo Tschiptschin
Prof. Livre Docente Departamento de Engenharia Metalurgica e de Materiais
Escola Politécnica USP
Formado em Engenharia Metalurgica EPUSP - 1972
Mestrado em Engenharia Metalurgica EPUSP - 1976
Doutorado em Engenharia Metalurgica - 1983 
Livre Docente pela Escola Politécnica USP - 2000
Professor Tiular pela Escola Politécnica USP - 2005
Consultor da Gerdau para especificação de materiais e tratamentos térmicos 
de componentes de equipamentos desde 2003. Consultor da Tupy Fundições 
para seleções de materiais e especificações de tratamentos termoquímicos de 
ferramental de fundição - 2002
Atividades didáticas:
Cursos ministrados - Metalografia e Tratamentos Térmicos, Aços ferramentas, Aços 
e ferros fundidos resistentes ao desgaste, Metalurgia Física, Ciência dos Materiais.
Publicações:
Livro publicado - Metalografia dos Aços - Associação Brasileira de Metalurgia e 
Materiais, ABM.
Autor de mais de cento e cinquenta trabalhos técnicos e científicos publicados em 
revistas e anais de congressos nacionais e internacionais.
Todos os direito reservados e protegidos pela Lei 5.988 de 14/12/1973.
Nenhuma parte deste livro, sem autorzação prévia por escrito da Gerdau, poderá 
ser reproduzida ou transmitidas, sejam quais forem os meios empregados: 
eletrônicos, mecânicos, fotográficos, gravação ou quaisquer outros
Biografia
do autor
antschip
Cross-Out
antschip
Sticky Note
Professor Titular do
antschip
Cross-Out
antschip
Cross-Out
antschip
Sticky Note
Metalúrgica
antschip
Sticky Note
Metalúrgica
antschip
Sticky Note
Metalúrgica
antschip
Sticky Note
Metalúrgica
antschip
Sticky Note
Titular
atschip
Sticky Note
autorização
atschip
Cross-Out