Propriedades dos Materiais ( Aço)

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Devido a suas propriedades materiais, o aço é possivelmente o material mais importante de engenharia e de construção no mundo. O aço é uma liga metálica utilizada pelas civilizações humanas há muitos anos. Ele foi um dos responsáveis pelo desenvolvimento e crescimento industrial e, por sua vez, pela economia de muitas regiões no mundo. 
As principais propriedades do aço são grande maleabilidade, durabilidade, elasticidade, boa resistência e boa condutividade térmica. Além dessas propriedades importantes, propriedade mais característica do aço inoxidável é a sua resistência à corrosão.
Apesar de ser um material tão importante, não há realmente nada de muito inovador ou altamente tecnológico na composição e propriedades do aço. O aço nada mais é do que uma liga metálica, que possui em sua composição poucos elementos, sendo essencialmente o carbono e o ferro. Apesar de possuir a mesma composição do ferro fundido, trata-se de uma liga que possui diferentes propriedades. A principal diferença entre a composição do aço e do ferro fundido está na quantidade de carbono. Enquanto no aço a quantidade de carbono não ultrapassa 2,11%, o ferro fundido pode possuir até 6% de carbono.
Além do carbono, o aço também é constituído de outros materiais que são provenientes da sua formação. Entre estes elementos químicos podemos citar o fósforo e o enxofre. Existem ainda elementos químicos que são incluídos em seu processo de fabricação a fim de aumentar ainda mais sua durabilidade, dureza ou maleabilidade, tudo vai depender do uso final a que o aço está destinado. Alguns destes elementos são o cromo e o níquel. Um dos tipos de aço mais conhecidos, que receberam diferentes elementos a fim de alterar sua maleabilidade e durabilidade é o aço inoxidável, que levam cromo e níquel em quantidades mais altas. 
O aço pode ser considerado:
- Alta Liga 
–Baixa Liga
Quando é considerado de alta-liga, significa que a quantidade de impurezas encontradas em sua composição são muito mais altas e podem ser superiores à 5%. Já quando se trata de um aço de baixa liga, estas impurezas não podem chegar a 2%. O controle destas impurezas, assim como o da adição de elementos químicos em sua composição sempre vão depender do uso final do material e ficam a critério do fabricante.
Ainda falando sobre a composição e propriedades do aço, mas de uma forma mais ampla, a produção do aço pode ser considerado como um termômetro para o aquecimento da indústria nos países. Sempre que a indústria de fabricação de aço está em grande desenvolvimento, sabe-se que a economia também se encontra aquecida, já que se trata de um material vastamente utilizado para a indústria, nos mais diversos ramos.
A produção do aço não é cara e o ferro, sua principal matéria-prima, é um mineral encontrado com bastante facilidade na natureza. A produção em si também não apresenta grandes dificuldades e a principal preocupação dos produtores de aço está em possuir uma grande estrutura física.
O aço é basicamente produzido a partir do ferro e de carbono, a inserção de outros elementos químicos acontece em baixos teores e sempre de acordo com o uso final do material, se precisa ser usinado, mais resistente, mais duro, e etc., ou ainda da forma como ele é fabricado.
As propriedades do aço, portanto, se alteram conforme estes outros minerais que são incluídos em sua fabricação e por isso conferem ao aço diferentes propriedades o transformando em um material que tem uma imensidão de aplicações e usos.
Apesar de ser um material sólido, o aço costuma apresentar uma excelente maleabilidade, sem perder a força. O grau de maleabilidade e elasticidade do material vai alterar conforme o teor de carbono e outras ligas metálicas. No Brasil e em outros países, existem normas que os diferenciam de acordo com suas propriedades. As normas nacionais são chamadas de NBR e as internacionais de ATSTM, estas normas dizem respeito às propriedades mecânicas dos diferentes tipos de aço.
Mas de forma geral, todos os tipos de aço apresentam excelente maleabilidade e elasticidade, boa condução de calor e alta durabilidade e resistência. Quando a indústria escolhe algum produtor de aço, eles escolhem o material de acordo com sua norma e, muitas vezes, o material passa por testes para assegurar que o material está de acordo com o que os engenheiros necessitam.
Entre os testes que o aço passa, podemos citar os de tração, que tem como objetivo verificar como o aço se comporta quando tensionado ao receber diferentes cargas de tração. Ele precisa apresentar a elasticidade ideal para cada tipo de uso. Além disso, as normas internacionais e nacionais de cada tipo de aço ainda levam em consideração às seguintes características:
* Massa volumétrica;
* Condutividade térmica;
* Resistência à eletricidade;
* Resistência ao calor;
* Coeficiente de expansão térmica;
* Módulo de elasticidade;
* Alongamento;
* Limite de escoamento;
* Limite de resistência à tração.
Ao elaborar um projeto utilizando o aço, os engenheiros devem estar confiantes de que este material será adequado para as condições de esforços e também os desafios ambientais aos quais estará submetido, quando solicitado. Conhecimento e controle das propriedades de um material é, portanto, essencial. As propriedades mecânicas do aço podem ser cuidadosamente controladas selecionando uma composição química adequada, tratamento térmico e de processamento, chegando assim à sua microestrutura final.
As ligas e os tratamentos térmicos utilizados na produção de aço resultam em valores de propriedade e forças diferentes e os testes deverão ser realizados para determinar as propriedades finais do aço e para assegurar o cumprimento das respectivas normas.
Existem muitos sistemas de medição utilizados para definir as propriedades do aço. Por exemplo, limite de escoamento, ductilidade e rigidez são determinadas por meio de teste de tração. Tenacidade é medida por testes de impacto e a dureza é determinado pela medição da resistência à penetração da superfície por um objeto rígido.
O teste de tração é um método de avaliação da resposta estrutural do aço para cargas aplicadas, com resultados expressos como uma relação entre deformação e tensão. A relação entre a deformação e a tensão é uma medida da elasticidade do material, e esta proporção é chamada de módulo de Young. O valor alto do módulo de Young é uma das propriedades de aço mais distinta, encontra-se na faixa de 190-210 GPa, que é aproximadamente três vezes o valor de alumínio.
As propriedades físicas do aço referem-se a física do material, tal como densidade, condutividade térmica, módulo de elasticidade e coeficiente Poison, etc. Alguns valores típicos para as propriedades físicas do aço são:
Densidade ρ = 7.7 ÷ 8.1 [kg/dm3]
Módulo de elasticidade E=190÷210 [GPa]
Coeficiente de Poison ν = 0.27 ÷ 0.30
Condutividade térmica κ = 11.2 ÷ 48.3 [W/mK]
Expansão térmica α = 9 ÷27 [10-6 / K]
Outras informações que obtemos através do teste de tração são:
- Tensão de escoamento
- Resistencia a tração
- Tensão de Ruptura
- Ductilidade
- Resiliência
Tensão de escoamento
 
σy= tensão de escoamento (corresponde a tensão máxima relacionada com o fenômeno de escoamento).
De acordo com a curva “a”, onde não pode se observar nitidamente o fenômeno de escoamento, alguns aços e outros materiais exibem o comportamento da curva “b”, ou seja, o limite de escoamento é bem definido (o material escoa- deforma-se plasticamente-sem praticamente aumento da tensão). Neste caso, geralmente a tensão de escoamento corresponde à tensão máxima verificada durante a fase de escoamento
Resistência à Tração
A resistência à Tração (Kgf/mm (Kgf/mm²) corresponde à tensão máxima aplicada ao material antes da ruptura, é calculada dividindo-se a carga máxima suportada pelo material pela área de seção reta inicial.
Tensão de Ruptura 
Tensão Ruptura (Kgf/mm (Kgf/mm²) corresponde à tensão que promove a ruptura do material, o limite de ruptura é geralmente inferior ao limite de resistência
em virtude de que a área da seção reta para um material dúctil reduz-se antes da ruptura.
Ductilidade 
Ductilidade - Corresponde ao alongamento total do material devido à deformação plástica % alongamento= (lf-lo/lo)x100 onde lo e lf correspondem ao comprimento inicial e final (após a ruptura), respectivamente.
Resiliência
Resiliência corresponde à capacidade do material de absorver energia quando este é deformado elasticamente. A propriedade associada é dada pelo módulo de resiliência (Ur). U r= σesc 2/2E. Materiais resilientes são aqueles que têm alto limite de elasticidade e baixo módulo de elasticidade (como os materiais utilizados para molas).
Fluência (Creep) 
Fluência é definida como a deformação permanente, dependente do tempo e da temperatura, quando o material é submetido à uma carga constante. Este fator muitas vezes limita o tempo de vida de um determinado componente ou estrutura. Este fenômeno é observado em todos os materiais, e torna-se importante à altas temperaturas (≥0,4TF).
Fatores que afetam a fluência:
- Temperatura 
- Módulo de elasticidade
- Tamanho de grão
Em geral: Quanto maior o ponto de fusão, maior o módulo de elasticidade e maior é a resistência à fluência. Quanto maior o tamanho de grão, maior é a resistência à fluência.
Ensaio de fluência 
É executado pela aplicação de uma carga uniaxial constante a um corpo de prova de mesma geometria dos utilizados no ensaio de tração, a uma temperatura elevada e constante, o tempo de aplicação de carga é estabelecido em função da vida útil esperada do componente, mede-se as deformações ocorridas em função do tempo (ε x t)
Fadiga 
A fratura ou rompimento do material por fadiga geralmente ocorre com a formação e propagação de uma trinca. A trinca inicia-se em pontos onde há imperfeição estrutural ou de composição e/ou de alta concentração de tensões (que ocorre geralmente na superfície), a superfície da fratura é geralmente perpendicular à direção da tensão à qual o material foi submetido.
Os esforços alternados que podem levar à fadiga podem ser: 
- Tração
- Tração e compressão 
- Flexão 
- Torção
A curva σ-n representa a tensão versus número de ciclos para que ocorra a fratura. Normalmente para n utiliza-se escala logarítmica.
Limite de resistência à fadiga (σRf): em certos materiais (aços, titânio,...) abaixo de um determinado limite de tensão o material nunca sofrerá ruptura por fadiga. Para os aços o limite de resistência à fadiga (σRf) está entre 35- 65% do limite de resistência à tração.
Resistência à fadiga (σf): em alguns materiais a tensão na qual ocorrerá a falha decresce continuamente com o número de ciclos (ligas não ferrosas: Al, Mg, Cu,...). Nesse caso a fadiga é caracterizada por resistência à fadiga.
Principais resultados do ensaio de fadiga:
- Vida em fadiga (N f): corresponde ao número de ciclos necessários para ocorrer a falha em um nível de tensão específico. Fatores que influenciam a vida em fadiga
- Tensão Média: o aumento do nível médio de tensão leva a uma diminuição da vida útil 
- Efeitos de Superfície: variáveis de projeto (cantos agudo e demais descontinuidades podem levar a concentração de tensões e então a formação de trincas) e tratamentos superficiais (polimento, jateamento, endurecimento superficial melhoram significativamente a vida em fadiga) 
- Efeitos do ambiente: fadiga térmica (flutuações na temperatura) e fadiga por corrosão (ex. pites de corrosão podem atuar como concentradores de corrosão)