capitulo-03

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Mecânica dos Materiais
Metais
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Paulo Bonfim
1ª Edição
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Sumário
Metais
Para Início de Conversa... ............................................................................... 3
Objetivo ......................................................................................................... 3
1. Características Físicas ................................................................................. 4
2. Trabalho a Frio: Encruamento e Usinagens ......................................... 5
3. Trabalho a Quente: Forja e Siderurgia ................................................. 9
Referências ...................................................................................................... 11
Para Início de Conversa...
A abundância de metais in natura determinava o quanto uma população 
poderia prevalecer sobre a outra. O mundo ocidental, moldado pelas 
tradições greco-romana e pela religião judaico-cristã, dominou as 
forjas de ferro e aço posteriormente ao oriente (China e Japão), mas 
as sociedades orientais eram extremamente fechadas, dificultando a 
expansão do seu o domínio cultural. 
O ocidente se fez valer de ampla vantagem tecnológica no seu 
expansionismo cultural, comercial e cultural nos séculos XV, XVI e XVII 
muito graças ao domínio das forjas de aço. Em especial, o norte da 
Europa, que possuía jazidas de ferro e carvão em abundância e soprava 
o carvão com foiles para obter a temperatura necessária para malhar o 
ferro e obter o aço, já no ano 1000 A.C. 
Os metais permitiram um domínio bélico sobre as populações do Novo 
Mundo (América).
Nos tempos atuais, existem materiais que superam os metais em 
tenacidade e resistência, usando alguns compósitos e polímeros de 
engenharia, como a fibra de carbono. Porém, o custo ainda é elevado 
para substituir a maioria dos seus usos.
Objetivo
Introduzir os processos de obtenção e conformação dos cristais metálicos.
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1. Características Físicas
Os cristais metálicos são relativamente escassos na natureza por causa 
do fato de sua oxidação ser mais comum do que sua cristalização. 
Alguns minérios de ferro, de cobre, de alumínio, de estanho e de mercúrio 
podem ser encontrados com mais facilidade do que os metais nobres, 
tais como: prata, platina e ouro. Estes últimos são escassos, também, 
por razões geológicas e até astronômicas, pois são elementos de maior 
massa atômica e sua formação, que ocorre no interior das estrelas, por 
fusão termonuclear, tende a acontecer no final do ciclo dessas estrelas.
Logo, entende-se que os metais mais nobres e de massa atômica maior 
também existem em menor quantidade no cosmos. 
A natureza das ligações químicas metálicas causa toda a diferença de 
como os cristais metálicos possuem natureza física diferente das outras 
substâncias naturais. Segundo Therald (1980, p.239-240):
Ligação metálica é uma ligação química de átomos caracterizada 
normalmente por um subnível eletrônico d completo e um s incompleto, 
pelo qual os elétrons fluem livremente através de uma estrutura 
cristalina definida. Em relação às condições normais de temperatura e 
pressão, a ligação metálica confere a substância um alto ponto de fusão 
e vaporização e usualmente apresenta uma densidade superior a outras 
ligações químicas. Tal ligação também fornece outras propriedades tais 
como facilidade na conformação, ductilidade, brilho e alta condutividade 
térmica e elétrica mesmo quando no estado líquido.
Apesar de que, em alguns aspectos, a definição acima seja questionada 
pela pesquisa de ponta em materiais, ela concorda em algumas partes 
sobre o que é observado no uso dos metais: eles são duros, porém dúcteis 
o suficiente para serem conformados em diversas formas e, geralmente, 
são mais tenazes do que outros materiais. 
Dessa forma, as duas grandes características mecânicas dos metais (na 
sua forma cristalina), que os diferem dos outros materiais naturais, são:
Maior tenacidade
A tenacidade é a energia total necessária para provocar a fratura do 
material sob deformação, desde seu comprimento inicial (sem carga) 
até a sua ruptura.A tenacidade permite um amplo uso dos metais em 
armas e utensílios, pois faz com que se executem tarefas mecânicas 
repetitivas diversas vezes, sem que deformações ou fraturas inutilizem 
a peça. Como exemplo, podemos citar o Machado de Guerra Egípcio, que 
conferiu a essa civilização antiga uma grande vantagem contra os outros 
grupos que os atacavam, pois simplesmente deformavam muito pouco 
em batalha, mantendo seu corte.
Mecânica dos Materiais 4
Facilidade de conformação 
Os metais aceitam tanto conformações quentes (forja) como 
conformações frias (trefilação, laminação etc.) e podem ser moldados 
em diversas formas. Basicamente, nenhum outro tipo de material natural 
possui essa característica.
Além das características mecânicas, os metais contam com características 
físicas importantes: 
 ▪ Alta condutividade térmica e elétrica que os tornam únicos em 
dispositivos elétricos e máquinas térmicas;
 ▪ Brilho, fundamental para superfícies refletoras e outros instrumentos 
óticos;
 ▪ Dureza, que também contribui com altos ponto de fusão e vaporização 
necessários em dispositivos que devem suportar altas pressões, 
temperaturas ou centelhas elétricas de alta voltagem.
Modernamente, muitos materiais compósitos (fibra de carbono e grafeno) 
passaram a competir com os metais em aplicações mais especializadas, 
tanto na mecânica de alto desempenho (aviação e astronáutica) quanto 
nas aplicações eletroeletrônicas.
Contudo, o reinado do metal cristalino ainda parece distante de ser 
superado no volume. É possível perceber isso no grande volume 
produzido anualmente, na casa 1,5 bilhões de toneladas de aço bruto. 
Isso mostra que o uso de materiais substitutivos ainda é incipiente.
2. Trabalho a Frio: Encruamento e Usinagens
A possibilidade de conformação dos metais cristalinos com processos 
frios faz toda a diferença na escolha de materiais para as diversas 
atividades tecnológicas.
O trabalho a frio, também chamado encruamento, tende a produzir 
linhas de discordância na estrutura cristalina das ligas de 
metais cristalinos. Esse processo costuma aumentar 
a dureza da liga metálica e a sua resistência. 
A liga metálica consiste em material formado 
por mais de um tipo de átomo, em que, pelo 
menos um deles é um metal, e a ligação 
química predominante é a metálica. 
O melhor exemplo de liga metálica seria 
o aço, liga ferrosa que, no mínimo, também 
possui carbono na sua composição.
Figura 1: Linhas de discordância produzidas 
por encruamento em liga metálica, vistas em 
microscópio eletrônico. Fonte: CIMM.
Mecânica dos Materiais 5
As discordâncias criam falhas mapeadas na estrutura cristalina. Isso altera 
as características mecânicas da liga metálica, principalmente, a dureza.
Geralmente, os materiais encruados tendem a ficar mais duros, mas 
existe um limite para esse encruamento antes que esse material comece 
a ficar duro demais e a falhar com rachaduras ou rompimentos. Esse 
limite é dado pela porcentagem de trabalho a frio:
Aqui, A0 é a maior área inicial da peça, em que sofreria laminação ou 
estiramento, reduzindo sua espessura em direções transversais às áreas 
iniciais e aumentando sua área final (Af ). 
Os processos frios de laminação tendem a transformar lingotes de ligas 
metálicas em lâminas. Tanto a laminação como o estiramento podem ser 
feitos a frio ou a quente. 
Neste tópico, estamos tratando dos processos frios, e o estiramento 
pode ser mostrado pelo processo de trefilação, que consiste em 
tracionar cilindros ou fios de material metálico, sob forma (fieira), 
reduzindo seu diâmetro e produzindo um encruamento, o que torna o 
materialmais duro.
Figura 2: Estiramento na forma de uma trefilação. Fonte: EBAH (Alberto Medeiros).
No caso da trefilação a frio, a liga metálica deve ser de material já com 
relativa dureza (fios de aço), pois ele será tracionado pela região de menor 
diâmetro. Repare que o material está sendo tracionado à direita da fieira.
Desse modo, deve possuir limite de resistência à tração (LTR - unidade I) 
alto. Geralmente, a trefilação é mais comum em ligas de aço e materiais 
mais duros.
Já a extrusão a frio tende a ser mais executada em metais cristalinos e 
ligas mais macias (alumínio, cobre e suas ligas).
Mecânica dos Materiais 6
Figura 3: Extrusão com o mecanismo básico da máquina extrusora. 
Fonte: EBAH (Adriano Almeida).
A extrusão é oposta à região de carga mecânica da trefilação, já que 
empurra o tarugo de liga metálica sobre a ferramenta de redução da 
área transversal. Repare que na figura, o pistão empurra o tarugo sobre a 
ferramenta da esquerda para a direita. Esse método também é utilizado a 
quente em polímeros e outros materiais mais macios. Pode ser utilizado 
para conformar tubos de aço. Nesse caso, o aço deve ser aquecido bem 
acima da sua temperatura de recristalização. 
Apesar das linhas de discordância da rede molecular serem importantes, a 
estrutura mais prática para a análise de um metal é a estrutura de grãos.
Os grãos do metal, na prática, são mais fáceis de serem analisados, pois 
são estruturas maiores. O seu tamanho fica na casa dos 1 μm=10-6m, 
que são mil vezes maiores, em média, do que as células cristalinas na 
casa dos nanômetros (1 ηm=10-9m), que é a escala molecular.
No encruamento, esses grãos são deformados e, junto com as linhas 
de discordância, tendem a cisalhar menos, pois suas alças passam a se 
travar, deixando o material mais duro sobre o encruamento.
Cisalhamento: deformação a qual está sujeito um corpo quando forças 
paralelas, contrárias e não concorrentes provocam em um elemento de 
volume, um deslocamento entre planos diferentes.
Figura 4: Deformação dos grãos de uma peça de latão sob encruamento. 
Fonte: EBAH (Sâmara Pimy).
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Podemos ver, na Figura 4, que o encruamento, provavelmente um 
estiramento (trefilação) ou laminação, deformou os grãos, o que tornou 
o material mais duro.
Análise dos contornos dos grãos é denominada análise metalográfica e 
consiste em uma preparação da amostra metalográfica para posterior 
análise em microscópio metalográfico invertido.
Os contornos dos grãos são observados, assim como a presença de 
impurezas. Todo o processo de observação em microscópio, nos dias 
atuais, é registrado em fotos e comparado com gabaritos e softwares 
computadorizados.
Geralmente, o gráfico de tensão deformação está 
correlacionado com a deformação dos grãos. 
Para melhor análise, podemos sobrepor um 
gráfico antes e depois do encruamento. Veja.
Gráfico 1: Efeito na curva de tensão x deformação quando uma liga é submetida ao 
encruamento. Fonte: Do autor.
O gráfico mostra uma liga metálica genérica com curva ‘A’ submetida 
a um encruamento, sofrendo uma mudança na sua curva de tensão 
x deformação.
Na extensão B, o material tem claramente seu limite resistência à 
tração (LTR) aumentado. A visualização de amostra metalográfica 
antecipa esse resultado e torna desnecessário um ensaio de tração após 
o encruamento.
Mecânica dos Materiais 8
Para materiais ferrosos (ferro fundido, aço e ligas), a maior parte do 
trabalho a frio se dá nas conformações finais das peças, chamadas 
usinagens. Isso acontece em função do alto valor da temperatura de 
recristalização (o que veremos adiante), o que torna esses materiais 
duros demais para certos encruamentos.
A usinagem mecânica é o processo de desbaste de peças metálicas ou não, 
de forma a dar contornos finais e acabamento. Como exemplo de máquinas 
de usinagem temos o torno, a fresadora, a furadeira, a retificadora. 
Quando a peça é submetida à usinagem, localmente a ação de desbaste 
tende a deformar grãos e tornar o local mais duro.
3. Trabalho a Quente: Forja e Siderurgia 
Dentre os processos de conformação a quente de metais cristalinos e 
ligas, destaca-se a forja. 
Forja é a oficina ou estabelecimento onde se fundem e modelam metais, 
em especial, os materiais ferrosos, Ferro fundido e ligas de aço, muitas 
vezes, só são modificados na sua forma em temperaturas maiores do que 
a temperatura de recristalização.
Para muitos autores da ciência dos materiais, todo trabalho executado 
sobre o metal abaixo da temperatura de recristalização é considerado 
um trabalho frio. 
Na prática, perto dessa temperatura, tem-se uma competição entre o 
surgimento de discordâncias e deformação dos grãos e o recozimento. 
O recozimento acontece quando, sob temperatura de recristalização, 
grãos antigos se fundem, transformando-se em grãos novos, destruindo 
discordâncias e as deformações dos grãos.
Nas diversas técnicas de forja, existe uma competição entre endurecer 
com o trabalho a frio (encruamento) e amolecer com o trabalho a quente. 
Em especial, isso é bastante evidente nos processos 
siderúrgicos que tratam exclusivamente de 
conformar, por meio da fundição, forja 
e encruamento, ferro e ligas de aço.
Mecânica dos Materiais 9
TEMPERATURA DE RECRISTALIZAÇÃO PARA ALGUNS MATERIAIS E LIGAS DE USO COMUM
Material Temperatura de Recristalização
Cobre Eletrolítico (99,999%) 121
Cu - 5% Zn 315
Cu - 5% Al 288
Cu - 2% Be 371
Alumínio Eletrolítico (99,999%) 279
Alumínio (99,0%) 288
Ligas de Alumínio 315
Níquel (99,999%) 571
Monel (Ni - Cu) 593
Ligas de Magnésio 252
Ferro Eletrolítico 398
Aço de Baixo Carbono 538
Zinco 10
Chumbo -4
Estanho -44
Quadro 1: Temperaturas de recristalização das principais ligas metálica. 
Fonte: CIMM.
Podemos reparar que os valores mais altos estão entre as ligas e cristais 
metálicos mais duros (níquel e aço). 
Uma vez forjado, o aço tem um processo dos mais importantes: 
a têmpera.
Além de fixar o carbono, a têmpera também produz tensões residuais 
importantes. O aço, após a têmpera tende a ficar muito duro, por conta 
da recristalização rápida.
O mais importante na metalurgia é entender que os processos frios 
e quentes se alternam para alcançar o resultado esperado. Logo, 
laminações e estiramentos podem ser sucedidos de aquecimentos 
acima da temperatura de recristalização e têmperas (resfriamentos 
rápidos, no caso do aço). No fim dos processos, prevalecem os trabalhos 
frios de usinagem.
Os metais cristalinos e suas ligas são especiais por causa de suas 
características mecânicas únicas, principalmente, em relação à sua 
tenacidade e facilidade de conformação. 
Praticamente nenhum outro material natural tem características 
semelhantes.
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Vimos como o encruamento tende a endurecer os metais e os 
trabalhos quentes tendem a amolecê-lo, em especial quando acima 
da temperatura de recristalização. Vimos, também, a diferença entre 
trefilação e extrusão a frio. 
Fica claro que cada metal cristalino tem o seu próprio caminho de 
processos, alternando conforme a necessidade. Enquanto alguns metais 
praticamente saem da fundição para o uso, outros aceitam diversos tipos 
de conformação.
Referências
ASKELAND, D. R.; PHULÉ, P. P. Ciência e engenharia dos materiais. São 
Paulo: Cengage Learning, 2008.
GARCIA, A.; SPIM, J. A.; SANTOS, C. A. Ensaios dos materiais. Rio de Janeiro: 
LTC, 2000.
MOELLER,T. Chemistry: With inorganic qualitative analysis. New York: 
Academic Press, 1980.
SHACKELFORD, James F. Ciência dos materiais. São Paulo: Pearson, 2008.
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