Apostila Aços estruturais

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Aços estruturais 
Entre os materiais de construção, o aço tem uma posição de relevo: 
combina resistência mecânica, trabalhabilidade, disponibilidade e baixo 
custo. 
 
A aplicação dos aços é de extrema importância em todos os campos da 
engenharia, nas estruturas, sejam fixas, como edifícios, pontes, etc., 
sejam móveis, na indústria ferroviária, automobilística, naval, 
aeronáutica, etc. 
 
 
Os aços-carbono comuns, simplesmente laminados, sem quaisquer tra- 
mentos térmicos, são plenamente satisfatórios e constituem 
porcentagem considerável dentro do grupo de aços estruturais (cerca de 
80%). 
Em outras aplicações, entretanto, exige-se uma relação resistência/peso 
mais satisfatória. 
 
É o caso da indústria de transporte onde o equipamento utilizado — 
caminhões, ônibus, aviões, equipamento ferroviário, equipamento 
rodoviário, navios, etc. — devido às condições do serviço, deve 
caracterizar-se por peso relativamente baixo e alta resistência, por estar 
sujeito a esforços severos e choques repentinos, além de resistência à 
corrosão adequada. 
 
Nestas aplicações, os aços indicados são os de baixo teor em liga 
conhecidos como "de alta resistência e baixo teor de liga". 
Divisão dos aços utilizados em estruturas: 
- aços-carbono; 
- aços de alta resistência e baixo teor em liga. 
Aços carbono para estruturas 
Os requisitos fundamentais a que devem obedecer esses aços são: 
 
- ductilidade e homogeneidade; 
- valor satisfatório de limite de escoamento; 
- soldabilidade; 
- resistência razoável à corrosão. 
•Com exceção da resistência à corrosão, todos os outros requisitos são 
satisfeitos pelos aços-carbono, de baixo a médio carbono, obtidos por 
laminação, cujos limites de resistência à tração variam de 40 a 50 kgf/mm2 
e cujo alongamento gira em torno de 20%. 
 
 
•A ductilidade que esses aços apresentam garante excelente 
trabalhabilidade em operações tais como corte, furação, dobramento, etc., 
sem que se originem fissuras ou outros defeitos. 
 
 
•O limite de escoamento, assim como o módulo de elasticidade, são nos 
aços carbono perfeitamente satisfatórios. 
 
•A soldabilidade é uma característica muito importante para esse tipo de 
material de construção, visto que a soldagem de peças estruturais é 
comum. Os aços-carbono comuns também satisfazem plenamente esse 
requisito, pois podem ser soldados sem alteração da estrutura. 
 
•Finalmente, a resistência à corrosão só é alcançada com adição de 
pequenos teores de cobre, (da ordem de 0,25%): melhora a propriedade 
em aproximadamente duas vezes em relação ao mesmo aço sem cobre. 
 
•Para a maioria das aplicações estruturais, o teor de carbono desses aços 
varia de 0,15% a 0,40%, com os outros elementos (Mn, Si, P e S) nos 
teores considerados normais. 
•Nas estruturas, os perfis de aço-carbono utilizados são os mais diversos: 
barras redondas (inclusive as empregadas em concreto armado), quadradas, 
hexagonais, ovais, barras chatas, cantoneiras, tês, eles, duplos tês, etc. 
•Os aços de alto carbono — em torno do eutetóide ou mesmo acima —
são considerados materiais de natureza e aplicações especiais, pois são 
utilizados na forma de fios ou barras, geralmente com tratamento 
térmico particular ou no estado encruado, em estruturas do tipo de 
pontes pênseis, concreto protendido, cabos, etc. 
Aços de alta resistência e baixo teor em liga 
A tendência moderna no sentido de utilizar estruturas cada vez maiores, 
tem levado ao emprego de aços cada vez mais resistentes, para evitar o uso 
de estruturas cada vez mais pesadas. 
 
Tais considerações não se aplicam somente ao caso de estruturas fixas, 
(edifícios ou pontes), mas igualmente e principalmente em estruturas 
móveis, no setor de transportes, onde o maior interesse se concentra na 
redução do peso da estrutura. 
Esses aços são de grande utilidade toda a vez que se deseja: 
 
a) aumentar a resistência mecânica, permitindo um acréscimo da carga 
unitária da estrutura ou tornando possível uma diminuição proporcional 
da seção, ou seja o emprego de seções mais leves; 
 
b) melhorar a resistência à corrosão atmosférica. Esse é um fator 
importante a considerar, porque a utilização de seções mais finas pode 
significar vida mais curta da estrutura, a não ser que a redução da seção 
seja acompanhada por um aumento correspondente da resistência à 
corrosão do material; 
 
c) melhorar a resistência ao choque e o limite de fadiga. 
 
A trabalhabilidade e a soldabilidade do aço não devem ser muito 
afetadas, pois as aplicações desses materiais exigem: 
 
a) que os aços possam ser fabricados facilmente e economicamente 
por deformação mecânica a frio ou a quente, além de poderem sofrer 
rapidamente deformações e operações tais como dobramento, corte, 
furação, rebitagem e qualquer tipo de usinagem; 
 
b) que possam ser facilmente soldados pelos processos normais de 
soldagem, devendo ainda a solda resultante apresentar suficiente 
resistência e ductilidade, correspondentes pelo menos à do aço 
comum. 
Os aços alta resistência e baixa liga apresentam sua composição 
nestas faixas: 
 
C - 0,06 a 0,28% 
P - 0,01 a 0,12% 
Si - 0,01 a 0,90% 
Mn - 0,35 a 1,60% 
Cu - O a 1,25% 
Cr - O a 1,80% 
Ni - O a 5,25% 
Mo - O a 0,65% 
Zr - O a 0,12% 
Al - O a 0,20% 
S - O a 0,03% 
Ti - O a 0,05% 
B - O a 0,005% 
Nb - O a 0,10% 
Função dos elementos: 
Carbono — É o principal responsável pelo aumento da resistência 
mecânica e pela queda da ductilidade, trabalhabilidade, resistência ao 
choque e soldabilidade. Pelos seus efeitos negativos, é mantido baixo. 
 
Manganês — Atua como o carbono, embora em escala menor. Se 
dissolve na ferrita e ainda contribui para aumentar a endurecibili-
dade, em aços endurecíveis. 
Geralmente, nos aços-liga de alta resistência para estruturas, o 
manganês aparece em teores mais elevados do que nos aços-carbono 
estruturais. 
Quando o manganês é introduzido em teores acima de 1%, não há 
necessidade de adicionar outros elementos de liga com o objetivo de 
melhorar a resistência mecânica. 
Fósforo - Aumenta a resistência mecânica, mas prejudica a ductilidade 
do aço, produzindo a chamada "fragilidade a frio" . 
O fósforo em quantidades acima do teor considerado normal — isto é, 
até 0,12% —contribui para melhorar sua resistência à corrosão 
atmosférica, sobretudo quando o cobre também está presente em 
pequenas quantidades. 
Do mesmo modo que o carbono e o manganês, o fósforo também 
melhora o limite de fadiga dos aços, aproximadamente na mesma 
proporção que o aumento da resistência. 
Silício — Aumenta a resistência mecânica e a resistência à oxidação a 
temperaturas elevadas. É geralmente mantido baixo, adicionado nas 
quantidades suficientes para acalmar os aços. 
 
 
Cobre — Seu principal efeito é melhorar a resistência à corrosão 
atmosférica do aço; tal efeito é mais acentuado pelo aumento simultâneo 
do teor de fósforo. 
 
O cobre exerce ainda considerável influência na resistência mecânica do 
aço, aumentando-a apreciavelmente, com somente ligeiro decréscimo da 
ductilidade. Para isso é preciso que o seu teor seja superior a 0,60%. 
 
Nos aços com cobre relativamente alto — acima de 1,0% e mais 
acentuadamente na faixa entre 1,20% e 1,50% — ocorre o fenômeno 
de "endurecimento por precipitação". 
Cromo — Em teores baixos aumenta a resistência, a tenacidade e 
resistência ao choque do aço. Em teores mais elevados, aumenta a 
resistência ao desgaste, por formar carbonetos duros. 
 
Geralmente é associado ao níquel e ao cobre, quando também 
melhora a resistência à corrosão atmosférica. 
 
 
Níquel — A introdução do níquel beneficia o aço no sentido da 
melhora das suas propriedadesmecânicas, da resistência à corrosão, 
além de refinar o grão. 
 
Sob o ponto de vista de resistência à corrosão atmosférica, o níquel é 
quase tão benéfico quanto o cobre. 
De fato, quando o aço está sendo aquecido para a laminação, a uma 
temperatura que é geralmente superior à de fusão do cobre, se este metal 
estiver presente, pode fundir e penetrar nos seus contornos de grão, 
causando fissuras por ocasião do trabalho mecânico. 
Tal fenômeno limita as adições de cobre a 0,40%-0,50%, a não ser que se 
tomem cuidados especiais no aquecimento, e que um teor de cobre mais 
elevado seja acompanhado pela introdução de níquel, em quantidade de 
pelo menos um terço da do cobre. 
O níquel liga-se ao cobre e o composto formado é de ponto de fusão mais 
alto, mantendo-se sólido durante o aquecimento do aço para a laminação, 
evitando-se assim sua penetração nos contornos dos grãos. 
Molibdênio — Além de aumentar a resistência mecânica, sua 
ação é de melhorar as propriedades a temperaturas mais elevadas. 
 
Zircônio — É eventualmente adicionado para desoxidar, atuando 
igualmente no sentido de garantir granulação fina. 
 
Alumínio — Utilizado para desoxidar e refinar o grão. De todos os 
elementos de liga, é considerado o mais eficiente para controlar o 
crescimento de grão. 
 
Vanádio — Aumenta a resistência dos aços considerados, 
porque fortalece a ferrita por endurecimento por precipitação. O 
endurecimento mencionado deve-se à precipitação de carboneto e 
de nitreto de vanádio na ferrita. 
 
Nitrogênio — Até cerca de 0,2% atua, de modo econômico, para 
melhorar a resistência mecânica. Junto com o vanádio promove o 
endurecimento por precipitação. 
 
Nióbio — Pequenos teores de nióbio elevam o limite de 
escoamento do aço e, em menor proporção, o limite de resistência 
à tração. Com 0,02% de nióbio, esse incremento do limite de 
escoamento pode ser da ordem de 7 a 10,5 kgf/mm2. 
Esses aços são geralmente fornecidos no estado laminado a quente 
ou a frio e recozidos ou normalizados. Sua utilização é feita, 
geralmente, sem necessidade de qualquer outro tratamento térmico. 
 
Alguns tipos são tratados por têmpera e revenido ou por 
endurecimento por precipitação. 
Esses aços, pertencendo à categoria de aços estruturais, encontram seu 
principal campo de aplicação nos setores de transporte, incluindo o 
automobilístico e o ferroviário, e construção civil. 
 
No primeiro caso, o interesse reside no fato de que, na construção do 
equipamento de transporte, podem ser adotadas as duas soluções 
seguintes: 
— redução das dimensões dos perfis das peças, com conseqüente 
redução do peso das estruturas de transporte, principalmente para 
transporte de carga; 
— aumento da capacidade de carga e da vida do equipamento de 
transporte, sem decréscimo do peso, mas com melhora da resistência 
mecânica e da resistência à corrosão atmosférica. 
 
Tais soluções podem aplicar-se não só ao equipamento de transporte 
ferroviário, como também em transporte rodoviário, em equipamento 
pesado para movimento de terras e outras aplicações de maquinário para 
construção. 
Aplicações 
O segundo setor mencionado — da engenharia civil — compreende a 
construção de edifícios, pontes, torres metálicas e estruturas 
análogas. 
•O cálculo das estruturas é feito dividindo-se um valor relativo à 
resistência mecânica — limite de escoamento geralmente — por um 
conveniente fator de segurança. 
 
A vantagem inicial, é a economia de peso, pois 2/3 de aço de alta 
resistência são necessários para conferir à estrutura a mesma 
resistência de um aço-carbono comum. 
 
Convém lembrar a característica de boa soldabilidade que esses 
aços apresentam, podendo ser prontamente soldados pelos 
processos a arco, a resistência, ou a gás, sem qualquer 
endurecimento prejudicial, desde que o carbono seja mantido 
abaixo de 0,20-0,25%. 
 
Finalmente, a resistência à corrosão é bem superior à dos aços-
carbono para estruturas. 
Conclusões 
A maioria das aplicações comuns da engenharia requer aços 
estruturais de custo moderado e resistência mecânica razoável; tais 
requisitos são preenchidos satisfatoriamente pelos aços-carbono 
comuns. 
 
Para melhores propriedades mecânicas e certa resistência à corrosão 
atmosférica, são utilizados os chamados "aços de alta resistência e 
baixo teor em liga" que se caracterizam pela presença em teores 
relativamente baixos dos elementos cobre, níquel, cromo e 
molibdênio principalmente, além da elevação acima das 
porcentagens normais dos elementos fósforo, silício e manganês, 
procurando-se manter sempre o teor de carbono a níveis 
relativamente baixos. 
Alta resistência mecânica e superior resistência à corrosão permitem: 
 
1. projetar a estrutura com a mesma vida que a do aço comum, com 
apreciável redução do seu peso; 
 
2. projetar a estrutura com o mesmo peso que a de aço-carbono, mas 
com maior resistência e vida mais longa; 
 
3. projetar a estrutura com o menor peso que assegure as maiores 
vantagens econômicas, mas com o risco de se obter uma vida mais 
curta. 
Essas características tornam esses tipos de aços de emprego importante 
nas estruturas do tipo móvel, tais como vagões de passageiros e carga, 
reboques, caminhões, ônibus, navios, botes e lanchas, além do 
equipamento utilizado em manuseio de carga, construção de estradas, 
mineração, etc. Além dessas, outras aplicações desses tipos de aços 
incluem estruturas de pontes, reservatórios, máquinas agrícolas etc.