Tecnologia dos Materiais

Prévia do material em texto

TECNOLOGIA DOS 
MATERIAIS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CURSO TÉCNICO EM MECÂNICA 
 
Profª Polyana Borges 
 
 
 
 
 
 
 
 
2 
 
ÍNDICE 
 
 
Capítulo 1 – Introdução ................................................................................................ 4 
1.1 – Importância Científica e Tecnológica dos Materiais ................................ 4 
1.2 - Classificação dos Materiais Metálicos e Não Metálicos ........................... 4 
 
Capítulo 2 – Propriedades dos Materiais ....................................................................... 8 
2.1 – Propriedades Mecânicas ............................................................................ 8 
 2.1.1 – Tensão ..........................................................................................8 
2.1.2 – Deformação ..................................................................................9 
 2.1.3 - Diagrama Tensão x Deformação .................................................10 
 2.1.4 - Coeficiente de Segurança ............................................................12 
2.2 – Propriedades Térmicas ..............................................................................13 
2.3 – Propriedades Elétricas ...............................................................................13 
2.4 – Propriedades Químicas ..............................................................................14 
2.5 – Propriedades Óticas ...................................................................................14 
 
Capítulo 3 – Estrutura dos Materiais ..............................................................................15 
3.1 – Átomos e Ligações Atômicas ....................................................................15 
3.1.1 – Ligações Atômicas .....................................................................15 
3.2 – Estados e Arranjos Atômicos da Matéria ..................................................18 
3.3 – Principais Sistemas Cristalinos dos Materiais ...........................................19 
3.3.1 – Sistema Cúbico Simples (CS) .....................................................19 
 3.3.2 – Sistema Cúbico de Corpo Centrado (CCC) ................................19 
3.3.3 – Sistema Cúbico de Face Centrada (CFC) ..................................20 
3.3.4 – Sistema Hexagonal Compacto ...................................................20 
3.3.5 – Alotropia e Polimorfismo ..........................................................21 
3.3.6 – Estrutura Amorfa .......................................................................22 
3.3.6.1 – Gases ..........................................................................22 
3.3.6.2 – Líquidos .....................................................................22 
3.3.6.3 – Vidros .........................................................................22 
3.3.7 – Fases Cristalinas e Amorfas ......................................................23 
3.4 – Defeitos Subestruturais ...........................................................................23 
 3.4.1. Formação da Estrutura Cristalina ...............................................23 
3.4.2. Classificação dos Defeitos na Estrutura Cristalina ....................24 
3.4.3. Imperfeições Associadas à Composição Química.....................25 
3.4.4 - Defeitos de Ponto .....................................................................27 
3.4.5. Defeitos Lineares ......................................................................28 
3.4.6. Defeitos Planares ......................................................................30 
 
Capítulo 4 – Noções de Siderurgia .............................................................................32 
4.1 – Os Processos de Redução .......................................................................33 
4.2 – Aciaria .....................................................................................................36 
4.2.1 – Conversores a Oxigênio ...........................................................37 
4.2.2 – Forno Elétrico a Arco ..............................................................38 
4.2.3 – Desoxidação .............................................................................39 
3 
 
4.2.4 – Processos de Refino Secundário ............................................39 
 
 
Capítulo 5 – Noções de Ensaios dos Materiais ............................................................41 
5.1 – Ensaio de Tração ....................................................................................41 
5.2 – Ensaio de Dureza.......................................................................................46 
5.3 – Ensaio de Impacto ......................................................................................55 
5.4 – Ensaio de Fluência .....................................................................................60 
5.5 – Ensaio de Fadiga ........................................................................................64 
 
Capítulo 6 – Materiais Metálicos Não Ferrosos .............................................................69 
 6.1 - Alumínio e suas Ligas ................................................................................69 
 6.2 – Cobre e suas Ligas .....................................................................................73 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 
 
Capítulo 1 – Introdução 
 
1.1 – Importância Científica e Tecnológica dos Materiais 
 
 Nas últimas décadas, sensíveis mudanças ocorreram na Tecnologia dos 
Materiais. Essas mudanças forçaram a introdução de novos materiais adaptados as 
condições de melhor desempenho e economia energética dos sistemas. Com isso os 
automóveis tornaram-se mais econômicos, as turbinas de aviões mais eficientes, as 
plataformas de petróleo mais resistentes e as embalagens mais leves. 
 A competição internacional pelo mercado de produtos com alta tecnologia 
embutida, onde se obtém comparativamente os maiores lucros, tornou-se extremamente 
dependente dos novos materiais, quer sejam eles componentes de circuitos eletrônicos, 
partes estruturais de veículos, produtos químicos ou até implantes biológicos. 
As fases de evolução da humanidade são divididas em função dos tipos de 
materiais utilizados: idade da pedra, do bronze, do ferro, etc. 
As necessidades tecnológicas do mundo moderno têm levado os cientistas a 
estudar e a compreender o comportamento dos materiais de um modo mais científico. 
Assim, hoje, é de extrema importância procurar através das inter-relações entre estrutura 
e propriedade, entender os materiais do ponto de vista do seu desempenho, bem seja 
este mecânico, químico, elétrico, etc. 
 Para que um profissional possa utilizar a potencialidade dos novos materiais nos 
sistemas de alta tecnologia é necessário ter um razoável conhecimento dos fundamentos 
teóricos e práticos aplicáveis a qualquer material. Isto implica em conhecer desde a 
estrutura atômica da matéria até as maneiras de fabricação e de modificação das 
propriedades. Torna-se, portanto, essencial para o técnico de manutenção entender a 
inter-relação entre os seguintes três aspectos: a Estrutura dos Materiais, as suas diversas 
Propriedades e as respectivas Tecnologias de Processamento. Conhecimentos esses que 
são de importância fundamental no desenvolvimento de novas tecnologias, escolha de 
um projeto, seleção de materiais, indicação de custo-benefício, etc. 
 
1.2 – Classificação dos Materiais Metálicos e Não Metálicos 
 
Os materiais utilizados na construção mecânica preenchem dois grandes grupos: 
 
 
- Materiais Metálicos 
 
 São os materiais que essencialmente apresentam ligações metálicas entre seus 
átomos. Correspondem a todos os elementos conhecidos como metais na tabela 
periódica bem como suas respectivas ligas, isto é, soluções sólidas com outros 
elementos metálicos ou não metálicos. 
 São extraídos dos minérios que os contém por processosmetalúrgicos. A 
maioria dos metais, à temperatura ambiente, se apresenta em estado sólido. 
Os metais podem ser ferrosos ou não ferrosos. O metais ferrosos podem ainda 
ser divididos entre metais preciosos (ouro, paládio, platina e prata), metais básicos (são 
a maioria: alumínio, cobre, estanho, zinco, etc.), metais estratégicos (tório, silício, 
urânio) e metais refratários (tungstênio, vanádio, tântalo e nióbio). 
5 
 
Materiais refratários são materiais que resistem bem ao calor e por isso são 
muito usados em revestimento de fornos. Normalmente são cerâmicos. Já os metais 
refratários são metais que possuem alta temperatura de fusão. 
 Dos 40 metais empregados comercialmente, somente 8 são aproveitados na 
Engenharia. O cobre, o ferro, o chumbo e o estanho vêm sendo usados através dos 
séculos seja sob a forma metálica seja na forma de ligas. Os demais, o alumínio, o 
magnésio, o níquel e o zinco são relativamente recentes. 
 Em adição aos metais da engenharia, existem 13 elementos metálicos de grande 
importância na indústria metalúrgica, que são: antimônio, berílio, cádmio, cromo, 
cobalto, colômbio, manganês, mercúrio, molibidênio, titânio, tungstênio, vanádio e 
zircônio. 
 As ligas industrialmente comercializadas estão limitadas aquelas que apresentam 
melhor desempenho. As mais importantes ligas de ferro para a indústria contêm 
carbono. A quantidade de elemento de liga que se mistura com o metal principal 
normalmente não deve ultrapassar certos limites. No exemplo do carbono adicionado ao 
ferro, a quantidade máxima é de 2% para ainda se ter uma liga denominada Aço. Além 
deste limite de 2% de carbono forma-se um outro tipo de liga chamada Ferro Fundido, 
com utilização mais restrita que o aço. Acima de 6,7% de carbono não existe interesse 
industrial nas ligas Fe-C. 
 Outras ligas conhecidas: o zinco adicionado ao cobre forma uma liga 
genericamente conhecida como latão. O cobre adicionado ao estanho forma a liga 
chamada de bronze. 
 
- Materiais Não Metálicos 
 
 Como o próprio nome diz, são todos aqueles que não pertencem ao grupo dos 
metais. São constituídos de um só tipo de elemento. Sua utilização vem aumentando 
muito nos últimos anos. As principais vantagens buscadas são, baixo peso, resistência a 
corrosão, resistência a alta temperatura, resistência dielétrica e relativa facilidade de 
fabricação. 
 Podem ser gasosos a temperatura ambiente (oxigênio, nitrogênio, flúor, cloro) ou 
sólidos (boro, carbono, silício, fósforo). 
 Os principais materiais não metálicos são a madeira, a borracha, o algodão, o 
plástico, o couro, o vidro, as tintas, entre outros. 
O custo destes materiais pode variar muito comparado aos metais. Existem 
basicamente três categorias gerais de materiais não-metálicos de interesse geral: 
 
• Polímeros, 
• Cerâmicas, 
• Compósitos. 
 
A palavra polímero significa “muitas partes”. Os polímeros são moléculas orgânicas 
de cadeias muito longas baseadas em moléculas de carbono. 
Podemos citar o exemplo do PVC. Suas macromoléculas são formadas pela 
repetição do mero: 
 
6 
 
 
 
Essa repetição feita dezenas de milhares de vezes forma as cadeias: 
 
 
 
Nestas condições tem-se um material polimérico rígido com empregos bem 
conhecidos, como em tubulações. No entanto, se o mero dessa configuração atômica 
fosse repetido só 3 vezes, o material formado seria gasoso e sem interesse prático. 
Os polímeros podem ser naturais ou artificiais (sintetizados). 
 
- Polímeros naturais: são os polímeros encontrados na natureza, não havendo a 
intervenção do homem na sua síntese. Exemplos: madeira, material orgânico composto 
basicamente por celulose e lignina; cera; borracha natural. 
 
Fig. 1 – Lignina 
 
- Polímeros artificiais: grande parte dos polímeros utilizados hoje nos projetos é 
sintetizada pelo homem. Suas propriedades podem ser feitas sob medida em uma larga 
faixa por copolimerização com outros compostos ou pela formação de ligas com dois ou 
mais polímeros. Exemplos: polietileno, teflon. 
 
7 
 
 
Fig. 2 – Teflon 
 
Os polímeros podem ser classificados em duas classes: 
• Termoplásticos: São mais flexíveis e podem ser repetidamente fundidos e 
solidificados. Ex.: celulósicos, etilênicos, poliamidas, poliacetatos, 
policarbonatos. 
• Termofixos (ou Termorígidos): Devido a ocorrência de ligações cruzadas, são 
mais resistentes e mais rígidos. Ex.: aminas, elastômeros, epóxis, fenólicos, 
poliésteres, silicones, uretanos. 
 
Os cerâmicos são materiais que estão cada vez mais sendo utilizados na área de 
engenharia. As cerâmicas de engenharia são tipicamente, compostas de elementos 
metálicos e não metálicos. Podem ser óxidos simples de um metal, misturas de óxidos 
metálicos, carbetos, boretos, nitretos entre outros. 
As principais propriedades destes materiais são: alta resistência à compressão, 
dureza elevada, resistência química e à altas temperaturas entre outras. Normalmente 
são formados por compactação de pó e então queimados, ou sinterizados para formar 
ligações. Em geral são bons isolantes elétricos e térmicos. 
Os cerâmicos podem ser naturais (pedra, areia, quartzo, argila, talco, mármore, 
mica, etc.) ou industrializados (vidro, tijolos, cimento, refratários, porcelana, abrasivos, 
etc.). 
 Os compósitos são aqueles fabricados pela união de dois ou mais tipos diversos 
de materiais formando uma estrutura com propriedades comparativamente mais 
vantajosa para determinados usos tecnológicos. Ex: concreto (pedra + areia + cimento + 
água), fibra de vidro (lã + resina polimérica). 
 São constituídos por uma fase dispersa, chamada de reforçador, com maior 
resistência mecânica, embutida numa fase continua, chamada matriz, que confere 
ductilidade ao compósito. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
8 
 
Capítulo 2 – Propriedades dos Materiais 
 
Considere-se 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 
cerca de 3000 tipos ou modificações. Com que critério é feita a escolha do material 
adequado para uma determinada peça? Ao fazer a escolha, devem-se levar em conta 
propriedades tais como resistência 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 com os materiais disponíveis há 40 anos; o 
desenvolvimento da bateria solar requereu um novo tipo de semicondutor; e, embora os 
projetos de turbinas à gás estejam muito avançados, ainda se necessita de um material 
barato e que resista a altas temperaturas, para as pás da turbina. Desde que, obviamente, 
é impossível ter um conhecimento detalhado dos milhares de materiais agora 
disponíveis, assim como manter-se a par dos novos desenvolvimentos, deve-se ter um 
conhecimento adequado dos princípios gerais que governam as propriedades de todos os 
materiais. Dentre estas propriedades, podem-se destacar as propriedades: mecânicas; 
físicas; químicas; tecnológicas; térmicas; elétricas; eletromagnéticas e ópticas. 
 
2.1 – Propriedades Mecânicas 
São aquelas relacionadas a habilidade dos materiais resistirem a forças 
mecânicas. Exemplos: resistência mecânica, elasticidade, ductilidade, fluência, dureza e 
tenacidade. 
 
2.1.1 – Tensão 
Tensão é definida como a força por unidade de área, e é calculada simplesmente 
dividindo-se a força pela área na qual atua. 
 
σ= P
A
= tensão 
 
A unidade de tensão no SI é o Pascal (Pa), que corresponde a carga de 1 N atuando 
sobre uma superfície de 1 m2. Utiliza-se com freqüência os múltiplos do Pascal: 
- MPa (Mega Pascal) = 106 Pa 
- kPa (Quilo Pascal) = 103 Pa 
 
 Outras unidades também são comuns, como kgf/mm2. 
 
Ex: Qual a peça é solicitada por maior tensão: (a)uma barra de alumínio, de seção reta 
0,97 mm x 1,21 mm solicitada por uma carga de 16,75 kgf, ou (b) uma barra de aço de 
seção circular de diâmetro 0,505 mm sob uma carga de 10,8 kgf? 
 
Resposta: 
 
9 
 
a) σ a=
P
A
= 16,75
0,97�1,21
= 14 ,3 kgf/mm2 
b) σb=
P
A
= 10,8
(π /4)�(0,505)2
= 54 kgf/mm2 
 
Podemos afirmar que uma peça está submetida a esforços de tração quando uma 
carga normal P atuar sobre a área de seção transversal da peça, na direção do eixo 
longitudinal. Quando a carga atuar com o sentido dirigido para o exterior da peça, a 
mesma estará tracionada. Quando o sentido da carga estiver dirigido para o interior da 
peça, a barra estará comprimida. 
 
 
 
2.1.2 – Deformação 
 
 Como efeito da tensão, tem-se a deformação. Expressa como o comprimento 
deformado como uma porcentagem do comprimento original. Pode ser elástica ou 
plástica. 
 
ε ( )= ∆L
L0 
 
Ex: Em uma haste de cobre são marcados dois traços que distam entre si 50 mm. A 
haste é tensionada de forma que a distância entre os traços passa a ser de 56,7 mm. 
Calcular a deformação. 
Resposta: 
ε= 56,7− 50
50
= 0,135mm/mm ou 13,5% 
 
 
 A deformação elástica é reversível: desaparece quando a tensão é removida. É 
praticamente proporcional à tensão aplicada. 
 
 Define-se Módulo de Elasticidade (E) como sendo o quociente entre a tensão 
aplicada e a deformação elástica resultante. Ele está relacionado à rigidez do material. 
 
E= σ
ε 
 
Esta fórmula representa a relação linear entre tensão e deformação na região de 
elasticidade. Foi descoberta por Robert Hooke em 1676, e por isso é chamada de Lei de 
Hooke. 
__ ____________ 
X 
% 
10 
 
Quanto maior o módulo, maior a rigidez do material, e menor será a deformação 
elástica resultante. 
 
 
 
A liga A é mais rígida que a liga B. 
 
 Deformação plástica é a deformação permanente provocada por tensões que 
ultrapassam o limite de elasticidade do material. 
 Ductilidade é a deformação plástica total até o ponto de ruptura. Uma segunda 
medida da ductilidade é a estricção, que é a redução na área da seção reta do corpo, 
imediatamente antes da ruptura. Materiais altamente dúcteis sofrem grande redução na 
área da seção reta antes da ruptura. 
 
2.1.3 - Diagrama Tensão x Deformação 
 
- Propriedades analisadas: 
 
 
11 
 
- Limite elástico: 
 Nessa fase os metais obedecem a Lei de Hooke (deformações diretamente 
proporcionais as tensões). Se o ensaio for interrompido antes do ponto A, o CP volta a 
sua forma original. 
 
- Limite de proporcionalidade: 
 Representado pelo ponto A’, a partir do qual a deformação deixa de ser 
proporcional a carga aplicada. Na prática, coincide com o limite de elasticidade. É o 
ponto onde começa a deformação permanente. Difícil de detectar, convenciona-se 0,2% 
para metais e ligas em geral. 
 
- Escoamento: 
 Ocorre no início da fase plástica. A carga oscila entre valores muito próximos 
uns dos outros. 
 
- Limite de resistência: 
 Valor máximo de tensão alcançada (ponto B). 
 
- Limite de ruptura: 
 Tensão no ponto onde o material se rompe (ponto C). É menor que o limite de 
resistência, pois há diminuição de área no CP após a tensão máxima. 
 
- Estricção (ou formação do pescoço): 
 Redução percentual de área da seção transversal do corpo, na região onde vai 
ocorrer a ruptura. Quanto maior for a estricção, mais dúctil será o material. 
 
 
 
 O limite de resistência à tração de um material é calculado dividindo-se a carga 
máxima suportada por ele pela área da seção reta inicial. 
 
 A dureza é a resistência da superfície do material à penetração. A escala de 
dureza Brinell é um índice de medida de dureza, calculado a partir da área de penetração 
de uma bilha (esfera de aço dura) no material. Outras escalas também são utilizadas, 
como a Rockwell e a Vickers. 
 
 Tenacidade é a medida da energia necessária para romper o material. Está 
intimamente ligada a área sob a curva tensão x deformação. Um material dúctil com a 
mesma resistência de um material frágil irá requerer maior energia para ser rompido e 
portanto é mais tenaz. 
 
12 
 
 
 
 
 
2.1.4 - Coeficiente de Segurança 
 
Membros estruturais ou de máquinas devem ser dimensionados de modo a 
trabalharem com tensões que não ultrapassem a tensão admissível do material para 
aquela determinada aplicação. 
 
 
 
O profissional recém formado encontra muita dificuldade na escolha do 
Coeficiente de Segurança a ser utilizado nas diversas aplicações práticas. Se utilizar um 
CS alto, estará fora de mercado pelo alto custo do seu projeto e, se utilizar um CS muito 
baixo, poderá estar colocando em risco a segurança do seu projeto. Como orientação, 
sugerimos que estes se baseiem em projetos semelhantes que tenham obtido sucesso e 
nas Normas Técnicas específicas para aquela aplicação. 
 
O mais importante é ter bom senso nesta escolha. 
 
 
 
13 
 
2.2 – Propriedades Térmicas 
Propriedades térmicas estão vinculadas às características dos materiais quando 
submetidos á variações de temperatura. É extremamente importante a distinção entre 
calor e temperatura. Temperatura é um nível de atividade térmica, enquanto que calor é 
a energia térmica. 
Dentre as principais propriedades térmicas destacam-se: 
 
Condutividade térmica: São propriedades que possuem certos corpos de transmitir 
mais ou menos calor. Neste caso, materiais bons condutores de calor, na ordem 
decrescente de condutibilidade: Ag, Cu, Al, latão, Zn, Aço 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 à ação do calor. 
A capacidade de dilatação de um material está relacionada ao chamado coeficiente de 
dilatação térmica, que pode ser: linear, superficial e volumétrico. Esta característica dos 
materiais deve ser considerada quando o mesmo é submetido a variações consideráveis 
de temperatura. 
 
Ponto de fusão e de ebulição: Para qualquer componente químico de um material, o 
ponto de fusão e o ponto de ebulição são temperaturas importantes, pois correspondem 
a transição entre diferentes arranjos estruturais dos átomos no material. 
Capacidade térmica: é a energia requerida para aumentar de 1ºF a temperatura de 1 
libra de água. 
Calor específico: é o quociente entre a capacidade térmica do material e o da água. 
Calor latente de fusão e calor latente de vaporização: são os calores requeridos, 
respectivamente, para a fusão e a vaporização. Cada um destes processos envolve uma 
mudança interna no material que passa de um arranjo atômico para outro. 
Difusividade térmica (h): depende da condutividade térmica (k), da capacidade térmica 
(cp) e da densidade (ρ): 
 
h = k / cp . ρ 
 
2.3 – 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 são 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, servido para construção de resistências elétricas, como reostatos. 
A resistividade elétrica é o inverso da condutividade. É uma medida da 
oposição de um material ao fluxo de corrente elétrica. Quanto mais baixa for a 
resistividade mais facilmente o material permite a passagem de uma carga elétrica. 
Em contraste com os condutores elétricos, que transferem cargas elétricas, 
muitos materiais são usados como dielétricos ou não condutores. Um dielétrico é uma 
substância que possui alta resistência ao fluxo da corrente elétrica. Nesses materiais os 
14 
 
elétrons estão fortemente ligados ao núcleo dos átomos, ou seja, as substâncias 
dielétricas não possuemelétrons livres. Dessa forma, não há possibilidade de passagem 
de corrente elétrica através dos dielétricos, os quais podem ser: borracha, porcelana, 
vidro, plástico, madeira e muitos outros. 
 
 
2.4 – Propriedades Químicas 
 
Resistência à corrosão: Quase todos os materiais são suscetíveis de corrosão por 
ataque químico. Para alguns materiais, a solubilização é importante. Em outros casos, o 
efeito da oxidação 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. 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. 
 
 
2.5 – Propriedades Óticas 
 
Quando a luz incide em uma superfície, uma fração r do total incidente é 
refletida. Outra fração a é absorvida dentro do material configurando-se em um ganho 
de energia e finalmente uma última parcela t pode ser transmitida no caso de superfícies 
transparentes ou translúcidas. 
É importante notar que novos tipos de vidros tem sido estudados de forma a 
aumentar a transmissão de luz natural bem como potencializar o efeito de reflexão da 
radiação térmica. 
 
Índice de Refração (n): é a razão entre a velocidade da luz no vácuo c e a velocidade 
da luz no material, Vm. 
n = c / Vm 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
15 
 
Capítulo 3 – Estrutura dos Materiais 
 
3.1 – Átomos e Ligações Atômicas 
 Todos os materiais utilizados para fins industriais são formados de elementos 
cuja menor parte estruturada que ainda mantém características próprias do tipo 
individual da matéria é o átomo. Recentes descobertas da Física Moderna revelaram 
uma complexa participação de partículas na construção da matéria. Essas partículas se 
dividem em três grupos: 
- Leptons: partículas que podem se mover por conta própria como os elétrons; 
- Quarks: partículas que constituem as outras maiores e pesadas como os prótons e 
nêutrons dentro do núcleo atômico; 
- Bósons: partículas fundamentais que transmitem as forças da natureza como os gluons 
responsáveis pela forte interação entre os quarks. 
 
 Além disto, cada partícula elementar possui uma correspondente antimatéria 
como o pósitron em relação ao elétron. 
 O comportamento dos materiais pode ser compreendido através de um modelo 
atômico simples que consiste na existência de: 
 
1) Um núcleo composto de prótons e nêutrons 
Os prótons e nêutron são partículas com massa que somadas constituirão praticamente 
toda a massa do átomo, ou seja, a massa atômica. O próton possui carga elétrica que se 
convenciona positiva, enquanto o nêutron é eletricamente neutro. 
 
2) Camadas de elétrons orbitando em torno do núcleo 
Os elétrons podem ser considerados como um estado de transição entre a matéria e a 
radiação eletromagnética, pois se comportam tanto como massa quanto como uma onda 
eletromagnética. A massa do elétron é relativamente muito pequena, e por esta razão 
pode ser considerada desprezível no cálculo da massa atômica. A carga elétrica do 
elétron é numericamente igual a do próton, mas com sinal oposto, logo, convenciona-se 
como sendo negativa. A força que mantém os elétrons orbitando em torno do núcleo é a 
atração elétrica ou Coulombiana em relação aos prótons. 
 
3.1.1 – Ligações Atômicas 
Os átomos podem se reunir em estruturas mais complexas formando a matéria 
ou outras estruturas ainda mais complexas, como as galáxias. A união entre átomos se 
dá pelo fato deles não possuírem orbitais eletrônicos preenchidos, como acontece com 
todos os elementos, exceto os gases nobres. Eles se tornam mais estáveis se puderem 
ficar com configurações de menor energia, seja recebendo elétrons, perdendo elétrons, 
compartilhando elétrons com outro átomo vizinho ou consorciando os mesmos com 
todos os outros átomos. Estes quatro processos produzem fortes ligações entre os 
átomos, conhecidas como ligação iônica, ligação covalente e ligação metálica. Outro 
tipo de ligação, mais fraca, é a ligação de Van der Waals. A estabilidade das ligações 
atômicas deve-se à existência de um valor mínimo de energia, correspondente a uma 
certa distância interatômica, onde ocorre um balanço entre as forças de atração e de 
repulsão. A natureza das forças de atração entre os átomos depende do tipo de ligação 
16 
 
atômica. As forças de repulsão crescem à medida que os átomos aproximam suas 
camadas de elétrons mais externas, que se repelem por serem ambas de carga negativa. 
 A figura 3.1 ilustra este tipo de interação considerando-se a temperatura igual a 
0oK. Diminuindo-se a distância entre átomos inicialmente afastados tem-se a princípio 
uma força resultante de atração, uma situação de equilíbrio e, em seguida, o predomínio 
das forças de repulsão. 
 
 
Figura 3.1 – Relação entre a força (a) ou a energia de ligação (b) com a distância entre 
os centros de dois átomos. 
 
As ligações resultantes desses processos são conhecidas como: 
 
- Ligação Iônica 
 
 Nesse caso um átomo cede elétron para outro que recebe resultando 
configurações atômicas mais estáveis. Exemplo: cloreto de sódio (NaCl): o sódio cede o 
último elétron de seu último nível para o cloro, que completará sua última camada de 
elétrons ficando mais estável. 
17 
 
 
Figura 3.2 – Ligação Iônica 
 
- Ligação Covalente 
 Neste tipo de ligação os átomos compartilham de elétrons aos pares, ou seja, um 
átomo coloca um ou mais elétrons a disposição de outro, que procede da mesma 
maneira. Os pares de elétrons de ambos os átomos circulam simultaneamente na camada 
externa eletrônica propiciando uma configuração eletrônica estável para os dois átomos. 
Exemplo: molécula do oxigênio, formada por dois átomos, cada um cede 2 elétrons 
formando dois pares com um total de 4 elétrons que circulam pela camada eletrônica 
externa, passando de um átomo para outro. 
 
 
Figura 3.3 – Ligação Covalente 
 
- Forças de Van Der Waals 
 São forças de ligação com intensidade relativamente baixa decorrentes da 
formação de dipolos (conjuntos nos quais uma extremidade é negativa e a outra é 
18 
 
positiva). Embora fracas, essas forças permitem a união entre as grandes moléculas de 
materiais poliméricos. 
 
- Ligação Metálica 
 Nos metais, os elétrons da banda de valência da última camada ficam livres 
quando muitos átomos estão em contato. Isto permite que os elétrons de valência se 
movimentem a vontade entre eles constituindo uma nuvem eletrônica. A relativa 
liberdade dos elétrons de valência na ligação metálica é responsável por importantes 
propriedades dos metais, como a condução elétrica. 
 
- Combinação de Ligações 
 Em muitos materiais as ligações atômicas se processam por uma combinação das 
acima mencionadas. Assim, certos compostos, como o ácido clorídrico, dependendo do 
estado em que se encontram (líquido ou gasoso), apresentam predominância de ligações 
covalentes ou iônicas. 
 
3.2 – Estados e Arranjos Atômicos da Matéria 
 A matéria pode existir em 4 estados: 
 
- sólido 
- líquido 
- gasoso 
- plasmático 
 
 Os dois últimos constituem condições de matéria não condensada, ou seja, não 
existem estruturas envolvendo grande número de átomos ou moléculas. Nos plasmas a 
liberação de elétrons em situações especiais, como elevadíssimas temperaturas, produz 
íons cuja excitação não permite nenhum tipo de ligação. Nos gases, mesmo a baixas 
temperaturas, cada átomo ou molécula está suficientemente afastado para ser 
considerada independente, a não ser por eventuais colisões. 
Os gases podem ter grande interesse prático, como o ar comprimido no 
acionamento de máquinas. Os plasmas também são utilizados cada vez mais, como, por 
exemplo, em soldas especiais. 
Os líquidos têm grande fluidez por não apresentarem resistência ao 
cisalhamento, mas, fora isto, são muito parecidos com os sólidos, sendo considerado um 
estado condensado da matéria, que apresenta inclusive coordenação e estrutura atômica. 
Essaestrutura, entretanto, é de curto alcance e não caracteriza periodicidade ou 
cristalinidade de longa distância. Por isto os líquidos são considerados materiais 
amorfos. Os sólidos também podem ser amorfos, sendo chamados genericamente de 
vidros, comportando-se como líquidos super resfriados. 
A maioria dos sólidos apresenta estrutura com repetição sistemática dos átomos 
por distâncias relativamente longas, sendo denominados cristais. Sua estrutura também 
pode se apresentar como uma estrutura intermediária entre cristalina e amorfa. Esse é o 
caso das macromoléculas, onde existe posicionamento atômico repetitivo em uma só 
direção no espaço causado por ligações covalentes. 
É importante saber que os tipos de ligações e arranjos atômicos guardam uma 
associação com as classes de materiais utilizadas tecnicamente. Assim, os plásticos são 
19 
 
compostos orgânicos a base de carbono e constituído de macromoléculas, possuem 
ligações predominantemente covalentes. Os metais são formados por ligações metálicas. 
Os cerâmicos que são compostos formados por átomos metálicos e não metálicos, tem 
ligações iônicas ou covalentes. Os materiais não metálicos (grafite, enxofre) apresentam 
ligações covalentes. 
 
3.3 – Principais Sistemas Cristalinos dos Materiais 
Cristais são estruturas com arranjos atômicos de uma unidade básica (que são 
repetições) nas três dimensões. 
 No caso dos metais, existem 3 tipos principais de cristais, que com sua repetição 
no espaço tridimensional dão origem as principais estruturas de cristalização dos metais. 
A maior parte dos cristais que serão vistos cai dentro do sistema cúbico, como a maioria 
dos metais comuns. A exceção são o magnésio e o zinco, que são hexagonais. 
 
3.3.1 – Sistema Cúbico Simples (CS) 
 Esta estrutura é hipotética para metais puros. Nela, as três dimensões axiais (a) 
são iguais, e os três eixos são mutuamente perpendiculares. 
 
 
Figura 3.4 – Célula Unitária Cúbica Simples 
 
A estrutura contém um átomo metálico por célula unitária. Apenas um oitavo de 
cada um dos átomos cai dentro da célula. Esta é a razão pela qual os metais não se 
cristalizam na estrutura cúbica simples. 
 Se dividirmos o volume dos átomos pelo volume da célula unitária, temos o 
chamado “fator de empacotamento”. Na célula cúbica simples, será de: 
 
F. E. = (4πr3/3) / (2r)3 = 0,52 
 
3.3.2 – Sistema Cúbico de Corpo Centrado (CCC) 
 Um exemplo típico de metal que se cristaliza nesse sistema é o ferro na 
temperatura ambiente. Sua célula unitária tem um átomo em cada vértice do cubo e um 
outro átomo no centro do cubo. 
20 
 
 
 
Figura 3.5 – Célula Unitária Cúbica de Corpo Centrado 
 
 Há dois átomos por célula unitária, um está no centro do cubo e oito oitavos nos 
vértices. Seu fator de empacotamento é de 0,68. 
 A distância entre os átomos (a) é denominado parâmetro. O parâmetro aumenta 
com o aumento da temperatura. 
 Além do ferro na temperatura ambiente, outros exemplos de metais que se 
cristalizam no sistema CCC são o cromo e o tungstênio. 
 
3.3.3 – Sistema Cúbico de Face Centrada (CFC) 
 Nesse sistema, além de um átomo em cada vértice da célula unitária, há um no 
centro de cada face, e nenhum no centro do cubo. 
 
 
Figura 3.6 - Célula Unitária Cúbica de Face Centrada 
 
 Estruturas CFC nos metais são mais comuns que a CCC. Alguns exemplos são 
alumínio, cobre, chumbo, prata e níquel. 
 Cada célula unitária dessa estrutura possui 4 átomos, oito oitavos dos vértices 
(somando 1 átomo) e seis metades nos centros das faces (somando 3). Seu fator de 
empacotamento é de 0,74. Porém, quando mais de um tipo de átomo está presente, 
como no caso do NaCl, o fator de empacotamento é afetado. 
 
3.3.4 – Sistema Hexagonal Compacto 
A figura 3.6 apresenta a célula unitária da estrutura cristalina hexagonal 
compacta, que possui um átomo em cada vértice do prisma hexagonal, um átomo no 
21 
 
centro das bases e três átomos no centro do prisma. 
O número de átomos na célula unitária é igual a: 
2 x 1/2 = 1 (átomos dos centros das bases) 
12 x 1/3 x 1/2 = 2 (átomos dos vértices do prisma) 
3 (átomos no centro do prisma) 
Total de átomos na célula unitária = 1 + 2 + 3 = 6 
 
 
Figura 3.7 - Célula Unitária Hexagonal Compacta 
 
3.3.5 – Alotropia e Polimorfismo 
 Alotropia é o fenômeno que consiste no fato de um elemento apresentar duas ou 
mais formas cristalinas, obedecendo tanto para aquecimento quanto para resfriamento a 
mesma mudança da forma cristalina. 
 Polimorfismo é o fenômeno que consiste no fato de um elemento apresentar 2 ou 
mais formas cristalinas, não obedecendo para o resfriamento a mesma mudança 
cristalina do aquecimento. 
 As mudanças de forma cristalina se dão sempre no estado sólido. É um 
fenômeno isotérmico (a temperatura constante). 
 
22 
 
 
 
3.3.6 – Estrutura Amorfa 
 São materiais que não apresentam regularidade interna dos cristais. Incluem os 
gases, os líquidos e o vidro. 
 
 
3.3.6.1 – Gases 
 Não há qualquer estrutura dentro de um gás a não ser a estrutura inerente as 
moléculas individuais. Cada átomo ou molécula está a uma distância suficiente dos 
outros átomos ou moléculas, para que possa ser considerado independentemente. 
 Como os átomos podem se mover independentemente, um gás, que preenche um 
determinado espaço, exerce uma pressão sobre as suas vizinhanças. A pressão P 
depende do volume V, da temperatura T e do número de mols n que estão presentes, 
através da expressão: 
PV = nRT 
 
Onde R é a constante dos gases (0,082 atm.l/K). 
 É, portanto, possível calcular a densidade de um gás em uma dada temperatura e 
em pressões relativamente baixas. É possível também calcular o fator de 
empacotamento para um gás. Esse valor é extremamente baixo para pressões até 10 atm. 
 
3.3.6.2 – Líquidos 
 Assim como os gases, os líquidos são fluidos que não apresentam a ordem 
encontrada em grandes distâncias nos cristais. Mas a similaridade com os gases é só 
essa. A estrutura dos líquidos tem muito em comum com a dos cristais. Suas densidades 
e, portanto, seus fatores de empacotamento, diferem de apenas alguns porcentos. 
 Um cristal tem, usualmente, um empacotamento atômico mais eficiente que um 
líquido, pois há uma redução de energia durante a solidificação e ocorre uma contração. 
 
3.3.6.3 – Vidros 
 Os vidros são considerados, muitas vezes, como sendo líquidos super resfriados. 
Na prática, apenas poucos líquidos podem ser realmente super resfriados, formando 
vidros. 
 Em temperaturas elevadas, os vidros formam líquidos verdadeiros. Os átomos 
movem-se livremente e não há resistência para tensões de cisalhamento. Quando um 
AL 
23 
 
vidro comercial, na sua temperatura de líquido, é super resfriado, há contração térmica 
causada pelo rearranjo atômico, para produzir um empacotamento mais eficiente dos 
átomos. 
 Abaixo de uma certa temperatura denominada de temperatura de transformação, 
cessam os rearranjos atômicos e a contração que persiste é resultado de vibrações 
térmicas mais fracas. 
 Os vidros são materiais que apresentam uma curva de dilatação térmica como a 
figura abaixo: 
 
 
Figura 3.8 – Curva de dilatação térmica do vidro 
 
3.3.7 – Fases Cristalinas e Amorfas 
 Uma fase pode ser definida como uma parte estruturalmente homogênea de um 
sistema material. Cada fase de um material possui seu próprio arranjo atômico. 
 Uma fase cristalina tem um arranjo atômico definido, com uma estrutura 
repetitiva que se estende por muitas distâncias atômicas. 
 Uma fase amorfa tem apenas ordem em pequenas distâncias. A figura abaixo 
mostra a diferença de uma estrutura amorfa (a) e outra cristalina (b). Como as fases 
amorfas não tem ordem em grandes distâncias, seus arranjos atômicos são menos 
definidos e permitem maiores diferenças na composição que as fases cristalinas. 
 
 
Figura 3.9 – Estrutura Amorfa (a) e Cristalina (b) 
 
3.4 – Defeitos Subestruturais 
 
3.4.1. Formação da Estrutura Cristalina 
Quando um metal, ou liga no estado líquido é resfriado até seu ponto de fusão, 
inicia-se a solidificação,através da formação de cristais em pontos da massa líquida. A 
24 
 
cristalização irá formar estruturas cristalinas que são dependentes do metal ou da 
composição da liga conforme será visto mais adiante. 
Conforme exemplificado na figura 3.10, ao se considerar o resfriamento do 
metal no estado líquido dentro de um molde, surgem, em vários locais, núcleos para a 
solidificação. Os cristais crescem a partir destes núcleos até que começam a se encontrar 
uns com os outros na fase final da solidificação, produzindo interfaces como a indicada 
na figura 3.11. 
Denomina-se grão cada cristal individual do material. No caso do material 
policristalino, cada grão encontra-se cercado por vários outros. A superfície de encontro 
de dois grãos é denominada contorno de grão. 
 
 
Figura 3. 10 – Solidificação dos grãos e formação do material policristalino 
 
 
25 
 
Figura 3.11 - Contorno de grão. A região de transição que acomoda a diferença de 
orientação na estrutura cristalina de grãos adjacentes é estreita, bastando poucos espaços 
atômicos para tal 
 
3.4.2. Classificação dos Defeitos na Estrutura Cristalina 
A estrutura cristalina real apresenta defeitos que podem ser observados a olho nu 
(defeitos macroscópicos) ou que requerem para a sua observação um microscópio ótico 
(defeitos microscópicos) ou um microscópio eletrônico (defeitos submicroscópicos). 
Como ilustração destas classes de defeito tem-se alguns exemplos, a seguir. 
 
a) Defeitos macroscópicos 
- Porosidades (bolhas - gás retido: vazios - vácuo); 
- Trincas; 
- Inclusões; 
- Segregações. 
 
b) Defeitos microscópicos 
- Contornos de grão; 
- Outros contornos. 
 
c) Defeitos submicroscópicos ou subestruturais 
- Defeitos térmicos: 
- Lacunas; 
- Discordâncias; 
- Outros átomos em solução sólida. 
 
Esta classificação possui a desvantagem de que o mesmo defeito pode ser de um 
tipo ou de outro, dependendo do seu tamanho. Por exemplo, uma trinca ou um contorno 
de grão poderiam ser visíveis a olho nu ou não. 
Os defeitos na estrutura cristalina mais importantes são os submicroscópicos, 
que serão a seguir estudados na escala atômica, dentro da classificação abaixo, proposta 
por Huntington em 1942. 
 
a) Defeito de ponto 
São correspondentes a variações na estrutura cristalina que envolvem poucas posições 
atômicas englobadas num pequeno volume aproximadamente esférico. 
 
b) Defeitos de linha 
As irregularidades se estendem por um volume aproximadamente cilíndrico, ao longo 
de uma linha reta ou curva. 
 
c) Defeitos de superfície 
Correspondem a irregularidades ao longo de uma superfície, contendo os átomos que 
lhe são vizinhos. 
 
Além dos defeitos inerentes ao próprio reticulado cristalino, existem as 
imperfeições devidas à presença de átomos de outros elementos na estrutura. Estes 
26 
 
átomos são denominados impurezas quando sua presença é conseqüência do processo 
de fabricação, e elementos de liga quando são adicionados com o propósito de se obter 
propriedades desejadas. 
 
 
3.4.3. Imperfeições Associadas à Composição Química 
Os átomos de outros elementos, sejam impurezas ou elementos de liga, podem 
acomodar-se na estrutura cristalina de um dado metal formando uma solução sólida. 
Chama-se matriz à estrutura cristalina do metal considerado, que é denominado 
solvente. Os outros elementos, cujos átomos estão na solução sólida, são denominados 
solutos. 
Os átomos solutos podem estar em solução sólida substitucional, quando 
ocupam posições dos átomos da matriz na estrutura cristalina, ou em solução sólida 
intersticial, quando ocupam interstícios na estrutura cristalina. As figuras 3.12 e 3.13 
ilustram estes casos. 
 
Figura 3.12 - Solução sólida substitucional (a) Átomos maiores; (b) Átomos 
menores que os da matriz 
 
 
Figura 3.13 - Solução Sólida Intersticial 
 
A distorção na estrutura cristalina, provocada pelos átomos em solução, significa 
um afastamento dos átomos da sua posição de equilíbrio. 
Os átomos que se encontram nesta região de distorção possuem, portanto, um 
nível energético mais elevado que os átomos que constituem as porções perfeitas da 
rede cristalina. Assim como nas soluções em fase liquida, as soluções sólidas também 
apresentam um limite de solubilidade, isto é, valores máximos para o teor de soluto na 
matriz. 
Nas soluções substitucionais o limite de solubilidade é função da relação entre 
os tamanhos atômicos, número de elétrons no último nível, estrutura cristalina de cada 
27 
 
elemento e eletronegatividade. Se a diferença entre os tamanhos atômicos de dois 
elementos for inferior a cerca de 15% pode-se esperar que haja grande solubilidade 
entre eles. 
Na solução sólida intersticial, os átomos do soluto ocupam posições na estrutura 
cristalina onde há um maior espaço para sua acomodação. 
Por exemplo, considerando-se a estrutura CFC do ferro, os vazios octaédrico e 
tetraédrico possuem raio interno de 0,52 e 0,28 angstroms respectivamente. Os átomos 
de carbono ou de nitrogênio que ocupem estas posições estarão provocando distorção na 
rede cristalina, porque seus raios atômicos são maiores 0,8 e 0,7 angstroms, 
respectivamente que o espaço dos interstícios. 
Na estrutura CCC do ferro, o interstício tetraédrico (r = 0,36 A) é maior que o 
octaédrico (r = 0,19 Â), porém menor que o octaédrico na estrutura CFC (r = 0,52 Â). 
Portanto, como conseqüência, tem-se que a estrutura CFC tem maior possibilidade que 
a CCC de dissolver átomos de carbono ou nitrogênio em solução intersticial, mesmo 
sendo uma estrutura mais compacta. 
 
3.4.4 - Defeitos de Ponto 
Podem ser dos seguintes tipos: 
a) Átomos Solutos 
 Correspondem a existência de átomos diferentes daqueles que caracterizam a 
matriz. Estes átomos podem ser considerados impurezas (decorrentes do processo de 
fabricação) ou elementos de liga (adicionados para melhorar propriedades). 
 Os átomos solutos podem não alterar a cristalografia da matriz, ficando 
dispersos aleatoriamente em posições que podem ser: 
 
- Substitucionais: o átomo soluto toma a posição de um átomo da matriz; 
 
- Intersticiais: o átomo soluto ocupa vazios correspondentes a estrutura cristalina da 
matriz. 
 
 As figuras 3.12 e 3.13 vistas anteriormente ilustram estes defeitos. 
 
b) Lacunas 
Lacunas são espaços vazios na estrutura cristalina que poderiam estar 
preenchidos por um átomo. São também chamados de vazios ou vacâncias e constituem 
defeitos de ponto importantes, dada a sua relação com o fenômeno da difusão, como 
será estudado mais adiante. 
Caso essa ausência de átomos ocorra em um material iônico, ela será chamada 
de “Defeito de Schottky”. 
Com o aumento da temperatura, a quantidade de lacunas aumenta 
exponencialmente, sendo geradas a partir de outros defeitos na estrutura cristalina, 
como por exemplo, os contornos de grão. As vibrações atômicas decorrentes do 
aumento da temperatura permitem a troca de posição de um átomo com uma lacuna, 
como ilustra a figura 3.14. As lacunas podem também ocorrer associadas, aos pares ou 
em grupos maiores. 
 
28 
 
 
Figura 3.14 – Movimento de Lacuna na Malha 
 
c) Interstícios 
 Correspondem a átomos da própria matriz deslocado para posições vazias 
(intersticiais). Para isto é necessário um processo envolvendo grandes energias como, 
por exemplo, intensa radiação atômica. Por isso este tipo de defeito é pouco provável e 
tende a aniquilar-se com o tempo. 
 
d) Pares de Defeitos 
 Os mais comuns são: bi-lacunas, lacuna-átomo intersticial, átomo intersticial- 
átomo intersticial e condensação de lacunas em uma pequena região. Qualquer desses 
defeitos acarreta sempre um estado predominantemente normal de tensão na malha. 
 
A figura 3.15 ilustra alguns tipos de defeito de ponto. 
 
 
Figura 3.15 - Defeitos de ponto. (a) Lacuna; (b) Bilacuna; (c) Defeito de Schottky; (d) 
Átomo em interstício; (e) Defeito de Frenkel 
 
3.4.5. Defeitos Lineares 
Os defeitos lineares são denominados discordâncias ou deslocações e possuem 
fundamental importânciana deformação plástica dos metais, em função da sua atuação 
no deslizamento entre porções do cristal. 
As discordâncias podem ser de 2 tipos: 
 
a) Discordânica Aresta 
 Pode ser visualizada pelas distorções atômicas ao longo de uma linha (cilindro) 
como se existisse um semi-plano atômico extra (figura 3.16). 
 
 
29 
 
 
 
 
 
Figura 3.16 – Discordância aresta. A linha da discordância é a perpendicular ao plano 
do papel, correspondente à aresta do semiplano adicional. 
 
b) Discordância Espiral 
 Pode ser visualizada pelas distorções atômicas ao longo de uma linha como se os 
planos cristalinos se desenvolvessem em uma hélice perpendicularmente a linha. O 
modelo de blocos da figura 3.17 ilustra a ocorrência de uma discordância espiral na 
malha cristalina. 
 
 
Figura 3.17 – Modelo de blocos de uma discordância espiral 
 
O deslocamento de uma discordância da sua posição para a próxima posição 
equivalente é denominado vetor de Burgers da discordância, representado pela letra "b". 
Conforme o semiplano esteja acima ou abaixo do plano de deslizamento, a discordância 
aresta é dita positiva ou negativa. A discordância simbolizada na figura 3.18 é, por 
exemplo, uma discordância aresta positiva. 
 
30 
 
 
Figura 3.18 - O esforço de cisalhamento F produz pequenos movimentos atômicos e 
troca das ligações entre os átomos. A discordância se movimenta produzindo um degrau 
correspondente a uma distância atômica (para o sistema cúbico simples). 
 
3.4.6. Defeitos Planares 
As irregularidades na estrutura cristalina associadas à superfícies são os defeitos 
planares, que serão a seguir abordados e que incluem as superfícies livres do metal os 
contornos de grão, outros contornos (maclas, interfaces com outras fases presentes) e as 
falhas de empilhamento. 
 
a) Superfícies livres 
Os átomos do metal que constituem superfícies livres do metal, como a 
superfície de bolhas ou porosidades, ou a superfície em contacto com a atmosfera, 
encontram-se num nível energético mais elevado do que os átomos que se encontram no 
interior do cristal. 
Isto se dá porque os átomos superficiais têm vizinhos apenas de um lado, 
causando um desbalanceamento das camadas de elétrons e originando um efeito de 
tensão superficial e de energia de superfície. 
31 
 
Ao se considerar um processo de fratura num metal, tem-se que uma parcela da 
energia necessária para a fratura será empregada como energia superficial associada à 
criação das superfícies da fratura. 
A figura 3.19 apresenta um esquema dos átomos superficiais de um metal. 
 
 
Figura 3.19 - Os átomos na superfície livre encontram-se num nível energético mais 
elevado que os átomos do interior, porque não estão completamente circundados por 
outros átomos. 
 
b) Contornos de grão 
As diferentes orientações entre os cristais desenvolvidos a partir de núcleos 
distintos, formam, como ilustrado pelas figuras 3.10 e 3.11, superfícies constituídas por 
átomos que acomodam estas diferenças. 
A figura 3.20 apresenta contornos de grão vistos ao microscópio ótico e um 
modelo atômico indicando a desordem na superfície de fronteira entre os grãos 
vizinhos. 
 
Figura 3.20 - (a) contornos de grão de molibdênio vistos no microscópio ótico (b) 
modelo atômico indicando a variação nas distâncias entre os átomos dos contornos de 
grão. 
Os contornos de grão possuem outros defeitos subestruturais ou 
submicroscópios, como lacunas e discordâncias. 
Como as distâncias interatômicas nos contornos de grão diferem da posição de 
equilíbrio já vista na figura 3.1, tem-se que os átomos pertencentes aos contornos de 
grão possuem nível energético superior ao dos átomos no interior dos grãos. Isto os 
torna mais suscetíveis de sofrer modificações, como participar de reações químicas 
(correndo-se) ou metalúrgicas (nucleando uma segunda fase). 
 
 
 
 
32 
 
Capítulo 4 – Noções de Siderurgia 
 
 O aço é definido como uma liga ferro-carbono com até 2% de carbono. Essa é a 
solubilidade máxima do carbono no ferro com estrutura CFC (austenita). Ligas com 
maiores teores de carbono são chamadas de ferro fundido, tendo ponto de fusão mais 
baixo e sendo adequadas a fundição. 
 Enquanto o aço é a liga mais amplamente empregada, a produção de ferros 
fundidos representa cerca de 70% de toda a produção mundial de fundidos. 
 A capacidade de se obter ferro de seus minérios e produzí-lo em estado líquido 
viabilizou a produção em escala significativa do ferro e, posteriormente, do aço. 
 Após o século XIV foram desenvolvidos fornos capazes de reduzir o óxido de 
ferro a ferro metálico, e também fundi-lo, permitindo que o produto metálico fosse 
facilmente retirado do forno na forma líquida e fundido na forma desejada. 
 O ferro líquido assim produzido é rico em carbono e contém impurezas 
indesejadas, o que torna suas propriedades um tanto quanto limitadas. Mas com o 
desenvolvimento da fundição ferrosa, também se desenvolveram processos de refino 
para a produção de aços. A combinação de um processo de redução de minérios com 
processo de refino do metal levou ao modelo atual de usina siderúrgica, apresentado a 
seguir: 
 
 
Figura 1 - Modelo atual de usina siderúrgica 
 
 A indústria siderúrgica abrange todas as etapas necessárias para, a partir das 
matérias-primas, produzir-se ferro e aço. O processo clássico para a redução do minério 
de ferro é o do alto-forno, cujo produto consiste numa liga ferro-carbono de alto teor de 
carbono, denominado ferro gusa, o qual, ainda no estado líquido, é encaminhado a 
aciaria, onde, em fornos adequados, é transformado em aço. Este é vazado na forma de 
lingotes que são submetidos a transformação mecânica por intermédio de laminadores, 
resultando blocos, tarugos e placas. Estes, por fim, ainda por intermédio de laminadores, 
33 
 
são transformados em formas estruturais e em outros produtos siderúrgicos importantes, 
como trilhos, chapas e barras. 
 As matérias-primas da indústria siderúrgica são: 
- minério de ferro 
- carvão (coque) 
- calcário 
O minério de ferro é a matéria-prima essencial, pois dele se extrai o ferro. Os 
principais óxidos de ferro são a magnetita (Fe3O4), a hematita (Fe2O3) e a limonita 
(2Fe2O3 3H2O). O beneficiamento do minério de ferro tem como objetivo alterar suas 
características físicas ou químicas e torná-los mais adequados para sua utilização no 
alto-forno. Os métodos de aglomeração consistem de: sinterização, pelotização, 
briquetagem e nodulização. 
O carvão atua em três sentidos simultaneamente: como combustível, como 
redutor do minério e como fornecedor do carbono, principal elemento de liga dos 
produtos siderúrgicos. Pode ser do tipo coque ou carvão de madeira. O coque é obtido 
pelo processo de coqueificação, que consiste no aquecimento do carvão mineral a altas 
temperaturas em câmaras fechadas. É o resíduo resultante da destilação do carvão, 
sendo uma substância porosa, celular e heterogênea. O carvão vegetal é fabricado por 
pirólise da madeira (quebra das moléculas complexas em moléculas mais simples), 
mediante calor. Sua resistência mecânica é relativamente baixa, e os alto-fornos a 
carvão vegetal possuem capacidade bem menor do que os baseados em coque. 
O calcário atua como “fundente”, ou seja, reage, pela sua natureza básica, com 
as substâncias estranhas ou impurezas contidas no minério e no carvão, diminuindo seu 
ponto de fusão e formando a “escória”, subproduto do processo do alto-forno. O 
principal fundente é o calcário (CaCO3). 
 
4.1 – Os Processos de Redução 
 Existem duas vias de produção de ferro a partir de minério de ferro: o alto-forno 
e os processos de redução direta, que transformam o ferro oxidado em ferro metálico. 
 
- Alto-forno 
Processo clássico de redução do minério de ferro. Nele, o óxido de ferro é 
reduzido por gases gerados a partir do coque (um produto da destilação controlada do 
carvão mineral) ou carvão vegetal e adições de carvão pulverizado. O aquecimento 
ocorre pelo sopro de ar pela região inferior doforno, que queima parte do carbono 
introduzido no forno. O produto da redução é obtido sob a forma líquida em um cadinho 
na parte inferior do forno. 
O alto-forno é uma estrutura cilíndrica, de grande altura, que compreende uma 
fundação e o forno propriamente dito. O forno é composto por 3 partes: cadinho, rampa 
e cuba, como indica a figura a seguir. 
 
34 
 
 
Figura 2 – Alto-forno 
 
No cadinho se acumulam o metal fundido e a escória. Tem forma cilíndrica e é 
constituído em chapa grossa de aço revestido internamente com material refratário. 
Entre a chapa e o revestimento existem placas de ferro fundido que contém tubos de 
água para o resfriamento. Seu diâmetro é de cerca de 10 m e sua altura é superior a 4 m. 
A cerca de 1 m do fundo do cadinho fica o furo de corrida do gusa, e acima deste furo 
fica o furo de corrida da escória. Na parte superior do cadinho (a cerca de 3,25 m) 
situam-se as ventaneiras, onde o ar pré-aquecido é soprado sob pressão. 
 A rampa tem formato tronco-cônico, e suas dimensões variam desde o diâmetro 
do cadinho até 10,5 m ou mais, com altura que pode superar 4 m. De certo modo, é a 
zona mais quente, e sua inclinação é da ordem de 80° a 82º da horizontal. 
A cuba, também de formato tronco-cônico, tem seção menor voltada para cima, 
no topo. Sua altura pode superar 25 m. Dessa forma, a altura total do alto-forno, 
compreendendo cadinho, rampa e cuba, a partir do fundo do cadinho, supera 30 m, os 
quais deve-se juntar cerca de 4,5 a 5 m do fundo do cadinho ao piso do chão. 
No topo do alto-forno situa-se o sistema de carregamento, sendo o mais comum 
chamado “copo e cone”, que distribui a carga uniformemente e evita a evasão de gases 
para a atmosfera. A carga, constituída de minério de ferro, carvão, calcário e minério de 
manganês, é pesada e despejada em carros, que são levados ao topo. 
A operação do alto-forno é iniciada após o processo de secagem e preparo 
preliminar. 
 
35 
 
 
Figura 3 – Seção transversal de um alto-forno 
 
As condições reinantes no interior do forno são tais que uma parcela significante 
do fósforo presente no minério e do enxofre presente nos carvões e coque usados se 
incorpora ao metal produzido, o gusa, embora parte significativa das impurezas 
carregadas no forno seja eliminada sob a forma de escória. As diferenças de densidade e 
de tensão superficial entre o metal líquido e a escória favorecem a separação das fases, 
permitindo a retirada independente do metal e da escória, do forno, por orifícios 
diferentes. 
 Os processos que se passam no interior do alto-forno são bastante complexos e 
somente a partir da década de 1960 começou a se estabelecer uma compreensão 
relativamente clara de como se passam. Gaseificação do coque, combustão, redução do 
minério no estado sólido pelo gás, seguida de redução de óxidos líquidos, assim como 
as importantes interações entre metal líquido e óxidos líquidos são algumas das 
complexas etapas que influenciam o resultado global do que ocorre no interior do alto-
forno, onde o tempo de residência do metal pode chegar a doze horas. 
 
- Processos de Redução Direta 
Alternativamente ao que ocorre no alto-forno, o processo de redução pode se 
passar em condições que o metal reduzido seja produzido no estado sólido. Tais 
processos são chamados de processos de redução direta. Eles foram criados antes do 
36 
 
alto-forno, mas não puderam evoluir para grandes escalas de produção e foram 
ultrapassados pelo alto-forno. 
Este processo consiste em tratar os óxidos de ferro praticamente puros a 
temperaturas entre 950 e 1050 ºC, na presença de uma substância redutora, resultando 
numa massa escura e porosa conhecida como “ferro esponja”. Como o produto da 
redução direta é sólido, parte significativa das impurezas do minério é retida no produto 
final. 
Modernamente, todo o produto da redução direta é utilizado como carga para 
processos de refino em aciaria, notadamente aciarias elétricas. 
 
4.2 – Aciaria 
 
 Por volta de meados do século XIX, Sir Henry Bessemer desenvolveu e 
patenteou um processo para “converter” o gusa em aço, através de insuflação de ar sob 
pressão no gusa líquido. O processo se passava em um forno cilíndrico e o ar era 
insuflado por ventaneiras situadas no fundo do forno. O processo foi desenvolvido, 
posteriormente, para operar com refratários básicos e permitir o uso de escórias também 
básicas. A insuflação de ar, porém, tinha dois inconvenientes: o metal produzido era 
rico em nitrogênio (indesejáveis para as propriedades mecânicas do aço), e havia grande 
perda de energia associada ao calor perdido com o nitrogênio gasoso que deixava o 
forno. O balanço térmico desse conversor também impossibilitava a fusão de sucata. A 
figura a seguir mostra um esquema de operação do conversor Bessemer. 
 
 
Figura 4 – Conversor Bessemer 
 
37 
 
 Na mesma época, William Siemens, na Inglaterra, desenvolveu um forno que 
aproveitava, através de trocadores de calor estáticos, o calor dos gases de combustão e 
permitia pré-aquecer o ar usado na combustão. Com o uso dessa tecnologia, na França, 
Martin desenvolveu um forno capaz de atingir temperaturas suficientemente altas para 
manter o aço de baixo carbono no estado líquido, que veio a ser conhecido como 
Siemens-Martin. Embora o refino do gusa até aço nestes fornos fosse muito mais lento 
que em conversores, a possibilidade de fundir sucata e a capacidade de dessulfurar o aço 
produzido mantiveram esse forno viável por mais de um século. 
 A operação de um forno Siemens-Martin é dividida em 3 etapas: carregamento e 
fusão da carga, período de trabalho ou de refino e acabamento da corrida. Geralmente o 
tempo total da operação é de cerca de 10 horas para fornos com capacidade de até 200 t. 
 Nos aços produzidos pelo processo Siemens-Martin, o carbono pode variar de 
0,2 a pouco acima de 1%. Durante a corrida, procura-se manter o carbono pouco abaixo 
do teor especificado, de modo a permitir que seu aumento, devido a adição final de 
ferro-ligas, não ultrapasse o especificado. A temperatura do banho deve situar-se em 
torno de 1600 ºC para os “aços acalmados”, e pouco acima para os “aços 
efervescentes”. Os “aços acalmados”, geralmente de maior teor de carbono, são 
utilizados quando se deseja, por exemplo, produzir peças forjadas a partir dos lingotes 
resultantes. A técnica consiste numa desoxidação mais intensa pela adição de Fe-Si e 
Fe-Mn. Os “aços efervescentes” são de carbono abaixo de 0,20%, utilizados na 
produção de chapas e arames. Não são suficientemente desoxidados, de modo que, no 
instante do vazamento, contém quantidade razoável de FeO dissolvido, o qual, ao reagir 
com o carbono do aço, forma bolhas de CO que produz uma efervescência nas 
lingoteiras. Há também os aços “semi-acalmados”, intermediários entre os dois 
anteriores, destinados a fabricação de perfis estruturais e chapas grossas. 
 O advento da produção de oxigênio em escala industrial (que passou a ser 
injetado em conversores) e o aumento do custo dos combustíveis empregados nos 
fornos Siemens-Martin os condenaram ao desaparecimento no final da década de 70. 
 
4.2.1 – Conversores a Oxigênio 
 
 O primeiro conversor capaz de aproveitar o oxigênio produzido em escala 
industrial foi o conversor LD (Linz-Donawitz), desenvolvido na Áustria (figura 5). 
 Nestes conversores o oxigênio é soprado por uma lança refrigerada, situada 
sobre o banho metálico. O sopro produz a formação de escória rica em óxido de ferro, e 
em seguida a formação de uma emulsão entre metal, gás e escória, onde as reações de 
refino se passam de forma extremamente rápida. 
 
38 
 
 
Figura 4.5 – Conversor LD 
 
 No início do uso do oxigênio industrial, não foi possível empregar o sopro de 
oxigênio pelo fundo dos conversores, devido a rápida oxidação altamente exotérmica, 
que ocorria próxima ao fundo do forno, causava uma combinação de alta temperatura e 
presença de óxido de ferro (FeO), extremamente danoso aos refratários. Posteriormente, 
desenvolveram-setécnicas de refrigeração localizada, com a injeção de diferentes 
hidrocarbonetos, que viabilizaram, no final da década de 1950, conversores com sopro 
de oxigênio pelo fundo (sopro por baixo), sendo o mais conhecido o processo Q-BOP. 
 
4.2.2 – Forno Elétrico a Arco 
 
 É o instrumento mais versátil de produção de aço, e vem se tornando também, 
nas últimas décadas, um dos mais eficientes. 
 Algumas de suas vantagens são: 
 
- Tem alta eficiência energética; 
- Permite produzir praticamente qualquer tipo de aço, em função do controle do 
aquecimento virtualmente independente de reações químicas; 
- É um aparelho extremamente versátil, no que tange a carga, podendo ser operado com 
100% de carga sólida; 
- Permite operação intermitente e mudanças rápidas na produção em escalas desde 
dezenas até centenas de toneladas. 
 
 Durante um longo tempo, os fornos elétricos a arco foram os equipamentos 
preferidos para a produção dos aços que precisavam ser submetidos a refino mais 
cuidadoso. A evolução tecnológica destes fornos, entretanto, conduziu a sua otimização 
como instrumentos de fusão. Assim, o uso do forno elétrico como equipamento de 
refino (tratamento do aço já completamente fundido) tornou-se cada vez menos 
econômico, transferindo parte das operações de refino para outros equipamentos (de 
metalurgia secundária). Dentre os processos secundários de refino, desenvolveram-se 
especialmente fornos auxiliares, chamados “fornos-panela”, com capacidade de 
aquecimento elétrico, para onde o aço líquido pode ser transferido para a realização das 
39 
 
atividades de refino, liberando o forno elétrico para fusão, descarburação e 
desfosforação. 
 Os fornos elétricos a arco são os principais consumidores de sucata de aço. 
Conversores empregam cada vez menos sucata, uma vez que as usinas integradas se 
tornam mais eficientes, com menor geração de sucata interna. Como a separação de 
sucatas não é perfeita, e a sucata de ferro é barata, é comum que alguma contaminação 
por outros metais esteja presente. Como ainda não existem processos economicamente 
viáveis para remover do ferro o estanho, zinco, cobre e as impurezas a ele associadas, e 
estes resíduos podem ser indesejáveis em alguns produtos do aço, cabe ao operador do 
forno elétrico compor sua carga com um balanço de metálicos que permita diluir o teor 
destes elementos na sucata e atingir os valores especificados. 
 
4.2.3 – Desoxidação 
 
 Depois das reações de oxidação do aço é necessário reduzir o teor de oxigênio 
em solução a um nível aceitável para o produto sólido (que não exceda a solubilidade no 
ferro sólido), e, consequentemente, cause o aparecimento de óxido de ferro de baixo 
ponto de fusão. Vários elementos tem maior afinidade pelo oxigênio do que o ferro, 
sendo os mais comumente empregados o alumínio, silício e manganês, e uma 
combinação destes dois últimos. A conseqüência do emprego de desoxidantes é a 
formação de produtos sólidos ou líquidos de uma reação de desoxidação. Esses produtos 
de desoxidação devem se separar do aço líquido, senão ficarão no produto sob a forma 
de inclusões não metálicas, afetando as propriedades do aço. 
 Como os conversores operam em condições bastante oxidantes, a desoxidação é 
tradicionalmente realizada durante ou após o vazamento do aço do conversor para uma 
panela. No forno elétrico a arco é possível realizar a desoxidação dentro do próprio 
forno, mas somente se não comprometer a eficiência econômica da aciaria. 
 
4.2.4 – Processos de Refino Secundário 
 
 A dificuldade de controlar as variáveis termodinâmicas de forma adequada a 
favorecer as reações de refino desejadas, assim como a necessidade de otimizar, 
economicamente, a produção de aço, levou ao desenvolvimento de processos de refino 
secundário. Nestes processos o aço líquido proveniente dos processos primários 
(conversores e forno elétrico a arco) é submetido a operações de refino e ajuste de 
composição química e temperatura, principalmente. 
 Os primeiros processos de refino secundário desenvolvidos em ampla escala 
foram os processos de desgaseificação, que são tratamentos do aço sob vácuo para 
reduzir o teor de hidrogênio, que causam problemas ao aço. 
 
40 
 
 
Figura 4.6 – Processos de desgaseificação de aços: no lingotamento, em panela e por 
circulação RH (na seqüência da esquerda para a direita) 
 
 Posteriormente foram desenvolvidos os fornos panela, visando transferir para 
outro equipamento as atividades de refino que mais consumiam tempo no forno. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
41 
 
Capítulo 5 – Noções de Ensaios dos Materiais 
 
5.1 - Ensaio de Tração 
 
• Ensaios dos Materiais 
- Verificam se os materiais apresentam propriedades adequadas ao seu uso. 
 
• Ensaios Mecânicos dos Materiais 
- Procedimentos padronizados que compreendem testes, cálculos, gráficos e consultas a 
tabelas, tudo isso em conformidade com normas técnicas. 
- Realizar um ensaio consiste em submeter um objeto já fabricado ou um material que 
vai ser processado industrialmente a situações que simulam os esforços que eles vão 
sofrer nas condições reais de uso, chegando a limites extremos de solicitação. 
- Local onde são realizados: laboratórios. 
- Utiliza-se protótipos, o próprio produto final ou um corpo de prova (CP). 
- Devem seguir normas estabelecidas (ABNT, ASTM, ISO, etc). 
 
- Ensaios destrutivos: deixam algum sinal na peça ou CP, mesmo que não fiquem 
inutilizados. Ex: fadiga, fluência, dureza e tração. 
- Ensaios não-destrutivos: não deixam nenhum sinal. Ex: líquido penetrante, partícula 
magnética, ultra-som. 
 
- Tipos de esforços a que os materiais podem ser submetidos: 
 
 
 
• Ensaio de Tração 
- Fornece dados quantitativos das características mecânicas dos materiais. Um CP de 
dimensões padronizadas por normas é submetido a esforço longitudinal, que tende a 
alongá-lo até a ruptura. 
42 
 
 
 
- Realizado em máquina universal: 
 
 
 
- Principais parâmetros de teste: 
Tensão: σ = F/A (unidade: Pa) 
Deformação: ε = (l0 – l)/l0 = ∆l / l0 (adimensional) 
Módulo de elasticidade: E = σ / ε (unidade: Pa) 
 
- O CP é fixado nas garras, a velocidade de aplicação da força é ajustada de acordo com 
a Norma utilizada, e a escala é selecionada. Um extensômetro é acoplado. 
- Durante o ensaio, a força de tração aplicada produz uma deformação no corpo, 
diminuindo a área da sua seção longitudinal e aumentando seu comprimento 
(alongamento A). Forma-se um “pescoço” no CP. 
 
 A = (lf – l0)/l0 
 
 Quanto maior for o alongamento, maior será sua capacidade de deformar. 
43 
 
 
 
 
- Deformação elástica: 
 Não é permanente. O material volta a sua forma original quando os esforços 
cessam. 
 
- Deformação plástica: 
 Permanente. Após cessarem os esforços, o material recupera a parte elástica da 
deformação, mas fica com uma deformação residual plástica, não voltando a sua forma 
original. 
 
• Diagrama Tensão x Deformação 
 
- Propriedades analisadas: 
 
 
- Limite elástico: 
 Nessa fase os metais obedecem a Lei de Hooke (deformações diretamente 
proporcionais as tensões). Se o ensaio for interrompido antes do ponto A, o CP volta a 
sua forma original. 
 
- Módulo de Elasticidade: 
 É a medida da rigidez do material. 
 A razão σ / ε em qualquer ponto é constante na fase elástica. 
 
- Limite de proporcionalidade: 
 Representado pelo ponto A’, a partir do qual a deformação deixa de ser 
proporcional a carga aplicada. Na prática, coincide com o limite de elasticidade. É o 
ponto onde começa a deformação permanente. Difícil de detectar, convenciona-se 0,2% 
para metais e ligas em geral. 
 
- Escoamento: 
 Ocorre no início da fase plástica. A carga oscila entre valores muito próximos 
uns dos outros. 
 
44 
 
- Limite de resistência: 
 Valor máximo de tensão alcançada (ponto B). 
- Limite de ruptura: 
 Tensão no ponto onde o material se rompe (ponto C). É menor que o limite de 
resistência, pois há diminuição de área no CP após a tensão máxima. 
- Estricção(ou formação do pescoço): 
 Redução percentual de área da seção transversal do corpo, na região onde vai 
ocorrer a ruptura. Quanto maior for a estricção, mais dúctil será o material. 
 
 
 
 
Módulo de Elasticidade: 
- Quanto maior o módulo, maior a rigidez do material, e menor será a deformação 
elástica resultante. 
 
 
 
A liga A é mais rígida que a liga B. 
 
Resiliência: 
- É a capacidade de um metal absorver energia quando deformado elasticamente, 
isto é, dentro da zona elástica, e liberá-la quando descarregado. 
- O módulo de resiliência é calculado através da área sob a parte elástica da curva 
σ x ε. 
 
Tenacidade: 
- É a capacidade do metal de absorver energia na zona plástica. O módulo de tenacidade 
é a quantidade de energia absorvida por unidade de volume até a fratura (área total sob a 
curva σ x ε). 
 
45 
 
 
 
Fratura dos Corpos de Prova sob Tração 
 
a) Fratura frágil 
b) Fratura muito dúctil 
c) Fratura dúctil 
 
Exemplo de relatório de ensaio de tração: 
 
 
 
Exercício 
Um corpo de prova circular (r = 5 mm) foi testado a tração. O comprimento inicial de 
teste (l0 = 100 mm) foi elongado até atingir a deformação de 1 mm. Neste instante a 
força medida era de F1 = 5,498 x 104 N. Em seguida atingiu a deformação de 3 mm, a 
uma força de F2 = 1,649 x 105 N. Determine: 
46 
 
a) A deformação nos instantes de medida: 
ε1 = ∆l1 / l0 = 1 / 100 = 0,01 
ε2 = ∆l2 / l0 = 3 / 100 = 0,03 
b) A tensão nos instantes de medida: 
A = πr2 = π x (0,005)2 = 7,854 x 10-5 m2 
σ1 = F1 / A = (5,498 x 104) / (7,854 x 10-5) = 7,0 x 108 Pa 
σ2 = F2 / A = (1,649 x 105) / (7,854 x 10-5) = 2,1 x 109 Pa 
 
c) O módulo de elasticidade: 
 
E = ∆σ / ∆ε = 
 
 
5.2 - Ensaio de Dureza 
 
· Na área da metalurgia, considera-se dureza como a resistência à deformação plástica 
permanente. Isso porque uma grande parte da metalurgia consiste em deformar 
plasticamente os metais. 
 
· Na área da mecânica, é a resistência à penetração de um material duro no outro, pois 
esta é uma característica que pode ser facilmente medida. 
 
Ou seja, a dureza não é uma propriedade absoluta. Só tem sentido falar em dureza 
quando se comparam materiais, isto é, só existe um material duro se houver outro mole. 
 
Tipos de Ensaios de Dureza: 
 
- Dureza Brinell 
- Dureza Rockwell 
- Dureza Vickers 
 
- O primeiro método padronizado de ensaio de dureza do qual se tem notícia, baseado 
no processo de riscagem, foi desenvolvido por Mohs, em 1822. 
- Este método deu origem à escala de dureza Mohs, que apresenta dez minérios-padrões, 
ordenados numa escala crescente do grau 1 ao 10, de acordo com sua capacidade de 
riscar ou ser riscado. 
 
(2,1x109)− (7,0x108)
0,03− 0,01
= 1,4x109
0,02
= 70 x109 Pa= 70GPa
47 
 
 
 
- Esta escala não é conveniente para os metais, porque a maioria deles apresenta durezas 
Mohs 4 e 8, e pequenas diferenças de dureza não são acusadas por este método. Por 
exemplo, um aço dúctil corresponde a uma dureza de 6 Mohs, a mesma dureza Mohs de 
um aço temperado. 
 
- As limitações da escala Mohs levaram ao desenvolvimento de outros métodos de 
determinação de dureza, mais condizentes com o controle do aço e de outros metais. 
Um deles é o ensaio de dureza Brinell. 
 
Dureza Brinell 
 
- O ensaio de dureza Brinell consiste em comprimir lentamente uma esfera de aço 
temperado, de diâmetro D, sobre uma superfície plana, polida e limpa de um metal, por 
meio de uma carga F, durante um tempo t, produzindo uma calota esférica de diâmetro 
d . 
- A dureza Brinell é representada pelas letras HB. Esta representação vem do inglês 
Hardness Brinell, que quer dizer “dureza Brinell”. 
 
 
 
48 
 
- A dureza Brinell (HB) é a relação entre a carga aplicada (F) e a área da calota esférica 
impressa no material ensaiado (Ac). 
Em linguagem matemática: 
 
- A área da calota esférica é dada pela fórmula: πDp, onde p é a profundidade da calota 
e D é o diâmetro da esfera. 
Substituindo Ac pela fórmula para cálculo da área da calota, temos: 
 
 
 
 
- Devido à dificuldade técnica de medição da profundidade (p), que é um valor muito 
pequeno, utiliza-se uma relação matemática entre a profundidade (p) e o diâmetro da 
calota (d) para chegar à fórmula matemática que permite o cálculo da dureza HB, 
representada a seguir: 
 
 
 
 
 
Exemplo: Uma amostra foi submetida a um ensaio de dureza Brinell no qual se usou 
uma esfera de 2,5 mm de diâmetro e aplicou-se uma carga de 187,5 kgf. As medidas dos 
diâmetros de impressão foram de 1 mm. Qual a dureza do material ensaiado? 
 
HB= F
AC
HB= F
π Dp
HB= 2F
πD( D−√D2− d2)
__ 
______________ _____ 
49 
 
 
 
- Representação dos resultados: 
 
 O número de dureza Brinell deve ser seguido pelo símbolo HB, sem qualquer sufixo, 
sempre que se tratar do ensaio padronizado, com aplicação da carga durante 15 
segundos. 
 
 Em outras condições, o símbolo HB recebe um sufixo formado por números que 
indicam as condições específicas do teste, na seguinte ordem: diâmetro da esfera, carga 
e tempo de aplicação da carga. 
 
 Exemplificando: Um valor de dureza Brinell 85, medido com uma esfera de 10 mm de 
diâmetro e uma carga de 1.000 kgf, aplicada por 30 segundos, é representado da 
seguinte forma: 
85HB 10/1000/30 
 
- Vantagens e limitações: 
 
50 
 
• O ensaio Brinell é usado especialmente para avaliação de dureza de metais não 
ferrosos, ferro fundido, aço, produtos siderúrgicos em geral e de peças não 
temperadas. 
• É o único ensaio utilizado e aceito para ensaios em metais que não tenham 
estrutura interna uniforme. 
• É feito em equipamento de fácil operação. 
• Por outro lado, o uso deste ensaio é limitado pela esfera empregada. Usando-se 
esferas de aço temperado só é possível medir dureza até 500 HB, pois durezas 
maiores danificariam a esfera. 
 
Dureza Rockwell 
 
 Neste método, a carga do ensaio é aplicada em etapas, ou seja, primeiro se aplica uma 
pré-carga, para garantir um contato firme entre o penetrador e o material ensaiado, e 
depois aplica-se a carga do ensaio propriamente dita. 
 
 A leitura do grau de dureza é feita diretamente num mostrador acoplado à máquina de 
ensaio, de acordo com uma escala predeterminada, adequada à faixa de dureza do 
material. 
 
 
 
- Tipos de Penetradores: 
Os penetradores utilizados na máquina de ensaio de dureza Rockwell são do tipo 
esférico (esfera de aço temperado) ou cônico (cone de diamante com 120º de 
conicidade). 
 
51 
 
 
 
 
 
 A escala do mostrador é construída de tal modo que uma impressão profunda 
corresponde a um valor baixo na escala e uma impressão rasa corresponde a um valor 
alto na escala. Desse modo, um valor alto na escala indica que se trata de um material 
de alta dureza. 
Equipamento utilizado: 
 
52 
 
 
 
- Um material ensaiado numa escala só pode ser comparado a outro material ensaiado 
na mesma escala. 
 
 
- Representação: 
 
O número de dureza Rockwell deve ser seguido pelo símbolo HR, com um sufixo que 
indique a escala utilizada. 
Veja, por exemplo, a interpretação do resultado 64HRC: 
· 64 é o valor de dureza obtido no ensaio; 
· HR indica que se trata de ensaio de dureza Rockwell; 
53 
 
· a última letra, no exemplo C, indica qual a escala empregada. 
 
Dureza Vickers 
 
 O ensaio Rockwell mostra algumas limitações, como, por exemplo, o fato de suas 
escalas não terem continuidade. Por isso, materiais que apresentam dureza no limite de 
uma escala e no início de outra não podem ser comparados entre si quanto à dureza. 
 O ensaio de dureza Vickers leva em conta a relação ideal entre o diâmetro da esfera 
do penetrador Brinell e o diâmetro da calota esférica obtida, e vai além porque utiliza 
outro tipo de penetrador, que possibilita medir qualquer valor de dureza, incluindo 
desde os materiais mais duros até os mais moles. 
 A dureza Vickers se baseia na resistência que o material oferece à penetração de uma 
pirâmide de diamante de base quadrada e ângulo entre faces de 136º, sob uma 
determinada carga. 
 O valor de dureza Vickers (HV) é o quocienteda carga aplicada (F) pela área de 
impressão (A) deixada no corpo ensaiado. Essa relação, expressa em linguagem 
matemática é a seguinte: 
 
 
 
 A máquina que faz o ensaio Vickers não fornece o valor da área de impressão da 
pirâmide, mas permite obter, por meio de um microscópio acoplado, as medidas das 
diagonais (d1 e d2) formadas pelos vértices opostos da base da pirâmide. 
 Conhecendo as medidas das diagonais, é possível calcular a área da pirâmide de base 
quadrada (A), utilizando a fórmula: 
 
 
 
 
 
HV = F
A
A= d2
2sen(136o
2 )_____ 
54 
 
 
 
 Voltando à fórmula para cálculo da HV, e substituindo A pela fórmula anterior, temos: 
 
 
Na fórmula anterior, a força deve ser expressa em quilograma-força (kgf) e o “d” 
corresponde à diagonal média, ou seja: 
 
 
e deve ser expresso em milímetro (mm). Se a máquina der o resultado em mícron (µ), 
esse valor deve ser convertido em milímetro. 
 
- Representação: 
 
 A dureza Vickers é representada pelo valor de dureza, seguido do símbolo HV e de um 
número que indica o valor da carga aplicada. A representação 440 HV 30 indica que o 
valor da dureza Vickers é 440 e que a carga aplicada foi de 30 kgf. 
 
 O tempo normal de aplicação da carga varia de 10 a 15 segundos. Quando a duração 
da aplicação da carga é diferente, indica-se o tempo de aplicação após a carga. Por 
exemplo, na representação: 440 HV 30/20, o último número indica que a carga foi 
aplicada por 20 segundos. 
 
- Cargas usadas no ensaio Vickers 
 
 Neste método, ao contrário do que ocorre no Brinell, as cargas podem ser de qualquer 
valor, pois as impressões são sempre proporcionais à carga, para um mesmo material. 
Deste modo, o valor de dureza será o mesmo, independentemente da carga utilizada. 
55 
 
 Por uma questão de padronização, as cargas recomendadas são: 1, 2, 3, 4, 5, 10, 20, 30, 
40, 60, 80, 100, 120 kgf. Para cargas muito altas (acima de 120 kgf), em vez do 
penetrador de pirâmide de diamante pode-se também usar esferas de aço temperado de 1 
ou 2 mm de diâmetro na mesma máquina. Neste caso, o ensaio feito na máquina 
Vickers é o ensaio de dureza Brinell. 
 
- Comparando Brinell e Vickers 
 O ensaio Vickers produz valores de impressão semelhantes aos da dureza Brinell. 
Isso ocorre porque o ângulo de 136º da ponta de diamante produz uma impressão que 
mantém a relação ideal de 0,375 entre o diâmetro da calota esférica (d) e o diâmetro da 
esfera do penetrador Brinell (D), seja qual for a carga aplicada. É isso o que mostra o 
desenho abaixo. 
 O uso de cargas diferentes é necessário para se obter uma impressão regular, sem 
deformação e de tamanho compatível com o visor da máquina. 
 
 
 
- Vantagens e limitações: 
• O ensaio Vickers fornece uma escala contínua de dureza, medindo todas as 
gamas de valores de dureza numa única escala. 
• As impressões são extremamente pequenas e, na maioria dos casos, não 
inutilizam as peças, mesmo as acabadas. 
• O penetrador, por ser de diamante, é praticamente indeformável. 
• Este ensaio aplica-se a materiais de qualquer espessura, e pode também ser 
usado para medir durezas superficiais. 
• Por outro lado, devem-se tomar cuidados especiais para evitar erros de medida 
ou de aplicação de carga, que alteram muito os valores reais de dureza. 
• Quando se usam cargas menores do que 300 kgf, pode haver recuperação 
elástica, dificultando a medida das diagonais. 
• A máquina de dureza Vickers requer aferição constante, pois qualquer erro na 
velocidade de aplicação da carga traz grandes diferenças nos valores de dureza. 
 
5.3 - Ensaio de Impacto 
 
• Veículos brasileiros têm, em geral, suspensão mais reforçada do que a dos 
similares europeus. 
 
56 
 
• As condições de nossas estradas e ruas requerem esse reforço, para que os 
veículos possam enfrentar, com menores riscos de quebra, os choques 
provocados pelos buracos e outras irregularidades do asfalto ou do terreno. 
 O ensaio de impacto se caracteriza por submeter o corpo ensaiado a uma força 
brusca e repentina, que deve rompê-lo. 
 Imagine outra situação: se você colocasse um tijolo de barro, desses comuns, 
sobre uma mesa com tampo de vidro, com exceção da sujeira, nada mais aconteceria. O 
vidro suportaria sem problemas a força equivalente ao peso do tijolo. 
 Mas o que ocorreria se o mesmo tijolo despencasse de uma altura de 2 metros 
sobre a mesa de vidro? Um desastre... 
A diferença está na velocidade de aplicação da força, ou seja, no impacto do tijolo 
contra o tampo da mesa. 
 A maioria dos ensaios que estudamos não avalia o comportamento dos materiais 
submetidos a esforços dinâmicos. 
 No caso da fadiga, embora os esforços sejam dinâmicos, o ensaio correspondente 
leva mais em conta o fato de serem cíclicos. Porém, a maioria das máquinas e 
equipamentos, quando em funcionamento, está submetida a esforços dinâmicos. 
 
- Fratura frágil 
 
 As fraturas produzidas por impacto podem ser frágeis ou dúcteis. 
 As fraturas frágeis caracterizam-se pelo aspecto cristalino e as fraturas dúcteis 
apresentam aparência fibrosa. 
Os materiais frágeis rompem-se sem nenhuma deformação plástica, de forma brusca. 
Por isso, esses materiais não podem ser utilizados em aplicações nas quais sejam 
comuns esforços bruscos, como em eixos de máquinas, bielas etc. 
Para estas aplicações são desejáveis materiais que tenham capacidade de absorver 
energia e dissipá-la, para que a ruptura não aconteça, ou seja, materiais que apresentem 
tenacidade. 
 Esta propriedade está relacionada com a fase plástica dos materiais e por isso se 
utilizam as ligas metálicas dúcteis neste tipo de aplicação. 
 Porém, mesmo utilizando ligas dúcteis, com resistência suficiente para suportar uma 
determinada aplicação, verificou-se na prática que um material dúctil pode romper-se de 
forma frágil. 
 
- Fatores que influenciam o comportamento frágil dos materiais dúcteis 
 
 Um material dúctil pode romper-se sem deformação plástica apreciável, ou seja, de 
maneira frágil, quando as condições abaixo estiverem presentes: 
 
· velocidade de aplicação da carga suficientemente alta; 
· trinca ou entalhe no material; 
· temperatura de uso do material suficientemente baixa. 
 
 Alguns materiais são mais afetados pela velocidade alta do choque, apresentando uma 
sensibilidade que é chamada sensibilidade à velocidade. 
57 
 
 Uma trinca promove concentração de tensões muito elevadas, o que faz com que a 
maior parte da energia produzida pela ação do golpe seja concentrada numa região 
localizada da peça, com a conseqüente formação da fratura frágil. A existência de uma 
trinca, por menor que seja, muda substancialmente o comportamento do material dúctil. 
Esta característica do material dúctil, de comportar-se como frágil devido à trinca, é 
freqüentemente chamada de sensibilidade ao entalhe. 
 A temperatura tem um efeito muito acentuado na resistência dos metais ao choque, ao 
contrário do que ocorre na resistência estática. 
 
- Descrição do ensaio de impacto 
 
 Um dos ensaios que permitem estudar os efeitos das cargas dinâmicas é o ensaio de 
impacto. Este ensaio é usado para medir a tendência de um metal de se comportar de 
maneira frágil. 
 O choque ou impacto representa um esforço de natureza dinâmica, porque a carga é 
aplicada repentina e bruscamente. 
 No impacto, não é só a força aplicada que conta. Outro fator é a velocidade de 
aplicação da força. Força associada com velocidade traduz-se em energia. 
 O ensaio de impacto consiste em medir a quantidade de energia absorvida por uma 
amostra do material, quando submetida à ação de um esforço de choque de valor 
conhecido. 
 O método mais comum para ensaiar metais é o do golpe, desferido por um peso em 
oscilação. A máquina correspondente é o martelo pendular. 
 O pêndulo é levado a uma certa posição, onde adquire uma energia inicial. Ao cair, ele 
encontra no seu percurso o corpo de prova, que se rompe. A sua trajetória continua até 
certa altura, que corresponde à posição final, onde o pênduloapresenta uma energia 
final. 
 
 
 
A diferença entre as energias inicial e final corresponde à energia absorvida pelo 
material. 
 De acordo com o Sistema Internacional de Unidades (SI), a unidade de energia adotada 
é o joule. Em máquinas mais antigas, a unidade de energia pode ser dada em kgf · m, 
kgf · cm ou kgf · mm. 
58 
 
 A máquina é dotada de uma escala, que indica a posição do pêndulo, e é calibrada de 
modo a indicar a energia potencial. 
A fórmula para o cálculo da energia potencial (Ep) é: 
 
 Ep = m x g x h 
 
onde: 
m = massa 
g = aceleração da gravidade 
h = altura 
 
 No ensaio de impacto, a massa do martelo e a aceleração da gravidade são conhecidas. 
A altura inicial também é conhecida. A única variável desconhecida é a altura final, que 
é obtida pelo ensaio. 
 
- Corpos de prova 
 
 Nos ensaios de impacto, utilizam-se duas classes de corpos de prova com entalhe: o 
Charpy e o Izod. 
 Os corpos de prova Charpy compreendem três subtipos (A, B e C), de acordo com a 
forma do entalhe. A figura a seguir mostra as formas e dimensões desses três tipos de 
corpos de prova e dos respectivos entalhes. 
 As diferentes formas de entalhe são necessárias para assegurar que haja ruptura do 
corpo de prova, mesmo nos materiais mais dúcteis. Quando a queda do martelo não 
provoca a ruptura do corpo de prova, o ensaio deve ser repetido com outro tipo de corpo 
de prova, que apresente entalhe mais severo, de modo a garantir a ruptura. Dos três tipos 
apresentados, o C é o que apresenta maior área de entalhe, ou seja, o entalhe mais 
severo. 
 
 
 
59 
 
 O corpo de prova Izod tem a mesma forma de entalhe do Charpy tipo A, localizada em 
posição diferente (não centralizada). 
O corpo de prova Charpy é apoiado na máquina e o Izod é engastado, o que justifica seu 
maior comprimento. 
 Corpos de prova de ferro fundido e ligas não ferrosas fundidas sob pressão não 
apresentam entalhe. 
 
 
 
A única diferença entre o ensaio Charpy e o Izod é que no Charpy o golpe é desferido 
na face oposta ao entalhe e no Izod é desferido no mesmo lado do entalhe. 
 
 
 
A energia medida é um valor relativo e serve apenas para comparar resultados obtidos 
nas mesmas condições de ensaio. Isso explica por que os resultados desse ensaio não 
têm aplicação nos cálculos de projetos de engenharia. 
 Mesmo tomando-se todos os cuidados para controlar a realização do ensaio, os 
resultados obtidos com vários corpos de prova de um mesmo metal são bastante 
diversos. Para chegar a conclusões confiáveis a respeito do material ensaiado, é 
recomendável fazer o ensaio em pelo menos três corpos de prova. 
 Em condições de temperatura diversas da temperatura ambiente, os resultados deste 
ensaio variam sensivelmente. 
 
60 
 
5.4 - Ensaio de Fluência 
 
• É o fenômeno de deformação plástica, lenta e progressiva das ligas metálicas, 
que ocorre, a medida que a temperatura aumenta, sob carga constante. 
• De um modo geral, a fluência é definida como a deformação crescente, com o 
tempo, sob carga constante. 
• As variáveis que estão em jogo são: 
 - Tensão 
 - Deformação 
 - Tempo 
 - Temperatura 
 
 Sabemos que todo corpo submetido a um esforço mecânico sofre uma deformação 
elástica antes de apresentar deformação plástica ou de se romper. Há sempre uma 
quantidade de esforço que não produz deformação permanente. Se o esforço é aliviado 
neste estágio, as dimensões da peça voltam ao original. 
 Mas será que isso significa que um produto construído para suportar um esforço 
estático abaixo de seu limite elástico vai durar para sempre? A resposta é não! 
 No estudo da fluência, três aspectos devem ser ressaltados de início: 
- Deformação total por fluência, num dado tempo, que inclui deformação plástica 
devido a carga e deformação plástica mais lenta, durante o fenômeno; 
- Velocidade de fluência, sob condições estáveis; 
- Tempo até a ruptura. 
 
 Existem metais que exibem o fenômeno de fluência mesmo à temperatura ambiente, 
enquanto outros resistem a essa deformação mesmo a temperatura elevadas. 
 A necessidade de testar novos materiais, expostos a altas temperaturas ao longo do 
tempo, define a importância deste ensaio. 
 
- Equipamento para ensaio de fluência 
 
 Na maioria dos casos, avalia-se a fluência de um material submetendo-o ao esforço de 
tração. Os corpos de prova utilizados nos ensaios de fluência são semelhantes aos do 
ensaio de tração. O equipamento para a realização deste ensaio permite aplicar uma 
carga de tração constante ao corpo de prova. O corpo de prova fica dentro de um forno 
elétrico, de temperatura constante e controlável. Um extensômetro é acoplado ao 
equipamento, para medir a deformação em função do tempo. 
 
61 
 
 
 
 
 
 
Gráfico relativo a deformação por fluência em função do tempo a temperatura 
constante: 
 
 
São notados três estágios: 
- Estágio I → fluência primária ou transitória → de 0 a t1 
- Estágio II → fluência secundária ou constante → de t1 a t3 
- Estágio III → fluência terciária, até a ruptura → de t3 a t4 
 O terceiro estágio, dependendo da carga e da temperatura, nem sempre se faz presente. 
 No estágio primário, a velocidade de fluência é rápida, até atingir o estágio secundário, 
quando decresce, para novamente aumentar a uma velocidade cada vez maior, até que 
ocorra a fratura. 
 A fratura típica de fluência é intercristalina, ou seja, no interior dos grãos. 
 A fluência ocorre devido à movimentação de falhas, que sempre existem na estrutura 
cristalina dos metais. Não haveria fluência se estas falhas não existissem. A temperatura 
aumenta a velocidade de fluência, pois facilita o escorregamento de planos: a 
mobilidade dos átomos aumenta, as discordâncias adquirem igualmente maior 
mobilidade, e novos mecanismos de deformação intervêm. 
62 
 
 O início da fratura sob fluência ocorre no contorno do grão, pelo aparecimento de 
pequenas cavidades que, com o tempo, crescem e se aglutinam, formando uma fratura 
que leva a ruptura. 
 
 
 
 As primeiras fissuras são produzidas nos contornos de grãos, e se originam por 
deslizamento ao longo dos contornos de grãos, o que produz uma concentração de 
tensão no ponto O da figura. 
 A temperatura em que ocorre a inversão do comportamento do contorno de grão, no 
sentido de facilitar o movimento das discordâncias e para a qual a fratura muda de 
“intra” para “intergranular” ou “intercristalina”, é chamada temperatura 
“equicoesiva”. 
 Para aços de baixo carbono, essa temperatura é da ordem de 450º C. Abaixo da 
temperatura equicoesiva pode ocorrer um endurecimento causado pela deformação 
(encruamento). No caso desse encruamento tornar-se predominante, o segundo estágio 
da fluência torna-se uma linha horizontal. 
 A temperaturas superiores a equicoesiva, a velocidade de escorregamento sobrepuja o 
efeito do encruamento e a fluência tem continuidade, mesmo sob baixas tensões. 
 
- Influência da temperatura 
 
 Nos ensaios de fluência, o controle da temperatura é muito importante. Verificou-se 
que pequenas variações de temperatura podem causar significativas alterações na 
velocidade de fluência. Exemplo disso é o aço carbono submetido ao ensaio de fluência, 
a uma tensão de 3,5 kgf/mm2, durante 1.000 horas: à temperatura de 500ºC, apresentou 
uma deformação de 0,04% e à temperatura de 540ºC apresentou uma deformação de 
4%. 
 Imagine a importância desta característica para os foguetes, aviões a jato, instalações 
de refinarias de petróleo, equipamentos de indústria química, instalações nucleares, 
cabos de alta tensão etc., nos quais os esforços são grandes e as temperaturas de 
trabalho oscilam em torno de 1.000ºC. 
 
- Resistência a fluência 
 É a tensão a uma dada temperatura que produz uma velocidade mínima de deformação 
de determinado valor. 
 O ensaio de resistência a fluência fornece dados que são lançados num gráfico log-log 
relacionando tensão e velocidade mínima de fluência. Obtém-se linhas retas. 
63 
 
 Esseensaio é geralmente realizado sob tensões baixas para evitar o estágio terciário e 
raramente o tempo de ensaio chega a 10.000 horas (cerca de 1,1 ano). 
 Às vezes, quando não é possível esperar muito tempo, utilizam-se extrapolações, isto 
é, o ensaio é feito durante um tempo mais curto e, a partir da deformação obtida nesse 
intervalo, estima-se o comportamento do material por um tempo mais longo (vida útil 
do produto) e avalia-se a quantidade de deformação esperada ao longo deste tempo. 
 
- Resistência a ruptura por fluência 
 Corresponde a tensão que, a uma certa temperatura, é necessária para produzir um 
tempo para ruptura, geralmente 100, 1.000 ou 10.000 horas. 
 O ensaio é semelhante ao de resistência à fluência, com a diferença que é levado até a 
ruptura do material. Nele, empregam-se cargas maiores, resultando maiores velocidades 
de fluência. Esse ensaio geralmente não supera um tempo de 1.000 horas. 
 O dado básico que se obtém nesse ensaio “tempo necessário para causar ruptura, sob a 
ação de uma determinada tensão, a uma temperatura constante”. Esse ensaio é realizado 
quando se deseja avaliar o comportamento de um material para emprego em condições 
de vida relativamente curta. Por isso, fornece informações mais úteis que as curvas 
comuns de fluência. 
 
Gráfico tensão – tempo de ruptura em escala logarítmica 
 
 
 As linhas obtidas são geralmente retas. Quando há mudança de inclinação, esta deve-se 
ao fato de terem ocorrido fenômenos estruturais no material, como mudança de fratura 
transgranular para intergranular, oxidação, recristalização, crescimento de grão, etc. 
 
- Ensaio de relaxação 
 Na sua forma mais simples, o ensaio de relaxação é feito mantendo a deformação 
constante, por meio da redução da tensão aplicada ao corpo de prova ao longo do 
tempo. O resultado é justamente a queda da tensão ao longo do tempo, que mantém a 
velocidade de deformação constante, num dado valor. Produz dados sobre velocidade de 
fluência/tensão numa gama variada de velocidades, com apenas um corpo de prova. 
64 
 
 A maioria dos ensaios de relaxação duram de 1.000 a 2.000 horas. Os resultados não 
têm relação direta com aplicação prática e são extrapolados empiricamente para 
situações reais. 
 A principal desvantagem deste ensaio prende-se às exigências do equipamento, cujo 
sistema de medição de força deve permitir medições precisas de pequenas variações de 
carga ao longo do tempo. 
 
- Considerações finais sobre o ensaio de fluência 
 Nos últimos anos, muitas ligas metálicas especiais têm sido desenvolvidas para 
suportar as condições de serviço que caracterizam a fluência, em componentes de aviões 
a jato, turbinas a gás, mísseis, foguetes e reatores nucleares. 
 O estudo da fluência tem sido baseado em tensões de tração. Contudo, outros tipos de 
tensões devem ser considerados, como de dobramento, compressão, torção, além da 
presença de esforços combinados. 
 A determinação das propriedades de fluência é essencial para uma mais adequada 
seleção das ligas a serem empregadas a temperaturas acima da ambiente. 
 
5.5 - Ensaio de Fadiga 
 
• Em condições normais de uso, os produtos devem sofrer esforços abaixo do 
limite de proporcionalidade, ou limite elástico, que corresponde à tensão 
máxima que o material pode suportar. 
• Em geral, os fabricantes especificam o produto para suportar esforços acima 
desse limite, ensaiam os materiais, controlam o processo de produção e tomam 
todos os cuidados para que o produto não apresente qualquer problema. 
• Apesar de todas essas precauções, é possível que, após algum tempo de uso 
normal, de repente, sem aviso prévio e sem motivo aparente, o produto 
simplesmente venha a falhar, deixando o usuário na mão. 
• Essa falha é típica de um fenômeno chamado fadiga. 
• O ensaio de resistência à fadiga é um meio de especificar limites de tensão e de 
tempo de uso de uma peça ou elemento de máquina. É utilizado também para 
definir aplicações de materiais. 
• É sempre preferível ensaiar a própria peça, feita em condições normais de 
produção. Molas, barras de torção, rodas de automóveis, pontas de eixo etc. são 
exemplos de produtos normalmente submetidos a ensaio de fadiga. 
• Quando não é possível o ensaio no próprio produto, ou se deseja comparar 
materiais, o ensaio é feito em corpos de prova padronizados. 
 
- Definição: 
 Fadiga é a ruptura de componentes, sob uma carga bem inferior à carga máxima 
suportada pelo material, devido a solicitações cíclicas repetidas. 
 
- Mecanismo: 
 A ruptura por fadiga começa a partir de uma trinca (nucleação) ou pequena falha 
superficial, que se propaga ampliando seu tamanho, devido às solicitações cíclicas. 
Quando a trinca aumenta de tamanho, o suficiente para que o restante do material 
65 
 
não suporte mais o esforço que está sendo aplicado, a peça se rompe 
repentinamente. 
 A fratura por fadiga é típica: geralmente apresenta-se fibrosa na região da 
propagação da trinca e cristalina na região da ruptura repentina. 
A estrutura metálica é constituída de um conjunto de cristais com orientações a 
esmo. Numa peça sob tensão, alguns cristais podem atingir e ultrapassar seu limite 
elástico antes que outros, devido a orientação que permita o escorregamento de 
planos cristalográficos. Essa situação é agravada pela aplicação de esforços cíclicos 
ou repetidos. 
 A falha também pode ser devida ao fato da distribuição de tensões de um cristal a 
outro não ser uniforme. Essas anomalias, mais a existência dos pontos “origem de 
tensões” e outros fatores, desde que aliados a existência de esforços alternados e 
repetidos, podem conduzir a formação de pequenas fissuras as quais, com as 
sucessivas tensões repetidas, se desenvolvem com o tempo, a partir dos núcleos 
onde surgiram, atingindo toda a seção. 
 Mudanças bruscas de seções, como riscos superficiais, pequenas inclusões, pequenas 
bolhas de gás, seções de roscas e outros tipos de defeitos, induzem ao aparecimento de 
tensões localizadas. 
 O início da fratura é geralmente precedido por faixas de escorregamento. O 
aparecimento dessas faixas leva a um escorregamento mais concentrado e direcional 
que nos casos de esforços normais. Produz ainda um efeito de movimentação de 
discordâncias, em planos adjacentes e próximos a superfície do material. O fenômeno 
resultante é mostrado na figura abaixo: 
 
Escorregamento devido a ação estática (a) ; Formação de reentrâncias (b) ou saliências 
(c) devido ao movimento de vaivém. 
 Você pode observar aproximadamente o que acontece na fadiga, dobrando 
repetidamente um pedaço de arame de aço. Após dobrar algumas vezes, se você 
observar atentamente, notará algumas pequenas trincas. Se continuar dobrando, 
observará que a trinca aumenta de tamanho até ocorrer a ruptura do arame. 
 O estudo da fadiga é importante porque a grande maioria das falhas de componentes de 
máquinas, em serviço, se deve à fadiga. E a ruptura por fadiga ocorre sem nenhum aviso 
prévio, ou seja, num dado momento a máquina está funcionando perfeitamente e, no 
instante seguinte, ela falha. 
 
- Tensões cíclicas 
 Na definição de fadiga, destacou-se que ela se deve a esforços cíclicos repetidos. De 
maneira geral, peças sujeitas a fadiga estão submetidas a esforços que se repetem com 
regularidade. Trata-se das tensões cíclicas. 
 
- Tipos de ensaio de fadiga 
66 
 
 Os aparelhos de ensaio de fadiga são constituídos por um sistema de aplicação de 
cargas, que permite alterar a intensidade e o sentido do esforço, e por um contador de 
número de ciclos. 
 O teste é interrompido assim que o corpo de prova se rompe. 
 O ensaio é realizado de diversas maneiras, de acordo com o tipo de solicitação que se 
deseja aplicar: 
- torção; 
- tração-compressão; 
- flexão; 
- flexão rotativa. 
 
 
 O ensaio mais usual, realizado em corpos de prova extraídos de barras ou perfis 
metálicos, é o de flexão rotativa. 
 Este ensaio consiste em submeter um corpo de prova a solicitações de flexão, enquantoo mesmo é girado em torno de um eixo, por um sistema motriz com contagiros, numa 
rotação determinada e constante. 
 
 
- Curva S-N 
 Os resultados do ensaio de fadiga geralmente são apresentados numa curva tensão-
número de ciclos, ou simplesmente curva S-N. O S vem da palavra inglesa stress, que 
quer dizer “tensão”, e N representa o número de ciclos. 
67 
 
 Supondo que, para uma certa solicitação de flexão S1 o corpo de prova se rompa em 
um certo número de ciclos N1, e para uma solicitação S2 se rompa em N2 ciclos, e 
assim por diante, pode-se construir o diagrama S-N, com a tensão no eixo das ordenadas 
e o número de ciclos no eixo das abscissas. 
 Observando a curva obtida, nota-se que, à medida que se diminui a tensão aplicada, o 
corpo de prova resiste a um maior número de ciclos. Nota-se, também, que diminuindo 
a tensão a partir de um certo nível - em que a curva se torna horizontal - o número de 
ciclos para o rompimento do corpo de prova torna-se praticamente infinito. 
 Esta tensão máxima, que praticamente não provoca mais a fratura por fadiga, chama-se 
limite de fadiga ou resistência à fadiga do metal considerado. 
 
 
 Para a maioria dos materiais, especialmente os metais não ferrosos como o alumínio, a 
curva obtida no diagrama S-N é decrescente. Portanto, é necessário definir um número 
de ciclos para obter a correspondente tensão, que será chamada de resistência à fadiga. 
 
- Fatores que influenciam a resistência à fadiga 
 Uma superfície mal acabada contém irregularidades que, como se fossem um entalhe, 
aumentam a concentração de tensões, resultando em tensões residuais que tendem a 
diminuir a resistência à fadiga. 
 Defeitos superficiais causados por polimento (queima superficial de carbono nos aços, 
recozimento superficial, trincas etc.) também diminuem a resistência à fadiga. 
 Tratamentos superficiais (cromeação, niquelação etc.) diminuem a resistência à fadiga, 
por introduzirem grandes mudanças nas tensões residuais, além de conferirem 
porosidade ao metal. Por outro lado, tratamentos superficiais endurecedores podem 
aumentar a resistência à fadiga. 
 O tratamento térmico adequado aumenta não somente a resistência estática, como 
também o limite de fadiga. 
 O encruamento dos aços dúcteis aumenta o limite de fadiga. 
 O meio ambiente também influencia consideravelmente o limite de fadiga, pois a ação 
corrosiva de um meio químico acelera a velocidade de propagação da trinca. 
68 
 
 A forma é um fator crítico, porque a resistência à fadiga é grandemente afetada por 
descontinuidades nas peças, como cantos vivos, encontros de paredes, mudança brusca 
de seções. 
 
- Como melhorar a resistência a fadiga 
- Sempre que possível, deve-se evitar a concentração de tensões. Por exemplo, um rasgo 
de chaveta num eixo é um elemento que concentra tensão e, conseqüentemente, diminui 
a resistência à fadiga. 
- Os projetos devem prever tensões contrárias favoráveis (opostas às tensões principais 
aplicadas), por meio de processos mecânicos, térmicos ou similares. Uma compensação 
deste tipo é encontrada em amortecedores de vibrações de motores a explosão. 
- Defeitos metalúrgicos como inclusões, poros, pontos moles etc. devem ser eliminados. 
- Deve-se selecionar os materiais metálicos de acordo com o ciclo de tensões: para 
aplicações com baixas tensões cíclicas, onde a deformação pode ser facilmente 
controlada, deve-se dar preferência a ligas de alta ductilidade. Para aplicações com 
elevadas tensões cíclicas, envolvendo deformações cíclicas predominantemente 
elásticas, deve-se preferir ligas de maior resistência mecânica. 
- Microestruturas estáveis, isto é, que não sofrem alterações espontâneas ao longo do 
tempo, apresentam maior resistência à fadiga. 
- Evitar concentração de tensões, sempre que possível. 
- Introduzir tensões de compressão residuais favoráveis, por meio de processos 
mecânicos, térmicos - Eliminar defeitos metalúrgicos (inclusões, poros, pontos moles). 
- Introduzir elementos de liga que reduzam a formação de saliências e reentrâncias 
resultantes da movimentação de discordâncias e escorregamento. 
- Por fim, a indústria tem que se preocupar com a fadiga antes de lançar o produto no 
mercado, pois este ensaio fornece informações que afetam diretamente a segurança do 
consumidor. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
69 
 
Capítulo 6 - Materiais Metálicos Não Ferrosos 
 
6.1 - Alumínio e Suas Ligas 
 
 O alumínio metálico é obtido pela redução eletrolítica da alumina (Al2O3) dissolvida 
em criolita líquida. 
 As primeiras aplicações do alumínio foram objetos de decoração como molduras de 
espelhos, travessas e utensílios domésticos. Com o tempo, cresceu a diversidade das 
aplicações do alumínio, de maneira que, praticamente, todos os aspectos da vida 
moderna são afetados diretamente ou indiretamente pelo seu uso. 
 Recentemente, verificou-se que os maiores mercados para as ligas de alumínio são: 
• Embalagens para alimentos e medicamentos - 34%; 
• Indústria automobilística e de transportes - 21%; 
• Construção civil (fachadas, pontes, tanques de estocagem) - 17%; 
• Cabos e componentes elétricos - 9%; 
• Bens duráveis - 8%; 
• Indústria de equipamentos e maquinaria - 7% e 
• Outros - 4%. 
 
Principais características do Alumínio: 
 
- Baixo peso; 
- Excelente condutividades elétrica e térmica, sendo vantajoso seu emprego em 
trocadores de calor, evaporadores, aquecedores, cilindros e radiadores 
automotivos; 
- Resistente à corrosão atmosférica, à corrosão em meio aquoso (inclusive água 
salgada), à óleos e diversos produtos solventes; 
- Ductilidade elevada (estrutura CFC) permitindo conformação de componentes 
com elevados valores de deformação; 
- Não é ferromagnético (característica importante para aplicações 
eletroeletrônicas); 
- Não é tóxico e, portanto, é largamente empregado em embalagens; 
- A resistência mecânica do alumínio puro é baixa (~90MPa), entretanto, nele, 
podem ser empregados alguns mecanismos de endurecimento; 
- A principal limitação do alumínio é a sua baixa temperatura de fusão (660 
°C), o que limita a temperatura de trabalho de suas ligas. 
 
Tipos de Ligas 
 Os principais elementos de liga das ligas de alumínio incluem combinações dos 
seguintes elementos: 
 
• Cobre (Cu); 
• Magnésio (Mg); 
• Silício (Si); 
• Manganês (Mn) e 
• Zinco (Zn). 
 
70 
 
 De acordo com o produto a ser feito, as ligas de alumínio podem ser divididas em dois 
grupos: 
 
- LIGAS PARA TRABALHO E CONFORMAÇÃO (wrought alloys) – ligas destinadas 
à fabricação de produtos semi-acabados, como laminados planos (placas, chapas e 
folhas), laminados não planos (tarugos, barras e arames) perfis extrudados e 
componentes forjados. 
 
- LIGAS PARA FUNDIÇÃO (cast alloys) – ligas destinadas a fabricação de 
componentes fundidos. Somando-se as ligas conformáveis e as ligas para fundição, 
existem mais de 600 ligas reconhecidas industrialmente. 
 
 Estes dois grupos se subdividem em: 
- LIGAS NÃO-TRATÁVEIS - Não são endurecíveis por meio de tratamento térmico; 
- LIGAS TRATÁVEIS TERMICAMENTE – São endurecidas por meio de tratamentos 
térmicos. 
 
- Nomenclatura das Ligas 
 
Alumínio >99% de pureza 1XXX 
Cobre 2XXX 
Manganês 3XXX 
Silício 4XXX 
Magnésio 5XXX 
Magnésio e Silício 6XXX 
Zinco 7XXX 
Outros elementos 8XXX 
 
APLICAÇÕES DAS LIGAS DE ALUMÍNIO 
 
- SÉRIE 1XXX 
 Alumínio comercialmente puro, não ligado, com pureza igual ou superior à 99% de Al. 
Fe e Si são as principais impurezas. As ligas da série 1000 são caracterizadas pela 
excelente resistência à corrosão, alta condutibilidade térmica e elétrica, baixa resistência 
mecânica e elevada ductilidade. 
 
Aplicações: 
• Equipamentosde industria química; 
• Refletores; 
• Trocadores de calor; 
• Condutores elétricos e capacitores; 
• Embalagens (papel alumínio) e 
• Painéis decorativos para uso na construção civil. 
 
- SÉRIE 2XXX 
 O COBRE é o elemento de liga principal e, na maioria das ligas, o Mg é o elemento de 
liga secundário. A resistência à corrosão das ligas da série 2xxx é inferior a de outras 
71 
 
ligas de alumínio. As ligas desta série apresentam boa usinabilidade e características de 
soldagem limitadas (exceto a liga 2219). 
 
Aplicações: 
• Componentes com elevada relação resistência/peso, sujeitos a temperaturas 
inferiores à 130ºC; 
• Rodas forjadas para a indústria aeronáutica e de caminhões ; 
• Fuselagem e componentes estruturais de aeronaves; 
• Componentes de suspensão de automóveis. 
 
- LIGAS DE ALUMÍNIO-COBRE-MAGNÉSIO 
 As ligas alumínio – cobre – magnésio endurecidas por precipitação foram as primeiras 
a serem descobertas. A tabela apresentada abaixo lista as 19 composições químicas e 
aplicações típicas para as mais importantes ligas de Al-Cu-Mg. 
 
 
 
- SÉRIE 3XXX 
 O MANGANÊS é o elemento de liga principal. As ligas desta série não são tratáveis 
termicamente, entretanto, apresentam resistência 20% superior que ligas da série 1xxx. 
Devido a baixa solubilidade de Mn no Al (de até 1,8%) existem poucas da série 3xxx. 
Entretanto três delas são largamente empregadas na indústria: 3003, 3004 e 3105. 
 
Aplicações: 
• Componentes de resistência mecânica baixa que exijam elevada ductilidade; 
• Latas de bebidas; 
• Utensílios de cozinha; 
• Trocadores de calor; 
• Tanques de armazenamento; 
• Sinalização rodoviária; 
• Painéis decorativos e telhados para uso na construção civil. 
 
- SÉRIE 4XXX 
 O SILÍCIO é o elemento de liga principal. A maior parte das ligas desta série não são 
tratáveis termicamente. O Si pode ser adicionado para abaixar a temperatura de fusão 
sem provocar fragilidade excessiva, assim, ligas Al-Si são utilizadas em arames de 
72 
 
solda ou como ligas para brazagem de Al (soldagem de Al). A liga 4032 é empregada 
na fabricação de pistões forjados devido ao baixo coeficiente de expansão e sua alta 
resistência ao desgaste Ligas contendo entre 4 e 7% de Si apresentam cores que variam 
do cinza ao negro após serem submetidas a anodização e assim são utilizadas em painéis 
decorativos na construção civil. 
 
Aplicações: 
• Uso em arquitetura e construção civil; 
• Fios, arames e pós para brazagem. 
 
- SÉRIE 5XXX 
 O MAGNÉSIO é o elemento de liga principal. O Mg é um dos elementos mais 
efetivos no endurecimento do Al. Quando utilizado como elemento principal ou em 
conjunto com o Mn, o resultado são ligas não tratáveis com resistência moderada à 
elevada. O Mg é considerado mais efetivo que o Mn como endurecedor, (0,8% de Mg 
tem o mesmo efeito sobre a resistência que 1,25% de Mn) e ainda, pode ser adicionado 
em quantidades elevadas (~15%). Ligas desta série possuem boas características de 
soldagem e resistência à corrosão em atmosfera marinha. 
 
Aplicações: 
• Uso em arquitetura e decoração; 
• Embalagens (tampas de latas de Al); 
• Suportes para iluminação pública; 
• Peças de barcos e navios; 
• Tanques para criogenia; 
• Componentes de guindastes e automotores. 
 
- SÉRIE 6XXX 
 O MAGNÉSIO e o SILÍCIO são os elementos de liga principais. A proporção de Mg e 
Si visa a formação da fase Mg2Si, formando ligas tratáveis termicamente. As ligas da 
série 6xxx apresentam boa ductilidade, boas características de soldagem e de usinagem 
e boa resistência à corrosão. As ligas da série 6xxx apresentam boa ductilidade, boas 
características de soldagem e de usinagem e boa resistência à corrosão. 
 
Aplicações: 
• Uso em arquitetura e decoração; 
• Quadros de bicicletas; 
• Estruturas soldadas. 
 
- SÉRIE 7XXX 
 O ZINCO é o elemento de liga principal, adicionado em quantidades entre 1 e 8%. 
Adições em conjunto com Mg resultam em ligas tratáveis termicamente com resistência 
mecânica elevada. Normalmente, Cu e Cr também são adicionados em pequenas 
quantidades. 
 
 
 
73 
 
Aplicações: 
• Componentes da indústria aeronáutica como estruturas, peças móveis e 
componentes de alta resistência. 
 
- SÉRIE 8XXX 
 As ligas da série 8xxx envolvem um grande número de composições com uma 
miscelânea de elementos de liga. As ligas conformadas contendo Li (2,4% a 2,8%) 
foram desenvolvidas para uso aeroespacial e criogenia. 
 
6.2 - Cobre e Suas Ligas 
 
 O cobre é normalmente usado em sua forma pura, mas também pode ser combinado 
com outros metais para produzir uma enorme variedade de ligas. Cada elemento 
adicionado ao cobre permite obter ligas com diferentes características tais como: maior 
dureza, resistência a corrosão, resistência mecânica, usinabilidade ou até para obter uma 
cor especial para combinar com certas aplicações. 
 As principais matérias-primas são o sulfeto de cobre e ferro (CuFeS2) e o sulfeto de 
cobre (Cu2S). 
 O gráfico abaixo relaciona as ligas do cobre: 
 
 
 
a) Cobre e Zinco 
 Esta combinação pertence ao grupo dos latões e o conteúdo de zinco varia de 5% a 
45%. Esta liga é utilizada em moedas, medalhas, bijuterias, radiadores de automóvel, 
ferragens, cartuchos, diversos componentes estampados e conformados etc. Ligas de 
cobre e zinco com pelo menos 50% de cobre são chamadas de “Latão”. 
 
b) Cobre e Estanho 
 A combinação destes metais forma o grupo dos bronzes e o conteúdo de estanho pode 
chegar a 20%. É utilizado em tubos flexíveis, torneiras, varetas de soldagem, válvulas, 
buchas, engrenagens etc. Os bronzes com 10 % ou mais de estanho são usados em 
aplicações para mancais, que exigem elevada resistência mecânica para poder suportar 
pesadas cargas e o desgaste mecânico, o que só é possível devido ao significativo efeito 
de endurecimento por solução sólida (resistência mecânica). 
 
74 
 
c) Cobre e Alumínio 
 Esta liga normalmente contém mais de 10% de alumínio. É utilizada em peças para 
embarcações, trocadores de calor, evaporadores, soluções ácidas ou salinas etc. 
Também chamadasde “Bronze de Alumínio”. 
 
d) Cobre e Níquel 
 Esta liga é conhecida como cuproníquel e o conteúdo de níquel pode variar de 10% a 
30%. É utilizada em cultivos marinhos, moedas, bijuterias, armações de lentes etc. As 
ligas que normalmente contém 
entre 45% a 70% de cobre, e de 10% a 18% de níquel, sendo o restante constituído por 
zinco, recebem o nome de alpacas. Por sua coloração, estas ligas são facilmente 
confundidas com a prata. São utilizadas em chaves, equipamentos de telecomunicações, 
decoração, relojoaria, componentes de aparelhos óticos e fotográficos etc. 
 
e) Cobre e Ouro 
 O ouro 18 quilates: mistura de 75% de ouro e 25% de cobre (a quantidade de ouro na 
liga é indicada em quilates: o ouro puro é o ouro 24 quilates, portanto, quanto mais 
baixo for o número de quilates, menor será a quantidade de ouro). 
 
f) Cobre e Silício 
 Também conhecidas como bronzes de silício, as ligas Cu-Si de interesse industrial 
contêm de 1 a 4 % de silício e pequenos teores de outros elementos de liga, como o 
estanho, o zinco, o manganês, o níquel e o ferro. 
 
Propriedades do Cobre 
 
1 – Condutividade 
 O cobre proporciona uma maior capacidade de conduzir corrente elétrica para um 
mesmo diâmetro de fio ou cabo do que qualquer outro metal de engenharia usualmente 
empregado como condutor elétrico. 
 
2 - Compatível com Conectores e Outros Dispositivos 
 Resistência mecânica, flexibilidade e resistência à corrosão tornam o cobre ideal para 
ligações a conectores, realização de soldas etc. 
 
3 - Resistência e Ductilidade 
 Esta única combinação faz do cobre o metal ideal para condutores. Normalmente 
quanto mais resistente é um metal, menos flexibilidade ele terá. Isto não ocorre com o 
cobre. Assim você terá as vantagens de durabilidade e ductilidade quando especificar o 
cobre como material condutor. 
 
4 - Fácil de Instalar 
 A resistência, dureza e flexibilidade do condutor de cobre asseguraao mesmo tempo 
facilidade de manuseio e instalação, reduzindo assim os custos de mão de obra 
associados. Quando você puxa um condutor de cobre através de um eletroduto, ele 
resiste ao estiramento e não quebra. Podemos dobrá-lo ou torcê-lo, e ele ainda resiste à 
quebra. 
75 
 
 
5 - Resiste a Corrosão 
 O cobre puro (>99,9% de cobre), usado em condutores elétricos, é um metal nobre que 
quando em contato com outros metais (ferro, aço etc.) não está sujeito à corrosão 
galvânica. Os fios de cobre também resistem à corrosão por umidade, poluição 
industrial e outras influências atmosféricas que possam causar danos ao sistema. 
6 - Econômico 
 Numa primeira avaliação, o condutor de alumínio é algumas vezes mais barato que o 
condutor de cobre, mas economia não é medida somente pelo custo inicial de aquisição. 
O custo ao longo do tempo, que inclui ferramentas extras de instalação, procedimentos, 
materiais, serviços, reparos e potencial para expansão do sistema, deve ser também 
avaliado. Estes custos normalmente são esquecidos numa primeira avaliação. Então 
considere todas as questões envolvidas e você descobrirá que o cobre é o condutor mais 
econômico. 
 
 
Com fios e cabos de cobre você obtém: 
· Capacidade de corrente superior com menos seções; 
· Fácil instalação, não necessita de conectores especiais, ferramentas, procedimentos etc; 
· Maior quantidade de fios por eletroduto; 
· Elevada resistência ao estiramento, a fluência, a corrosão, a quebra e a diminuição de 
seção do condutor; 
· Ausência de manutenção; 
· Extra proteção contra possíveis problemas durante a operação do sistema. 
 
Propriedades das Ligas de Cobre 
 
1 – Bronzes 
 À medida que o teor de estanho aumenta, também aumenta a resistência mecânica da 
liga até 15 % de estanho, porém a ductilidade diminui sensivelmente, principalmente a 
partir de 5 % de estanho. Entretanto, as propriedades mecânicas podem ser melhoradas 
com a adição de até 0,4 % de fósforo, o qual também atua como desoxidante, 
originando o chamado bronze fosforoso. 
 Outra propriedade importante dos bronzes é a sua elevada resistência á corrosão, o que 
faz com que muitas de suas aplicações baseiem-se nesta propriedade. Em teores 
limitados o chumbo pode ser adicionado para melhorar as propriedades antifricção, a 
usinabilidade e a estanqueidade no caso de peças fundidas, enquanto a adição do zinco é 
importante para desoxidação (também no caso de peças fundidas) e para melhorar a 
resistência mecânica. 
 
2 – Cobre e Alumínio 
 A solubilidade máxima do alumínio no cobre é relativamente alta, então, espera-se boa 
resistência mecânica para as ligas Cu-Al mesmo como soluções sólidas. De fato o 
alumínio é um eficiente agente de endurecimento e existem duas ligas comerciais, com 
teores de 5 e 8 % de alumínio, que são soluções sólidas, então seu tratamento térmico 
resume-se à homogeneização convencional da liga fundida e o recozimento da liga 
trabalhada. 
76 
 
3 – Cobre e Silício 
 A liga Cu-Si com cerca de 1 % de silício e 2 % de estanho possui elevada ductilidade e 
mantém boa ductilidade mesmo após trabalho mecânico (encruamento, deformação) 
severo, o que faz com que seja um material adequado para a fabricação de parafusos e 
porcas, uma vez que suportam bem a estampagem e usinagem mesmo encruado. 
 A adição de silício aumenta a resistência a corrosão, particularmente em meios ácidos, 
e também melhora a soldabilidade, por permitir a desoxidação do metal fundido durante 
a operação de soldagem. 
 
4 – Cobre e Zinco (Latão) 
 Um dos principais usos do cobre está na fabricação de peças com formato complexo 
por deformação mecânica, como no assim chamado processo de embutimento. O latão 
alia a vantagem de ser facilmente deformado com uma resistência mecânica mais alta 
do que a do cobre comercialmente puro. 
 
Aplicações das Ligas de Cobre 
 
1 – Cobre e Estanho (Bronze) 
• Liga com 2% Sn - Muito utilizada em aplicações elétricas, como contatos de 
aparelhos de telecomunicações, molas condutoras, e na construção mecânica em 
tubos flexíveis, parafusos encabeçados por recalque a frio, rebites e varetas de 
soldagem. 
• Liga com 4% Sn - Utilizada em aplicações arquitetônicas como ganchos de 
chapas de revestimento, em aplicações elétricas como molas, componentes de 
interruptores, chaves, contatos e tomadas, e na construção mecânica como 
molas, diafragmas, parafusos encabeçados por recalque a frio, rebites, porcas e 
escovas metálicas. 
• Liga com 5% Sn - usada na fabricação de ganchos de chapas de revestimento, 
tubos para condução de águas ácidas, componentes para a indústria têxtil, 
química e de papel, molas condutoras e componentes de interruptores e tomadas, 
molas e diafragmas, parafusos, rebites, porcas, escovas, tubos de manômetros, 
varetas e eletrodos de soldagem. 
• Liga com 10% Sn – Usada na construção de instalações da indústria de papel e 
na fabricação de molas para serviços pesados. 
 
2 – Cobre e Alumínio 
• Liga com 5% de Al - Utilizada na indústria química, em peças que estão em 
contato com água, ácidos e soluções salinas, em tubos de condensadores, 
evaporadores e trocadores de calor, componentes de equipamentos usados na 
indústria de papel, em caixas d’água e reservatórios. 
• Liga com 8% de Al - Utilizada na forma de produtos planos e barras em 
aplicações na indústria química, em autoclaves, instalações criogênicas, 
recipientes e ganchos para instalações de decapagem, componentes de torres de 
resfriamento, em instalações para tratamento de esgoto urbano, sendo também 
usada para a fabricação de moedas e medalhas, eletrodos de soldagem e em 
componentes usados na indústria naval. 
 
77 
 
3 – Cobre e Silício 
 As principais aplicações das ligas Cu-Si trabalhadas ou fundidas estão na 
construção de instalações de indústria química e de papel, em tanques, tubulações e 
cestos de decapagem; na construção mecânica em eletrodos de soldagem, parafusos, 
porcas, rebites, buchas e ganchos; na construção naval em eixos de hélices e na 
construção aeronáutica em linhas hidráulicas e de pressão. 
4 – Cobre e Zinco (Latão) 
• Ligas com 5% de Zn - Muito utilizadas na fabricação de moedas, medalhas, 
emblemas, jóias e placas, sendo também usada como base para aplicação de 
ouro e de esmaltes vítreos. 
• Ligas com 10% de Zn - Usadas em arquitetura (ferragens, condutos e peças 
ornamentais) e na fabricação de objetos decorativos. Além disso, é usada em 
algumas aplicações específicas na fabricação de munição. 
• Ligas com 15% de Zn - Fabricação de zíper para vestimentas, muito embora 
também seja utilizado na fabricação de bijuteria e de alguns componentes eletro-
eletrônicos. 
• Ligas com 20% de Zn - Fabricação de objetos decorativos (estojos e 
componentes de relógios) obtidos pelos processos de conformação mecânica e 
brasagem. 
 
Reciclagem do Cobre 
 Devido a seu alto valor intrínseco e sua fácil reciclagem, o cobre é o material 
renovável por excelência. Ao contrário da maioria dos outros materiais, o cobre pode 
reutilizar-se uma e outra vez. Virtualmente não há limites para a quantidade de vezes 
que o cobre pode ser reciclado em novos produtos. Estima-se que até 40% da demanda 
mundial anual de cobre é satisfeita com cobre reciclado. 
 
Uso Mundial Estimado de Cobre Refinado e Reciclado 
Fonte: Relatório Ambiental Outokumpu, 2000, p17 
Ano Toneladas de Cobre Refinado Toneladas de Cobre Reciclado 
1949 3,0 milhões 1,8 milhões 
1959 4,0 milhões 2,5 milhões 
1969 7,5 milhões 5,0 milhões 
1979 10,0 milhões 5,8 milhões 
1989 11,0 milhões 6,5 milhões 
1999 14,5 milhões 7,5 milhões