Apostila Ciência dos Materiais

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FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SÃO PAULO - FATEC SP 
 
DEPARTAMENTO DE SOLDAGEM 
 
DISCIPLINA 
 
CIÊNCIA DOS MATERIAIS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Prof. ME Roberto Conz 
 
 2
 
SUMÁRIO 
 
 
 
 
1. INTRODUÇÃO 
 
1.1 OBJETIVO DA DISCIPLINA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 
1.2 EVOLUÇÃO DOS MATERIAIS - HISTÓRICO 
 
2. ESTRUTURA ATÔMICA, LIGAÇÕES E CLASSIFICAÇÃO 
 
2.1 ESTRUTURA DO ÁTOMO 
2.2 CARACTERÍSTICAS ATÔMICAS 
2.3 TABELA PERIÓDICA 
2.4 LIGAÇÕES INTER ATÔMICAS PRIMÁRIAS 
2.5 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS 
 
3. ESTRUTURAS DOS SÓLIDOS CRISTALINOS 
 
3.1 CARACTERÍSTICAS DA ESTRUTURA CRISTALINA 
3.2 CONSTITUINTES ESTRUTURAIS E DE EQUILÍBRIO DOS AÇOS 
3.3 TIPOS E APLICAÇÕES DE ALGUNS AÇOS 
 
4. TRANSFORMAÇÕES DA ESTRUTURA CRISTALINA 
 
4.1 DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO CARBONO 
4.2 INFLUÊNCIA DA VELOCIDADE DE RESFRIAMENTO 
4.3 DIAGRAMA DE TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICA - TTT 
 
5. IMPERFEIÇÕES NOS SÓLIDOS 
 
5.1 LACUNAS E DISCORDÂNCIAS 
 
6. PROPRIEDADES E CARACTERÍSTICAS DOS MATERIAIS 
 
6.1 PROPRIEDADES MECÂNICAS 
6.2 RECURSOS PARA INVESTIGAÇÃO 
6.3 PONTO DE FUSÃO DE ALGUNS METAIS 
6.4 MASSA ESPECÍFICA DE ALGUNS MATERIAIS 
 
7. MATERIAIS POLIMÉRICOS 
 
7.1 CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS 
7.2 POLÍMEROS TERMOFIXOS 
7.3 POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS 
7.4 PROPRIEDADES MECÂNICAS 
7.5 RECICLAGEM DOS POLÍMEROS 
 
8. MATERIAIS CERÂMICOS - CERMET 
 
8.1 ESTRUTURAS E PROPRIEDADES DAS CERÂMICAS 
8.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS DAS CERÂMICAS 
8.3 TIPOS E APLICAÇÕES DAS CERÂMICAS 
8.4 CERMET 
 
9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
 
 
Prof. ME Roberto Conz 
 
 3
 
1. INTRODUÇÃO 
 
1.1 OBJETIVO DA DISCIPLINA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 
 
O objetivo da disciplina Ciência dos Materiais é de permitir ao aluno um maior 
conhecimento dos princípios básicos dos materiais, que em alguma maneira possam 
participar ou serem utilizados nos procedimentos de soldagem. Para tanto serão fornecidas 
informações inerentes as composições químicas, estruturas atômicas e moleculares, bem 
como as consequentes interações possíveis entre os mesmos, também serão objeto de 
estudo suas propriedades e características. Dessa forma serão considerados, como 
previsto na ementa, os metais, os polímeros, os cerâmicos, os refratários e os materiais 
que encontrem aplicação na engenharia. 
 
 
1.2 EVOLUÇÃO DOS MATERIAIS - HISTÓRICO 
 
A história dos materiais acompanha a própria história do homem, pois o mesmo 
sempre buscou um local para abrigo e segurança necessário à sua sobrevivência. A 
evolução dos materiais inicialmente foi muito lenta. A importância dos materiais na história 
do homem é tal que foi dividida conforme a predominância das opções “tecnologias” 
disponíveis naquele momento. Essas eras foram definidas como: Idade da Pedra, Idade da 
Argila, Idade do Cobre, Idade do Bronze e Idade do Ferro. Nessa escala de tempo existem 
variações de períodos e datas, dependendo do autor. 
 
Idade da pedra: pode ser dividida em Idade da pedra lascada e Idade da pedra 
polida, nesse período os hominídeos empregavam os materiais, madeira e pedras, na 
forma como os encontrava na natureza, passando a modelá-los ao longo do tempo e 
adaptá-los às suas necessidades. 
 
 
 
 
Idade da Pedra 
 
 
 
Idade da Argila 
 
 
Idade do 
Cobre 
 
 
Idade do 
Bronze 
 
 
Idade do 
Ferro 
 
600.000 14.600 4.500 3.000 1.200 600 A.C. 
 
 
 
Idade da Argila: Nessa época, o surgimento da agricultura e o manejo do solo 
conduziram à concepção de vasos cerâmicos, necessários ao acondicionamento e 
transporte de alimentos, o desenvolvimento de outras matérias-primas como a porcelana, 
derivada da ação térmica do tempo sobre as lavas basálticas, permitiram a confecção de 
peças com elevado grau de sofisticação. A partir da Idade da Argila se seguiu a Idade dos 
Metais. Primeiramente a do cobre depois a do bronze e em seguida a do ferro. A Idade do 
cobre e do bronze se desenvolveu no período de 4500 e 1200 a.C. 
 
 4
Idade do Cobre: por volta de 4500 a.C. surge o conhecimento sobre as técnicas 
para derreter e moldar o cobre. Os homens passaram a utilizar moldes de pedra ou barro 
para colocar o cobre derretido e produzir utensílios, tais como: implementos agrícolas e 
armas para defesa: espadas e lanças. Quando esses objetos esfriavam, precisavam ainda 
serem modelados pelo forjamento, o que conferia maior dureza ao produto final. 
 
Idade do Bronze: por volta de 3000 a.C. surge o bronze a partir da mistura do cobre 
com o estanho, que demonstrou ser um metal mais resistente que o cobre. Essa matéria 
prima passou a ser utilizada para a confecção de capacetes, martelos, lanças, machados, 
facas e outros objetos, ficando o cobre restrito a confecção de peças decorativas. 
 
Idade do Ferro: é considerada como o último estágio tecnológico e cultural da pré-
história. Devido sua maior resistência, as armas e os utensílios feitos de bronze foram 
substituídos pelo ferro. Na Europa e no Oriente Médio, a Idade do Ferro começou por volta 
de 1200 a.C. Na China, ela só teve início em 600 a.C. 
 
Aos poucos, novas técnicas foram sendo descobertas, tornando o ferro mais duro e 
resistente à corrosão. Um exemplo disso foi a adição de calcário à mistura de minério de 
ferro e carvão, o que possibilitava melhor absorção das impurezas do minério. Os egípcios 
por volta de 900 a.C. já dominavam essas técnicas e também praticavam o endurecimento 
de suas armas por tratamentos térmicos resfriando bruscamente em água suas armas 
aquecidas a temperaturas acima de 850 °C, eles também utilizavam o tratamento térmico 
atualmente conhecido como revenimento, que consiste em diminuir a fragilidade por 
reaquecimento do aço a uma temperatura entre 350 °C e 500 °C. 
 
A Idade Média: é um período da história da Europa entre os séculos V e XV. Inicia-
se com a queda do Império Romano do Ocidente em 476 e termina durante a transição 
para a Idade Moderna. Muitos historiadores assinalam o final da idade média em 1453 com 
a conquista de Constantinopla pelos Turcos. 
 
O início da Idade Moderna aconteceu a partir de 1453, mas ela não representa um 
consenso entre os historiadores; outros estudiosos apontam outras datas para o início da 
Idade Moderna tais como: a viagem de Vasco da Gama às Índias ou a viagem de Cristóvão 
Colombo às Américas. Seu final ocorre com a revolução francesa em 14 de julho de 1789 
data em que se inicia a chamada Idade Contemporânea que vai até os dias atuais. 
 
A partir da Idade Contemporânea as exigências dos homens foram aumentando 
assim como os padrões requeridos para o uso dos materiais, tais como: maior resistência, 
maior durabilidade e melhor aparência. A partir de então, começaram as pesquisas sobre 
os aços e outros metais. Mais recentemente os polímeros e as cerâmicas ganharam um 
importante espaço entre os materiais para diversas aplicações. 
 
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2. ESTRUTURA ATÔMICA, LIGAÇÕES E CLASSIFICAÇÃO 
 
2.1 ESTRUTURA DO ÁTOMO 
 
Segundo Demócrito (400 a.C.), tudo o que existe no mundo é constituído por 
partículas muito pequenas e indivisíveis que ele denominou átomos. O átomo foi definido 
como uma unidade indivisível até o final do século XIX, quando foi proposto o primeiro 
modelo atômico que provava a existência de partículas subatômicas. Com o passar dos 
anos, novos estudos experimentais foram realizados e novos modelos atômicos surgiram. 
 
Entretanto, somente no início do século XX foi provada a existência das partículas 
subatômicas: prótons, nêutrons e elétrons. Os elétrons giram ao redor do núcleo em 
órbitas bem definidas (semelhante aos planetas ao redor do sol), os prótons e os nêutrons 
estão localizados no núcleo central. 
 
Os elétrons e os prótons têm uma propriedade física chamada de carga elétrica e 
são de natureza oposta. Por convenção considerou-se que elétrons tem carga negativa,os prótons têm carga positiva e os nêutrons não possuem carga elétrica. Verificou-se 
ainda que os átomos tendem a se combinar entre si formando moléculas, quando as 
moléculas são constituídas por átomos iguais temos as: substâncias elementares, e 
quando houver pelo menos dois tipos diferentes de átomos teremos as substâncias 
compostas. Os átomos possuem tendência a se transformarem em moléculas ou íons. 
 
 Núcleo atômico 
 
O núcleo atômico, formado por prótons e nêutrons, é uma região pequena quando 
comparado ao volume atômico total do átomo. Os prótons são partículas positivas que 
apresentam uma massa aproximada duas mil vezes maior que a massa do elétron. A 
quantidade de prótons (p) presente no núcleo representa o número atômico (Z), e 
diferencia um elemento químico de outro, portanto: p = Z. 
O número de massa de um átomo é representado pela letra A, e corresponde à 
soma das quantidades de prótons (p) e nêutrons (n) presentes no núcleo: A = Z + n 
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2.2 CARACTERÍSTICAS ATÔMICAS 
 
Núcleo: com carga positiva composto por prótons e nêutrons. 
 
Órbita: com carga negativa, possui apenas elétrons. 
 
Moléculas: associação de átomos. A união se faz pela atração entre elétrons de um átomo 
pelo núcleo do outro átomo. 
 
Íons: átomos ou moléculas que se apresentam com carga elétrica sendo: 
cátions = íons positivos (migram para o polo negativo de um campo elétrico) 
ânions = íons negativos (migram para o polo positivo de um campo elétrico). 
 
Átomo-grama: massa do átomo expressa em gramas. 
 
Molécula-grama (Mol): massa da molécula expressa em gramas. 
 
Número atômico (Z): determina o número de prótons existentes no núcleo dos átomos. 
Cada elemento químico possui um número atômico, ou seja, não existem átomos de 
elementos químicos distintos que apresentem o mesmo número atômico. 
 
Massa atômica (u): é a forma padrão para medir a massa dos átomos. Isso porque o 
átomo é muito leve. Assim sendo, foi necessário padronizar uma medida para que fosse 
possível pesar essa unidade da matéria. Foi tomada como base 1/12 do carbono 12. Por 
isso se diz que a massa atômica é relativa, dessa forma ficou determinado que: 
Uma unidade de massa atômica equivale a: [1,66 x 10-24 g] 
As massas dos átomos são comparadas com esse padrão, significando que a massa 
atômica indica quantas vezes um átomo pesa mais do que 1/12 do carbono 12. 
 
Número de Massa (A): o número de massa corresponde a soma do número de prótons 
com o número de nêutrons. Sendo expresso pela seguinte fórmula: A=Z+n. a partir dessa 
expressão, pode-se calcular o número de prótons (Z=A-n ) e nêutrons (n=A-Z) dos átomos. 
 
Mecânica Quântica: é o conjunto de princípios e leis que governam sistemas de entidades 
atômicas e subatômicas. 
 
Modelo Atômico de Bohr: é o modelo onde os elétrons são supostos revolver ao redor do 
núcleo do átomo em orbitais discretos e a posição de qualquer elétron é mais ou menos 
bem definida em termos de seu orbital. 
 
Isótopos: são variantes de um mesmo elemento químico. Enquanto todos os isótopos de 
um dado elemento compartilham o mesmo número de prótons, cada isótopo difere dos 
outros em seu número de nêutrons. O termo isótopo é formado a partir das raízes gregas: 
Isos "igual" e Topos "lugar", significando que diferentes isótopos de um único elemento 
ocupam a mesma posição na tabela periódica. O número de prótons identifica um único 
elemento, mas um determinado elemento pode ter qualquer número de nêutrons. 
 7
A diferença no número de massa resulta das diferenças no número de nêutrons nos 
núcleos atômicos, como exemplo citamos o hidrogênio: 
 
O hidrogênio possui três isótopos: 
O prótio - 1H1, com 1 próton, é o mais abundante na natureza. 
O deutério - 1H2, com um próton e um nêutron. 
O trítio - 1H3, com um próton e dois nêutrons. 
 
O carbono12, carbono13 e carbono14, são três isótopos do elemento carbono com os 
números de massa 12, 13 e 14, respectivamente. O número atômico do carbono é 6, o que 
significa que cada átomo de carbono tem 6 prótons, de modo que os números de nêutrons 
destes isótopos são 6, 7 e 8, respectivamente. 
 
Há dois isótopos conhecidos do cloro: o cloro35 e o cloro37, com números de massa 35 e 
37, respectivamente. A composição isotópica, ou seja, a ocorrência de cada um na 
natureza, é de, aproximadamente, 75% para o cloro-35 e de 25% para o cloro-37. 
 
 
 
 
Isóbaros: os átomos que apresentam o mesmo número de massa e diferem no número 
atômico são chamados de isóbaros. Os elementos argônio e cálcio são isóbaros: 
 
 
 
 
Isótonos: os átomos que apresentam diferentes números de massa e diferentes números 
atômicos, mas apresentam a mesma quantidade de nêutrons, são chamados de isótonos. 
Os elementos boro e carbono são isótonos: 
 
 
 
 
 8
 
Elétrons: os elétrons são partículas de carga elétrica negativa, descobertas pelo cientista 
Joseph John Thomson, e sua massa é desprezível em relação ao núcleo. A quantidade de 
elétrons e prótons presentes em um átomo é a mesma, justificando a neutralidade do 
átomo, já que a atração elétrica entre os prótons e elétrons em um átomo é o que o 
mantém unido, o tornando estável. 
 
Os elétrons se encontram na eletrosfera, que corresponde a maior parte do volume 
atômico, girando ao redor do núcleo em camadas com energia definida. Há no máximo sete 
camadas ao redor do núcleo e são representadas pelas letras K, L, M, N, O, P e Q a partir 
do núcleo. Cada camada possui um número máximo de elétrons conforme segue: 
 
K (2) 
L (8) 
M (18) 
N (32) 
O (32) 
P (18) 
Q ( 2 ) * 
 
* Alguns autores afirmam que essa camada comporta até 8 elétrons. 
 
Esses níveis de energia são compostos de sub níveis, denominados (s, p, d, f). De acordo 
com o número de elétrons que cada camada comporta determinamos quais os subníveis 
de energia que compõe essa camada. 
 
 Cada subnível de energia comporta: 
 
s (2) 
p (6) 
d (10) 
f (14) 
 
Dessa forma temos: 
 
K = s 
L = s p 
M = s p d 
N = s p d f 
O = s p d f 
P = s p d 
Q = s * 
 
* se considerarmos que essa camada comporta 8 elétrons, ela terá os subníveis s p. 
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2.3 TABELA PERIÓDICA 
 
Os elementos químicos da Tabela Periódica, são classificados em cinco grandes 
grupos: Metais, Não metais, Semi Metais, Gases Nobres e Hidrogênio. Essa divisão pode 
ser vista por cores, na Tabela Periódica a seguir: 
 
 
 10
 
A tabela periódica é uma disposição sistemática dos elementos químicos ordenados 
por seus números atômicos, configuração eletrônica, e recorrência das propriedades 
periódicas. Este ordenamento mostra tendências periódicas , tais como elementos com 
comportamentos similares na mesma coluna. Também mostra quatro blocos retangulares 
com propriedades químicas similares. Em geral, dentro de uma linha (período) os 
elementos são metálicos na esquerda e não-metálicos na direita. 
 
As linhas da tabela são denominadas períodos; as colunas são denominadas 
grupos. Seis grupos têm nomes específicos além de uma numeração: por exemplo o grupo 
17 são os halogênios; e o grupo 18 são os gases nobres. A série química dos halogênios, é 
o grupo 17 (7A) da tabela periódica dos elementos, formado pelos seguintes elementos: 
Flúor, Cloro, Bromo, Iodo, Astato e Tenessínio (este último, radioativo e pouco comum). A 
palavra provém do grego e significa formador de sais. 
 
Metais de transição interna: são elementos que apresentam um orbital “f” 
incompleto, essa denominação provém do fato de serem elementos cuja diferenciação 
ocorre num nível interno da configuração eletrônica, ou seja, no antepenúltimo nível de 
energia: Nf ou Of. Os elementos de transição interna são divididos em: 
Lantanídeos: metais de transição interna de números atômicos 58 a 71 
Actinídeos: metais de transição interna de números atômicos 90 a 103 
Os lantanídeos são um grupo de elementos químicos chamados de terras raras porque se 
encontramna forma de óxidos. O nome procede do elemento químico lantânio. 
Os actinídeos são um grupo de elementos que junto com os lantanídeos, são chamados de 
metais de transição interna. O nome é proveniente do elemento químico actínio e todos os 
seus isótopos são radioativos. 
 
Os metais constituem a maior parte dos elementos existentes. Em temperatura 
ambiente eles são duros e sólidos, com exceção do mercúrio (Hg) que é líquido. São 
condutores de calor e eletricidade. Os metais são também caracterizados por sua 
maleabilidade, capacidade de ser moldado e também pela sua ductilidade, capacidade de 
formar fios, como por exemplo: fios de cobre usados em transmissão de eletricidade. Os 
metais apresentam excelente resistência mecânica, boa capacidade de deformação e, 
portanto, grande aplicação nas construções em geral. São agrupados como segue. 
 
Metais alcalinos: (do árabe álcali = cinza de plantas) pertencem ao grupo 1 
 
Metais alcalinoterrosos: (com o sentido de “existir na terra”) pertencem ao grupo 2 
 
Metais de transição: são elementos cujo átomo possa vir a formar cátions com um 
subnível incompleto, constituem a maior parte dos elementos existentes. 
 
Metais representativos: Os elementos representativos possuem o elétron mais 
energético no subnível s ou p, dependendo da família a que pertence. 
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Não metais: são os seis elementos indicados na tabela: Carbono (C), Nitrogênio 
(N), Fósforo (P), Oxigênio (O), Enxofre (S), Selênio (Se), eles possuem características 
opostas aos metais, ou seja, não são bons condutores de calor e eletricidade, sendo que 
alguns podem funcionar como isolante. 
 
Semi metais: é uma nomenclatura em desuso, pois a IUPAC (União Internacional 
de Química Pura e Aplicada) não reconhece mais essa classificação desde 1986, 
entretanto, em muitas tabelas sete elementos ainda são classificados dessa forma pois 
possuem características intermediárias às dos Metais e às dos Não Metais. 
 
 Gases Nobres: hélio, neônio, argônio, criptônio, xenônio e radônio, representam os 
elementos da família 18, que são, respectivamente: Esses elementos são gasosos na 
temperatura ambiente e, normalmente, são encontrados na natureza em sua forma isolada, 
pois assim são mais estáveis. Além disso, eles não formam compostos com outros 
elementos espontaneamente. 
 
Halogênios: (do grego: formador de sais) grupo (17) da tabela composto pelos 
elementos: Flúor, Cloro, Bromo, Iodo, Astato e Tenessino, juntamente com o grupo dos 
gases nobres (18), são as únicas famílias formadas unicamente por Não Metais. 
 
 Hidrogênio: em algumas tabelas aparece na família dos alcalinos, por possuir um 
elétron em sua camada de valência. Aliás, essa é sua única camada eletrônica. Porém, 
suas características não são semelhantes às dos elementos dessa família. O hidrogênio é 
o elemento mais abundante no universo, pois pode se combinar com metais, Não metais e 
semimetais. É um gás extremamente inflamável, em temperatura ambiente, e normalmente 
é encontrado nas altas camadas da atmosfera ou combinado com outros elementos. 
 
2.4 LIGAÇÕES INTER ATÔMICAS PRIMÁRIAS 
 
A ligação química entre átomos ocorre porque há uma diminuição global da energia 
potencial dos átomos no estado ligado. Quer dizer, átomos no estado ligado estão numa 
condição energética mais estável do que quando não estão ligados. Em geral, as ligações 
químicas entre átomos podem ser classificadas em dois grupos: ligações primárias (fortes) 
e ligações secundárias (fracas). As ligações atômicas primárias, podem ser subdivididas 
nas três classes seguintes: 
 
• Ligações Iônicas: Nessa ligação, ocorrem forças Interatômicas relativamente intensas, 
resultantes da transferência de elétrons de um átomo para outro, o que origina íons que se 
ligam devido a forças da atração entre íons carregados positivamente e negativamente. A 
ligação iônica é uma ligação não direcional relativamente forte. Ela também é chamada 
de ligação eletrovalente, Os Íons são átomos que possuem uma carga elétrica por adição 
ou perda de um ou mais elétrons, portanto um ânion, de carga elétrica negativa, se une 
com um cátion de carga positiva formando um composto iônico por meio da interação 
eletrostática existente entre eles. 
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• Ligações Covalentes: Caracterizadas por forças Interatômicas relativamente intensas 
que têm origem na troca de elétrons, formando uma ligação de direção localizada. Também 
chamada de ligação molecular. Nas ligações covalentes ocorre o compartilhamento de 
elétrons para a formação de moléculas estáveis, diferentemente das ligações iônicas em 
que há perda ou ganho de elétrons. O nome dado aos elétrons cedidos por cada um dos 
núcleos formarão os chamados pares eletrônicos, configurando o compartilhamento dos 
elétrons das ligações covalentes. 
 
 
• Ligações Metálicas: A Ligação metálica ocorre nos metais sólidos. Nesse caso os 
átomos estão empilhados de uma forma relativamente compacta com um arranjo 
sistemático e regular (estrutura cristalina). Nesta estrutura, os átomos estão tão próximos 
uns dos outros que os elétrons de valência exteriores são atraídos para os núcleos dos 
seus numerosos vizinhos. Podemos assim considerar que os metais sólidos são 
constituídos por cernes de íons positivos (átomos sem os elétrons de valência) e por 
elétrons de valência dispersos sob a forma de uma nuvem eletrônica, a qual preenche 
grande parte do espaço. 
 
Os elétrons de valência estão fracamente ligados aos cernes positivos e portanto 
podem se mover facilmente no cristal metálico, sendo frequentemente designados por 
elétrons livres. As elevadas condutividades térmicas e elétricas dos metais dão crédito à 
teoria segundo a qual alguns elétrons são capazes de se mover através da rede cristalina 
do metal. A maioria dos metais pode sofrer um grau considerável de deformação sem 
fraturar, uma vez que os átomos do metal podem escorregar uns sobre os outros sem 
provocar o colapso da estrutura de ligações metálicas. Essa movimentação está mostrada 
no croqui a seguir. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Nuvem de e letrons Núcleo do átom o 
Fo rça de 
atração 
Ree stabele cimento 
das forças de 
atração 
Reposic ionamento 
Devido as Ten sões 
Aplicadas 
 
 13
Na ligação metálica, não são necessários pares de elétrons, como no caso da 
ligação covalente, nem há restrições relacionadas com a neutralidade elétrica, como no 
caso da ligação iônica. Na ligação metálica, os elétrons de valência exteriores são 
partilhados por um elevado número de átomos à sua volta e, por isso, a ligação metálica é 
não direcional. Quando os átomos de um metal se ligam uns aos outros por partilha dos 
elétrons de valência, formando um cristal sólido, há diminuição da energia total dos átomos 
individuais, a qual resulta do processo de ligação. 
 
 
2.5 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS 
 
Os materiais têm sido agrupados em três classificações básicas: 
 
(a) metais 
(b) polímeros 
(c) cerâmicas 
 
Este esquema é baseado principalmente na constituição química e estrutura 
atômica, e muitos materiais caem num distinto grupamento ou num outro, embora existam 
alguns intermediários. Existem ainda dois grupos importantes de materiais de engenharia: 
 
(d) compósitos 
(e) semicondutores 
 
Compósitos consistem de combinações de dois (2) ou mais materiais diferentes, 
enquanto que semicondutores são utilizados devido suas características elétricas não 
usuais. Uma breve explanação das características representativas, elementos estruturais e 
propriedades para cada um desses materiais serão oferecidas. 
 
a) Metais 
 
Materiais metálicos são normalmente combinações de elementos metálicos (ligas). 
Eles têm grande número de elétrons livres, isto é, estes elétrons não estão vinculados a 
nenhum átomo específico. Muitas propriedades dos metais são diretamente atribuíveis a 
estes elétrons. Metais são bons condutores de eletricidadee calor e não são transparentes 
à luz visível. Os metais possuem grande resistência mecânica e são deformáveis. Mais 
adiante dedicamos um capítulo sobre as propriedades mecânicas dos metais. 
 
b) Polímeros 
 
Polímeros incluem os materiais familiares plástico e borracha. Muitos deles são 
compostos orgânicos que são quimicamente baseados em carbono, hidrogênio, e outros 
elementos não metálicos; além disto, eles têm muito grandes estruturas moleculares. Estes 
materiais têm tipicamente baixas densidades e podem ser extremamente flexíveis. 
 14
 
c) Cerâmicas 
 
Cerâmicas são compostos entre elementos metálicos e não-metálicos: eles são 
muito frequentemente óxidos, nitretos e carbetos. A larga faixa de materiais que caem 
dentro desta classificação inclui cerâmicas que são compostas de minerais de argilas, 
cimento e vidro. Estes materiais são tipicamente isolantes à passagem de eletricidade e de 
calor, e são mais resistentes a altas temperaturas e ambientes rudes do que metais e 
polímeros. Com relação ao comportamento mecânico, cerâmicas são duras e muito frágeis. 
 
d) Compósitos 
 
Têm sido engenheirados um número de materiais compósitos que consistem mais 
do que um tipo de material. O “Fiberglass” é um exemplo familiar, no qual fibras de vidro 
são embutidas dentro de um material polimérico. Um compósito é projetado para exibir uma 
combinação das melhores características de cada um dos materiais componentes. O 
"Fiberglass" adquire resistência mecânica das fibras de vidro e flexibilidade do polímero. 
Muitos dos recentes desenvolvimentos de material têm envolvido materiais compósitos. 
 
e) Semicondutores 
 
Semicondutores têm propriedades elétricas que são intermediárias entre os 
condutores elétricos e os isolantes. Além disso, as características elétricas destes materiais 
são extremamente sensíveis à presença de diminutas concentrações de átomos 
impurezas, cujas concentrações podem ser controladas ao longo de muito pequenas 
regiões espaciais. Os semicondutores tornaram possível o advento do circuito integrado 
que revolucionou totalmente a eletrônica e as indústrias de computadores, sem mencionar 
o aumento de qualidade de vida proporcionado, ao longo das últimas duas décadas. 
 
Para assegurar uma tecnologia viável, materiais altamente eficientes e menos 
custosos deverão ser desenvolvidos. A redução de peso dos transportes, bem como o 
aumento das temperaturas de operação das maquinas em geral, irão melhorar o consumo 
de combustíveis. Os recursos não renováveis estão se tornando gradualmente esgotados, 
portanto novos materiais com alta resistência, baixa densidade e maior longevidade, 
necessitam ser desenvolvidos. Os métodos de processamento e refino de materiais 
precisam ser melhorados visando menor degradação ambiental, a partir da mineração e 
transformação das matérias primas. 
 
 
3. ESTRUTURA DOS SÓLIDOS CRISTALINOS 
 
3.1 CARACTERÍSTICAS DA ESTRUTURA CRISTALINA 
 
 15
Materiais que apresentam estrutura cristalina são aqueles em que os átomos 
estão situados numa disposição repetitiva ou periódica ao longo de grandes distâncias 
atômicas, isto é, existe uma ordenação de grande alcance tal que na solidificação, os 
átomos se posicionarão entre si, em um modo tridimensional repetitivo, onde cada átomo 
está ligado aos seus átomos vizinhos mais próximos. 
 
Para os materiais que não se cristalizam, não existe a ordenação atômica de longo 
alcance. Esses materiais são denominados amorfos ou não-cristalinos. Quando 
descrevemos estruturas cristalinas se torna conveniente subdividir a estrutura em 
pequenas entidades de repetição denominadas células unitárias. 
 
Uma célula unitária é escolhida para representar a simetria da estrutura cristalina, 
dentro do qual todas as posições dos átomos no cristal podem ser geradas por translações 
das distâncias integrais da célula unitária ao longo de suas arestas. 
 
Assim a célula unitária é a unidade estrutural básica ou o tijolo de construção da 
estrutura cristalina e define a estrutura cristalina em razão da sua geometria e das posições 
dos átomos dentro dela. As células unitárias para a maioria das estruturas cristalinas, cerca 
de 80% são: cubos, ou prismas hexagonais, sendo as mais comuns: 
 
 Estrutura Cúbica de Corpo Centrado (CCC) 
 
A célula unitária da estrutura CCC é 
representada por um cubo onde existem 
átomos em cada vértice e no centro da célula. 
Cada átomo neste tipo de estrutura está 
coordenado com oito átomos vizinhos e o fator 
de empacotamento (grau de preenchimento da 
célula) é 0,68, ou seja, 68%. 
 
 Estrutura Cúbica de Faces Centradas (CFC) 
 
A célula unitária da estrutura CFC é 
representada por um cubo onde existem 
átomos em cada vértice e no centro de cada 
face, não existindo átomos no centro da célula. 
Cada átomo neste tipo de estrutura está 
coordenado com 12 átomos vizinhos e o grau 
de preenchimento da célula é 0,74 ou seja, 
74%, que correspondente ao maior fator de 
empacotamento. 
 
 16
 Estrutura Hexagonal Compacta (HC) 
 
Na estrutura hexagonal compacta a 
célula unitária é hexagonal, sendo que sete 
átomos estão posicionados nos vértices e no 
centro de cada base, e três átomos situados 
num plano paralelo às faces no centro da 
célula. Neste tipo de estrutura o número de 
coordenação é 12 e o fator de empacotamento 
é 0,74, semelhante à estrutura CFC. 
 
 
 17
- A grande maioria dos 
metais cristalizam em 
estruturas de alta 
densidade, tais como: 
CCC, CFC e HC, 
seguindo a seguinte 
distribuição: 
52% - estrutura cúbica, 
28% - estrutura hexagonal, 
20% - outros tipos. 
- A dimensão de uma 
célula cristalina metálica é 
muito pequena, ou seja: a 
média de dimensão da 
aresta de um grão de Fe 
“CCC” em temperatura 
ambiente fica em torno de 
0,287.10-9 m. 
 
- Entende-se por célula 
unitária o agrupamento de 
átomos formando uma 
unidade básica de uma 
determinada estrutura 
cristalina, seja em 
geometria como simetria. 
- A maior parte dos 
materiais são compostos 
por um conjunto de 
pequenos cristais ou grãos 
sendo a orientação 
cristalográfica aleatória. 
- O encontro de dois grãos 
forma uma superfície na 
qual existe um desarranjo 
atômico. Esta superfície 
é conhecida como 
contorno de grão. 
 
Sistema de 
cristalização 
Rede de Bravais 
Triclínico 
 
 
Monoclínico 
Simples Centrado 
 
 
 
 
Ortorrômbico 
Simples 
Centrado 
na base 
Centrado 
no volume 
Centrado 
na face 
 
Hexagonal 
 
 
Romboédrico 
ou trigonal 
 
 
Tetragonal 
Simples 
Centrado 
no volume 
 
 
Cúbico ou 
isométrico 
Simples 
Centrado 
no volume 
Centrado 
na face 
 
 
 
 
 
 18
 Mudanças de fase 
 
 
As substâncias existentes na natureza podem ser encontradas em três estados físicos: 
sólido, líquido e gasoso. Quando acontece de uma substância passar de um estado para 
outro, dizemos que ela mudou o estado de agregação da matéria. 
 
A temperatura e a pressão determinam a fase em que as substâncias se encontram, 
por exemplo: o ferro em condições ambientes se encontra no estado sólido, mas se a sua 
temperatura for suficientemente elevada ele poderá passar para o estado líquido. O mesmo 
acontece com a água e com outras substâncias. Em condições ambientes a água é 
encontrada no estado líquido, porém, se for submetida a uma suficiente elevação de 
temperatura ela irá passar para a fase gasosa. 
 
Estado sólido 
 
 Este é o estado físico que existe maior força de coesão entre os átomos e moléculas 
que constituem as substâncias. Esse fator faz com que as matérias que se encontram 
nessa fase, tenham forma e volume bem definido como, por exemplo, um cubo de gelo e 
uma barra de ferro. Nesta fase, apesar de existir forte força de ligação entre os átomos, 
eles ainda se encontram em constante estado de vibração ao redor da sua posição média 
de equilíbrio,mas não sofrem o movimento de translação. 
 
Na natureza, as substâncias que estão nessa fase se apresentam, a maioria, na forma 
de cristais, ou seja, os átomos que constituem essas matérias se organizam de forma 
regular através de uma estrutura que se repete ordenadamente em todo o material. 
 
Estado líquido 
 
 Neste estado, as substâncias possuem volume definido, mas formas variáveis, pois a 
força de coesão entre átomos é mais fraca, fato este que faz com que eles tenham mais 
liberdade para se locomover e vibrar dentro da substância. Em razão da força de coesão 
ser menos intensa, os átomos das substâncias que se encontram nessa fase podem sofrer 
pequenos movimentos de translação no interior do líquido. 
 
Estado gasoso 
 
Nesta fase, as forças de coesão entre os átomos são praticamente inexistentes, ou 
seja, os átomos estão muito separados entre si. Dessa forma, as substâncias que se 
encontram nesse estado não possuem forma, nem volume definido. 
 
 
 
 19
 Polimorfismo e Alotropia 
 
Alguns metais podem ter mais que uma estrutura cristalina, tal fenômeno é conhecido 
como polimorfismo. Quando encontrado em sólidos elementares, a condição é as vezes 
denominada alotropia. Nesse caso a estrutura cristalina predominante depende tanto da 
temperatura quanto da pressão externa. 
 
Um exemplo familiar é encontrado no carbono: a grafita é polimorfa estável nas 
condições ambientes, enquanto que diamante é formado em pressões extremamente altas. 
Também o ferro tem uma estrutura cristalina CCC à temperatura ambiente, mudando para 
ferro CFC a 912°C, podendo mudar parcialmente para HC com um resfriamento acelerado. 
 
 Materiais Monocristalinos e Policristalinos 
 
 Define-se como cristal ou grão o conjunto de várias células unitárias com a mesma 
orientação. Quando este conjunto de células unitárias se estende por todo material pode-se 
dizer que se trata de um monocristal ou sólido mono cristalino, nesse caso o material é 
constituído de um único grão onde a amostra inteira é contínua e sem rupturas até suas 
bordas, portanto, sem contornos de grão. A solidificação mono cristalina só ocorre em 
condições especiais. O silício mono cristalino, consiste de um cristal único de Si sendo 
considerado o material base da indústria eletrônica, é talvez o material tecnológico mais 
importante das últimas décadas, pois sua disponibilidade a um preço acessível tem sido 
essencial para o desenvolvimento da eletrônica e informática atual. 
 
Em condições normais os materiais são compostos de vários pequenos grãos ou 
cristais. Estes materiais como por exemplo os aços são denominados policristalinos. 
Inicialmente pequenos cristais ou núcleos se formam em diferentes posições no líquido, na 
prática a nucleação ocorrerá de forma heterogênea a partir das paredes do molde ou 
recipiente que contenha o metal líquido. Estes núcleos possuem diferentes orientações 
cristalográficas. Os pequenos grãos crescem através da adição de átomos à sua estrutura, 
oriundos do líquido vizinho. Em função das diferentes orientações cristalográficas, no 
encontro entre os grãos se formará uma região onde as estruturas não se ajustam, essa 
região é denominada contorno de grão. 
 
 
Estrutura cristalina Metal 
CCC 
Cromo, Molibdênio, Tântalo, Tungstênio, 
Ferro abaixo de 910°C e acima de 1394°C 
CFC 
Alumínio, Cobre, Ouro, Chumbo, Níquel, Prata, 
Platina, Ferro entre 910°C e 1394°C 
HC Cádmio, Cobalto, Zinco, Magnésio, Titânio 
 Exemplos de metais que se cristalizam nas estruturas CCC, CFC e HC 
 
Roberto
Realce
 20
3.2 CONSTITUINTES ESTRUTURAIS E DE EQUILÍBRIO DOS AÇOS 
 
Aço: o aço é uma liga metálica formada essencialmente por ferro e carbono, com teores 
deste último variando entre 0,008% e 2,11%, contendo elementos residuais do processo de 
produção e podendo conter outros elementos de liga propositalmente adicionados. Se o 
aço não contém elementos de liga é chamado de aço-carbono caso contrário é chamado 
aço-liga. O carbono é um material essencial na composição do aço, porém varia com o uso 
de outros elementos como: magnésio, cromo, vanádio e tungstênio. 
 
O carbono e outros elementos químicos agem com o agente de resistência, O aço se 
distingue por sua ductilidade e maleabilidade o que permite ser processado por: forja, 
laminação, extrusão, etc., No aço carbono outros elementos além do ferro e do carbono 
estará sempre abaixo dos 2%. Acima dos 2% até 5% de outros elementos já pode ser 
considerado aço de baixa liga, acima de 5% é considerado de alta liga. O enxofre e o 
fósforo são prejudiciais ao aço pois alteram suas propriedades físicas e mecânicas, 
portanto são considerados impurezas. 
 
Os aços podem ser classificados conforme: 
 Sua porcentagem de carbono 
 Sua composição química 
 Sua microestrutura 
 Sua aplicação. 
 
Ferro fundido: é a designação para ligas de ferro-carbono-silício com teores de carbono 
acima de 2,11%. em quantidade superior à que é retida em solução sólida na austenita, de 
modo a resultar carbono parcialmente livre na forma de veios ou lamelas de grafita. 
 
Existem vários tipos de ferro fundido, entre eles o Ferro Fundido Cinzento é o mais 
comum, devido às suas características. como baixo custo e elevada usinabilidade, devida à 
presença de grafita livre em sua microestrutura, possui alta fluidez na fundição, permitindo 
a fundição de peças com paredes finas e complexas. Outro muito utilizado é o Ferro 
Fundido Nodular, apresenta carbono livre na forma de grafita esferoidal, o que lhe confere 
boa ductilidade, frequentemente ele é denominado, ferro fundido dúctil. 
 
Aço inox: Alguns autores definem o aço inoxidável como sendo: uma liga de Fe Cr com no 
mínimo 11% de Cr, e no máximo 30% de níquel, além de outros elementos como: 
manganês, molibdênio, titânio, nióbio, etc. que podem ser introduzidos para se obter 
características específicas. O níquel melhora a resistência da liga às altas temperaturas, 
aumenta a sua ductilidade e a soldabilidade, melhorando sua resistência em geral, porém é 
o cromo o principal responsável pelo aumento da resistência à corrosão. Os aços 
inoxidáveis são altamente resistentes à corrosão. 
 21
 
Os aços inoxidáveis são divididos em 3 classes principais: austenítico, martensítico e 
ferrítico. Os aços inoxidáveis martensíticos são capazes de serem tratados termicamente 
de maneira que a martensita seja o microconstituinte principal. Nos aços inoxidáveis 
austeníticos a fase γ é retida até à temperatura ambiente. Os aços inoxidáveis austeníticos 
e ferríticos são endurecidos por meio de trabalho a frio, sendo que, devido a sua 
microestrutura austenítica, eles não são passíveis de tratamentos térmicos. Os aços 
inoxidáveis austeníticos são os mais resistentes à corrosão devido aos altos teores de 
cromo e de níquel. Os aços inoxidáveis martensíticos e os aços inoxidáveis ferríticos são 
magnéticos e o aços inoxidáveis austeníticos são considerados não magnéticos. 
 
 
 Fases metálicas 
 
O termo fase se refere a um particular e identificável estado da matéria no qual uma 
determinada substância pode existir. Sendo aplicável a materiais cristalinos e não 
cristalinos, a utilização desse recurso é um modo conveniente de expressar a estrutura de 
um material. Os materiais metálicos são classificados em monofásicos ou polifásicos. Os 
materiais monofásicos são os metais puros e as ligas metálicas nas quais a quantidade de 
elementos solutos encontra-se abaixo do limite de solubilidade. Os metais polifásicos são 
ligas onde a quantidade de elementos solutos ultrapassa o limite de solubilidade. 
 
 
Ligas monofásicas 
 
A microestrutura dos metais puros é constituída de grãos de uma única fase. A 
exposição a altas temperaturas pode promover o crescimento dos grãos e com isso o 
material pode perder resistência mecânica e tenacidade. A deformação plástica realizada 
“a frio”, por sua vez favoreceo aumento de resistência mecânica às expensas da 
ductilidade, através de um fenômeno conhecido como: encruamento “embritlement”, que se 
constitui na única forma de aumentar significativamente a resistência mecânica de 
materiais monofásicos. Através da recristalização é possível restaurar as propriedades de 
ligas metálicas monofásicas encruadas. Este fenômeno consiste de uma nova cristalização 
onde se originam novos grãos livres de deformação, o cobre se enquadra nessa condição. 
 
Ligas polifásicas 
 
Nas ligas constituídas de mais de uma fase, ou seja, naquelas em que o percentual de 
elementos solutos supera o limite de solubilidade, as propriedades finais do material serão 
função das propriedades inerentes a cada fase presente e da interação entre as diversas 
fases. Nas ligas polifásicas, além do efeito de elementos em solução sólida e do 
encruamento é possível também variar as propriedades mecânicas através de tratamentos 
térmicos específicos a cada tipo de material. 
 
 
 
 22
 
 
 Constituintes dos aços 
 
Austenita 
 
A austenita é uma fase sólida, não magnética, constituída de ferro na estrutura CFC. 
De acordo com o diagrama de fase ferro-carbono essa fase geralmente se encontra muito 
acima da temperatura ambiente, tendo seu mínimo a 912°C para o ferro puro e a 727°C 
para o aço carbono. Algumas ligas metálicas influenciam muito na formação dessa fase, 
podendo esta inclusive ser estável à temperatura ambiente sob a forma de aço austenítico. 
A austenita é o ponto de partida para vários tratamentos térmicos nas ligas de ferro, pois 
partindo da austenita é possível a transformação do aço em vários microconstituintes, 
como por exemplo a têmpera que produz a transformação da austenita em martensita pelo 
resfriamento rápido do material durante o tratamento térmico. 
Ferrita 
Este constituinte está formado por uma 
solução sólida de inserção de carbono em 
ferro alfa. É o constituinte de menor dureza 
dos aços, porém é o mais tenaz, e o mais 
maleável, sua resistência a tração é de 
aproximadamente 280 MPa e alongamento 
em torno de 35%. Ela pode também, manter 
em solução de substituição elementos de liga 
como: Si, P, Ni, Cr, V, Cu. A ferrita quando 
combinada com a cementita irá formar a 
perlita. Quando o carbono é muito baixo a estrutura será quase totalmente ferrítica. 
Cementita 
É o constituinte que aparece durante a fusão dos aços, conhecido como carboneto de 
ferro, Fe3C. Ele é muito duro, portanto frágil, apresentando mais de 840 Vickers, sendo 
muito resistente ao cisalhamento. Em baixas temperaturas é magnético e perde esta 
propriedade a 212ºC, o seu ponto de fusão é acima de 1950 ºC, Ela é termodinamicamente 
instável em temperaturas inferiores a 1200ºC. 
Perlita 
Formada por uma mistura de duas fases, ferrita e cementita, produzida a 727 ºC, 
quando a composição é de 0,83 %C. Sua estrutura está constituída por lâminas alternadas 
de ferrita e cementita, sendo a espessura das lâminas de ferrita superior ao das de 
cementita, estas últimas ficam em relevo depois do ataque com ácido nítrico. A perlita é 
mais dura e resistente que a ferrita, porém mais branda e maleável que a cementita, pode 
se apresentar nas formas: laminar, reticular e globular. 
 23
 
Bainita 
É obtida pela transformação isotérmica da austenita quando a temperatura do banho 
de resfriamento está entre: 250°C e 500°C. Apresenta dois tipos de estrutura: a bainita 
superior de aspecto arborescente formada entre 500°C e 580°C, composta por uma matriz 
ferrítica contendo carbonetos e a bainita inferior, formada entre 250°C e 400°C, tem um 
aspecto similar a martensita e está constituída por agulhas de ferrita intercaladas com 
placas finas de carboneto. Sua dureza se situa entre 40 e 60 HRC. 
 
Martensita 
Solução supersaturada de carbono em 
ferro alfa. É o constituinte estrutural da 
têmpera dos aços e sua microestrutura se 
apresenta na forma de agulhas cruzadas. Os 
átomos de ferro estão como na ferrita, nos 
vértices. Os átomos de carbono estão nas 
faces e nas arestas, apresenta por isso uma 
rede distorcida. Esta distorção da rede 
juntamente com o arranjo físico dos cristais 
em hexagonal compacto são os responsáveis 
pela alta dureza da martensita. Suas características mecânicas são resistência a tração 
entre 170 e 250 MPa, dureza entre 50 e 60 HRC, com baixo alongamento. 
Sorbita 
É obtida com um revenimento depois da têmpera. Ao realizar o aquecimento a 
martensita experimenta uma série de transformações e no intervalo compreendido entre 
400 e 650 °C a antiga martensita perdeu tanto carbono, que se converteu em ferrita. A 
estrutura aí obtida é conhecida como sorbita. 
Ledeburita 
É uma mistura eutética em um ferro fundido que contém 95,7% de ferro e 4,3% de 
carbono, conhecido como ferro fundido branco. Abaixo da temperatura de austenitização é 
composta de perlita e cementita, e acima a temperatura de austenitização é formada por 
austenita e cementita. Também é nesta faixa de percentual de carbono que funcionam os 
altos fornos de siderúrgicas. A temperatura de fusão é de 1148 °C. Sua denominação é em 
homenagem a Adolf Ledebur. 
 
 
 
 24
 Elementos de liga 
 
Elementos de liga são aqueles outros elementos, além do ferro e do carbono, uma vez 
que estes são os constituintes básicos do aço. Raramente os metais puros são 
utilizados nos processos industriais, é muito comum que outros elementos sejam 
intencionalmente adicionados para conferir propriedades específicas, dando origem às 
ligas metálicas, a adição de elementos de liga ou a presença de impurezas não se 
constituem em defeitos do material, mas a distorção gerada na rede cristalina pela 
presença de átomos com raios atômicos diferentes podem promover defeitos. Sempre 
existirá a presença de impurezas, o que se procura controlar, são os níveis em que elas se 
encontram nas estruturas cristalinas. 
 
Quando um átomo intencionalmente adicionado ou um átomo de impureza passa a 
fazer parte integrante da estrutura cristalina do metal puro este átomo é dito em solução 
sólida e denominado soluto enquanto o metal em maior quantidade é denominado solvente. 
Em uma liga metálica cobre zinco com 30% de zinco, o cobre é o solvente e o zinco é o 
soluto; nos aços o ferro é o solvente e o carbono é o soluto. 
 
 Efeitos dos elementos de liga 
 
Alumínio (Al): é usado em pequenas proporções, como desoxidante e agente de controle 
do crescimento de grãos. 
 
Chumbo (Pb): não se liga ao aço, porém quando adicionado, se distribui na estrutura em 
partículas microscópicas, resultando em maior facilidade de usinagem. Entretanto, devido 
ao baixo ponto de fusão (cerca de 327 °C). Aços com chumbo não devem ser usados em 
temperaturas acima de 250 °C. 
 
Cobalto (Co): aumenta a dureza do aço em altas temperaturas, comum em HSS. 
 
Cobre (Cu): melhora a resistência à corrosão por agentes atmosféricos, se usado em 
teores entre 0,2 a 0,5%. 
 
Cromo (Cr): melhora a resistência à corrosão (aço com cerca de 12% Cr resiste à ação da 
água e de vários ácidos), aumenta a resistência à tração, facilita a têmpera, aumenta a 
resistência à alta temperatura e ao desgaste. 
 
Enxofre (S): na maioria dos casos é um elemento indesejável, oriundo do processo de 
produção. Se combinado com o ferro na forma de sulfeto, deixa o aço quebradiço. 
Entretanto, se combinado com o manganês na forma do respectivo sulfeto, favorece a 
usinagem com a formação de cavacos que se quebram facilmente. 
 
 
 
 25
 
Fósforo (P): é considerado um elemento prejudicial, resultante do processo de produção. 
Torna o aço frágil, efeito que se acentua com o aumento do teor de carbono. Assim, os 
teores máximos permitidos devem ser controlados com rigor. 
 
Manganês (Mn): em média, para cada 1% de manganês, a resistência à tração aumenta 
100 MPa. Para aços temperáveis, aumenta a dureza através do processo de têmpera. 
 
Molibdênio (Mo): melhoraa resistência a altas temperaturas, a resistência ao desgaste e a 
dureza após a têmpera. Para aços inoxidáveis, melhora a resistência à corrosão. 
 
Níquel (Ni): a adição de níquel aumenta resistência e a elasticidade do aço. O níquel com 
teores acima de 25% faz reter a austenita em temperatura ambiente, criando um aço 
austenítico, não magnético e bastante resistente à corrosão. Em conjunto com o cromo, os 
aços também podem ser austeníticos como por exemplo os aços inoxidáveis da série 300, 
onde o mais conhecido é o AI 304 - (18% Cr e 8% Ni). 
 
Silício (Si): é um agente desoxidante na produção do aço. Aumenta a resistência à 
corrosão e a resistência à tração. O silício aumenta a resistividade elétrica do aço por isso, 
são amplamente usados em núcleos magnéticos, devido às menores perdas com as 
correntes parasitas que se formam. 
 
Tungstênio (W): aumenta a resistência à tração em altas temperaturas. Forma carbonetos 
bastante duros e é usado em aços para ferramentas (aços rápidos). 
 
Vanádio (V): refina a estrutura do aço, impedindo o crescimento dos grãos. Forma 
carbonetos duros e estáveis e é usado em aços para ferramentas para aumentar a 
capacidade de corte e dureza em altas temperaturas. 
 
 
3.3 TIPOS E APLICAÇÕES DE ALGUNS AÇOS 
 
Na concepção de um projeto é preciso atender as especificações do produto e na 
maioria dos casos o projetista é responsável pela determinação dos materiais a serem 
utilizados. As considerações a serem feitas são: forças atuantes na estrutura da peça ou no 
componente, resistência à corrosão quando aplicável, usinabilidade e soldabilidade. Essa 
última está intimamente ligada à composição química do material, mas pode ser 
influenciada pelo formato da peça. Deve também ser consideradas as características de 
desempenho e funcionalidade bem como a durabilidade do componente e isso acaba se 
transformando numa estratégia de mercado, dessa forma percebemos que a escolha de 
um tipo de aço é algo bastante complexo e envolve diversos conhecimentos, para tanto 
forneceremos algumas classificações e alguns conceitos básicos. 
 
 26
 Classificação quanto processo produtivo 
 
As siderurgias normalmente são estruturadas em função do processo produtivo, ou 
seja, é comum elas se dedicarem: ou a produtos planos, ou a barras e perfiz, sendo que as 
tubulações acabam se tornando um produto de transformação secundário. Os formatos se 
subdividem em grupos conforme as características dos processos produtivos, que irão 
proporcionar diferenças na estrutura cristalina dos mesmos ampliando dessa forma os 
campos de aplicação. 
 
Chapas são classificadas em: 
 
 
 Barras e perfis são classificadas em: 
 
 
 
 Tubos são classificados em: 
 
 Nota: Para formatos especiais o processo indicado é a fundição. 
 
 Classificação quanto à composição química 
 
Aços estruturais 
 
Os aços classificados como estruturais são divididos em aços ao carbono ou aços 
carbono-manganês e possuem diferenças principalmente no aspecto da pureza da liga, 
decorrente do processo siderúrgico utilizado ou do tamanho de grão, consequência de 
eventual tratamento térmico após laminação a quente. Os aços com baixo teor de carbono 
são os mais frequentemente utilizados em construções mecânicas e estruturas soldadas, 
pois, uma pequena quantidade de manganês proporciona um sensível aumento de 
resistência mecânica, outro elemento que implica em melhoria de propriedades mecânicas 
é o silício. O aumento do carbono provoca a formação de microestruturas mais resistentes 
enquanto que a adição de alumínio irá atuar como desoxidante durante o processo de 
fabricação do aço e contribuirá para o refinamento do grão durante a solidificação. Nos 
aços de alta resistência, é necessário melhorar a tenacidade, pois com o aumento da 
dureza essa propriedade decresce naturalmente, para tanto outros elementos tais como: o 
nióbio, o titânio e o vanádio, são adicionados em pequenas porcentagens, 
 
 
Laminadas 
Trefiladas 
Forjadas 
Com costura reta 
Com costura helicoidal 
Sem costura 
Laminadas a quente 
Laminadas a Frio 
 27
 Aço ligados 
 
Os elementos adicionados intencionalmente ao aço têm o objetivo de conferir-lhes 
características específicas necessárias à sua aplicação final. Dentro desse enfoque, os 
aços ligados contêm diversos elementos em sua composição química, sendo os mais 
comuns: cromo, molibdênio, níquel e vanádio, separadamente ou combinados entre si, 
visando atender às exigências do mercado. Como exemplo, citamos aqueles que atendem 
a norma SAE 4140 e 4340, entre os mais utilizados. 
 
Existem elementos químicos que ao serem adicionados pequenas quantidades aos 
aços, lhes conferem características específicas tais como aumento de resistência ao 
trabalho a frio ou trabalho a quente, ou aumento de resistência ao desgaste ou mesmo o 
aumento de resistência ao impacto, e assim por diante, eles são conhecidos como aços 
micro ligados como, por exemplo, o aço ao boro com amplo uso na fabricação de 
implementos agrícolas. O cobre, o cromo, o níquel e o molibdênio são adicionados com o 
objetivo de endurecer o aço pelo mecanismo de substituição da solução sólida. Os aços 
ligados são classificados conforme segue. 
 
 baixa liga ≤ 2% de elementos de liga 
 média liga > 2% ≤ 4% de elementos de liga 
 alta liga > 4% de elementos de liga 
 
 Aços inoxidáveis 
 
Os aços inoxidáveis encontram grande variedade de aplicações devido suas 
propriedades mecânicas elevadas aliadas à boa resistência a corrosão, em função de sua 
microestrutura eles podem ser divididos em aços inoxidáveis: ferríticos, austeníticos, 
martensíticos, endurecíveis por precipitação e duplex. Cada uma dessas ligas possuem 
características, propriedades e aplicações diferenciadas. 
 
Inoxidável ferrítico 
 
É uma liga composta basicamente de ferro e cromo, possui baixos teores de carbono e 
após a solidificação apresenta-se na forma de ferrita delta. Durante a soldagem pode 
ocorrer crescimento de grãos próximo da zona termicamente afetada, e consequente 
fragilização podendo surgir trincas durante o resfriamento, entretanto isso pode ser 
contornado a partir da utilização de procedimentos com baixo aporte térmico, a tabela a 
seguir mostra os tipos mais comuns. 
 
 28
Tipo 
Composição química [%] 
Aplicações 
C Cr Outros 
405  0,08 11 - 14 Mn -  1,00 Si -  1,00 Tubos para trocadores de calor 
409  0,15 12 - 14 
Mn -  1,00 
 Si -  1,00 
 Al - 3,5 a 4,5 
 Ti -  0,75 
Defletores de turbina a gás e 
revestimentos resistentes à corrosão 
430  0,12 16 - 18 Mn -  1,00 Si -  1,00 
Uso geral, fácil conformação, 
eletrodomésticos, decorações, etc. 
443  0,20 18 - 23 
 Cu - 0,9 a 1,25 
 Si -  0,75 
 Ni -  0,50 
Utilizado na indústria química possui alta 
resistência à temperatura e corrosão 
446  0,20 23 - 27 Mn -  1,50 Si -  1,00 
Altíssima resistência à temperatura e 
corrosão suporta até 1150ºC, 
utilizado em fornos e queimadores 
Inoxidáveis ferríticos 
 
 
Inoxidável austenítico 
 
Os aços inoxidáveis austeníticos são largamente utilizados na indústria em geral devido 
ao conjunto de propriedades que eles reúnem, tais como: boa soldabilidade, boa 
resistência à corrosão, boa usinabilidade, etc., nesse tipo de aço o cromo varia entre 16% e 
26% e o níquel varia entre 6% e 22%, os teores relativamente elevados de níquel 
aumentam a resistência à corrosão e a resistência à oxidação em altas temperaturas. O 
efeito estabilizante do níquel favorece a formação e manutenção de uma estrutura 
austenítica a temperatura ambiente o que lhe confere a condição de “não magnético”. Os 
aços austeníticos quando submetidos ao trabalho a frio como, por exemplo, a trefilação, 
encruam produzindo um aumento de resistênciamecânica e tornam-se magnéticos. 
 
Quando permanecem em temperaturas superiores a 450º C por mais de 4 horas, 
devido a grande afinidade do Cr com o C, ocorre uma formação de carbonetos de cromo 
que migram para os contornos dos grãos, dando origem a um processo de fragilização 
conhecido como corrosão intergranular, pois causa o empobrecimento de cromo na matriz 
austenítica. A adição de Cd, Nb ou Ti na liga pode minimizar este efeito, pois sendo esses 
elementos mais ávidos de carbono que o cromo ocorrerá uma reação entre eles 
protegendo assim o cromo, a tabela a seguir mostra os tipos mais comuns de aços 
inoxidáveis austeníticos. Os aços austeníticos são susceptíveis à corrosão sob tensão e, 
portanto devem ser aliviados quando o componente for trabalhar em condições 
desfavoráveis. 
 29
 
Tipo 
Composição química [%] 
Aplicações 
C Cr Ni Outros 
302  0,15 17 - 19 8 - 10 
Mn -  2,00 
Si -  1,00 
Possui boa resistência à corrosão, é 
utilizado na indústria alimentícia, de 
eletrodomésticos e decoração 
304  0,08 18 - 20 8 - 10,5 
Mn -  2,00 
 Si -  1,00 
Possui boa resistência à corrosão, 
boa soldabilidade, devido ao baixo 
carbono, não magnético quando 
solubilizado, aplicações diversas 
304L  0,03 18 - 20 8 - 10,5 
Mn -  1,00 
 Si -  1,00 
Possui boa resistência à corrosão, 
excelente soldabilidade, devido ao 
extra baixo carbono, não magnético 
quando solubilizado, aplicações 
diversas 
309  0,20 22 - 24 12 - 15 
Mn -  2,00 
 Si -  1,00 
Boa resistência à oxidação e 
resistência mecânica a altas 
temperaturas, aplicação em fornos e 
estufas 
310  0,25 24 - 26 19 - 22 
Mn -  2,00 
 Si -  1,00 
Excelente resistência à oxidação até 
1100ºC, aplicação em fornos e 
estufas 
316  0,08 16 - 18 10 - 14 
 Mo - 2,0 a 3,0 
Mn -  2,00 
 Si -  1,00 
Utilizado na indústria química e 
fábrica de papel e celulose, possui 
alta resistência à corrosão 
317  0,08 18 - 20 11 - 15 
 Mo - 3,0 a 4,0 
Mn -  2,00 
 Si -  1,00 
Utilizado na indústria química e 
fábrica de papel e celulose, possui 
resistência à corrosão superior à do 
AISI 316 
Inoxidáveis austeníticos - nota: 316L e 317L possuem 0,03% de carbono 
 
Inoxidável martensítico 
 
Os aços inoxidáveis martensíticos são em principio ligas ferro + carbono + cromo, onde 
os teores de cromo são elevados situando-se entre 11% e 18%. Essas ligas são passíveis 
de endurecimento através de tratamentos térmicos, como por exemplo, a têmpera na 
pratica podemos dizer que existem três tipos aços inoxidáveis martensíticos: 
 
a) baixo carbono, utilizadas na fabricação de turbinas hidráulicas, 
b) médio carbono, normalmente utilizadas em cutelaria, 
c) ligas de alto carbono, utilizadas para trabalhos em altas temperaturas, até 550ºC. 
 
Nesse tipo de material, a alta resistência e, portanto a dureza, são indispensáveis o 
que implica em maiores cuidados com os ciclos e condicionamentos térmicos durante a 
soldagem, pois poderão ocorrer fragilizações na ZTA, dessa forma deve-se aplicar o menor 
aporte térmico possível, além de se reduzir a velocidade de resfriamento, isso é possível 
com pré-aquecimento e manutenção da temperatura de interpasse de forma eficiente. 
 
 
 30
Tipo 
Composição química [%] 
Aplicações 
C Cr Ni Outros 
403  0,15 11,5 - 13,0 - 
Mn -  1,00 
Si -  0,50 
Tipo turbina, laminas forjadas 
410  0,15 11,5 - 13,5 - 
Mn -  1,00 
 Si -  1,00 
Aplicação geral: eixos, parafusos, 
peças de motores, válvulas, etc. 
431  0,20 15 - 17 1,25 - 2,50 
Mn -  1,00 
 Si -  1,00 
Tipo turbina com maior resistência à 
corrosão e melhores propriedades 
mecânicas 
440C 0,95 - 1,20 16 - 18 - 
Mn -  2,00 
 Si -  1,00 
 Moo -  0,75 
É o mais duro dos aços inoxidáveis 
martensíticos utilizado em pistas de 
rolamento, sedes de válvulas, 
esferas, cutelaria, etc. 
Inoxidáveis martensíticos 
 
Inoxidável endurecível por precipitação 
 
Aços inoxidáveis PH são ligas que podem ser endurecidas por tratamento térmico de 
envelhecimento, resultando numa estrutura composta por precipitados coerentes, dispersos 
em matriz martensítica. No caso da liga 17-4 PH, a adição de 3% de cobre (Cu) garante a 
formação destes precipitados durante o tratamento térmico de envelhecimento. 
 
Qualquer objeto que atrapalhe o movimento de deslocamento aumenta a resistência 
dos materiais metálicos. O fortalecimento por precipitados foi observado pela primeira vez 
em 1911 em ligas de alumínio. Os aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação (PHSS), 
são baseados nesse fenômeno, sendo que o primeiro caso de endurecimento por 
precipitação ocorreu durante a segunda guerra mundial, onde a US Steel lançou o 
“Stainless W” (UNS S 17600). 
 
Os aços PHSS se caracterizam por apresentarem simultaneamente alta resistência à 
corrosão e elevada resistência mecânica, sendo em consequência empregados onde 
ambos os requisitos são indispensáveis como em molas especiais e na indústria 
aeronáutica, devido a presença de precipitados esses materiais não são recomendados 
para soldagem, na tabela a seguir vejam alguns exemplos. 
 
 
 
Tipo 
Composição química [%] Propriedades mecânicas 
C Cr Ni Mn Si Ti N Tensile Yield Elongation HRC 
Stainless 
W  0,12 16 - 18 6 - 8  1  1  1  0,2 1360 MPa 1260 MPa 7 % 45 
17-7 PH  0,09 16 - 18 6,5 - 7,7  1  1 -  0,1 1000 MPa 860 MPa 6 % 35 
17-4 PH  0,07 15 - 17 3 - 5  1  1  0,3 - 1070 MPa 1000 MPa 12 % 38 
 31
Inoxidável duplex 
 
Essa é a mais recente família de aços inoxidáveis são chamados de duplex porque sua 
estrutura metalúrgica consiste de duas fases, austenita CFC e ferrita CCC em proporções 
aproximadamente iguais, ou seja, a fase ferrita e austenita estão geralmente presentes em 
temperatura ambiente a 50-50% respectivamente. 
 
Esses materiais apresentam uma excelente combinação de propriedades mecânicas e 
elevada resistência à corrosão. Em geral, os aços inoxidáveis duplex possuem o dobro do 
limite de escoamento dos aços inoxidáveis convencionais, conservando os mesmos valores 
de tenacidade. Isto significa que as espessuras de projeto podem ser substancialmente 
reduzidas, devido essas características esse tipo de material encontra grande aplicação na 
indústria naval. As ligas duplex apresentam maior resistência à corrosão em relação aos 
aços inoxidáveis austeníticos. 
 
Os materiais duplex possuem uma alta resistência mecânica e resistência à corrosão 
muito alta. Designações, como superduplex e hiperduplex indicam alto teor de elementos 
de liga e resistência à corrosão ainda melhores. Esses materiais são muito utilizados em 
máquinas para indústrias: química, alimentícia, médica, papel e celulose, em processos 
que incluem ácidos e clorados, encontrando também grande utilização na fabricação de 
equipamentos para a indústria de extração de petróleo e gás. Abaixo apresentamos dois 
tipos muito utilizados de aço inox duplex. 
 
 
 
 
Designação 
EN 10088 Número 
C 
Max Si Mn 
P 
Max 
S 
Max N Cr Cu Mo Ni 
X2CrNiMoN22-5-3 1,4462 0,03 ≤1.0 ≤2.0 0,03 0,01
0,10 
a 
0,22 
21,0 
A 
23,0 
- 
2,50 
A 
3,50 
4,50 
A 
6,50 
X2CrNiN23-4 1,4362 0,03 
≤1.0 ≤2.0 0,03 0,01
0,05 
a 
0,20 
22,0 
a 
24,5 
0,10 
a 
0.60 
0,10 
a 
0.60 
3,50 
a 
5,50 
Designação 
EN 10088 
Número 
Limite de 
escoamento 
[MPa] 
Resistência 
a tração 
[MPa] 
Alongamento 
[%] 
X2CrNiMoN22-5-3 1,4462 450 650 a 880 25 
X2CrNiN23-4 1,4362 400 600 a 830 25 
 32
Diagrama de Schaefler 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Aços mais utilizados em construção soldada 
 
Chapas de aço 
 
ASTM A 36 
ASTMA 283 Gr. C 
ASTM A 285 Gr. B 
ASTM A 516 Gr. 60 
ASTM A 516 Gr. 70 
ASTM A 240 Tp 304 
ASTM A 240 Tp 316L 
USI SAR 50 B 
USI SAR 60 T 
S235J2 
S275J0 & J2 
S355J0 & J2 
 
Barras de aço carbono 
 
SAE J403 1020 
SAE J403 1030 
SAE J403 1045 
SAE J403 1060 
SAE J403 1070 
 
Barras de aço liga 
 
SAE J404 4140 
SAE J404 4340 
SAE J404 5120 
 
Barras de aço inoxidável 
ASTM A 276 Tp 304L 
ASTM A 276 Tp 316L 
 
Tubos 
 
ASTM A 53 Gr A 
ASTM A 106 Gr B 
ASTM A 312 Tp 304 
ASTM A 312 Tp 316L 
 
Aço fundido 
ASTM A 216 Gr. WCC 
ASTM A 148 Gr 90/60 
 
Ferro fundido 
ASTM A 536 
 
Aço forjado 
ASTM A 668 classes D & E 
ASTM A 105 
SAE J404 5135 
 
 33
4. TRANSFORMAÇÕES DA ESTRUTURA CRISTALINA 
 
4.1 DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO CARBONO 
 
Os diagramas de equilíbrio indicam as condições termodinâmicas, temperatura e 
composição química onde ocorrem as transformações de fase. O ferro no estado liquido 
apresenta estrutura cúbica de corpo centrado - CCC, sendo denominado ferro delta (Fe δ), 
ao solidificar permanece nesta condição até 1400 ºC e abaixo desta temperatura se 
transforma em ferro gama (Fe γ), com estrutura cúbica de face centrada - CFC. Abaixo de 
912 °C, readquire a estrutura cúbica de corpo centrado - CCC, como ferro alfa (Fe α). 
 
Quando uma liga é resfriada lentamente a partir da fase líquida, as fases presentes no 
estado sólido estarão em equilíbrio termodinâmico e podem ser previstas por diagramas 
que mostram as fases estáveis em função da temperatura e da composição química, ou 
seja, percentual de elemento soluto. Estes diagramas são denominados diagramas de 
fases. No diagrama ferro-carbono o ferro puro apresenta duas transformações alotrópicas, 
ou seja, mudanças da estrutura cristalina. 
 
Na temperatura ambiente a estrutura estável termodinamicamente é a cúbica de corpo 
centrado CCC. Quando aquecido acima de 912°C o ferro passa para CFC cúbico de faces 
centradas e volta a ser CCC acima de 1400°C; passando para o estado líquido ao atingir 
1540°C. 
 
 
 
a) Reação eutética: uma fase líquida se transforma em duas fases sólidas. 
b) Reação eutetóide: uma fase sólida se decompõe em duas fases sólidas 
c) Reação peritética: uma fase líquida + fase sólida produzem uma única fase sólida 
d) Reação Peritetóide: duas fases sólidas produzem uma única fase sólida 
 
 34
 
Ferro  = Ferrita = Cúbico de corpo centrado ( < 912°C ) 
Ferro  = Austenita = Cúbico de face centrada ( > 912°C < 1400°C ) 
Ferro  = Ferrita  = Cúbico de corpo centrado ( > 1400°C ) 
 
O termo eutético se traduz em uma mistura de componentes sólidos que ao fundir 
ficam em equilíbrio com um líquido da mesma composição, cuja temperatura de fusão é o 
mínimo na curva. Para os aços ao carbono a temperatura eutetóide é 727°C e a 
composição eutetóide corresponde a 0,77%C. No sistema FeC tem-se uma solução sólida 
e, portanto, não ocorre uma reação eutética verdadeira, porém devido sua semelhança foi 
denominada eutetóide. Logo abaixo de 727°C, toda a austenita deverá se transformar em 
ferrita mais cementita. Entretanto, desde que o processo é rápido, fisicamente a separação 
se dá em forma de lâminas bastante finas, somente visíveis ao microscópio com elevadas 
ampliações. Tal estrutura, ferrita + cementita em forma laminar, é chamada de perlita. As 
transformações de uma fase para outra ou a variação de composição de uma fase, envolve 
o rearranjo dos átomos do material, o tempo necessário para essas alterações depende da 
temperatura e complexidade da alteração. 
 
4.2 INFLUÊNCIA DA VELOCIDADE DE RESFRIAMENTO 
 
A velocidade de resfriamento tem um papel fundamental na formação da 
microestrutura, não se deve esquecer que dureza e tenacidade trafegam em vias 
contrárias, ou seja, um aumento de dureza implica quase sempre em uma diminuição da 
tenacidade e, portanto, aumenta a propensão à formação e propagação de trincas, no 
diagrama abaixo podemos observar as diferentes microestruturas que podem se formar a 
partir de um resfriamento continuo em diferentes velocidades, num aço do tipo SAE 4340. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Estruturas cristalinas em função da velocidade de resfriamento 
 
 
 
°C 
100 
200 
300 
723 
10 10
 
100 10
4 
10
5 
10
 
seg 
Austenita Martensita 
Martensita 
Martensita 
Ferrita 
Bainita 
Martensita 
Ferrita 
Perlita 
Bainita 
Ferrita 
Perlita 
8,4°C/seg 0,33°C/seg 0,0062°C/seg 0,23°C/seg 
Martensita 
Bainita 
 35
As variações na taxa de resfriamento modificam os tamanhos dos grãos ferríticos e 
dos perlíticos. O espaçamento entre as lamelas de ferrita e cementita na perlita; e a 
quantidade de perlita, podem promover alterações nas propriedades mecânicas. Os 
diagramas de fase mostram apenas as fases em equilíbrio termodinâmico, não 
considerando a cinética de formação e dissolução das diferentes fases, assim sendo se 
verifica que a austenita deve se transformar em ferrita + cementita. A cinética das 
transformações pode ser visualizada através de curvas: Transformação, Temperatura, 
Tempo, denominadas curvas TTT. Em termos de propriedades mecânicas a ferrita e a 
austenita são macias e dúcteis enquanto a cementita é dura e frágil. 
 
4.3 DIAGRAMA DE TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICA - TTT 
 
As curvas TTT são curvas obtidas experimentalmente e mostram o tempo necessário 
para uma dada transformação ocorrer em uma determinada temperatura. Um exemplo 
típico é mostrado na figura abaixo para um aço eutetóide (0,8% C). Neste exemplo 
observa-se que são necessários cerca de 1000 segundos a 700C para que a reação 
eutetóide se inicie, enquanto a 550C a mesma reação começa após aproximadamente 1 
segundo. Outro fato interessante é que taxas de resfriamento altas o suficiente para não 
cortar a curva, ou seja, não dar início a reação perlítica, podem manter a austenita presente 
e sem transformações abaixo 723C. Neste caso especifico a alta instabilidade da 
austenita e a impossibilidade de ocorrer à reação difusional eutetóide dá lugar a uma 
reação não difusional que ocorre por cisalhamento, denominada reação martensítica e a 
fase resultante é a martensita. 
 
 
 
Curva isotérmica de um aço SAE 1080 
 36
5. IMPERFEIÇÕES NOS SÓLIDOS 
 
5.1 LACUNAS E DISCORDÂNCIAS 
 
Apesar dos modelos existentes para as estruturas cristalinas dos metais considerarem 
uma estrutura com ordenação atômica perfeita, este tipo de estrutura não existe, uma vez 
que todos os sólidos cristalinos possuem algumas variedades de imperfeições em sua 
estrutura atômica, a seguir citamos algumas dessas anomalias. 
 
Defeitos de interface: esse tipo de defeito envolve planos atômicos, ou seja, são defeitos 
bidimensionais. O exemplo mais simples é a própria superfície externa dos metais, onde a 
estrutura cristalina é interrompida e o número de vizinhos de cada átomo da superfície é 
menor do que o do interior do material. Outro tipo de defeito de interface é o contorno de 
grão, onde as características da estrutura, como o número de coordenação e o fator de 
empacotamento, são diferentes do interior de cada grão. 
 
Defeitos pontuais: esse tipo de defeito está relacionado a átomos individuais. O mais 
simples dos defeitos pontuais é o vazio ou lacuna, que está associado à falta de um ou 
mais átomos na estrutura cristalina. As lacunas são inerentes à própria cristalização, além 
de serem resultantes da vibração térmica, existindo um número de lacunas em equilíbrio na 
estrutura para cada temperatura. Este tipo de defeito possui importante papel na difusão 
atômica e nos mecanismos de deformação plástica em altas temperaturas. 
 
Defeitos lineares: os defeitos lineares são conhecidos como discordâncias e podem ser 
em aresta ou em espiral. A discordância em aresta é a linha de átomos extra gerada pela 
introdução de um semi plano atômico na estrutura cristalina. Esse tipo de defeito é 
responsável pela deformação plásticados metais. O aumento da resistência à deformação 
plástica ocorre em função do aumento da densidade de discordâncias com a progressão da 
deformação. Este fenômeno é denominado encruamento. 
 
 
 
Discordância em hélice 
 37
 
6. PROPRIEDADES E CARACTERÍSTICAS DOS MATERIAIS 
 
As propriedades dos materiais podem ser divididas em físicas e químicas, onde as 
propriedades químicas se referem a capacidade que uma substância tem de se transformar 
em outra por meio de reações. Por outro lado as propriedades físicas podem ser coletadas 
e analisadas sem que a composição química do material seja alterada. 
 
 Condutividade térmica e elétrica 
 
Materiais com alta condutividade térmica conduzem calor de forma mais rápida que 
materiais com baixa condutividade. Condução térmica ou difusão térmica é a transferência 
de energia térmica entre átomos ou moléculas vizinhas em uma substância devido a um 
gradiente de temperatura. Já a condutividade elétrica é a facilidade com a qual um material 
conduz uma corrente elétrica. Os metais são por natureza bons condutores térmicos e 
elétricos. Na temperatura ambiente, o material melhor condutor elétrico é a prata, pois, ela 
possui condutividade elétrica de 108%; o cobre 100%; o ouro 70%; o alumínio 60% e o 
titânio apenas 1%. A base de comparação é o cobre. 
 
 Maleabilidade e ductibilidade 
 
A maleabilidade e a ductilidade são propriedades que juntas permitem os corpos serem 
moldados através de deformações. A diferença é que a ductilidade se refere a formação de 
filamentos enquanto a maleabilidade permite a formação de delgadas lâminas do material 
sem que este se rompa. Em geral a maleabilidade e a ductibilidade dos metais melhoram 
com o aumento da temperatura. 
 
 Elasticidade 
 
A elasticidade é a capacidade dos materiais de se deformarem retornando à sua forma 
e dimensão original quando os esforços são anulados. Até um certo limite ela depende do 
tipo de material e da temperatura. Os metais apresentam alta capacidade de voltar ao 
normal após serem esticados. A capacidade de um metal se deformar dentro do regime 
elástico e voltar ao estado original sem deixar qualquer alteração, é denominado resiliência. 
 
Na sequência faremos um breve estudo dos métodos laboratoriais mais utilizados para 
determinação das propriedades mecânicas. Essas propriedades são fundamentais para o 
projeto e também para os diferentes processos de fabricação, pois, servem de orientação 
na definição dos esforços e dos parâmetros para a execução de uma peça ou produto. 
 
 
 38
6.1 PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 
 LIMITE DE ESCOAMENTO “YIELD STRENGHT” 
 
 O limite de escoamento ou limite elástico de um metal é a máxima tensão aplicada ao 
material sem que se produza qualquer deformação permanente, esse limite é de difícil 
determinação por necessitar de sistemas de medição de grande sensibilidade. Dessa forma 
utilizamos o limite de escoamento que é obtido considerando-se uma pequena fração de 
deformação plástica residual (0,2% pelas normas norte-americanas e 0,5% no Reino 
Unido) no diagrama tensão deformação. 
 
 Essa propriedade é obtida no ensaio de tração e é fundamental tanto para o projeto do 
produto como para o seu processamento. Para o projeto, indica explicitamente qual é a 
tensão máxima acima da qual se inicia a deformação plástica numa solicitação em estado 
simples de tensão e, no caso de estados complexos de tensão, constitui uma constante 
dos critérios de resistência, para os processos de fabricação, ela fornece o valor limite 
inferior para início da conformação plástica. 
 
 
 
Curva característica do ensaio de tração em aço 
 
 LIMITE DE RESISTÊNCIA À TRAÇÃO “TENSILE STRENGHT” 
 
É determinado no ensaio de tração e corresponde à relação entre a carga máxima, 
suportada pelo corpo de prova constituído do material a ser ensaiado, e sua seção 
transversal. Essa propriedade é comumente utilizada como índice de resistência mecânica 
do material, pois reflete a sua capacidade de suportar cargas. 
 
 39
 
Contudo a sua utilização sofre algumas limitações, pois, ela se refere a um valor limite 
acima do qual já se inicia a instabilidade plástica que conduz à fratura, Também é 
necessária a utilização de um fator de segurança para determinar a tensão de projeto, cujo 
valor é uma questão discutível em face da confiabilidade desejada, finalmente nem sempre 
é possível estabelecer uma correlação entre esse parâmetro e outras propriedades 
mecânicas exigidas para um determinado projeto. O limite de ruptura (F) é inferior ao limite 
de resistência (U) em virtude da área da seção se reduzir antes da ruptura. 
 
 
 
 
 ALONGAMENTO “ELONGATION” 
 
 Refere-se à deformação plástica ocorrida no corpo de prova na direção do 
comprimento durante o ensaio de tração, ou seja: trata-se da verificação de quanto o corpo 
de prova cresceu até o momento da ruptura, esse valor é de fácil determinação, para tanto 
basta traçar uma medida de referência denominada “L0” no corpo de prova e verificar 
quanto cresceu essa medida após a ruptura (normalmente utilizamos o valor: 50 mm). O 
alongamento é frequentemente utilizado como verificação da ductilidade e mostra o 
comportamento do material quanto ao tipo de fratura a que pode estar sujeito, dúctil ou 
frágil, a análise de comportamento da face de fratura é bastante complexa. 
 40
 
 
A deformação sofrida pelo corpo de prova pode ser calculada em função do 
alongamento sofrido durante o ensaio: 
 
A [%] = 100 x (Lf- Lo) / Lo 
 
Lf = Comprimento final 
Lo = Comprimento inicial 
 
 
 REDUÇÃO DE ÁREA “AREA REDUCTION” 
 
A redução de área é a variação da área em relação à área inicial medida no corpo de 
prova de tração após a ruptura do mesmo, normalmente é utilizada para a verificação da 
susceptibilidade à ruptura lamelar em chapas de aço carbono laminadas a quente com 
espessuras elevadas. 
 
 
 DUREZA “HARDNESS” 
 
A medição da dureza de um metal consiste na verificação da resistência à penetração 
oferecida pelo mesmo a uma ponta: esférica, cônica ou piramidal constituída de material 
muito duro. Essa propriedade é de particular interesse para se medir o grau de 
endurecimento superficial por tratamento térmico. Esse ensaio também pode ser utilizado 
para estimar a resistência mecânica, na medida em que as características mecânicas 
externas de um material sejam representativas das características internas do mesmo, tal 
pratica deve ser evitada, pois não apresenta boa precisão. 
 
 
 
Métodos de medição por penetração: BRINNEL, VICKERS, ROCKWELL 
 
 41
 MÓDULO DE ELASTICIDADE 
 
O módulo de elasticidade é determinado no ensaio de tração e corresponde à relação 
entre tensão e deformação no regime elástico. É uma medida da rigidez, pois quanto maior 
seu valor, menor será a deformação elástica para uma dada tensão aplicada, assim se 
constitui num importante parâmetro para o projeto do produto. É uma constante que 
descreve a relação entre a tensão aplicada e a deformação correspondente no campo 
elástico. 
 
O processo de deformação elástica é reversível, isto é, uma vez cessada a aplicação 
de tensões há uma recuperação completa da forma original, mesmo em nível subatômico. 
Este comportamento é descrito pela Lei de Hooke, que descreve a proporcionalidade entre 
tensão () e deformação () no regime elástico através da expressão: . No caso de 
um carregamento a tração, o módulo de elasticidade é denominado longitudinal ou módulo 
de Young. Quando ocorre a deformação plástica o limite elástico é ultrapassado pelo 
carregamento, neste ponto a deformação deixa de ser proporcional à tensão aplicada não 
valendo mais a Lei de Hooke. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Curva característica: Tensão x Deformação 
 
 RESILIÊNCIA 
 
É a capacidade de o material absorver energia quando deformado elasticamente, para 
retornar às suas dimensões originais na relaxação