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FUNDAÇÃO DE APOIO À ESCOLA TÉCNICA
ESCOLA TÉCNICA ESTADUAL REPÚBLICA
Departamento de Mecânica
Tecnologia dos
Materiais I
Prof.: Antonio Jose R S Cruz e Hélio França Jr
Sumário
INTRODUÇÃO III
IMPORTÂNCIA DO ESTUDO DOS MATERIAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV
CIÊNCIA DOS MATERIAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI
1 PROPRIEDADES DO MATERIAIS 1
1.1 PROPRIEDADES MECÂNICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 PROPRIEDADES TECNOLÓGICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 PROPRIEDADES TÉRMICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 PROPRIEDADES ELÉTRICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.5 PROPRIEDADES ELETROMAGNÉTICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.6 PROPRIEDADES FÍSICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.7 PROPRIEDADES QUÍMICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.8 PROPRIEDADES ÓTICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2 ESTRUTURA DOS MATERIAIS 9
2.1 ESTRUTURA CRISTALINA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 SISTEMAS CRISTALINOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 ESTRUTURA CRISTALINA DOS PRINCIPAIS METAIS . . . . . . . . . . . 11
2.4 ALOTROPIA OU POLIMORFISMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3 MATERIAIS METÁLICOS 14
3.1 METAIS FERROSOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.1.1 USINAS INTEGRADAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.1.1.1 MATÉRIA PRIMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.1.1.2 OPERAÇÕES SIDERÚRGICAS: . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1.2 USINAS MINI-MILLS: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.1.2.1 MATÉRIA PRIMAS: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.1.2.2 OPERAÇÕES SIDERÚRGICOS: . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.1.3 PRODUTOS SIDERÚRGICOS: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.1.3.1 AÇOS: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
I
Lista de Figuras
1 Classificação clássica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI
1.1 Tipos de esforços mecânicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Deformação elástica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Deformação plástica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 Estricção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.5 Dureza Brinell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1 Arranjo atômico do NaCl. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 Estrutura cristalina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 Contorno dos grãos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4 Os sete sistemas cristalinos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.5 Principais sistemas cristalinos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1 Processo siderúrgico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2 O alto forno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3 Alto forno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.4 alto forno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.5 Produção do aço. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.6 Conversor LD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.7 Forno cubilô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.8 Forno elétrico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.9 Forno de indução. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.10 Diagrama de fases da liga Fe-C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.11 Representação esquemática das estruturas das ligas Fe-C, na faixa cor-
respondente aos aços, resfriados lentamente, conforme o diagrama de
equilíbrio Fe-C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.12 Propriedades mecânicas dos aços/teor de carbono. . . . . . . . . . . . . . 29
3.13 Aplicações. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.14 Classificação dos aços. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
II
INTRODUÇÃO
Os materiais estão tão profundamente enraizados em nossa cultura que a maioria
de nos nem percebemos sua presença. Nos transportes, nas casas, nas roupas, nos
meios de comunicação, na recreação, e até na produção de alimentos - inevitavelmente
todos segmentos de nossas vidas são influenciados de uma maneira ou de outra pelos
materiais.
Historicamente, o desenvolvimento e o avanço das sociedades tem sido intimamente
ligado a habilidade dos seus membros para produzir e manipular os materiais para satis-
fazer suas necessidades. De fato, as primeiras civilizações foram designadas pelo nível
do desenvolvimento de seus materiais (isto é, Idade da Pedra, Idade do Bronze, etc.).
No início da civilização, os homens tinham acesso a um número muito limitado de mate-
riais, todos retirados diretamente da natureza. Descobriram técnicas para produção de
materiais com propriedades superiores aos naturais, alterando-as através de tratamen-
tos térmicos ou pela adição de outras substâncias. Nesses novos materiais incluem-se
a cerâmica e vários metais. Neste ponto, os materiais eram escolhidos através de um
processo de seleção, ou seja, eram selecionados dentre um número restrito de mate-
riais, os que possuíam as melhores propriedades para determinada aplicação. Com o
tempo os cientistas passaram a entender as relações entre as estruturas dos materiais e
suas propriedades. Esse conhecimento adquirido nos permitiu dar um grande passo no
entendimento das suas características.
Assim, dezenas de milhares de materiais diferentes evoluíram com características bas-
tante específicas que satisfazem as necessidades de nossa sociedade moderna e com-
plexa, tais como, metais, plásticos, vidros, etc. O desenvolvimento de tecnologias que
propiciam maior conforto estão intimamente associadas ao acesso a materiais adequa-
dos. Um avanço na compreensão de um tipo de material é muitas vezes o precursor
de um grande desenvolvimento tecnológico. Por exemplo, os automóveis não teriam
sido possíveis sem a disponibilidade de aço barato ou algum outro substituto adequado.
Em nossos dias, sofisticados equipamentos eletrônicos utilizam componentes fabricados
com certos materiais chamados semicondutores, surgidos após a II Guerra Mundial.
III
Curso Técnico de Mecânica - Automação Industrial
IMPORTÂNCIA DO ESTUDO DOS MATERIAIS
Todo projetista, seja ele cientista, engenheiro ou mesmo designer , estará exposto
a problemas de projeto que envolvem materiais. Como exemplo, podemos mencionar
uma engrenagem de transmissão, a superestrutura dos arranha-céus, um componente
de uma refinaria de petróleo ou um circuito integrado de um ”chip”. E os cientistas e
engenheiros de materiais são os profissionais que estão totalmente envolvidos na inves-
tigação e desenvolvimento dos materiais utilizados em todos esses projetos.
Muitas vezes, o problema relacionado com materiais é selecionar corretamente apenas
um dentre os milhares disponíveis. Ha vários critérios em que a decisão final é normal-
mente baseada.
Em primeiro lugar, deve-se analisar as condições de trabalho para determinar a ordem
das propriedades que o material deve possuir. Muito raramente o material possui a com-
binação das propriedades ideais exigidas. Assim, pode ser necessário optar por uma ca-
racterística ou outra. O exemplo clássico envolve a dureza e a ductilidade;normalmente,
um material de alta dureza possui baixa ductilidade. Em certos casos, é necessário que
duas ou mais propriedades estejam de acordopara seu aproveitamento.
Em segundo lugar, está a deterioração a qual o material sofrerá a durante sua operação
de serviço. Por exemplo, um material pode sofrer uma significante redução na sua resis-
tência mecânica se for exposto a temperaturas elevadas ou ambientes corrosivos.
Finalmente, a viabilidade econômica. Daí surge a típica pergunta: Quanto custará o pro-
duto final? Um material que possuir as qualidades ideais para o uso, poderá tornar-se
inviável devido ao seu elevado custo. Novamente aqui, é inevitável a necessidade da
combinação de fatores na escolha. O preço final de uma peça acabada inclui qualquer
despesa necessária para poder dar-lhe a forma desejada. Assim, com o estudo apro-
fundado dos materiais, pode-se escolher prudentemente os que mais se adaptam a sua
realidade seguindo estes critérios.
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CIÊNCIA DOS MATERIAIS
Ciência dos Materiais envolve a investigação da relação existente entre estrutura e
propriedades dos materiais. Assim, com base nessa correlação entre estrutura e pro-
priedades, desenvolve ou cria a estrutura de um material para produzir um conjunto de
pre-determinadas propriedades. ”Estrutura”de um material diz respeito ao arranjo de
seus componentes internos.
A estrutura subatômica envolve os elétrons dentro dos átomos e a interação com seus
núcleos. Em um nível atômico, estrutura diz respeito a organização dos átomos ou mo-
léculas uns em relação aos outros. Seguindo essa ordem, o próximo tipo de estrutura é
formada por um grande número de átomos ou moléculas que formam grandes aglome-
rados possíveis de serem observados através de um microscópio. Estas estruturas sao
denominadas ”microscópicas”.
Finalmente, a estrutura que pode ser observada diretamente com os olhos, sem nenhum
equipamento especial, é chamada de estrutura ”macroscópica”.
A noção de ”propriedade” também merece um esclarecimento. Durante o uso, todos os
materiais são expostos a estímulos externos que provocam algum tipo de resposta. Por
exemplo, um espécime submetido a uma força sofrerá uma deformação; ou a superfície
de um metal quando polido refletira a luz. Portanto, propriedade é uma característica dos
materiais em termos do tipo e magnitude da resposta para cada estímulo específico.
Geralmente, definições de propriedades são criadas independentemente da forma e do
tamanho do material. Inevitavelmente as propriedades mais importantes dos materiais
sólidos podem ser agrupadas em seis categorias:
• mecânicas;
• eletro-magnéticas;
• químicas;
• ópticas
• tecnológicas.
Para cada propriedade, há um tipo de estímulo que provoca uma resposta diferente. A
propriedade mecânica relaciona deformação do material a uma força aplicada sobre ou
por ele. Neste caso, estão descritos os módulos de elasticidade e força. Para as proprie-
dades elétricas, como a condução e constante dielétrica, o estímulo é o campo elétrico.
O comportamento térmico dos sólidos pode ser representado em termos de capacidade
calorífica e condutibilidade térmica. As propriedades magnéticas demonstram a resposta
de um material a aplicação de um campo magnético. Para as propriedades ópticas, os
estímulos podem ser uma radiação eletromagnética ou luminosa e o índice de refração
e reflexão, representam as propriedades em si. As propriedades químicas estão muitas
vezes relacionadas a reatividade química dos materiais. Finalmente, as propriedades
tecnológicas estão relacionadas a adequabilidade do material diante dos processos de
fabricação aos quais é submetido.
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CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Os materiais sólidos são geralmente classificados em três grupos básicos: metais,
polímeros e cerâmicas. Este esquema é baseado principalmente em sua composição
química e estrutura atômica, e os materiais entram em um grupo distinto ou outro, embora
haja alguns intermediários. Além destes, há mais outros três grupos importantes para a
Engenharia de Materiais, sao eles: os compósitos, biomateriais e os semicondutores.
Figura 1: Classificação clássica
• Metais
Metais são elementos químicos sólidos a temperatura ambiente (exceto o mercú-
rio), opacos, lustrosos, e quando polidos refletem a luz, além de serem bons con-
dutores de eletricidade e calor. A maioria dos metais é forte, dúctil e maleável, e,
em geral, de alta densidade. Possuem um grande número de elétrons livres; ou
seja, estes elétrons não são ligados a nenhum átomo em particular. Muitas das
propriedades dos metais estão diretamente ligados a estes elétrons. Metais são os
materiais estruturais primários de toda a tecnologia e inclui um grande número de
ligas ferrosas (por exemplo, ferro-fundido, aço carbono, ligas de aços, etc.).
• Polímeros
Dentre os polímeros incluem-se borrachas, plásticos, e muitos outros tipos de ade-
sivos. São produzidos a partir da criação de grandes estruturas moleculares prove-
nientes de moléculas orgânicas em um processo conhecido como polimerização.
Os polímeros têm baixa condutividade térmica e elétrica, tem baixa resistência me-
cânica comparado a outros materiais utilizados em Engenharia, e não são adequa-
dos para utilização em altas temperaturas. Polímeros termoplásticos, nos quais as
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longas cadeias de moléculas não são rigidamente conectadas, tem boa ductilidade
e formabilidade. Polímeros termofixos são normalmente mais resistentes, porém,
podem apresentar-se quebradiços pela sua cadeia molecular ser de forte cone-
xão. Os materiais poliméricos são utilizados em inúmeras aplicações: embalagens,
componentes de eletrodomésticos, brinquedos, peças técnicas e etc.
• Cerâmicos
Esta classe pode ser definida como qualquer material sólido inorgânico, não metá-
lico, usado ou processado em temperaturas altas. Quando falamos em cerâmica,
imediatamente nos vem a mente coisas tais como louças sanitárias, pisos, azulejos,
porcelana de mesa, etc. Freqüentemente esquece-se das aplicações tecnológicas
mais avançadas de óxidos, carbonetos e nitretos. Muitos destes são de grande inte-
resse industrial. Cerâmicas também incluem materiais como vidro, grafite, cimento
(concreto), etc.
• Compósitos Compósitos consistem na combinação de dois ou mais materiais di-
ferentes. A Fibra de vidro e um exemplo bem familiar, onde as fibras de vidro são
adicionadas a um material polimérico. Um compósito é desenvolvido para combinar
as melhores propriedades dos materiais que o constituem. O Fiberglass, por exem-
plo, adquire a dureza do vidro e a flexibilidade do polímero. Muitos dos materiais
desenvolvidos atualmente são compósitos.
• Semicondutores
Semicondutores podem ser definidos como materiais que conduzem corrente elé-
trica melhor que os isolantes mas não melhor que os metais.
Um grande número de materiais satisfaz a estas condições. Em temperatura ambi-
ente, a condutividade característica dos metais é da ordem de 104 a 106ohm−1cm−1,
enquanto nos isolantes é da ordem de 10−25 a 10−9ohm−1cm−1. Os materiais classi-
ficados como semicondutores possuem condutividade entre 10−9 e 104ohm−1cm−1.
Normalmente a condutividade dos metais diminui com o aumento da temperatura.
Com os semicondutores ocorre o contrário, a condutividade aumenta com o au-
mento da temperatura. Nos semicondutores o processo de condução pode ocorrer
de modo não iônico onde há o transporte de carga ou de massa (de elétrons).
As propriedades Únicas dos semicondutores dependem, acima de tudo, do nú-
mero de portadores de corrente elétrica. Estes portadores podem ser de dois tipos:
elétrons ou ”buracos”. O número de portadores pode variar dependendo da tem-
peratura, luminosidade, partículas nucleares, campos elétricos, ou imperfeições no
cristal na forma de átomos de impurezas ou do sistema cristalino.
• Biomateriais
Biomateriais são materiais empregados em componentes destinados ao implante
no corpo humano, substituindopartes doentes ou danificadas. Esses materiais
não devem produzir substancias tóxicas e deve ser compatível com os tecidos do
corpo, isto é, não deve produzir reações biológicas adversas. Todas as classes de
materiais podem ser utilizadas como biomateriais: metais, cerâmicos, polímeros,
semicondutores, compósitos, desde que sejam cuidadosamente selecionados.
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CAPÍTULO 1
PROPRIEDADES DO MATERIAIS
Todo projetista está vitalmente interessado nos materiais que lhe são disponíveis.
Quer seu produto seja uma ponte, um computador, um veículo espacial ou um auto-
móvel, deve ter um profundo conhecimento das propriedades características e do com-
portamento dos materiais que pode usar. Considere-se, por exemplo, a variedade de
materiais usados na manufatura de um automóvel: ferro, aço, vidro, plásticos, borracha,
apenas para citar alguns. E, somente para o aço, há um grande número de tipos ou
modificações. Com que critério é feita a escolha do material adequado para uma deter-
minada peça?
Ao fazer a sua escolha, o projetista deve levar em conta propriedades tais como resis-
tência mecânica, condutividade elétrica e/ou térmica, densidade e outras. Além disso,
deve considerar o comportamento do material durante o processamento e o uso, onde
plasticidade, usinabilidade, estabilidade elétrica, durabilidade química, deve ser utilizada.
Muitos projetos avançados em engenharia dependem do desenvolvimento de materiais
completamente novos. Por exemplo, o transistor nunca poderia ter sido construído sem a
descoberta dos semicondutores; o desenvolvimento da bateria solar exigiu um novo tipo
de semicondutor.
Desde que, obviamente, é impossível para o projetista ter um conhecimento detalhado
dos milhares de materiais disponíveis, assim como manter-se a par dos novos desenvol-
vimentos, ele deve ter um conhecimento adequado dos princípios gerais que governam
as propriedades de todos os materiais.
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1.1 PROPRIEDADES MECÂNICAS
São aquelas que definem o comportamento do material segundo um determinado es-
forço a que ele pode ser submetido. O conjunto de propriedades mecânicas é baseado
nas seguintes características do material:
Resistência mecânica:
É a propriedade apresentada
Figura 1.1: Tipos de esforços mecânicos.
pelo material em resistir a esfor-
ços externos, estáticos ou lentos.
Tais esforços podem ser de na-
tureza diversa, como sejam: tra-
ção, compressão, flexão, torção,
cisalhamento. Assim, os esque-
mas abaixo representam os es-
forços referidos:
Elasticidade:
Propriedade apresentada pelos materiais em recuperar a forma primitiva tão depressa
cesse o esforço que tenha provocado a deformação.
A deformação elástica é reversível e desaparece quando a tensão aplicada é removida.
Figura 1.2: Deformação elástica.
O módulo de elasticidade (módulo de Young) é quociente entre a tensão aplicada e a
deformação elástica resultante. Ele está relacionado com a rigidez do material. O módulo
de elasticidade resultante de tração ou compressão é expresso em unidade de tensão
(psi ou kgf/mm2). O valor deste módulo é primordialmente determinado pela composição
do material e é apenas indiretamente relacionado com as demais propriedades mecâni-
cas. O módulo de Young é determinado a partir do ensaio de tração.
Plasticidade:
É a propriedade que apresentam certos materiais de se deixarem deformar permanente-
mente assumindo diferentes tamanhos ou formas sem sofrerem rupturas, rachaduras ou
fortes alterações de estrutura quando submetidos a pressões ou choques compatíveis
com as suas propriedades mecânicas. A plasticidade é influenciada pelo calor (o aço ao
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rubro torna-se bastante plástico).
Figura 1.3: Deformação plástica.
O inverso da plasticidade é a fragilidade ou quebrabilidade; assim, um material é dito
frágil ou quebradiço quando o mesmo ao romper-se apresenta uma pequena deforma-
ção.
A plasticidade pode ser subdividida em:
• Maleabilidade: É a maior ou menor facilidade apresentada pelo material em se
deformar sob ação de uma pressão ou choque, compatível com a sua resistência
mecânica.
Um material é maleável quando sob ação do laminador ou do martelo da forja, não
sofre rupturas ou fortes alterações na estrutura (endurecimento inadmissível).
A maleabilidade pode ser a quente ou a frio. Se a maleabilidade a frio é muito
grande o material é chamado plástico.
• Ductilidade: É a capacidade que os materiais possuem de se deformar plastica-
mente até a ruptura. Deformação plástica é aquela que impõe ao material uma
deformação permanente.
Assim sendo, o seu valor pode ser expresso como alongamento e nas mesmas
unidades de deformação. Um comprimento comum (embora não universal) para
a medida do alongamento é 50mm. Uma segunda medida da ductilidade é a es-
tricção que é a redução na área de seção reta do corpo, imediatamente antes da
ruptura.
Os materiais altamente dúcteis sofrem grande redução de área da seção reta antes
de romper.
Este índice é sempre expresso em porcentagem (redução percentual de área) e é
calculado como se segue:
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Figura 1.4: Estricção
Z =
S0−Sf
S0
· 100
onde: S0 =
πD20
4
e Sf =
πD2f
4
Dureza:
É definida pela resistência da
Figura 1.5: Dureza Brinell.
superfície do material à penetra-
ção, ao desgaste e ao atrito, em-
bora a primeira definição seja a
mais comumente aceita. Como
se pode esperar, a dureza e a re-
sistência à tração estão intima-
mente relacionadas. A determi-
nação da dureza é obtida a par-
tir de uma série de ensaios des-
tinados especificamente para tal
intento.
Fluência (creep):
O fenômeno de alongamento contínuo e que pode conduzir à ruptura é denominado
fluência. Esta característica é típica de materiais ferrosos quando submetidos a cargas
de tração constantes por longo tempo a elevadas temperaturas(> Tfusão). Deformam-se
continuamente mesmo quando a solicitação é menor do que a tensão de escoamento do
material naquela temperatura. A fluência ocorre mesmo quando o material é solicitado
na temperatura ambiente, mas nessa temperatura a fluência é praticamente desprezível
comparada com a que ocorre em temperaturas elevadas.
O fenômeno da fluência ocorre nos instrumentos de corda, violão, por exemplo. É impor-
tante frisar que certas peças ficam inutilizadas se alongarem apenas 0,01%.
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Resiliência:
É a maior ou menor reação do material às solicitações dinâmicas, isto é, a propriedade
do material resistir a esforços externos dinâmicos (choques, pancadas, etc.) sem sofrer
deformação permanente. Como exemplo citamos as peças de um britador de mandíbu-
las, uma matriz para forjamento, uma ferramenta de corte, molas, etc. Assim, as molas
são feitas de materiais de elevada resiliência.Resiliência de um material é a sua capaci-
dade de absorver energia na região elástica.
Tenacidade:
É dada pela energia consumida para fraturá-lo . Em outras palavras, tenacidade mede a
capacidade que o material tem de absorver energia até fraturar-se incluindo a deforma-
ção elástica e plástica quando essa energia é absorvida progressivamente.
A tenacidade é, pois, medida pela área total do diagrama tensão-deformação. Em geral
diz-se que um material é tanto tenaz quanto maior é a sua resistência à ruptura por tra-
ção ou distensão; isto nem sempre é verdadeiro, pois alguns aços doces, por exemplo,
são mais tenazes que os aços duros, isto porque os aços duros apresentam, na ruptura
pouquíssima deformação.
A tenacidade tem alguma relação com a resistência ao choque, porém os valores da
energia medidos para ambos os casos não concordam para todos os materiais ou con-
dições de ensaio.
1.2 PROPRIEDADES TECNOLÓGICAS
São as que conferem ao material uma maior ou menor facilidade de se deixar traba-
lhar pelos processosde fabricação usuais. As propriedades tecnológicas são:
Fusibilidade: É a propriedade que o material possui de passar do estado sólido para
o líquido sob ação do calor. Todo metal é fusível, mas, para ser industrialmente
fusível, é preciso que tenha um ponto de fusão relativamente baixo e que não sofra,
durante o processo de fusão, oxidações profundas, nem alterações na sua estrutura
e homogeneidade.
Temperaturas de fusão de alguns metais:
Tabela 1.1: Temperaturas de fusão
Alumínio 650oC
Ferro puro 1530oC
Aços 1300oC a 1500oC
Zinco 420oC
Gusa e fofo 1150oC a 1300oC
Chumbo 330oC
Cobre 1080oC
Estanho 235oC
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Soldabilidade: É a facilidade que os metais ou outros materiais têm de se unirem por
meio da soldagem e de formarem uma série contínua e sólida, sem alterar as pro-
priedades mecânicas dos materiais originais. A soldabilidade depende do tempo
em que o metal permanece num estado sólido-plástico, sob o efeito do calor produ-
zido pela ação soldante. O metal ou liga que passar instantaneamente do estado
sólido para o líquido é dificilmente soldável(ferro fundido, por exemplo).
Temperabilidade: Propriedade que possuem alguns metais e ligas de modificarem a
sua estrutura cristalina (endurecimento) após um aquecimento prolongado seguido
de resfriamento brusco. Tal propriedade caracteriza o aço com certo teor de car-
bono, assim, como determinadas ligas de alumínio, transformando a estrutura cris-
talográfica do material que, em conseqüência, altera todas as propriedades mecâ-
nicas.
Usinabilidade(ou maquinabilidade): É a propriedade de que se relaciona com a resis-
tência oferecida ao corte e é medida pela energia necessária para usinar o ma-
terial no torno, sob condições padrões. A usinabilidade de um material é obtida
comparando-se com a de um material padrão cuja usinabilidade é convencionada
igual a 100.(aço B1112). O conhecimento da usinabilidade de um material permite
calcular os tempos necessários às operações de usinagem que é, portanto, indis-
pensável na programação de uma fabricação. A usinabilidade é um fator que influi
bastante na escolha de um material que deve ser usinado; assim, as máquinas au-
tomáticas d~ao grande produção quando usinam os chamados aços de corte fácil
(free cutting steels) também chamados de usinagem fácil, que s~ao materiais com
alta percentagem de enxofre, fósforo ou chumbo.
Fadiga: Fadiga não chega a ser uma propriedade do material mais sim, um problema ca-
racterístico de materiais sujeitos a esforços cíclicos. Quando um material é sujeito
a esforços dinâmicos, durante longo tempo, é observado um ”enfraquecimento” das
propriedades mecânicas ocasionando a ruptura. A fadiga pode ser também superfi-
cial, ocasionando desgaste de peças sujeitas a esforços cíclicos, como comumente
ocorre em dentes de engrenagens
1.3 PROPRIEDADES TÉRMICAS
Propriedades térmicas estão vinculadas às características dos materiais quando sub-
metidos a variações de temperatura. Dentre estas propriedades destacam-se:
• Condutividade térmica: São propriedades que possuem certos corpos de trans-
mitir mais ou menos calor. Neste caso, materiais bons condutores de calor, na
ordem decrescente de condutibilidade: Ag, Cu, Al, lat~ao, Zn, A¸co e Pb. Corpos
maus condutores de calor, na ordem decrescente de condutibilidade: pedra, vidro,
madeira, papel, etc.
• Dilatação: Propriedade pela qual um corpo aumenta quando submetido a ação do
calor. A capacidade de dilatação de um material está relacionada ao chamado co-
eficiente de dilatação térmica, que pode ser: linear, superficial e volumétrico. Esta
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característica dos materiais deve ser considerada quando o mesmo é submetido a
variações consideráveis de temperatura.
1.4 PROPRIEDADES ELÉTRICAS
A mais conhecida propriedade elétrica de um material é a condutividade elétrica. A
condutividade elétrica é a propriedade que possuem certos materiais de permitir maior
ou menor capacidade de transporte de cargas elétricas. Os corpos que permitem a
eletricidade passar s~ao chamados condutores, sendo uma característica dos materiais
metálicos. Já os que não permitem tal fenômeno são os chamados materiais isolantes.
O cobre e suas ligas e o alumínio conduzem bem a eletricidade, sendo empregados na
fabricação de linhas elétricas e aparelhagens; as ligas Cr-Ni, Fe-Ni conduzem mal, ser-
vindo para construção de resistências elétricas, como reostatos, etc. Dentre os materiais
isolantes destacam-se: madeira seca, baquelite, ebonite,etc.
1.5 PROPRIEDADES ELETROMAGNÉTICAS
A característica mais comumente associada às propriedades eletromagnéticas é a:
Suscetibilidade magnética: É a propriedade que caracteriza a maior ou menor facili-
dade com que os metais reúnem ou dispersam as linhas de força de um campo mag-
nético. Os metais que reúnem de modo acentuado as linhas de força de um campo
magnético se denominam ”ferromagnéticos”. Exemplo: Fe, Ni e Co.
Os metais que reúnem fracamente as linhas de força de um campo magnético são de-
nominados ”paramagnéticos”. A maioria dos metais é paramagnético. Os metais que
dispersam as linhas de força de um campo magnético são denominados ”diamagnéti-
cos”.
1.6 PROPRIEDADES FÍSICAS
Dentre o conjunto de propriedades físicas destacam-se:
Densidade: É a relação entre o peso de certo volume de um corpo e o peso de igual
volume de água. É um número abstrato.
Exemplo: Pb = 11,4 Cu = 8,9 Al = 2,7 Mg = 1,7
Peso específico: É o peso da unidade de volume do corpo. Por exemplo: o peso
específico do aço é 7, 8kg/dm3.
1.7 PROPRIEDADES QUÍMICAS
Resistência à corrosão: Quase todos os materiais usados pelos projetistas s~ao
suscetíveis de corrosão por ataque químico.
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Para alguns materiais, a solubilização é importante. Em outros casos, o efeito da oxida-
ção direta de um metal ou de um material orgânico como a borracha é o mais importante.
Além disso, a resistência do material à corrosão química, devido ao meio ambiente, é da
maior importância. A atenção que damos aos nossos automóveis é um exemplo óbvio da
nossa preocupação com a corrosão. Desde que freqüentemente, o ataque pela corrosão
é irregular, é muito difícil medi-la. A unidade mais comum para a corrosão é polegadas
de superfície perdida por ano.
1.8 PROPRIEDADES ÓTICAS
Embora entre as propriedades óticas importantes para a engenharia incluem-se o
índice de refração, a absorção e a emissividade, apenas a primeira delas será discutida
aqui, porque as outras duas já s~ao mais especializadas. O índice de refração η é a
razão entre a velocidade da luz no vácuo c e a velocidade da luz no material, Vm:
η =
c
Vm
O índice também pode ser expresso em termos do ângulo de incidência i e do ângulo de
refração r:
η =
sen i
sen r
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CAPÍTULO 2
ESTRUTURA DOS MATERIAIS
A matéria apresenta um aspecto descontínuo desde o momento em que se acha
constituída por partículas elementares, átomos e moléculas. Quando se consideram as
características de uma substância não leva somente em consideração o comportamento
dos átomos isolados, mas também do conjunto de tudo aquilo que intervém em sua for-
mação.
Segundo o estado físico da substância, esses agrupamentos atômicos se apresentam
com características distintas; assim, como nos estados gasoso e líquido os átomos têm
grande mobilidade que permite adaptar-se a qualquer conformação externa que o con-
tenha. No estado sólido os átomos apresentam certa permanência em suas posições
o que confere ao material um certo grau de indeformabilidade, característico do estado
sólido.
Os materiais encontrados na natureza, ou mesmo fabricados podem ser classificados
segundo a regularidade em que átomos ou ions estão arranjados com respeitos a ou-
tros.
Assim, pode-se encontrar:
• Materiais Cristalinos;
Um material cristalino apresentauma ordem de átomos que se repete periodica-
mente até grandes distâncias atômicas . Esta ordem de átomos se forma durante
a solidificação do material, em três dimensões, e cada átomo é vinculado com áto-
mos vizinhos.
Dentre os materiais cristalinos podemos destacar:
– todos os metais;
– muitos materiais cerâmicos;
– alguns polímeros.
• Materiais amorfos (não cristalinos)
Dentre os materiais amorfos (materiais literalmente ”sem-forma”) incluem os gases,
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os líquidos e os vidros. Os dois primeiros são fluidos e são de maior importância
em engenharia, já que incluem muitos dos nossos combustíveis e o ar necessário à
combust~ao, como também a água. O vidro, o último dos três materiais amorfos, é
considerado um ;líquido rígido; entretanto, quando considerarmos a sua estrutura,
vemos que ele é um líquido super-resfriado.
2.1 ESTRUTURA CRISTALINA
Uma molécula tem uma regularidade estrutural, porque as ligações covalentes de-
terminam um número específico de vizinhos para cada átomo e a orientação no espaço
dos mesmos. A maioria dos materiais de interesse para a engenharia tem arranjos atô-
micos, que também s~ao repetições, nas três dimensões, de uma unidade básica. Tais
estruturas s~ao denominadas cristais. Um exemplo desta regularidade estrutural pode
ser observada no NaCl, conforme apresentado na figura abaixo:
Figura 2.1: Arranjo atômico do NaCl.
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2.2 SISTEMAS CRISTALINOS
Define-se um sistema cristalino como a forma do arranjo da estrutura atômica. A sua
representação consiste em substituir átomos e rede espacial por conjunto de pontos.
Chama-se célula unitária a menor porção constituinte de um reticulado cristalino, con-
forme apresentado na figura:
Figura 2.2: Estrutura cristalina
A ordem tridimensional dos átomos (arranjo das células unitárias) se repete simetri-
camente até os contornos dos cristais (também chamados contornos de grãos).
Na natureza é observado que os átomos, de forma geral, se arranjam de sete manei-
ras possíveis, conforme notado na figura abaixo:
2.3 ESTRUTURA CRISTALINA DOS PRINCIPAIS METAIS
Os principais metais apresentam estruturas conforme apresentado abaixo.
• CCC
Ba, Cr, Cs, Feα, Feδ, K, Li, Mo, Na, Nb, Ta, Tiβ, V, W, Zrβ
• CFC
Ag, Al, Au, Ca, Coβ, Cu, Feγ, Ni, Pb, Pt, Rh, Sr
• HC
Be, Cd, Coα, Hfα, Mg, Os, Re, Ru, Tiα, Y, Zn, Zrα
Estas estruturas cristalinas podem ser melhores observadas na figura abaixo:
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Figura 2.3: Contorno dos grãos.
Figura 2.4: Os sete sistemas cristalinos.
Figura 2.5: Principais sistemas cristalinos.
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2.4 ALOTROPIA OU POLIMORFISMO
É a propriedade que possui um corpo de apresentar-se em dois ou mais estados
cristalinos diferentes, seja pela simetria, seja pela estrutura reticular, de acordo com a
mudança de temperatura.
Assim, o ferro apresenta-se em três estados alotrópicos, conforme a temperatura em que
é considerado. Essas três formas alotrópicas são definidas como:
Ferroα (CCC) Ferroγ (CFC) Ferroδ (CCC)
Em temperatura ambiente, a forma alotrópica do ferro caracteriza-se pela estrutura CCC,
sendo este conhecido ferroα. Quando este é aquecido à 910◦C, observa-se uma mu-
dança radical na estrutura cristalina do ferro, passando então a estrutura CFC, sendo
denominado então ferroγ.
Caso o material seja aquecido até 1400oC, a estrutura volta a ser CCC. Neste caso o
ferro passa ser chamado de ferroδ.
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CAPÍTULO 3
MATERIAIS METÁLICOS
São substâncias simples que apresentam 1 a 3 elétrons no nível mais externo e que,
nas combinações químicas, cedem elétrons periféricos transformando-se em cations.
Apresentam, em linhas gerais as seguintes propriedades:
• Cor e brilho:
os metais, com exceção do ouro (amarelo) e cobre (vermelho) apresentam colora-
ção que varia do branco ao cinzento.
• Densidade:
Os metais, quanto a densidade, se classificam em leves (densidade menor que 6 -
alcalinos, alcalinos terrosos, Mg, Be, Al); e pesados (densidade superior a 6).
• Estrutura cristalina:
Característica observada em todos os metais.
Os materiais metálicos são classificados em: Metálicos ferrosos e Metálicos não-
ferrosos.
3.1 METAIS FERROSOS
O ferro é um metal cuja utilização pelo homem é muito antiga. As civilizações antigas
de Assíria, Babilônia, Egito, Pérsia, China, Índia e, mais tarde, da Grécia e de Roma já
fabricavam, por processos primitivos, armas e inúmeros utensílios de ferro e aço.
A importância do ferro como metal é tal que fundamenta a classificação dos materiais
metálicos, além de possuir um ramo da ciência dos materiais específico para seu estudo.
Portanto, siderurgia, é a ciência que estuda a metalurgia do ferro (Fe), enquanto que
metalurgia é a ciência que estuda a extração dos metais, seus minerais e suas ligas.
Os produtos siderúrgicos comuns são ligas ferro-carbono com teor de carbono compre-
endido entre 0 e 6,7%, sendo que industrialmente, essa faixa de teor de carbono varia
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somente entre 0 e 4,5%.
Os materiais metálicos ferrosos são, portanto, produtos siderúrgicos que se classificam
exclusivamente em função do teor de carbono encontrado na liga. Desta forma, os ma-
teriais metálicos ferrosos são classificados como:
Aços: Liga Fe-C cujo teor de carbono varia de 0 a 2,1%C;
Ferros fundidos: Liga Fe-C com o teor de carbono situando-se entre 2,1 e 6,7%C.
A produção dos aços e dos ferros fundidos pode ser definida segundo dois padrões
mundiais, cujas estruturas diferem significativamente. Tem-se, portanto, dois modelos de
usinas siderúrgicas:
• Usinas integradas
• Usinas mini-mills
3.1.1 USINAS INTEGRADAS
As usinas integradas abrangem todas as etapas necessárias para, a partir das matérias-
primas, produzir-se ferro e aço. O processo clássico e mais usado para a redução do mi-
nério de ferro utiliza o equipamento denominado alto forno, cujo produto consiste numa
liga ferro-carbono de alto teor de carbono, denominado ferro gusa, o qual, ainda no es-
tado líquido, é encaminhado à aciaria, onde, em fornos adequados, é transformado em
aço. Este é vazado na forma de lingotes, os quais, por sua vez, são submetidos à trans-
formação mecânica, por intermédio de laminadores, resultando blocos, tarugos e placas.
Estes, finalmente, ainda por intermédio de laminadores, são transformados em formas
estruturais com perfis em ”T”, ”I”, cantoneiras, trilhos, chapas, tarugos, etc.
O fluxograma apresentado na figura 3.1, representa esquematicamente, as principais
etapas para a fabricação do aço a partir do modelo de processos adotado pelas usinas
integradas.
Figura 3.1: Processo siderúrgico.
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3.1.1.1 MATÉRIA PRIMA
As matérias-primas básicas da usinas integradas são:
• minério de ferro;
• carvão;
• calcário.
a) Minério de ferro: O minério de ferro constitui a matéria-prima essencial para a manu-
fatura dos processos siderúrgicos.
Os minerais que contêm ferro em quantidade apreciável são os óxidos, carbonatos,
sulfetos e silicatos. Os primeiros são os mais importantes sob a ótica dos processos
siderúrgicos. Os principais óxidos encontrados na natureza são:
• Magnetita (óxido ferroso-férrico) de fórmula Fe3O4 , contendo 72,4% Fe;
• Hematita (óxido férrico), de fórmula Fe3O3 , contendo 69,9% Fe;
• Limonita (óxido hidratado de ferro), de formula 2Fe2O3 3H2O, contendo, em mé-
dia 48,3% Fe.
A magnetita é encontrada principalmente na Suécia, ao passo que a hematita é o
minério mais comum, sendo encontrado, entre outros países, na França, EUA, Rússia,
Índia, Austrália, Canada e Brasil.
O minério de ferro antes de ser inserido no alto-forno sofre um processo de beneficia-
mento, que compreende umasérie de operações a que os minérios de ferro de várias
qualidades podem ser submetidos, com o objetivo de alterar suas características físi-
cas ou químicas e torná-los mais adequados para a utilização nos alto-fornos. Essas
operações são, geralmente: britamento, peneiramento, mistura, moagem, classifica-
ção e aglomeração.
Os processos de aglomeração visam melhorar a permeabilidade da carga do alto-
forno, reduzir o consumo de carvão e acelerar o processo de redução. Dentre o
processos de aglomeração os mais importantes são: sinterização e pelotização.
b) Carvão: O carvão, utilizado nos alto-fornos, pode ser tanto de origem mineral quanto
de origem vegetal.
Têm várias funções dentro do processo que são:
• atuar como combustível gerando calor para as reações;
• atuar como redutor do minério, que é basicamente constituído de óxidos de ferro;
• atuar como fornecedor de carbono, que é o principal elemento de liga dos produ-
tos siderúrgicos.
Da mesma forma que o minério, o carvão também sofre um pré-processamento antes
de ser introduzido no alto-forno. Esta operação consiste no processo de coqueifi-
cação, que por sua vez consiste no aquecimento a altas temperaturas, geralmente
em câmaras hermeticamente fechadas, portanto com ausência total de ar, exceto na
saída dos produtos voláteis, do carvão mineral.
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c) Calcário: O calcário atua como fundente, ou seja, reage, pela sua natureza básica,
com substâncias estranhas ou impurezas contidas no minério e no carvão (geral-
mente de natureza ácida) diminuindo seu ponto de fusão e formando a escória, sub-
produto, por assim dizer, do processo clássico do alto-forno.
3.1.1.2 OPERAÇÕES SIDERÚRGICAS:
Figura 3.2: O alto forno
a) Operação do alto-forno (produção do ferro gusa):
O alto-forno constitui ainda o principal equipamento utilizado na metalurgia do ferro. A
partir dos primeiros fornos, dos tipos rudimentares, em que os gases eram perdidos na
atmosfera, constantes aperfeiçoamentos técnicos foram introduzidos e a capacidade
diária paulatinamente elevada, aproximando-se, nos dias atuais, de 10.000 toneladas
de ferro gusa por dia.
O alto-forno é uma estrutura cilíndrica, revestida internamente por tijolos refratários,
de grande altura, constituída por três partes fundamentais: o fundo, chamado de cadi-
nho, a parte mediana, conhecida como rampa, e a parte superior denominada cuba.
O cadinho, é o lugar onde o gusa líquido é depositado. A escória (conjunto de impu-
rezas que devem ser separadas do gusa), que se forma durante o processo, flutua
sobre o ferro que é mais pesado. No cadinho há dois furos: o furo de corrida, aberto
de tempos em tempos para que o ferro líquido escoe, e o furo para o escoamento da
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Figura 3.3: Alto forno
escória. Como a escória flutua, o furo para seu escoamento fica acima do furo de cor-
rida. Assim, sobra espaço para que uma quantidade razoável de ferro seja acumulada
entre as corridas.
Na rampa, acontecem a combustão e a fusão. Para facilitar esses processos, entre
o cadinho e a rampa ficam as ventaneiras, que são furos distribuídos uniformemente
por onde o ar préaquecido é soprado sob pressão.
A cuba ocupa dois terços da altura total do alto-forno. É nela que é colocada, alterna-
damente e em camadas sucessivas, a carga, composta de minério de ferro, carvão e
os fundentes (cal e calcário).
Na operação do alto forno são inseridos, em sua parte superior, o carvão (na forma
de coque ou carvão vegetal), o minério de ferro (sínter ou pelotas) e os fundentes.
A redução dos óxidos de ferro acontece à medida que o minério, o agente redutor
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(coque ou carvão vegetal) e os fundentes descem em contra-corrente, em relação
aos gases. Esses gases são o resultado da queima do coque (CO) com o oxigênio do
ar quente (em torno de 1000oC) soprado pelas ventaneiras, e que escapam da zona
de combustão. Este processo ocorre na rampa do alto-forno.
Conforme o coque vai se queimando, a carga vai descendo para ocupar os pedaços
vazios. Esse movimento de descida vai se espalhando lateralmente pela carga, até
atingir toda a largura da cuba. As reações de redução, carbonetação e fusão geram
dois produtos líquidos: escória e o ferro gusa. Ambos são empurrados para os lados,
pelos gases que est~ao subindo e escorrem para o cadinho, de onde saem pelos
furos de corrida da escória e do gusa respectivamente.
Figura 3.4: alto forno
O ferro gusa, também conhecido como ”ferro fundido de primeira fusão”, é uma liga
ferro-carbono com elevados teores de carbono (3,4 a 4,5% C) que é vendido em blo-
cos como matéria-prima para a produção de aços e ferros fundidos (fofos). O ferro
gusa é extremamente frágil devido a significativa quantidade de impurezas presen-
tes na liga (fósforo, silício, enxofre, etc). Por esse motivo, ele tem praticamente ne-
nhuma aplicação na indústria. Basicamente, o uso do ferro gusa se resume, além
de servir de matéria-prima para a produção de outros produtos siderúrgicos, a uso
em contra-pesos de guindastes e na fabricação de pouquíssimas peças fundidas de
pouca responsabilidade.
Este material quando refundido, num forno como o cubilô, junto com sucatas de ferro
fundido e aço, dá origem ao ”ferro fundido de segunda fusão”ou ferro fundido propri-
amente dito. Por outro lado, ele também pode ser encaminhado às aciarias onde se
dá a produção do aço.
b) Fabricação do aço: Sendo o ferro gusa uma liga ferro-carbono em que o carbono e as
impurezas normais - Silício(Si), Manganês(Mn), Fósforo(P) e Enxofre(S) - se encon-
tram em teores elevados, a sua transformação em aço, que é uma liga de mais baixos
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teores de Carbono (C), corresponde a um processo de oxidação, por intermédio do
qual a porcentagem daqueles elementos é reduzida até aos valores desejados.
A fabricação do aço, na usina siderúrgica, ocorre dentro de um setor específico co-
nhecido como aciaria. Há diversos modelos de aciaria cada uma utilizando processos
distintos para a produção do aço. O equipamento utilizado nas aciarias, conhecido
como conversor, é o responsável pelo método de obtenção, sendo os mais tradicio-
nais:
• conversor Bessemer/Thomas sopro pelo fundo(quase não se usa mais);
• conversor Tropenas sopro lateral(pequena produção);
• conversor L-D (Linz-Donawitz) sopro superior.
Dentre os modelos apresentados, o mais utilizado no Brasil é o Linz-Donawitz. O
conversor L-D, também conhecido como BOP(”basic oxygen process”).
Figura 3.5: Produção do aço.
Este tipo de conversor é constituído de uma carcaça cilíndrica de aço resistente ao
calor, revestido internamente por materiais refratários de dolomita ou magnesita, con-
forme indica a figura 3.6. Neste processo, introduz-se oxigênio, praticamente puro,
através de uma lança posicionada pouco acima da superfície do gusa líquido, que
o sopra provocando um impacto na superfície líquida. Este sopro de oxigênio pro-
move uma reação de oxidação eliminando o carbono e outras impurezas: silício (Si),
fósforo(P) e enxofre(S).
O carbono eliminado da liga Fe-C forma com o oxigênio, o CO e o CO2. O silício
oxidado, forma SiO2. O fósforo é eliminado antes do carbono pela ação da cal, que
introduzida no conversor após a introdução do oxigênio pela lança. Forma-se uma
escória que garante a fixação do P2O5 resultante da oxidação. O enxofre é facilmente
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Figura 3.6: Conversor LD.
eliminado, devido à forte agitação do banho e pelo fato da escória apresentar-se mais
quente e mais fluida.
O fim do sopro é determinado através de cálculos que indicam o teor de carbono a
ser atingido.
A lança é então retirada sendo, em seguida, o forno basculadopara a posição hori-
zontal de modo a proceder-se ao vazamento do aço.
c) Fabricação do Ferro Fundido: O material da primeira fusão obtido no alto forno (ferro
gusa) é levado a uma fundição e refundido junto com sucata de ferro fundido e aços
no forno cubilô dando origem ao ferro fundido de segunda fusão com 2,3 a 3,5%C.
O forno cubilô é um forno vertical cilíndrico revestido de tijolos refratários e equipado
com ventaneiras na parte inferior.
A carga, que é feita por uma abertura lateral, na parte superior e consiste de ferro
gusa, sucatas de ferro fundido e aço, carvão coque e calcário. Essas matérias-primas
são depositadas em camadas alternadas. O metal fundido se reúne no fundo do
forno, de onde é escoado pela bica a determinados intervalos de tempos. A escória
é previamente retirada por outro orifício situado em um nível mais alto. O fundo do
forno cubilô também pode ser removido para a limpeza e reparação da sola.
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Figura 3.7: Forno cubilô
3.1.2 USINAS MINI-MILLS:
3.1.2.1 MATÉRIA PRIMAS:
Este tipo de processo utiliza basicamente sucata (de aço ou ferro fundido) e cal. Pode-
se também, a partir da aquisição do gusa, proveniente das usinas integradas, trabalhar
com este material.
3.1.2.2 OPERAÇÕES SIDERÚRGICOS:
O conceito de fabricação do aço, observado nas usinas mini-mills, parte do princí-
pio que não é necessário incorporar ao processo as operações realizadas no alto-forno.
Pode-se, portanto, segundo este conceito americano, trabalhar-se com sucata promo-
vendo a fusão deste metal e adicionando os elementos de liga necessários à fabricação
de um aço novo.
Desta forma, usinas tipo mini-mills iniciam seu processo a partir do que se identifica
como as operações da aciaria observadas nas usinas integradas.
O princípio é transformar a energia elétrica em energia térmica, por meio da qual,
promove-se a fusão do gusa e/ou da sucata, onde as condições de temperatura e oxida-
ção do metal líquido são severamente controladas.
Os fornos elétricos são basicamente de dois tipos: a arco elétrico e de indução.
a) Forno de arco elétrico:
Em geral estes fornos são basculantes e têm o aspecto conforme apresentado na
figura 3.8:
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Figura 3.8: Forno elétrico.
Utiliza arco elétrico entre 3 eletrodos de grafite e a carga. Em geral utiliza sucata
como carga, tempo de corrida 2 horas (em geral usado para aços especiais).
b) Forno de indução:
O conjunto que compõe esse forno é formado de um gerador com motor de aciona-
mento, uma bateria de condensadores e uma câmara de aquecimento. Essa câmara
é basculante e tem, na parte externa, a bobina de indução, conforme indicado na
figura 3.9:
Figura 3.9: Forno de indução.
O cadinho é feito de massa refratária socada dentro dessa câmara, onde a sucata se
funde por meio de calor produzido dentro da própria carga.
O fenômeno químico observado nos fornos de indução é semelhante àquele existente
nos fornos de arco elétrico.
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3.1.3 PRODUTOS SIDERÚRGICOS:
Os produtos da indústria siderúrgica são classificados, conforme mencionado anteri-
ormente, em função do teor de carbono encontrado na liga Fe-C.
O teor de carbono, como elemento de liga principal, exerce influência significativa
sobre as propriedades dos materiais. Tal influência se explica pelos diferentes níveis
de solubilidade do ferro em função da temperatura, que altera a sua forma alotrópica, e
modifica a capacidade de formar solução com o carbono.
Pode-se compreender melhor este fenômeno a partir de uma análise do diagrama de
fases Fe-C, apresentado na figura:
Figura 3.10: Diagrama de fases da liga Fe-C.
As principais considerações a serem feitas a respeito do diagrama binário Fe-C, com
relação às reações que ocorrem em equilíbrio e das estruturas resultantes, são as se-
guintes:
• o ponto A corresponde ao ponto de fusão do ferro puro 1538oC e o ponto D, impre-
ciso,ao ponto de fusão do Fe3C;
• na parte superior esquerda do diagrama, numa faixa estreita, ocorre uma reação
especial chamada ”peritética”, na passagem do estado líquido ao sólido, em torno
de 1495oC a qual, contudo, não apresenta importância sob o ponto de vista prático.
Nesse trecho, ao solidificar, o ferro adquire a estrutura cúbica centrada - chamada,
nesse caso, de δ (delta), passando, entretanto, quase a seguir, à estrutura cúbica
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de face centrada γ (gama), que caracteriza o ferro a alta temperatura. A 912oC, há a
passagem da forma cúbica de face centrada para cubo centrado até a temperatura
ambiente, na forma alotrópica α (alfa);
• na faixa de temperaturas em que o ferro está na forma alotrópica gama, ele tem
capacidade de dissolver o carbono presente;
• entretanto, essa solubilidade do carbono do ferro gama não é ilimitada: ela é má-
xima a 1148oC e corresponde a um teor de carbono de 2,11%. A medida que cai a
temperatura, a solubilidade do carbono no ferro gama decresce; assim, a 727oC, a
máxima quantidade de carbono que pode ser mantido em solução sólida no ferro
gama é 0,77%; esses fatos são indicados no diagrama pelas linhas JE e Acm, esta
última representando, portanto, a máxima solubilidade do carbono ou do Fe3C no
ferro gama, nas condições de equilíbrio;
• as linhas JE e ECF correspondem à linha ”solidus” do diagrama;
• o carbono afeta a temperatura de transformação alotrópica gama-alfa: a partir de
0% de carbono, essa temperatura de transformação decresce paulatinamente, até
que para 0,77% ela se situa a 727oC. Abaixo de 727oC não poderá existir, em
nenhuma hipótese, nas condições de equilíbrio, ou seja, esfriamento muito lento,
ferro na forma alotrópica gama; tal fato é indicado pela linha PSK ou A1;
• entre teores de carbono 0 e 0,77% ocorre não apenas o abaixamento da tempe-
ratura de transformação alotrópica gama-alfa, esta transformação é paulatina ou
se dá em duas etapas: começa na linha GS ou A3 e termina na linha PS ou A1.
Somente a 727oC ela é instantânea;
• a solubilidade do carbono no ferro alfa n~ão é, de fato, nula: cerca de 0,008% de
carbono dissolvem-se à temperatura ambiente, e a 727oC, a solubilidade aumenta
para 0.02%; de 727oC para cima, decresce novamente a solubilidade do carbono
até 912oC torna-se nula. Neste instante, o ferro alfa passa a gama, que pode man-
ter em solução sólida o carbono em teores bem mais elevados, como se viu; os
fatos acima estão indicados pela linha QP e PG. Pode-se chamar a liga Fe-C com
carbono até 0,008% de ferro comercialmente puro;
• acima de 2,11% de carbono, na faixa dos ferros fundidos, duas linhas predominam,
na fase sólida: a linha ECF ”solidus”e a linha SK, indicada por A1, abaixo da qual
não pode existir ferro na forma alotrópica gama;
• a solução sólida do carbono no ferro gama chama-se ”austenita”; portanto, na zona
limitada pelas linhas JE, ES, SG e GNJ só existe austenita; essa zona é denomi-
nada ”austenítica”; esta austenita (nome derivado do metalurgista inglês Roberts
Austen é um constituinte estrutural de boa resistência mecânica e apreciável tena-
cidade e não-magnético;
• na zona limitada pelas linhas SE (Acm), ECF e SK (A1) existe simultaneamente
austenita e carbono, este último na forma de Fe3C, porque, como se viu, a solubili-
dade do carbono no ferro gama não é ilimitada;
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• o Fe3C é um carboneto contendo 6,67% de carbono, muito duro e frágil; esse
constituinte é denominado ”cementita”(do latim ”cementum”).
As linhas que marcam o início e o fim das transformações chamam-se linhas de transfor-
mação e elas limitam zonas chamadas zonas críticas.
Industrialmente, pode-se, portanto distinguir, a partir do diagrama de fases a caracte-
rização da liga Fe-C como:• Aço-Carbono: 0,008% ‘a 2,11% de Carbono;
• Ferro fundido: 2,11% ‘a 4,5% de Carbono.
3.1.3.1 AÇOS:
Os aços utilizados na construção mecânica se dividem em três grandes categorias:
• Aços-carbono ou comuns;
• Aços-liga;
• Aços especiais.
Estes últimos contêm elementos anexados propositalmente com a finalidade de forne-
cer ou melhorar as características dos aços: resistência mecânica, resistência à corrosão
ou ao calor, qualidades magnéticas, etc.
O aço é, talvez, o material mais empregado na maioria das construções mecânicas,
pelas suas ótimas características mecânicas e sua adaptabilidade.
Comercialmente são encontrados sob a forma de aços fundidos, laminados e trefila-
dos.
a) Aço-carbono (ou comum):
Quando o único elemento de liga é o carbono, o material é designado aço-carbono ou
aço comum.
Grandes variações de resistência e de dureza são obtidas pela modificação das per-
centagens de carbono ou por tratamentos térmicos. Com base no diagrama de equi-
líbrio Fe-C, pode-se interpretar as reações que ocorrem na faixa de composições
correspondentes aos aços, que são responsáveis por tais variações.
Na zona austenítica, após a solidificação das ligas, só ocorre austenita. No caso de
um aço hipoeutetóide - entre 0,008% e 0,77% de carbono, o ferro gama da austenita
começa a transformar-se em ferro alfa que se separa, visto que ele n~ao pode man-
ter em solução sólida senão quantidades irrisórias de carbono; assim a composição
estrutural da liga vai se modificando à medida que cai a temperatura: de um lado,
tem-se ferro puro alfa separando-se continuamente e do outro lado a austenita, cujo
teor de carbono vai aumentando, em direção ao ponto S.
No instante que a liga atinge a temperatura correspondente à 727oC, têm-se, portanto,
um equilíbrio, dois constituintes estruturais: ferro puro na forma alotrópica alfa e uma
solução sólida de 0,77% de carbono no ferro gama (ou seja, austenita com 0,77% de
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C). Nesse momento, todo o ferro gama remanescente transforma-se abruptamente
em ferro alfa. A transformação é, contudo, tão repentina que não há tempo suficiente
para que ocorra uma separação nítida entre o carbono (na forma de Fe3C ou ce-
mentita) e o ferro, na forma alotrópica alfa. Resulta um constituinte de forma lamelar,
formado por lâminas muito delgadas e muito próximas umas das outras, de ferro alfa
e Fe3C, dispostas alternadamente. Com aumentos microscópicos relativamente pe-
quenos, não dá para perceber tais lâminas. Com maiores aumentos, acima de 1000
vezes, por exemplo, elas são visíveis. Esquematicamente o aspecto dessa estrutura
está representada na figura (aço eutetóide). Devido à nuance de madrepérola que
esse constituinte adquire, quando examinado ao microscópio, é chamado ”perlita”.
Suas propriedades são intermediárias entre as do ferro puro (pouco resistente, mole
e muito dúctil) e a cementita (muito resistente, muito dura e muito frágil).
Figura 3.11: Representação esquemática das estruturas das ligas Fe-C, na faixa correspondente aos aços, resfriados lentamente,
conforme o diagrama de equilíbrio Fe-C.
O ferro puro, na forma alotrópica alfa, corresponde a uma estrutura chamada ”fer-
rita”(do latim ”ferrum”). A ferrita, como já se mencionou, pode manter em solução
sólida até 0,008% de carbono.
Os aços hipoeutetóides, com teor de carbono entre 0,008% e 0,77%, apresentam,
pois, a temperatura ambiente, uma estrutura composta de ferrita e perlita, como a
figura acima mostra esquematicamente. A quantidade de perlita aumenta e a de ferrita
diminui, a medida que a composição do aço cresce em direção ao ponto eutetóide.
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Ao resfriar-se lentamente um aço com a composição exatamente eutetóide (0.77%C),
a única transformação que ocorre é no ponto S, quando a austenita passa brusca-
mente a perlita, cuja estrutura está representada esquematicamente na mesma figura
3.11.
Para os aços hipereutetóides, entre 0,77 e 2,11% de carbono as reações que ocorrem
podem ser assim explicadas: a austenita, ao atravessar a linha SE ou Acm, de má-
xima solubilidade do carbono no ferro gama, começa a expulsar o excesso de carbono
que não pode ser mantido em solução. Em consequência, numa temperatura inter-
mediária entre Acm e A1, haverá em equilíbrio duas fases: uma, representada pela
austenita que vai se empobrecendo em carbono e outra, pelo carbono paulatinamente
expulso, na forma de Fe3C ou cementita.
Na temperatura de 727oC (linha A1), as fases que estão em equilíbrio serão, portanto:
de um lado o Fe3C e do outro a austenita com 0.77% de carbono, a qual se transforma
imediatamente em perlita ao atingir e ultrapassar a linha A1. A estrutura correspon-
dente, que permanece até a temperatura ambiente, como nos casos anteriores, é
perlita mais cementita; esta última vai localizar-se nos contornos dos grãos, como na
figura acima esquematicamente indica.
Assim, em resumo, para os aços, têm-se as seguintes estruturas, à temperatura am-
biente (ou abaixo da linha A1):
• ferro comercialmente puro: ”ferrita”, mole, dúctil, e pouco resistente;
• aços hipoeutetóides: ”ferrita mais perlita”, cuja resistência e dureza vão aumen-
tando e cuja ductilidade vai diminuindo, a medida que se caminha em direção ao
teor 0,77% de carbono;
• aços hipereutetóides: ”perlita mais cementita”; a quantidade desta, disposta nos
contornos dos grãos, aumenta a medida que se caminha para teores mais eleva-
dos de carbono; essa estrutura é dura, resistente e pouco dúctil, características
que se acentuam a medida que aumenta o teor de carbono.
Em função dessas propriedades das estruturas, os aços têm suas propriedades mo-
dificadas, a medida que o teor de carbono aumenta, conforme mostra o gráfico da
figura 3.12:
O aço-carbono é o mais barato dos aços, razão pela qual ele é preferível aos de-
mais, exceto quando condições severas de serviço exigem características especiais,
ou quando há necessidade de pequenas dimensões.
Os aços-carbonos, de um modo geral, cobrem todas as faixas das necessidades da
prática.
Com teor de 0,3% ou mais, pode ser tratado termicamente, melhorando suas pro-
priedades de resistência e dureza. Mas surgem dificuldades em peças de grandes
seções devido ao resfriamento lento do núcleo, o que impede as mudanças metalúr-
gicas requeridas para endurecimento e resistência.
O principal inconveniente do aço comum é a sua pequena penetração de endureci-
mento, estendido apenas a uma fina camada. O resfriamento deve ser muito rápido,
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Figura 3.12: Propriedades mecânicas dos aços/teor de carbono.
resultando tensões residuais internas, distorções, perda de ductilidade e, eventual-
mente, trincas.
Os aços comuns podem ser classificados, quanto à composição ou teor de carbono. A
classificação americana, praticamente adotada no mundo inteiro, define os seguintes
padrões:
• Aços de baixo teor de carbono até 0,25% de carbono;
• Aços de médio teor de carbono de 0,25% a 0,6% de carbono;
• Aços de alto teor de carbono de 0,6% a 2,0% de carbono.
De um modo geral, aços com baixo teor de carbono (até 0,25%) constituem cerca de
90% da produção total de aço.
Os aços comuns, além do carbono que é o seu principal elemento de liga, apresentam
manganês (Mn 0,3 a 0,6%), silício (Si 0,1 a 0,3%), fósforo (P máximo de 0,04%) e
enxofre (S máximo de 0,05%) como elementos sempre presentes, em função das
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matérias primas que foram utilizadas na fabricação de ferro gusa e do aço. Por essa
razão, esses elementos são normalmente especificados.
A tabela abaixo apresenta algumas indicações de utilização encontradas comumente
na prática.
Figura 3.13: Aplicações.
No Brasil, a Associação Brasileira de Normas Técnicas - ABTN, por intermédio das
normas NBR6006 classifica os aços-carbono e os de baixo teor em liga segundo os
critérios adotados pela AISI e SAE.
A representação é feita por quatro algarismos (classificação SAE):
X X X X
Em geral os dois primeiros indicam o tipo e a classe do aço. Os dois últimos a por-
centagem de carbono em centésimos.
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Figura 3.14: Classificação dos aços.
b) Aços-liga Existem três possibilidades para melhorar a resistência mecânica de qual-
quer metal:
• aplicar processos de fabricação por conformação mecânica, como prensagem e
laminação;
• tratar o metal termicamente, ou seja, submetê-lo a aquecimento e resfriamento
sob condições controladas;
• ou acrescentar elementos de liga.
A caracterização de um aço como aço-liga se dá quando a quantidade dos elementos
adicionados for muito maior do que as encontradas nos aços-carbono comuns, sendo
esta adição responsável por significativa modificação e melhoria em suas proprieda-
des mecânicas.
Dependendo da quantidade dos elementos de liga adicionados, o aço-liga pode ser:
• aço de baixa liga, se tiver até 5% de elementos de adição;
• aço de liga especial, se tiver quantidades de elementos de liga maiores do que
5%.
Os elementos de liga mais comumente adicionados ao aço são: níquel, manganês,
cromo, molibidênio, vanádio, tungstênio, cobalto, silício e cobre, sendo possível adici-
onar mais de um elemento de liga para se obter um aço-liga.
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