Aulas de materiais I - Prof Candido

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Aula1-FerroAcoMedievais.doc
Ferro e aço medievais: Simplificado
Três formas do Ferro:
Ferro pudlado (wrought iron): também conhecido como ferro batido ou forjado. Ferro com muito pouco carbono (<0,025%). Este ferro recebe este nome por poder ser facilmente trabalhado (batido) quando está rubro (~700oC). Ex.: Ferradura. Contudo, é muito macio e não consegue segurar o fio de uma navalha, por exemplo.
A outra forma do ferro é o ferro fundido (cast iron). Recebe este nome porque este material funde dentro do forno e pode ser vazado em moldes, como ouro e prata. Entretanto, é muito frágil e não pode ser trabalhado a quente uma vez solidificado (trinca).
O aço é o ferro com pequena quantidade de carbono dissolvido e combina o melhor dos dois mundos. Este pode ser vazado em moldes, pode ser trabalhado a quente e segura o fio, mesmo para severas condições de trabalho. O aço é considerado o príncipe das ligas ferrosas, mas não é muito fácil de ser produzido.
O carbono é a grande variável que diferencia entre ferro peludo, ferro fundido e aço. Muito pouco deste elemento forma o ferro peludo, muito forma o ferro fundido e somente na exata quantidade (0,025-1%) forma o aço. Então porque todo mundo não fazia o aço? Porque não é possível controlar a quantidade de carbono num forno primitivo.
O que acontece então no forno. O ferro está presente na forma de óxido, por exemplo. A função do forno é quebrar as ligações químicas que existem entre o ferro e o oxigênio, permitindo então que o ferro sem oxigênio seja produzido (processo de redução). O forno então usa duas ferramentas para fazer a redução, isto é, carbono e calor. A geração de calor ocorre através da combustão do carbono. Mas a combustão nunca é completa e gases quentes ricos em carbono são produzidos (CO e CO2), os quais são quimicamente ativos. O carbono quente tem uma grande afinidade pelo oxigênio, fazendo com que os átomos de oxigênio sejam literalmente arrancados do ferro (redução), deixando os átomos de ferro livres que se ligam entre si formando, através de ligações metálicas, uma massa de ferro praticamente pura.
A temperatura é uma variável importante neste processo. Os fornos primitivos, raramente, ultrapassavam a temperatura de 700oC. Ferro puro tem um alto ponto de fusão (1530oC), de forma que a massa de ferro reduzida fica na forma de uma pasta, que é então batida para eliminar as impurezas, produzindo-se assim o ferro peludo, que pode ser mais tarde reaquecido, para produzir uma serie de utensílios. Na temperatura de 700oC, o ferro não pode dissolver carbono. Mas o que aconteceria se a temperatura fosse elevada continuamente numa atmosfera rica em carbono. Espera-se que a temperatura suba até atingir os 1530oC, para haver então a fusão do ferro????? Este não é o caso. 
Na verdade, o que acontece é que o ferro funde numa temperatura bem menor (1150oC). Este é um grande truque da física, o ponto eutético. Quando a temperatura vai subindo, o ferro começa a dissolver mais carbono, até que com 4,3%C e a 1150oC, o ferro funde, formando então o ferro fundido.
Assim, o que se retira do forno depende da quantidade de calor introduzido. Com pouco calor, pouco carbono é dissolvido e a massa nunca funde, formando o ferro pludado. Com mais calor, ocorre a absorção de mais carbono e este funde, formando o ferro fundido.
Para fazer o aço, tudo depende do material utilizado como matéria-prima. Se for o ferro pludado, deve-se de alguma forma introduzir carbono no material. Se for ferro fundido, deve-se eliminar parte do carbono. Os dois métodos são de difícil controle. Na Europa ocidental, usava-se o ferro pludado para fazer pequenas quantidades de aço. Muitas vezes, finas laminas de aço eram soldadas a uma peça de ferro pludado para fazer uma arma ou ferramenta.
Já os Chineses usavam um outro processo, isto é, a descarbonetação do ferro fundido.
Contudo, com o uso da roda da’água e o aperfeiçoamento dos fornos, maiores temperaturas puderam ser alcançadas, fazendo com que os Europeus começassem a produzir ferro fundido também. Então no século 14, os Europeus começaram a produzir canhões e balas de canhões de ferro fundido, mas o mercado absorvia mesmo o ferro pludado e menores quantidades de aço produzidas a partir do ferro fundido. Foi somente no século 19 (1853), que Sir Bessemer desenvolveu uma forma de produzir aço em grandes quantidades que pudesse competir com o ferro pludado.
Aula10_EnsaioDeTracao.doc
Ensaio de Tração
Curva tensão-deformação de engenharia
Resistência dos materiais
Controle de especificações
Teste ( CP é submetido a uma força trativa uniaxial continuamente crescente, enquanto que são feitas observações simultâneas da elongação.
Curva tensão-deformação de engenharia ou convencional ( Figura 1
Figura 1 – Curva tensão-deformação de engenharia ou convencional.
Tensão ( é a tensão longitudinal média do CP, obtida dividindo-se a carga pela área inicial da secção reta do CP.
Tensão ( 
Deformação ( é a deformação linear média
Deformação ( 
Obs.: Nesta situação, a curva tensão-deformação terá a mesma forma que a curva carga-elongação. 
Parâmetros para descrever a curva tensão-deformação:
Resistência à tração
Limite de escoamento
Elongação
Redução de área
As duas primeiras são parâmetros de resistência e as duas últimas são parâmetros de ductilidade. 
Observações a respeito da curva:
Região elástica ( tensão linearmente proporcional à deformação.
Limite de escoamento ( deformação plástica
A tensão para produzir mais deformação cresce com o aumento da deformação, devido ao encruamento.
O volume permanece constante durante a deformação plástica ( A.l=A0l0. Alongamento seguido pela diminuição da área da secção reta transversal.
Na deformação uniforme, o encruamento compensa a diminuição da área da secção reta transversal. Depois, atinge-se um ponto onde a diminuição da área da secção reta transversal é maior do que o aumento da carga para a deformação proveniente do encruamento. Isto ocorre em um ponto mais fraco e toda deformação plástica posterior ocorre neste ponto, ocorrendo a formação do pescoço. Daí em diante, a tensão diminuirá continuamente até atingir a fratura. 
Propriedades:
Resistência à tração ( tensão máxima (ultimate tensile strength – UTS)
(UTS=
obs.: muita citada apesar de pouca importância prática.
Por muito tempo, foi costume basear a resistência de peças na resistência à tração, adequadamente reduzida por um fator de segurança.
Para materiais dúcteis ( projetos devem ser baseados na tensão limite de escoamento.
Contudo, por ser de fácil obtenção e muito reprodutível, é ainda usada para fins de especificações e para controle de qualidade.
Para materiais frágeis ( critério válido para projetos.
Tensão limite de escoamento ( escoamento depende da sensibilidade das medidas de deformação.
Muitos metais apresentam uma transição gradual do comportamento elástico para o plástico ficando difícil a determinação.
Critérios para definir o escoamento ( existem vários ( mais usado ( limite de escoamento ( tensão necessária para produzir uma pequena quantidade específica de deformação plástica.
Critério( deformação específica ( 0,2% ou (=0,002
Tensão de escoamento=
 Limite de escoamento convencional.
Medidas de ductilidade:
Estas medidas podem interessar de três formas:
Indicar a extensão de deformação sem fraturar em operações de conformação mecânica.
Capacidade de escoamento plástico antes da fratura.
Avaliar a qualidade do produto.
Medidas obtidas:
Deformação de engenharia na fratura ( elongação
Redução de área na fratura ( estricção
Expressas em porcentagem!
Módulo de elasticidade ou módulo de Young (E):
É a inclinação da curva tensão-deformação na região não linear. É uma medida da rigidez do
material (componentes de aço precisam ser rígidos para ficarem dentro do apertado dimensional).
Maior o valor de E ( menor é a deformação elástica.
Importância ( é necessário para o cálculo de deflexão de vigas e outros componentes.
O módulo de elasticidade é uma das propriedades mecânicas mais insensíveis à microestrutura. Existe uma pequena alteração com a adição de elementos de liga, tratamentos térmicos e deformação a frio.
Resiliência:
É a capacidade de um material absorver energia quando deformado elasticamente e liberá-la quando descarregado.
Tenacidade:
Capacidade de absorver energia na região plástica. A capacidade de suportar tensões acima da tensão de escoamento sem fraturar é, particularmente, desejável em peças como engate de vagões de carga, engrenagens, correntes e ganchos de guindastes.
É difícil de ser definido ( talvez ( área abaixo da curva tensão-deformação. Área representa a quantidade de trabalho por unidade de volume que pode ser imposto no material sem causar fratura. A Figura 2 apresenta as curvas tensão-deformação para materiais de alta e baixa tenacidade.
Figura 2 – Curvas tensão-deformação para materiais com alta e baixa tenacidade.
Aço mola ( tem maior tensão de escoamento e resistência à tração. 
Aço estrutural ( maior ductilidade e grande elongação, fazendo com que apresente uma maior tenacidade (maior área sob a curva). Assim, a tenacidade é um parâmetro que compreende tanto a resistência como a ductilidade.
As regiões marcadas representam a resiliência. O aço mola com maior resistência tem maior resiliência.
Curva tensão-deformação verdadeira:
As dimensões originais do CP mudam continuamente durante o ensaio, de forma que a curva tensão-deformação de engenharia não dá uma indicação verdadeira das características de deformação de um metal.
Engenharia ( A carga aumenta com o encruamento e depois começa a cair até a fratura devido à formação do pescoço. A tensão acompanha a carga.
Verdadeira ( O encruamento ocorre até a fratura, mesmo com a formação do pescoço. Acontece que a área diminui constantemente e a tensão aumenta até a fratura. A Figura 3 mostra as curvas tensão-deformação de engenharia e verdadeira.
Figura 3 – Curvas tensão-deformação de engenharia e verdadeira.
Efeito da temperatura nas propriedades de escoamento:
Em geral, a resistência diminui e a ductilidade aumenta com o aumento da temperatura. Diminui também o módulo de elasticidade (ver Figura 4).
Figura 4 – Variação das propriedades mecânicas com o aumento da temperatura.
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Aula12_EnsaioDeCompressao.doc
Ensaio de Compressão
Não é muito usado para os metais, porque a determinação das propriedades mecânicas é dificultada devido:
Existência de atrito entre o corpo de prova e as placas da máquina (formação de um barril).
Possibilidade de flambagem.
Dificuldade de medida dos valores numéricos do ensaio.
Resposta dos diferentes materiais:
 - Dúcteis ( somente é possível se determinar as propriedades referentes à zona elástica, sendo impossível medir a carga máxima ou de ruptura. Isto ocorre porque, com a deformação de um metal dúctil, a seção transversal aumenta continuamente, aumentando a resistência do material (contrário do ensaio de tração). Assim, o metal não rompe, ficando cada vez mais achatado até se transformar em um disco (ver Figura 1). Ex.: Cobre.
Figura 1 – Ensaio de compressão em um metal dúctil. Deformação sem ruptura.
 - Frágeis ( Não tem deformação lateral apreciável e a ruptura ocorre por cisalhamento e escorregamento, ao longo de um plano inclinado de, aproximadamente, 45o (ver Figura 2). Ex.: Ferro fundido cinzento.
Figura 2 – Ensaio de compressão em um metal frágil. Ruptura sem deformação lateral.
Contudo, neste caso, pode-se determinar algumas propriedades da zona plástica, tal como a resistência e a tensão de ruptura, que para este caso coincidem. Uma outra vantagem seria a possibilidade de prever o comportamento do material em compressão, como no caso de operações de forjamento. Além disso, os corpos de prova são de geometria simples e com pequeno volume de material.
Cuidados:
A manutenção da completa axialidade da carga é fundamental. Se a amostra é muito alta em relação ao seu diâmetro, isto pode representar uma grande dificuldade. Cargas não axiais induzem uma força de flexão na amostra, que potencialmente causará a flambagem. O alinhamento das placas de carregamento para impor carregamento uniaxial é fácil se a área de contato for grande. Contudo, outros problemas surgem. A força de fricção entre a amostra e a placa tende a restringir a deformação, o que implica na formação do “barril”. O efeito disso é que na meia altura da amostra, teremos deformação plástica enquanto que, junto às placas, a deformação será elástica. Esta relação de deformação elástica/plástica aumenta com o decréscimo de altura. Para tanto, escolhe-se uma relação de 3 por 1 de altura e diâmetro para minimizar este efeito. 
Traça-se a curva tensão-deformação, bem como todos os cálculos como no ensaio de tração.
Compressão em metais dúcteis:
Como no ensaio de tração, pode-se determinar, no ensaio de compressão, as propriedades referentes à zona elástica, sendo as mais medidas, o limite de escoamento (ou 0,2%) e o módulo de elasticidade. O comprimento útil para a medida da deformação deve estar localizado relativamente longe, cerca de 1 diâmetro de corpo de prova, do contato das placas da máquina. Para regiões próximas às placas, a deformação não é uniforme e o escoamento é então falso.
O corpo de prova usualmente adotado tem a forma cilíndrica com a relação comprimento/diâmetro variando de 3 até no máximo 8. Em todo o caso, o comprimento não deve ser muito grande para evitar a flambagem, nem muito curto para que não haja muito atrito com as placas da máquina.
Na fase plástica, pelo aumento da seção transversal, a curva real de compressão fica abaixo da curva convencional (já no ensaio de tração ocorre o oposto).
Compressão de metais frágeis:
O ensaio de compressão é mais utilizado para o caso de metais ou outros materiais frágeis (como rochas e concreto). As dimensões do corpo de prova influem no tipo de fratura. No caso do ferro fundido, usa-se geralmente corpos de prova cilíndricos, com um comprimento igual a duas ou três vezes o diâmetro, relação esta que deve ser citada com os resultados dos ensaios.
Para ferros fundidos, onde a ductilidade é muito pequena, a propriedade mais importante é o limite de resistência à compressão, que difere em valor do limite de resistência à tração, sendo geralmente maior que esse. O limite de resistência à compressão é calculado pela carga máxima dividida pela seção original do corpo de prova. Para materiais frágeis, o ensaio de compressão pode ser realizado na própria peça acabada, obtendo-se assim apenas a carga de ruptura.
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Aula13_TratamentosDeEndurecimentoSuperficial.doc
TRATAMENTOS DE ENDURECIMENTO SUPERFICIAL
ENGENHARIA DE SUPERFÍCIES
Beneficiamento superficial ( aços com uma fina camada superficial de elevada dureza, mantendo ao mesmo tempo um núcleo com dureza relativamente baixa.
Superfície ( alta resistência ao desgaste, alta resistência a esforços de compressão e alta resistência à fadiga.
Núcleo ( baixa dureza e boa tenacidade.
Engenharia de superfície ( tratamentos de superfície (o importante é a superfície!!!).
Ao invés da adequação do material ao uso final, o mais interessante e mais econômico é adequarmos a superfície ao uso.
Diversos processos ( distintos propósitos.
Engenharia de superfície, exemplos:
Endurecimento
superficial ( engrenagem
Camada resistente ao desgaste ( revestimento de cromo duro
Camada resistente à corrosão ( cladding (reator nuclear)
Endurecimento superficial:
Duas categorias ( - alteração da composição química da camada superficial
 - rápido aquecimento e têmpera
Alteração da composição química
Estes tratamentos são também conhecidos como tratamentos termoquímicos.
Cementação
É o mais utilizado. Produção de pistas e roletes de rolamentos, engrenagens, buchas e juntas homocinéticas.
Método ( aquecimento da peça envolta em um meio rico em carbono, fazendo com que o carbono difunda para o interior, aumentando o teor de carbono da camada superficial (falar da teoria dos vazos comunicantes).
A força motriz para a difusão do carbono é a diferença de potencial químico.
Reação:
3Fe + C ( Fe3C
Após a difusão ( têmpera seguida de revenido para a máxima dureza.
Difusão ( precisa-se de tempo.
Maiores tempos ( camadas mais uniformes.
Resultado ( existe um perfil de dureza associado ao perfil de concentração de carbono.
 
Figura 1 - Gradiente de carbono e perfil de dureza em uma barra de aço SAE 8620 com 25,4 mm de diâmetro, cementada a gás a 925(C.
Falar a respeito da construção de um perfil de microdureza.
Aplicação: Aços com teor de carbono entre 0,1 e 0,25%
T = 900-950oC
Máxima dureza acontece para um teor de carbono de 0,6-0,8% (dizer que o Telmo não se decidiu ainda!).
Para teores de carbono maiores do que 0,8%, haverá uma queda de dureza devido a formação de austenita retida (ver Figura 2).
Figura 2 – Dureza das ligas Fe-C temperadas em salmoura.
Explicar de novo o efeito da austenita retida (muito carbono, congelamento da estrutura). Talvez colocar no diagrama TTT. É interessante notar que existe um diagrama TTT diferente para cada profundidade. Maior mescla ainda de microestruturas (ver Figura 3).
Figura 3 - Dureza da camada cementada de um aço SAE 8620 cementado em caixa a 925(C por 16 h e revenido 1 h a 205(C.
O efeito apresentado na Figura 3 é devido à descarbonetação da peça ou devido à presença de austenita retida.
Variáveis do processo:
1. Temperatura:
A difusão depende da temperatura (ver Figura 4).
Figura 4 - Profundidade de cementação versus tempo de cementação para quatro temperaturas diferentes.
Quanto maior a temperatura menor o tempo de tratamento.
O aço deve estar no estado austenítico!!!!
Limite inferior ( austenitização
Limite superior ( crescimento de grão.
( T ( ( difusão
( T ( ( crescimento de grão ( tenacidade
2. Tempo:
Difusão = f (t)
Profundidade de cementação = k t1/2 (tempo ( profundidade da camada cementada.
Camadas muito profundas ( antieconômico.
Existe um limite econômico ( prática ( espessura de 2,5mm com a cementação a 925oC por 25h.
Processos de cementação:
Cementação em caixa (via sólida)
Mais antigo de mais fácil execução!
O material (fonte de carbono) é sólido a temperatura ambiente. Contudo, as reações de cementação ocorrem para o material (fonte de carbono) no estado gasoso.
Procedimento: peças são colocadas em uma caixa e envoltas por uma mistura cementante que pode ser carvão vegetal ou coque e um ativador (carbonato de bário ou carbonato de sódio).
Caixa bem vedada ( evitar o escapamento de gases.
Reações:
C + O2 ( CO2 (1)
CO2 + C ( 2CO (2)
2CO ( CO2 + C (3) na superfície do aço.
CO2 + C ( 2CO
Ativador ( fonte de O2 (o oxigênio da caixa não é suficiente).
BaCO3 ( BaO + CO2
E então os restos das reações.
2. Cementação gasosa
Fonte de C ( gases
Co ou CH4 ( mistura destes dois gases
2CO ( C + CO2 
ou 
CH4 ( C + 2H2
CO + H2 ( C + H2O
Mistura adequada ( controla o potencial de carbono!
3. Cementação líquida
Banho de sais fundidos ( fonte de carbono
Restrições de ordem ambiental
Sais: Cianeto de sódio
 Cianeto de potássio
2NaCN ( Na2CN2 +C
 ou
NaCN + CO2 ( NaCNCO + CO
Tratamentos térmicos:
Após a cementação ( têmpera ( máxima dureza
Depende do que se deseja
Exemplo: Depois da cementação é necessário a retífica (usinagem) para dar um acabamento à peça.
Então ( cementação ( resfriamento lento ( usinagem ( aquecimento e têmpera
Nitretação
Também altera a composição química de uma camada superficial do aço. 
* Camada nitretada ( não precisa se temperada ( formação dos nitretos de elevada dureza que aumentam a dureza média do material.
Falar do escorregamento dos planos atômicos e sua relação com a dureza (fazer uma figura a rede cristalina + nitretos). Ressaltar que o mecanismo de endurecimento é diferente da cementação.
Obs.: Não existe o inconveniente de trincas e empenamento devido ao processo de têmpera.
Além disso: baixa temperatura do processo (~500-600oC). A solubilidade do nitrogênio na ferrita é 0,1%!
Nitretação ( a princípio, qualquer aço pode ser nitretado. Contudo, aços ligados alcançam durezas superiores.
Aços não ligados ( nitreto de ferro ((’- Fe4N).
Aços ligados ( nitretos complexos de elementos de liga ( maior dureza.
Camada nitretada ( menor espessura. Raramente > 0,8mm.
Métodos de nitretação:
A gás ( fonte de nitrogênio ( amônia injetada no forno.
T=510oC
Dissociação da amônia:
2NH3 ( 2N + 3H2
tempo = 12 a 120h
Líquida ( Banho de sais como na cementação
Exemplo ( cianeto de sódio
2NaCN +O2 ( 2NaCNO
4NaCNO ( 2NaCN + Na2CO3 + CO + 2N]
T=550-570oC
t=1-4h (não ocorre cementação nesta faixa de temperatura).
3. Plasma ( Diferença de potencial elétrico acelera os elétrons e íons da mistura gasosa. Ocorre então choques destes íons com o nitrogênio molecular e formam-se íons N+ N++ que são então acelerados na direção da peça a ser tratada (cátodo).
Endurecimento superficial
Aquecimento rápido acima da temperatura eutetóide e rápido resfriamento. Fina camada superficial endurecida. Toda a parte austenitizada transforma-se para martensita.
Forma-se apenas uma fina camada endurecida, isto é, aquela que foi austenitizada.
Aquecimento por chama
Calor de uma chama para o aquecimento da peça.
Chama de alta temperatura ( oxi-acetileno
Vantagem ( atmosfera neutra evitando a descarbonetação.
Problemas ( heterogeneidade da temperatura ( problemas no controle da T
Propriedades heterogêneas ( crescimento de grão se ocorrer um superaquecimento ou mesmo aquecimento insuficiente da região que deveria ser austenitizada.
Existem diferentes configurações (exemplo ver Figura 5).
Figura 5 - Peça aquecida pelo método progressivo.
Têmpera por indução
Materiais eletricamente condutores.
Geração de um campo magnético variável cujas linhas de força penetram na peça.
Este campo magnético variável induz um potencial elétrico que cria uma corrente elétrica variável que é dependente das características elétricas e da forma da peça.
Circuito de aquecimento por indução inclui um transformador primário (espiras de uma bobina que conduzem a corrente elétrica alternada) e um secundário (peça que vai ser aquecida). A Figura 6 apresenta o circuito de aquecimento por indução.
Figura 6 - Sentido das correntes e do campo magnético em uma bobina ( a ) e correntes parasitas induzidas na peça ( b )
Vantagens ( principal ( alta velocidade de aquecimento.
Pela lei de Joule ( calor gerado = RI2
Aula14_Fluencia.doc
Fluência
A resistência dos metais diminui com o aumento da temperatura. Inclusive, a alta temperatura, maior é a mobilidade das discordâncias. Visto que o mecanismo de deformação plástica dos metais envolve o movimento de discordâncias (lembrar da aula de deformação dos metais), maior será a deformação dos
metais a alta temperatura. Além disso, outros mecanismos de deformação podem ser acionados a alta temperatura. Portanto, todos estes aspectos indicam que a deformação plástica dos metais é facilitada em altas temperaturas!
Se pensarmos em equipamentos ou estruturas que operam a alta temperatura, torna-se claro que esta deformação irreversível contínua ou quase contínua que ocorre a uma carga constante a elevada temperatura, conhecido como fluência, pode levar a falhas catastróficas, sendo então de grande importância tecnológica. Exemplos que podem ser citados são caldeiras, vasos de pressão e tubulações de vapor, em plantas geradoras de eletricidade, bem como em refinarias de petróleo e indústrias petroquímicas. Nestes casos, a temperatura raramente ultrapassa os 600oC. Contudo, com a criação de turbinas a gás, foguetes e mísseis, a temperatura de trabalho pode chegar a 1100oC. 
Com tudo isso, existe um crescente interesse no desenvolvimento de novos materiais resistentes a alta temperatura. Na verdade, os materiais disponíveis no mercado limitam o rápido avanço tecnológico nesta área. 
Os ensaios mecânicos usuais são realizados à temperatura ambiente e o fator tempo não precisa ser considerado. Na temperatura ambiente, se fizermos o ensaio de tração em 2 horas ou 2 minutos. Entretanto, a elevada temperatura, a resistência mecânica se torna dependente da taxa de carregamento e do tempo de exposição. Assim, pode-se dizer que materiais diferentes se comportam distintamente a alta temperatura. Agora, alta temperatura para um metal pode não ser para outro. Resolve-se o problema através da utilização da temperatura homóloga. Temperatura homóloga é expressa pela razão entre a temperatura de teste e o ponto de fusão na escala absoluta de temperatura (Kelvin).
Para aplicações de engenharia, o fenômeno de fluência se torna importante para temperaturas homólogas maiores do que 0,5.
Portanto, para avaliar a resistência dos materiais a elevada temperatura e descobrir se um específico design irá resistir dentro da vida útil desejada, é necessário que se façam testes de fluência. Estes devem ser realizados em função do tempo de vida útil esperado do material. Os testes de fluência podem, de uma maneira geral, ser divididos em dois grandes grupos, isto é, os testes de fluência propriamente ditos e os testes de ruptura em fluência.
Nos testes de fluência, baixas tensões são empregadas, visto que não de deseja fraturar o corpo de prova. A ênfase é dada na exata determinação da deformação ao longo do tempo, particularmente na taxa mínima de fluência (será explicado a seguir). Os testes são conduzidos por longos períodos de tempo (entre 2.000 e 10.000 horas, alguns testes podem chegara a 10 anos) e as deformações medidas são bastante baixas (<0,5%). A Figura 1 apresenta uma configuração que pode ser usada para a realização de um ensaio de fluência.
Figura 1 – Esboço de um aparelho utilizado para o ensaio de fluência.
O ensaio de fluência é executado pela aplicação de uma carga uniaxial (carga de tração pura) constante a um corpo de prova (CP) de mesma geometria daqueles utilizados no ensaio de tração, a uma temperatura elevada e constante. Como já comentado, o tempo de aplicação da carga é, principalmente, função da vida útil esperada do componente, que será fabricado com o material submetido ao ensaio. As deformações que ocorrem no CP são medidas em função do tempo de realização do ensaio e indicadas na forma de uma curva de fluência ou uma curva deformação (() versus (t), como a apresentada na Figura 2.
Figura 2 – Esboço representativo de uma curva de fluência típica.
Estágios de fluência
Existe uma deformação inicial praticamente instantânea composta (parte elástica e parte plástica), decorrente da aplicação da carga a alta temperatura.
Na fluência primária ou estágio I, a taxa de fluência é decrescente. Neste estágio, a resistência à fluência do material aumenta com a deformação, devido ao encruamento que o material experimenta ao ser deformado plasticamente.
Na fluência secundária ou estágio II, a taxa ou velocidade de fluência é, praticamente, constante. Este efeito é resultado de um balanço entre processos que competem (encruamento e recristalização). Por esta razão que o estágio II é também conhecido como estado estacionário de fluência. O valor médio da taxa de fluência durante o estágio II é chamado de taxa ou velocidade mínima de fluência.
Na fluência terciária, ocorre uma redução significativa da seção resistente devido ao efeito do “empescoçamento” ou formação interna de vazios de fluência e ruptura final do material. A velocidade de deformação aumenta, visto que ocorre um aumento da tensão pela diminuição da área resistente.
Para calcular a taxa ou velocidade de fluência, deve-se dividir a deformação que o material está sofrendo pelo tempo para causar esta deformação. Em outras palavras, basta se obter a derivada de cada ponto da curva de fluência da Figura 2, obtendo-se assim a curva da taxa ou velocidade de fluência em função do tempo (ver Figura 3).
Figura 3 – Taxa ou velocidade de fluência em função do tempo.
O estágio II de fluência é o mais longo. Assim, determinando-se a taxa mínima de fluência, pode-se fazer extrapolações para se estimar a vida em serviço de determinados componentes que operem em condições de fluência.
Os fatores que afetam a fluência:
A velocidade de fluência aumenta com a temperatura.
A velocidade de fluência aumenta com a tensão aplicada.
O tempo para ocorrer a ruptura diminui pelo aumento da temperatura.
Os mecanismos de fluência estão relacionados com o movimento de discordâncias no interior dos grãos (deformação plástica). Em temperaturas baixas, a deformação é restringida, pois os movimentos de discordâncias são interrompidos pelos contornos de grão ou pelas impurezas. Entretanto, em temperaturas mais elevadas, os movimentos atômicos (maior mobilidade atômica) permitem que as discordâncias “pulem” ou passem de um plano para outro dando continuidade à deformação plástica. Com o aumento da temperatura, o papel do contorno de grão pode mudar. Ele deixa de resistir e passa a auxiliar a deformação. A temperatura em que ocorre esta inversão é denominada de temperatura equicoesiva. Assim, um material de tamanho de grão grosseiro pode ser mais resistente à fluência, se a temperatura de operação for acima da temperatura equicoesiva. Assim, ligas metálicas resistentes à fluência devem conter elementos de liga que “travam” o movimento de discordâncias, diminuindo a deformação (fluência) ao longo do tempo.
Quanto aos testes de ruptura por fluência, nestes grandes deformações serão medidas (~50%), sendo que, portanto, maiores tensões e temperaturas serão aplicadas. Nestes testes, os corpos de prova são levados até a ruptura, sendo que tempos bem menores de ensaio são utilizados (<1.000 horas). Visto que são testes mais rápidos e de mais fácil execução, estes têm se tornado mais populares, principalmente para avaliar a resistência mecânica de novos materiais a alta temperatura. Ainda que a deformação total possa ser medida, a informação mais desejada é o tempo necessário para causar a fratura, uma dada tensão e temperatura. O tipo de resultado produzido pode ser observado na Figura 4.
Figura 4 – Curva log-log de um ensaio de ruptura em fluência.
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Aula16_EnsaioDeEmbutimento.doc
Ensaio de Embutimento
Ensaios de Estampabilidade
Durante uma seqüência de estamparia complexa de chapas finas podem coexistir várias operações, que são denominadas genericamente de conformação de chapas. Entre essas operações, destacam-se o estiramento, ou repuxamento, e a estampagem. Os ensaios mais utilizados para se determinar as características de estampabilidade são ensaios que simulam estas duas operações. Existem inúmeros ensaios de estampabilidade, dos quais os mais empregados
são os ensaios de embutimento Erichsen, o ensaio Olsen e o ensaio de Nakazima, em que predomina a operação de estiramento, e o ensaio Swift, em que predomina a operação de estampagem.
O processo de estiramento consiste em afinar a espessura de uma chapa por meio de um punção, prendendo-se a chapa numa matriz, de modo a impedir que o material deslize para dentro da matriz. No caso do processo de estampagem, por outro lado, a chapa não é presa, sendo então arrastada para dentro da matriz durante a operação. Dificilmente, em um processo de conformação de chapas, ter-se-á estiramento ou estampagem puros. Sempre existirá uma combinação destas duas operações com outras (dobramento, corte, etc...).
O ensaio Erichsen é padronizado por normas internacionais, sendo freqüentemente realizado para comparação de materiais e para se verificar se a chapa possui a ductilidade desejada.
Ensaios de estiramento
Os ensaios de estiramento são realizados em máquinas apropriadas, onde se coloca a chapa entre uma matriz e um anel de fixação, sendo presa por uma carga de compressão. O punção aplica uma carga que força a chapa a se abaular, formando um copo (ver Figura 1). Esses ensaios avaliam a profundidade do copo no momento da estricção ou no momento em que ocorra a ruptura do copo. O punção tem cabeça esférica, com 20mm de diâmetro, sendo que utiliza-se graxa grafitada no punção como lubrificante. No ensaio Erichsen, o resultado final é a medida da altura do copo (em milímetros) no momento em que se dá a fratura no topo do copo. A altura do copo após o ensaio é o índice Erichsen de embutimento (IE). Existem várias especificações de chapas na ABNT que exigem um valor mínimo para o índice de Erichsen para cada espessura de chapa, ou tipo de estampagem para qual a chapa foi fabricada (média, profunda ou extraprfunda).
Figura 1 – Ensaio de embutimento Erichsen.
Algumas máquinas são equipadas com dinamômetros, que medem a força aplicada pelo punção durante o ensaio. Assim, pode-se tomar a queda brusca da carga, no momento da ruptura do corpo de prova, como o fim do ensaio. A importância de se registrar a carga de fratura se justifica pelo fato de que duas chapas supostamente semelhantes, quando ensaiadas nas mesmas condições, podem apresentar a mesma altura do copo (mesma ductilidade), porém uma das chapas pode precisar de uma carga muito maior do que a outra. Assim, a chapa que rompeu com a carga menor seria a chapa preferida, visto que numa operação de estiramento da chapa mais resistente, ocorreria muito mais deformação da prensa, o que poderia acarretar danos do equipamento, caso a operação tivesse sido feita próximo da sua capacidade máxima.
Apesar de muito simples e muito utilizado, o ensaio Erichsen apresenta como maior desvantagem uma má reprodutibilidade, como conseqüência do emprego de pressões diferentes para a fixação da chapa na matriz, a diferenças de rugosidades nas matrizes e nos punções das diversas máquinas existentes e, principalmente, devido à qualidade diversificada do lubrificante utilizado e à velocidade do ensaio.
Aula2_ProducaoDeFerroEAco.doc
Produção de ferro e aço:
História da utilização:
Cometas – Grandes concentrações de minério de ferro.
Povos antigos – Babilônia, Egito, Pérsia, China, Índia e depois Gregos e Romanos fabricavam armas e inúmeros utensílios de ferro e aço.
Fornos Primitivos
Tipo poço fechado
Tipo de forja catalã ( Ambos usando carvão vegetal como combustível.
Figura 1 – Fornos primitivos usados na redução do minério de ferro, pelo emprego de carvão vegetal como combustível.
Estes dois tipos de fornos usavam o processo de redução direta (ferro não era obtido no estado líquido):
C + O2 ( CO2 CO2 + C ( CO
CO + FeXOY ( Fe + CO2
Obs.: O ferro era obtido no estado pastoso (líquido de alta viscosidade), misturado com as impurezas do minério.
O ferro assim obtido apresentava-se em geral relativamente dúctil, mole, maleável e podia ser trabalhado por martelamento a temperaturas relativamente elevadas. Após ser retirado do forno (uma bola de ferro), o ferro era martelado para a remoção das impurezas. O resultado final era uma barra ou “lupa”, posteriormente reaquecida e trabalhada por martelamento (ferro pudlado).
Fornos primitivos ( Possibilitavam a absorção de uma certa quantidade de carbono (até 1%), o que por rápido resfriamento poderia elevar drasticamente a dureza do material (têmpera).
Desenvolvimento dos altos-fornos
Começou-se a aumentar, paulatinamente, a altura dos fornos primitivos. (fornos de cuba ou fornos chaminé). 
Fornos chaminé: Carga ( introduzida pelo topo
 Ar ( soprado pela parte inferior
1500 ( Inglaterra ( Alto-forno mais próximo aos modernos
1619 ( Inglaterra ( Introdução do coque
1800 ( Inglaterra ( Aquecimento do ar
Matérias-primas da indústria siderúrgica
As matérias-primas básicas da indústria siderúrgica são as seguintes:
Minério de ferro
Carvão
Calcário
Minério de ferro
É a principal matéria-prima do alto-forno, pois é dele que se extrai o ferro. Os minerais que contêm ferro em quantidade apreciável são os óxidos, carbonatos, sulfetos e silicatos. Os mais importantes para a indústria siderúrgica são os óxidos, sendo eles:
Magnetita (óxido ferroso-férrico) ( Fe3O4 (72,4% Fe).
Hematita (óxido férrico) ( Fe2O3 (69,9% Fe).
Limonita (óxido hidratado de ferro) ( 2FeO3.3H2O (48,3% Fe).
Obs.: O Brasil possui grandes reservas de minério de ferro de alta qualidade (alto teor de ferro).
O minério de ferro é composto por três partes a saber:
Útil ( parte que contém o ferro
Ganga ( impurezas sem valor direto
Estéril ( rocha onde o minério
O minério de ferro pode ser classificado como:
Rico ( 60 a 70% de Fe
Médio ( 50-60% de Fe
Pobre ( <50%
Beneficiamento do minério de ferro
O termo genérico “beneficiamento” compreende uma série de operações que têm como objetivo tornar o minério mais adequado para a utilização nos altos-fornos. Estas operações são britamento, peneiramento, mistura, moagem, concentração, classificação e aglomeração (principal). A aglomeração visa melhorar a permeabilidade da carga do alto-forno, reduzir o consumo de carvão e acelerar o processo de redução. Os processos mais importantes de aglomeração são a sinterização e a pelotização.
Sinterização:
Consiste em aglomerar-se finos de minério de ferro numa mistura com aproximadamente 5% de um carvão finamente dividido ou coque. A carga é aquecida por intermédio de queimadores e com o auxílio de fluxo de ar. A temperatura que se desenvolve durante o processo atinge 1.300 a 1500oC, suficiente para promover a ligação das partículas finas do minério, resultando num produto uniforme e poroso chamado sínter.
Pelotização:
Este é o mais novo processo de aglomeração e talvez o de maior êxito. Neste processo, produzem-se inicialmente “bolas” ou “pelotas” cruas de finos de minério de alto teor ou de minério concentrado. Adiciona-se cerca de 10% de água e, geralmente, um aglomerante de natureza inorgânica. Uma vez obtidas as pelotas cruas, estas são secas, pré-aquecidas e então queimadas.
Carvão
O combustível utilizado no alto-forno é o carvão, coque ou de madeira, cuja ação se faz sentir em três sentidos:
fornecedor de calor para a combustão;
fornecedor do carbono para a redução de óxido de ferro;
indiretamente, fornecedor de carbono como principal elemento de liga do ferro gusa.
Carvão coque:
O coque é obtido pelo processo de “coqueificação”, que consiste, em princípio, no aquecimento a altas temperaturas, em câmaras hermeticamente (exceto para saída de gases) fechadas, do carvão mineral. No aquecimento às temperaturas de coqueificação e na ausência de ar, as moléculas orgânicas complexas que constituem o carvão mineral se dividem, produzindo gases
e compostos orgânicos sólidos e líquidos de baixo peso molecular e um resíduo carbonáceo relativamente não volátil. Este resíduo resultante é o “coque”, que se apresenta como uma substância porosa, celular, heterogênea, sob os pontos de vista químico e físico. A qualidade do coque depende muito do carvão mineral do qual se origina, principalmente do seu teor de impurezas.
Carvão vegetal:
O carvão vegetal ou de “madeira” é fabricado mediante pirólise da madeira, isto é, quebra das moléculas complexas que constituem a madeira, em moléculas mais simples, mediante calor. O aquecimento para a carbonização da madeira é feito em fornos de certo modo rudimentares e pouco eficientes, sobretudo no Brasil, pois os subprodutos gasosos e líquidos são perdidos durante o processo. O calor é aplicado à madeira, com ausência de oxigênio, resultando em gases (CO2, CO, H2, etc...), líquidos (alcatrões, ácido acético, álcool metílico) e o resíduo sólido que é o carvão vegetal.
Fundente
A função do fundente é combinar-se com as impurezas (ganga) do minério e com as cinzas do carvão, formando as chamadas “escórias”. O principal fundente é o calcário, de fórmula CaCo3.
Outras matérias-primas da indústria siderúrgica
Entre elas, a mais importante é o minério de manganês. Outras matérias-primas incluem as “ferro-ligas” de silício, cromo, vanádio, molibdênio, níquel, tungstênio, titânio, etc...Finalmente, deve-se ainda mencionar como importante matéria-prima a sucata de aço, ou seja, subprodutos da fabricação de aço e itens ou componentes de aço desgastados, quebrados ou descartados.
Produção do ferro Gusa: Alto-forno
O alto-forno constitui ainda o principal aparelho utilizado na metalurgia do ferro. A metalurgia do ferro consiste, essencialmente, na redução dos óxidos dos minérios de ferro, mediante o emprego de um redutor, que é um material a base de carbono (carvão). A Figura 2 mostra a seção transversal de uma instalação de alto-forno, incluindo todo o equipamento acessório e auxiliar. Como se vê, trata-se de uma estrutura cilíndrica, de grande altura, que compreende essencialmente uma fundação e o forno propriamente dito. Este, por sua vez, é constituído de três partes essenciais, isto é, cadinho, rampa e cuba (ver Figura 3).
O equipamento acessório e auxiliar do tem como objetivo limpar os gases que saem do alto-forno, bem como pré-aquecer o ar que é introduzido no forno através das ventaneiras. 
Figura 2 – Seção transversal de uma instalação de alto-forno, incluindo o equipamento auxiliar principal.
Figura 3 – Seção transversal de um alto-forno moderno.
Operação do alto-forno
Num alto-forno, existem duas correntes de materiais responsáveis pelas reações que se verificam, isto é, uma corrente sólida, representada pela carga que desce paulatinamente e uma corrente gasosa que se origina pela reação do carbono do carvão com o oxigênio do ar soprado pelas ventaneiras, que sobe em contracorrente.
Reações químicas:
As temperaturas mais elevadas ocorrem nas proximidades das ventaneiras: da ordem de 1.800 a 2000oC. Nesta região, verifica-se a reação:
C + O2 ( CO2 Reação 1
Originando-se grande quantidade de calor.
Este CO2, ao entrar em contato com o coque incandescente, decompõe-se:
CO2 + C ( 2CO Reação 2
O CO originado é o agente redutor.
A carga introduzida pelo topo, ao entrar em contato com a corrente gasosa ascendente sofre uma secagem.
A decomposição dos carbonatos, contidos no calcário dá-se a aproximadamente 800oC, conforme as seguintes reações:
CaCO3 ( CaO + CO2 Reação 3
MgCO3 ( MgO + CO2 Reação 4
Além do CO como agente redutor, o próprio carbono do carvão atua nesse sentido.
Reações químicas de redução do minério de ferro:
3Fe2O3 + CO ( 2Fe3O4 + CO2 Reação 5
Fe3O4 + CO ( 3FeO + CO2 Reação 6
ou
Fe2O3 + 3C ( 2Fe + 3CO Reação 7
Na região que corresponde ao topo da rampa (região acima do cadinho onde o ferro líquido e a escória são depositados), inicia-se a formação da escória, pela combinação da cal (CaO) com a ganga (impurezas do minério de ferro) e uma certa quantidade de óxido de ferro e manganês. Essa escória formada, juntamente com o ferro, começa a gotejar através dos interstícios (espaços vazios) da carga ainda sólida, para depositar-se no cadinho.
Outras reações:
Mn3O4 + C ( 3MnO + CO Reação 8
MnO + C ( Mn + CO Reação 9
SiO2 + 2C ( Si + 2CO Reação 10
P2O5 + 5C ( 2P + 5CO Reação 11
FeS + CaO + C ( CaS + Fe + CO Reação 12
Finalmente, as últimas reações fundamentais são representadas pelas equações:
3Fe + C ( Fe3C Reação 13
3Fe + 2CO ( Fe3C + CO2 Reação 14
Todas estas reações produzem, então, o ferro gusa, que além de ferro e carbono também incorpora os elementos manganês (Mn), silício (Si), fósforo (P) e enxofre (S).
A formação da escória compreende reações bem mais complexas. Essa escória resulta da combinação do CaO e do MgO do calcário (fundente) com a ganga (impurezas) do minério e as cinzas do carvão. A escória caracteriza-se por sua grande fluidez e seu baixo peso específico. Assim, no cadinho (reservatório), a escória e o gusa líquido separam-se por gravidade, formando duas camadas, isto é, a inferior (metálica) e a superior (escória), facilitando o vazamento de ambos os produtos.
Produtos do alto-forno
O principal produto do alto-forno é o ferro gusa. O ferro gusa é uma liga ferro-carbono de alto teor de carbono e teores variáveis de silício, manganês, fósforo e enxofre. De um modo geral, a maioria dos ferro gusas possíveis de serem obtidos em alto-forno está compreendida na seguinte faixa de composições:
Carbono - 3 a 4,4%
Silício - 0,5 a 4,0%
Manganês - 0,5 a 2,5%
Fósforo - 0,05 a 2,0%
Enxofre - 0,20% máx.
Um outro produto do alto-forno é a escória, cuja composição varia igualmente dentro de largos limites, isto é:
SiO2 - 29 a 38%
Al2O3 - 10 a 22%
CaO + MgO - 44 a 48%
FeO + MnO - 1 a 3%
CaS - 3 a 4%
Este material depois de solidificado pode ser utilizado como lastro de ferrovias, material isolante etc... Sua mais importante aplicação dá-se na fabircação do chamado “cimento metalúrgico”.
Finalmente, o gás de alto-forno é um subproduto muito importante devido ao seu alto poder calorífico. Sua composição é a seguinte:
CO2 - 13%
CO - 27%
H2 - 3%
N2 - 57%
Este gás é utilizado na própria usina siderúrgica nos regeneradores, fornos diversos de aquecimento, caldeiras etc...
Fabricação do aço
O ferro gusa é uma liga Fe-C com outro elementos resultantes do processo de fabricação. Estes outros elementos são o Si, Mn, P e S. Para a fabricação do aço, estes outros elementos, inclusive o carbono, devem ter seus teores reduzidos. Esta redução da concentração destes elementos químicos ocorre por oxidação.
Os “agentes oxidantes”, isto é, aqueles que iram oxidar o ferro gusa para baixar o teor dos elementos químicos, podem ser de natureza gasosa ( ar ou oxigênio) ou sólida (minério de ferro).
Processos pneumáticos ( agente oxidante ( ar ou oxigênio
Processo Siemens-Martin ou elétrico ( agente oxidante ( substâncias sólidas contendo óxidos (minério de ferro por exemplo).
Processos pneumáticos
Os vários tipos estão representados na Figura 4. Como se vê na figura, o princípio básico de qualquer dos processos é introduzir ar ou oxigênio, pelo fundo, lateralmente ou pelo topo, através de uma “lança”. Estes diferentes tipos de equipamentos são chamados de conversores pneumáticos. Sendo as reações de oxidação dos elementos
contidos no ferro gusa líquido fortemente exotérmicas, principalmente a do silício, não há necessidade de aquecimento da carga metálica do conversor, eliminando-se, assim, a utilização de qualquer combustível.
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Figura 4 – Processos pneumáticos para produção de aço, a partir de ferro gusa.
Reações químicas de oxidação do ferro gusa:
As primeiras reações de oxidação do gusa são as seguintes:
2Fe + O2 ( 2FeO Reação 15
2FeO + Si ( SiO2 + 2Fe Reação 16
FeO + Mn ( MnO + Fe Reação 17
O resultado da oxidação é a formação de sílica SiO2, que, juntamente com os óxidos de ferro e manganês que igualmente se formam durante o “sopro”, originam uma escória de baixo ponto de fusão, a base de silicatos de Fe e Mn.
A medida que o sopro continua, inicia-se a oxidação do carbono:
FeO + C ( Fe + CO Reação 18
Após este primeiro estágio de oxidação, o metal está pronto para ser vazado na panela onde são, então, adicionadas as “ligas” Fe-Mn ou alumínio para desoxidar e dessulfurar o metal, segundo as seguintes reações:
FeO + Mn ( MnO + Fe Reação 19
FeS + Mn ( MnS + Fe Reação 20
ou
3FeO + 2Al ( Al2O3 + 3Fe Reação 21
Existem alguns problemas operacionais no processo de oxidação do ferro gusa. Os mais importantes são de controle do final da oxidação, da temperatura e da composição química do banho metálico. Os conversores mais conhecidos são o Bressemer, Thomas, de sopro lateral e de sopro pelo topo (conversor L-D).
Processos elétricos
Nos fornos pneumáticos, o ferro gusa era transportado ainda líquido para dentro dos conversores e, o próprio calor gerado pela oxidação dos elementos químicos era suficiente para manter a temperatura do forno, sem precisar-se de nenhuma fonte auxiliar de energia. Os fornos pneumáticos era utilizados, basicamente, em usinas integradas (nestas usinas, a redução do minério de ferro, bem como a fabricação do aço são realizados no mesmo local), de forma que o ferro gusa pode ser transportado ainda líquido do alto-forno para os conversores.
Na maioria dos casos, contudo, as empresas compram o gusa sólido e, juntamente com sucata de aço, forma-se a carga para alimentar os fornos elétricos de produção de aço. Neste fornos, a fusão da mistura de sucata de aço e ferro gusa ocorre devido ao calor gerado por um arco voltaico que se forma entre três eletrodos de grafite e a carga metálica. Após a fusão da carga, oxigênio é injetado por uma lança diretamente no banho líquido. A redução dos teores dos elementos de liga ocorre, então, por oxidação, sendo que as reações são as mesma já descritas para os fornos pneumáticos. A fabricação do aço também conhecido como refino do aço incorpora duas etapas a saber, isto é, o refino primário e o refino secundário. No refino primário, são reduzidos os teores os teores de carbono, manganês, silício e fósforo. O calor liberado pela oxidação destes elementos químicos reduz o consumo de energia elétrica do forno. Durante o processo de oxidação, a composição química do banho líquido é monitorada por coleta de amostras e análise por espectrometria de emissão ótica. Quando o banho líquido atinge a composição química ideal, este é transportado para um outro forno, o a composição química final do aço é acertada (refino secundário). Neste segundo forno (forno panela), as “ferro-ligas” (Fe-Mn ou Fe-Si) são adicionadas. Estas ligas funcionam como dessulfurantes e desoxidantes, isto é, reduzem os teores de enxofre e oxigênio do aço. A dessulfurização é realizada de acordo com a seguinte reação:
Mn + S ( MnS Reação 22
O enxofre é então reduzido pela formação do sulfeto de manganês (MnS) que vai para a escória. Já quanto à desoxidação, é inevitável que parte do ferro, durante o refino primário, sofra oxidação, de acordo com a seguinte reação:
Fe + O ( FeO Reação 23
Então, na desoxidação, ocorre a seguinte reação e o óxido de manganês vai compor a escória.
FeO + Mn ( Fe + MnO Reação 24
Contudo, é interessante comentar que nem todo o sulfeto de manganês (MnS) e o MnO vão para a escória. Parte destes compostos, bem como o próprio FeO permanecerão no aço como impurezas, chamadas de inclusões não metálicas, as quais devem ser criteriosamente controladas pois afetam diretamente as propriedades dos aços produzidos.
Processos de redução direta
O princípio da “redução direta” consiste em tratar-se óxidos de ferro praticamente puros (Fe2O3 ou Fe3O4) a temperaturas usualmente entre 950 e 1050oC, na presença de uma substância redutora, resultando, freqüentemente uma massa escura e porosa, conhecida como “ferro esponja”.
A redução é realizada no estado sólido e os processos correspondentes têm por objetivo eliminar o alto-forno, produzindo-se o aço diretamente do minério ou produzindo-se um material intermediário, a ser empregado como “sucata sintética” nos fornos de aço.
Os processos de redução direta seriam aconselhados, pelo menos teoricamente, para países que não dispõem do melhor carvão de pedra coqueificável ou que não possuam minérios de alto teor em ferro.
Basicamente, todos os processos de redução direta podem ser agrupados em duas classes:
processos que utilizam redutores sólidos
processos que utilizam redutores gasosos
A Figura 5 representa, esquematicamente, o processo conhecido pelo nome de SL/RN. A carga consiste de concentrados de minério de ferro, na forma moída ou na forma de “pelotas”, coque e calcário moídos.
Figura 5 – Representação esquemática do processo SL/RN de redução direta.
A carga é levada a um forno rotativo, onde a temperatura é mantida na faixa de 1000 a 1076oC. O produto sólido resultante é resfriado e o ferro é separado mediante separador magnético. O coque não utilizado é removido e reutilizado. O processo permite produzir material contendo enxofre entre 0,02 e 0,05% apenas, o que o torna adequado para a utilização em fornos de aço.
Aula4_EstruturasCristalinas.doc
Estruturas cristalinas
Alotropia do ferro puro
Ferro ( metal alotrópico ( apresenta mais de uma estrutura cristalina de acordo com a temperatura.
Solidificação: 1538oC ( estrutura cristalina cúbica de corpo centrado ( ferro-( ou fase-( (ferrita-().
1394oC ( mudança de fase ( átomos de Fe sofrem um rearranjo para uma estrutura cúbica de face centrada ( ferro-( ou fase-( (austenita).
912oC ( volta a ccc (cúbica de corpo centrado) ( ferro-( ou fase-( (ferrita). Abaixo de 786oC (ponto Curie) ( comportamento magnético.
Estas diversas transformações fazem com que os aços apresentem-se com uma classe de materiais extremamente versáteis atendendo a um grande espectro de propriedades mecânicas.
Reticulado cristalino
Reticulado cristalino é uma rede de pontos que se prolonga infinitamente nas três direções do espaço (ver Figura 1).
Figura 1 - Representação de uma rede de pontos que serve de base para o estudo das estruturas cristalinas.
Geometria da rede espacial pode ser caracterizada por três vetores.
Comprimento dos vetores ( a, b, c
Ângulo entre vetores ( (, (, (
O comprimento e o ângulo entre os vetores representam as constantes de rede, as quais nos permitem definir exatamente como os pontos se distribuem no espaço.
Estrutura cristalina
Nada mais é do que uma rede de pontos regularmente espaçados com uma distribuição regular dos átomos.
Materiais cristalinos são aqueles que possuem uma distribuição característica e regular dos seus átomos. Devido a esta regularidade, a estrutura cristalina de um material não precisa ser representada por todos os seus átomos, mas por apenas um conjunto de átomos que possam definir a sua distribuição no espaço. A esta pequena porção do reticulado cristalino que tem a propriedade de representar todo o cristal chamamos de célula unitária.
Célula unitária ( associada a uma figura geométrica e a distribuição característica dos átomos.
Existem apenas sete figuras geométricas ( representam sete sistemas cristalinos, que por sua vez irão formar quatorze distribuições características dos átomos, produzindo quatorze estruturas cristalinas (ver Tabela 1).
Tabela 1 - Classificação das estruturas cristalinas dentro dos sistemas cristalinos.
		Sistema cristalino
		Parâmetro de rede e ângulo entre os eixos
		Estrutura cristalina
		Cúbico
		Três eixos iguais em ângulo reto
		Cúbica simples
		
		a=b=c, (=(=(=90(
		Cúbica de corpo centrado
		
		
		Cúbica de faces centradas
		Tetragonal
		Três eixos em ângulo reto, dois iguais
		Tetragonal simples
		
		a=b(c, (=(=(=90(
		Tetragonal de corpo centrado
		Ortorrômbico
		Três eixos desiguais em ângulo reto
		Ortorrômbico simples
		
		a(b(c, (=(=(=90(
		Ortorrômbico de corpo centrado
		
		
		Ortorrômbico de bases centradas
		
		
		Ortorrômbico de faces centradas
		Romboédrico
		Três eixos iguais, ângulos iguais
		Romboédrico simples
		
		a=b=c, (=(=((90(
		
		Hexagonal
		Dois eixos iguais a 120(, terceiro eixo a 90(
		Hexagonal simples
		
		a=b(c, (=(=90(, (=90(
		
		Monoclínico
		Três eixos desiguais, um ângulo diferente
		Monoclínico simples
		
		a(b(c, (=(=90(, ((90
		Monoclínico de bases centradas
		Triclínico
		Três eixos desiguais, ângulos desiguais
		Triclínico simples
		
		a(b(c, ((((((90
		
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Figura 2 – Estruturas cristalinas.
Sistemas cristalinos mais importantes ( Sistema cúbico e tetragonal.
Estruturas cristalinas mais importantes ( cúbica de corpo centrado, cúbico de face centrada e tetragonal de corpo centrado (ver Figura 3).
Sistema cristalino ( cúbico
Estrutura cristalina ( cúbica de corpo centrado (ccc) e cúbica de face centrada (cfc).
Sistema cristalino ( tetragonal
Estrutura cristalina ( tetragonal de corpo centrado
Figura 3 - Representação esquemática das células unitárias das estruturas cúbica de corpo centrado, cúbica de faces centradas e tetragonal de corpo centrado.
Parâmetros característicos 
Medidas características dos vetores ( parâmetros de rede
Número de átomos por célula unitária
Número de vizinhos que cada átomo possui ( número de coordenação
Relação entre o volume ocupado pelos átomos e o volume da célula unitária ( fator de empacotamento
Estrutura cúbica de corpo centrado (ccc)
a = b = c e ( = ( =( =90o ( parâmetros geométricos
Célula unitária ( caracterizada pela figura de um cubo
Os átomos estão localizados nos vértices e no centro da célula (ver Figura 4).
Figura 4 - Representação do modelo de esferas das estruturas cúbica de corpo centrado e cúbica de faces centradas.
Átomos nos vértices ( existe apenas 1/8 do seu volume ocupando espaço na célula unitária.
Parâmetro de rede ( lado do cubo = (4R/31/2); onde R = raio atômico.
Número de átomos por célula unitária = 2
Número de coordenação = 8
Fator de empacotamento = 0,68
Estrutura cúbica de faces centradas (cfc)
Possui os mesmos parâmetros geométricos da ccc, porém a distribuição dos átomos é um pouco diferente (ver Figura 4).
Os átomos estão localizados nos vértices e no centro das faces da célula.
Átomos nas faces ocupam apenas metade do seu volume dentro da célula.
Parâmetro de rede ( lado do cubo = (4R/21/2)
Número de átomos = 4
Número de coordenação = 12
Fator de empacotamento = 0,74
A estrutura cfc é mais compacta do que a estrutura ccc, isto é, os seus átomos ocupam o espaço da célula de uma maneira mais eficiente.
Interstícios
O fator de empacotamento é sempre menor do que um (1). Isto quer dizer que os átomos não ocupam todo o espaço da célula.
Espaços vazios entre os átomos da estrutura ( interstícios
( Fator de empacotamento ( ( volume destinado aos interstícios
Tamanha dos interstícios ( depende ( raios atômico e estrutura cristalina.
cfc ( ( interstícios do que ccc, embora o fator de empacotamento seja maior (ver figura 5 e 6).
Figura 5 - Interstícios octaédricos (a) e insterstícios tetraédricos (b) em uma estrutura cúbica de corpo centrado.
Figura 6 - Interstícios octaédricos (a) e insterstícios tetraédricos (b) em uma estrutura de faces centradas.
Conseqüência ( átomos de soluto se colocam em posições intersticiais, como é o caso de uma liga Fe-C.
( Interstícios ( ( Solubilidade para o soluto!
Interstícios tetraédricos e octaédricos ( um interstício é sempre denominado pela figura poliédrica formada pelos átomos que estão em volta do espaço vazio.
Direções e planos atômicos
Existem planos e direções características para cada estrutura. Estes influem no comportamento do material ( deformação.
Deformação ( ocorre segundo determinadas direções e planos particulares para cada estrutura. Existe uma maior densidade de átomos em determinadas direções, gerando planos de escorregamento capazes de serem acionados durante o processo de deformação plástica. Para a determinação exata das direções e planos, foi criada uma notação apropriada que é chamada de Índices de Miller. Nas figuras 7 e 8, são mostradas direções e planos característicos para as estrutura cristalina cúbia.. Os índices de uma direção estão relacionados com as coordenadas de um ponto com relação à origem do sistema de eixos. Assim, a direção [100] corresponde a um vetor paralelo ao eixo x, enquanto que a direção [010] corresponde a um vetor paralelo ao eixo y. No caso dos planos, os índices correspondem ao inverso do valor das interseções do plano com os eixos. Deste modo um plano (100) corresponde a um plano paralelo aos eixos y e z enquanto que um plano (010) corresponde a um plano paralelo aos eixos x e z.
Figura 7 – Direções cristalinas em uma estrutura cristalina cúbia.
Figura 8 – Planos cristalinos em uma estrutura cristalina cúbica.
Defeitos na estrutura cristalina
Todos os materiais cristalinos possuem um certo número de defeitos, os quais podem influir decisivamente em suas propriedades.
Defeitos pontuais
Lacunas ( Ausência de um átomo em uma posição que deveria ser ocupada na estrutura cristalina. Este defeito gera uma deficiência de ligações entre os átomos fazendo com que os mesmos tendam a se aproximar, o que provoca uma distorção na rede e produz acúmulo de energia naquele ponto (Figura 9).
Intersticiais ( Caracteriza-se pela presença de um átomo em um interstício da estrutura cristalina.
( Auto-intersticial ( próprio elemento que forma a estrutura (ver Figura 9)
( Impureza intersticial ( átomo estranho ao reticulado cristalino (ver Figura 9).
obs.: Interstícios ( são pequenos em relação aos átomos que abrigam. Ocorre, então, a distorção da rede cristalina e um acúmulo de energia muito maior do que em uma lacuna.
Figura 9 - Representação dos defeitos de lacuna, defeito auto-intersticial e defeito de impureza intersticial.
Defeitos em linha ou planares
Discordância ( é um defeito planar que envolve o posicionamento de uma série de átomos. Mais comum é a discordância em cunha (ver Figura 10).
Figura 10 – Representação esquemática de uma discordância em cunha.
Esta discordância pode ser entendida como um plano extra de átomos, produzindo um efeito de cunha no reticulado. Existe então, um acúmulo muito maior de energia do que em um defeito de lacuna ou intersticial.
Discordâncias ( grande influência ( deformação plástica ( estes defeitos cristalinos são os responsáveis pela deformação plástica ou permanente. Se estes não existissem, a deformação dos metais seria tremendamente mais difícil.
Defeitos de fronteira
Os contornos de grão representam a transição entre duas orientações de empilhamento dos átomos. Portanto, nesta regiões de contorno,
os átomos não possuem uma organização definida, sendo que também são áreas de acúmulo de energia. Estes defeitos de fronteira são importantes nas transformações de fase (maior energia favorece a nucleação) e na deformação plástica (restringir o movimento de discordâncias).
Aula6_EnsaioDeDureza.doc
Ensaio de dureza
Para mecânica ( resistência à penetração de um material duro em outro.
Para usinagem ( é a resistência ao corte de um metal.
Para mineralogistas ( é a resistência ao risco de um material.
Para metalurgia ( dureza ( resistência à deformação plástica.
Assim ( material com grande resistência à deformação permanente também terá alta resistência ao desgaste, alta resistência ao corte e será difícil de ser riscado ( será duro!!!!
Tipos de dureza
Dureza ao risco
Vários materiais podem ser organizados de acordo com a capacidade de riscarem uns aos outros ( escala de Mohs (1822) ( 10 minerais agrupados da ordem da capacidade de serem riscados.
mais macio ( mineral talco ( dureza ao risco 1
mais duro ( diamante ( dureza ao risco 10
Esta escala não é conveniente para os metais!!!!!
Dureza dinâmica
Uma esfera é lançada contra uma superfície e a dureza é expressa como energia de impacto.Medidor de dureza Shore mede a dureza dinâmica em função da altura do rebote da bilha.
Dureza à penetração
Para os metais, é uma medida da resistência à deformação plástica ou permanente.
Dureza Brinell
Em 1900 ( J.A. Brinell ( O ensaio foi muito aceito, porque permite relacionar o valor de dureza com a resistência à tração.
Ensaio ( ver Figura 1!
Figura 1 – Desenho esquemático da dureza Brinell.
Ensaio ( comprimir uma esfera de aço (diâmetro D) duro contra a superfície plana e limpa de um metal com uma carga F, durante um tempo t, produzindo uma calota esférica de diâmetro d.
Dureza Brinell – Representada pelas letras HB (hardness Brinell).
; onde:
F = Carga aplicada e AC = área da calota esférica
AC = (Dp; onde p = profundidade da calota.
Fazendo-se as devidas substituições:
Contudo, p não é muito fácil de ser determinado. Então, faz-se uma relação entre p e d, resultando em:
Assim, a dureza é expressa em unidades de Kgf/mm2 (1Kgf/mm2(10N/mm2(10MPa).
Contudo, usa-se somente o número e HB. Ex.: 100HB.
Os cálculos são dispensados no dia a dia, através do uso de uma tabela, onde estão dispostos os valores de d e da dureza HB.
Brinell padrão:
Carga=3000Kg e D=10mm
Método de ensaio:
Aplica-se a carga por um tempo padrão (normalmente por 30 segundos) e o diâmetro da impressão é medido por um microscópio de baixa ampliação. Deve-se fazer duas leituras de d perpendiculares entre si. A superfície deve ser relativamente lisa e isenta de sujidades e película de óxidos. Contudo, para metais muito macios, a carga de 3000Kg seria muito alta. Para diminuir a carga, devemos também mudar o diâmetro do indentador para que se produza indentações geometricamente similares.
Carga ( deve ser tal que 0,25<d<0,5 do D. Impressão ideal se d=0,375D!
Na prática, deve se usar o fator de carga.
Fator de carga=
Exemplo: fator de carga igual a 30, para aços e ferros fundidos, com dureza na faixa de 90 a 415HB. O fatores de carga para alguns materiais de engenharia estão apresentados na Tabela 1.
Tabela 1 – Fatores de carga de alguns materiais metálicos de engenharia.
Observação: O D é função da espessura do corpo de prova ensaiado. Espessura mínima igual a 17 vezes a profundidade da calota.
Vantagens do Método Brinell:
 - Adequado (produz grandes calotas na peça, quando D=10mm) para materiais compostos por mais de uma fase (valores de dureza discrepantes), como os ferros fundidos.
 - Existe a possibilidade de se estimar a resistência à tração a partir da dureza Brinell, aplicando-se a seguinte equação:
 ou 
 - Baixo custo de equipamento
Desvantagens do método Brinell:
 - Só é possível se medir a dureza de materiais de média dureza, isto é, até no máximo 500Hb, caso contrário a esfera pode sofrer deformação plástica.
 - Existe a necessidade de um acabamento superficial mínimo.
 - É sujeito a erros de medição.
 - A impressão sendo muito grande pode inutilizar a peça.
Não se presta para materiais que sofreram algum tipo de tratamento de superfície.
Dureza Rockwell
Início do século XX ( muitos progressos na determinação da dureza.
1922 ( Rockwell ( ensaio de dureza com pré-carga.
Progressos ( possibilidade de avaliar a dureza de metais diversos, desde os mais macios até os mais duros. Contudo, também apresenta limitações.
Dureza Rockwell ( a mais utilizada no mundo, pelas seguintes razões:
rapidez
facilidade de execução
isenção de erros humanos
pequeno tamanho de impressão
Indentadores utilizados ( esférico (aço com elevada dureza) ou cônico (com e de diamante com 120o de conicidade).
Figura 2 – Esquema representando o ensaio de dureza Rockwell.
Leitura do valor de dureza Rockwell ( diretamente em um registrador.
Indentador cônico ( leitura na escala externa (preta).
Indentador esférico ( leitura na escala interna (vermelha).
Obs.: O valor indicado na escala do mostrador (dureza Rockwell) corresponde à profundidade alcançada pelo penetrador, de forma que uma impressão profunda corresponde a um valor baixo na escala e uma impressão rasa corresponde a um valor alto na escala.
Obs.: O número de dureza Rockwell, ao contrário das dureza Brinell e Vickers, que têm unidades de Kgf/mm2, é puramente arbitrário.
A dureza Rockwell é dependente da carga e do penetrador, de forma que se torna necessário especificar a combinação que é usada. Isto é feito com uma letra indicativa. A pré-carga é de 10Kgf e as cargas possíveis são de 60, 100 e 150Kgf.
Obs.: As escalas não têm relação entre si, de forma que não faz sentido comparar a dureza de materiais submetidos a ensaios de dureza Rockwell, utilizando-se escalas diferentes. O quadro da Tabela 2 mostras as principais escalas do método Rockwell.
A profundidade que o penetrador vai atingir é importante para se definir a espessura mínima do corpo de prova, sendo que esta deve ser 17 vezes a profundidade atingida pelo penetrador.
A profundidade do penetrador (P em mm) não é possível ser medida, mas se pode estimar através das seguintes relações:
P= 0,002 x (100-HR) ( diamante
P= 0,002 x (130-HR) ( esférico
Desvantagens:
Não é uma escala contínua de dureza. Funciona para faixas de dureza.
O valor de HR não tem relação com a resistência à tração dos materiais ensaiados.
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Tabela 2 Diferentes escalas de dureza Rockwell.
Dureza Vickers
Ensaio de dureza Vickers ( resistência à penetração de uma pirâmide de base quadrada e ângulo entre faces de 136o (ver Figura 3), sob uma determinada carga.
Tempo de aplicação de carga de 30 segundos.
HV ( Kgf/mm2
Assim, pode-se também estimar a resistência à tração do material, usando-se a mesma relação apresentada na dureza Brinell.
Cargas ( podem ser de qualquer valor. Valor de dureza é independente da carga usada!!
Cargas de 1 a 120Kg são usadas, sendo que a carga ideal é função da dureza do material.
 
Figura 3 – Indentador de dureza Vickers.
Valores de Hv de 5 a 1500 podem ser obtidos.
Vantagens:
Escala contínua de dureza
Impressões de dureza extremamente pequenas
Deformação nula do indentador
Aplicação para qualquer espessura
Relação com a resistência à tração
Desvantagens
Necessidade de preparação cuidadosa da superfície
Processo lento
Sujeito a erros do operador
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Aula_15EnsaiodeImpactoCharpy.doc
Ensaio de Impacto Charpy
Fratura
Podemos ter dois tipos de fratura dos metais, isto é, a fratura dúctil, na qual a deformação plástica continua até uma redução de 100% na área e a fratura frágil, na qual as partes adjacentes do metal são separadas por tensões normais à superfície da fratura. Como a fratura frágil não produz deformação plástica, ela requer menos energia que uma fratura dúctil, na qual se consome energia na formação de discordâncias e outras imperfeições no interior dos cristais.
Um contraste esquemático entre a fratura frágil e a dúctil é de grande valia. A Figura 1 mostra as tensões relativas necessárias para ambos os tipos de fratura. No caso (a), a fratura que se dá é dúctil, pois a tensão necessária para a fratura frágil é maior que para a dúctil. É o caso dos metais CFC. No caso (C), a fratura ocorre antes da deformação por cisalhamento, o que acontece para o vidro e o ferro fundido cinzento. No caso (b), há uma superposição que é típica para muitos metais entre os quais o ferro. A deformação plástica se inicia, mas o encruamento aumenta a tensão tolerável, até que a resistência à ruptura seja ultrapassada. Consequentemente, é comum encontrar metais que sofram alguma estricção antes de se romperem de forma frágil.
Figura 1 – Resistência à fratura e ao cisalhamento. (a) Fratura dúctil. (b) Fratura mista. (c) Fratura frágil. A cruz indica o ponto de ruptura.
Por mais de um século, o teste de impacto Charpy tem sido empregado como um teste válido para avaliar a tenacidade ao impacto de um material. Na configuração original, mede-se a energia consumida para promover a fratura de um corpo de prova entalhado com uma seção transversal de 80mm2. Se a energia consumida for plotada contra a temperatura de ensaio, muitos aços apresentam pequenos valores de energia a baixas temperaturas, as quais se elevam a medida que a temperatura aumenta, em um regime de transição até atingir um “plateau” para altas temperaturas. Uma operação segura de um componente ou estrutura somente é possível se a temperatura de operação está acima do regime de transição. Portanto, define-se a temperatura de transição como sendo aquela em que o material passa de um comportamento dúctil (fratura dúctil) para um comportamento frágil (fratura frágil). Assim como existem os tipos de fratura, existem os mecanismos de fratura, isto é, dúctil e frágil, de forma que o mecanismo de fratura dúctil consome uma grande quantidade de energia (ver Figuras 2 e 3), enquanto que o mecanismo frágil consome uma pequena quantidade de energia (ver Figuras 4 e 5).
Figura 2 – Cobre comercialmente puro. Fratura e mecanismo de fratura dúcteis.
Figura 3 – Aço baixo carbono na temperatura ambiente. Fratura e mecanismo de fratura dúcteis.
Figura 4 – Latão. Fratura e mecanismo de fratura frágeis.
Figura 5 – Aço baixo carbono a –190oC. Fratura e mecanismo de fratura frágeis.
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Figura 6 – Tipos de corpos de prova Charpy.
Figura 7 – Equipamento utilizado para a realização do ensaio de Charpy.
A Figura 8 apresenta o resultado dos ensaios de impacto Charpy em vários aços ao carbono com diferentes quantidades deste elemento.
Figura 8 – Energia consumida em função da temperatura para vários aços ao carbono.
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Aula_3_SolidificacaoDosAcos.doc
Solidificação dos aços
Após a etapa de refino, o aço está pronto para ser “vazado” e solidificado. Esta etapa de solidificação chama-se lingotamento, o qual pode ser convencional ou contínuo. No lingotamento convencional, moldes metálicos (“lingoteiras”), feitos normalmente de ferro fundido, são utilizados na solidificação do aço, que após completamente solidificado recebe o nome de lingote. Já no lingotamento contínuo, o aço líquido é vazado em um grande reservatório chamado distribuidor. Do distribuidor, o aço líquido segue por dois moldes metálicos de cobre na forma de tubos que são refrigerados com água. Quando saem destes moldes, o aço já solidificado recebe “sprays” de água para completar o resfriamento. Durante o resfriamento, o aço é cortado com dimensões padronizadas por tesouras, recebendo o nome de tarugo.
Tanto o lingote quanto
 o tarugo são, então, levados para a etapa de laminação, onde serão transformados em uma série de produtos, tais como barras, perfis, chapas, fio máquina etc...
Algumas heterogeneidades dos aços
O aço líquido é homogêneo, mas durante a solidificação surgem defeitos que tornam o material sólido heterogêneo. 
Alguns defeitos ( eliminados durante a fabricação do produto final (acabado).
Outros defeitos ( tornam-se até mais evidentes no produto final.
Tipos de defeitos
Não esgotando-se as possibilidades de defeitos durante a solidificação dos aços, os defeitos apresentados abaixo são os mais comuns.
Vazio (“chupagem” ou “rechupe”)
Início da solidificação ( Paredes do molde
 ( Parte superior do molde que está em contato com o ar
Sólido na periferia (Figura 16). Líquido preso.
Contração de volume ( parte oca (vazio).
Rechupe ( parte central superior do lingote (última a solidificar).
Rechupe ( uma ou várias cavidades ( cone com vértice voltado para baixo (Figura 17).
Vazio ( eliminado quando ao rubro
Mal eliminado ( restos de vazios (Figuras 75 a 80).
Atenuar o corte ( massalote (Figura 19). Prolongamento sobreposto à lingoteira. Existe também a “cabeça quente” (material exotérmico e isolante).
Fundição de peças moldadas ( necessidade de canais de alimentação para atrair os defeitos para si (Figura 20).
Porosidade ( pequenos vazios ou rechupes formados durante o resfriamento devido a falta de material (Figura 21).
Lingotes ( parte oca não tiver contato com o ar ( esta parte terá atmosfera redutora (CO) ( impede a oxidação das paredes do vazio. Laminação a quente ( soldagem destas paredes ( atenuando o inconveniente.
Vazio em contato com o ar ( oxidação das paredes ( oxidação ( fendas ( perigo de trincas e falha por fadiga.
Segregação
Aço ( liga Fe-C com impurezas (principalmente o P e o S).
Metal líquido ( impurezas dissolvidas uniformemente.
Solidificação ( menor solubilidade no metal sólido do que no líquido.
Solidificação ( fora para dentro ( acúmulo de impurezas no centro.
Centro ( último a solidificar ( resfriamento mais lento e porque as impurezas (principalmente o fósforo) baixam o ponto de solidificação.
Acúmulo de impurezas = segregação
Segregação ( resultado ( gradiente de composição química ( principalmente de fósforo e enxofre.
Variação de composição química ( variação de propriedades mecânicas.
( P ou S ( propriedades mecânicas inferiores (mais duro e quebradiço).
Impurezas ( pequena movimentação ( permanecem no produto acabado (Figura 23).
Segregação ( maior dureza e posição central ( menor deformação do que a periferia ( durante laminação ou forjamento (Figura 87).
Lingote grande ( segregação mais intensa ( mais tempo para a separação (difusão).
Estrutura dendrítica
Solidificação de metais ( formação de cristais ou núcleos ou centro de cristalização ( desenvolvimento a partir de eixos de cristalização (três eixos ortogonais entre si).
Cada eixo ( certo tamanho ( emite novos eixos até a massa inteira de solidificar (Figura 24).
Cada eixo principal + eixos secundários = dendrita – ramificação de árvores (dendron).
Dendrita ( crescimento limitado ( vizinha
Solidificação completa ( cada dendrita = cristal de contornos irregulares.
Dendrita = grão primário