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ESTRUTURAS METÁLICAS
Primeira PartePrimeira Parte
ESTRUTURAS EM AÇO
Estudo sobre o Aço
��OO usouso dodo AçoAço nana ConstruçãoConstrução CivilCivil
��CaracterísticasCaracterísticas dodo SistemaSistema ConstrutivoConstrutivo emem AçoAço
��HistóricoHistórico dodo AçoAço
��ProcessoProcesso dede FabricaçãoFabricação dodo AçoAço��ProcessoProcesso dede FabricaçãoFabricação dodo AçoAço
��TratamentosTratamentos dodo AçoAço
��AlgumasAlgumas FormasFormas ComerciaisComerciais dodo AçoAço
��LigasLigas MetálicasMetálicas dodo AçoAço
�� InfluênciaInfluência dosdos ElementosElementos nosnos AçosAços LigaLiga
��PropriedadePropriedade dosdos AçosAços
��ClassificaçãoClassificação dosdos AçosAços
Prefácio
Aço é uma liga metálica formada essencialmente por ferro e
carbono, com percentagens deste último variando entre
0,01 e 2,0%, além de certos elementos secundários (como
Silício, Manganês, Fósforo e Enxofre), presentes devido
aos processos de fabricação. Sendo o aço carbono o mais
empregado de uma maneira geralempregado de uma maneira geral
Distingue-se do Ferro Fundido, que também é uma liga de 
ferro e carbono, mas com teor de carbono entre 2,0% e 
5,0%.
A diferença fundamental entre ambos é que o aço, pela sua 
ductibilidade, é facilmente deformável por forja, 
laminação e extrusão.
Aço mais Empregado em Estruturas Metálicas
De todos os materiais metálicos o aço carbono é o material de maior uso,
ficando a utilização de qualquer outro material restrita aos casos que não é
possível o emprego do aço carbono.
O aço carbono, além de ser um material de fácil usinagem, de boa
soldabilidade, de fácil obtenção e encontrado em todas as formas de
apresentação, é o material metálico de menor preço em relação à sua
resistência mecânica.
Para mostrar a predominância do aço carbono, basta dizer que a produçãoPara mostrar a predominância do aço carbono, basta dizer que a produção
desse material corresponde a 90% da soma da produção de todos os outros
materiais metálicos.
Os aços carbono são ligas metálicas de ferro e carbono, podendo possuir
uma quantidade entre 0,01 e 2,0% em peso de carbono.
Porém, na prática a quantidade de carbono nunca supera o valor de 1,5%,
sendo que nos aços de uso corrente a quantidade máxima de carbono é de
0,30%.
Alem de ferro e carbono, esses aços podem conter pequenas quantidades
de: manganês, enxofre, fósforo, alumínio e silício.
O uso do Aço na Construção CivilO uso do Aço na Construção Civil
Desde o século XVIII, quando se iniciou a utilização de estruturas
metálicas na construção civil até os dias atuais, o aço tem
possibilitado aos arquitetos, engenheiros e construtores, soluções
arrojadas, eficientes e de alta qualidade.
Das primeiras obras - como a Ponte Ironbridge na Inglaterra, de 1779 - aos
ultramodernos edifícios que se multiplicaram pelas grandes cidades, a
arquitetura em aço sempre esteve associada à idéia de modernidade,
inovação e vanguarda, traduzida em obras de grande expressãoinovação e vanguarda, traduzida em obras de grande expressão
arquitetônica e que invariavelmente traziam o aço aparente.
No entanto, as vantagens na utilização de sistemas construtivos em aço vão
muito além da linguagem estética de expressão marcante:
Redução do tempo de construção; Racionalização no uso de 
materiais e mão de obra; e Aumento da Produtividade, 
passaram a ser fatores chave para o sucesso de qualquer 
empreendimento, além dos Aspectos Ambientais
Considerações:
� O aço é a mais versátil e mais importante das ligas metálicas conhecidas
pelo ser humano.
� Cerca de 100 países produzem aço, e o Brasil é considerado o 8º
produtor mundial.
� Existem mais de 3.500 tipos diferentes de aço, sendo que 75% deles
foram desenvolvidos nos últimos 20 anos.
� Aço é, portanto, uma denominação geral, dada à uma grande família de� Aço é, portanto, uma denominação geral, dada à uma grande família de
ligas de ferro e carbono contendo certa variedade de diferentes
elementos químicos.
� O aço é produzido em uma grande variedade de tipos e formas, cada
qual atendendo eficientemente a uma ou mais aplicações.
Esta variedade decorre da necessidade de contínua adequação do produto
às exigências de aplicações específicas que vão surgindo no mercado
como: controle da composição química; garantia de propriedades
específicas; ou, pela forma final (chapas, perfis, tubos, barras, etc.).
Características do Sistema Construtivo em AçoCaracterísticas do Sistema Construtivo em Aço
Liberdade no projeto de arquitetura
A tecnologia do aço confere aos arquitetos total liberdade criadora,
permitindo a elaboração de projetos arrojados e de expressão
arquitetônica marcante.
Maior área útil
As seções dos pilares e vigas de aço são substancialmente mais esbeltas do
que as equivalentes em concreto, resultando em melhor aproveitamentoque as equivalentes em concreto, resultando em melhor aproveitamento
do espaço interno e aumento da área útil, fator muito importante
principalmente em garagens.
Flexibilidade
A estrutura em aço mostra-se especialmente indicada nos casos onde há
necessidade de adaptações, ampliações, reformas e mudança de
ocupação de edifícios. Além disso, torna mais fácil a passagem de
utilidades como água, ar condicionado, eletricidade, esgoto, telefonia,
informática, etc.
Compatibilidade com outros materiais
O sistema construtivo em aço é perfeitamente compatível com qualquer
tipo de material de fechamento, tanto vertical como horizontal,
admitindo desde os mais convencionais (tijolos e blocos, lajes moldadas
in loco) até componentes pré-fabricados (lajes e painéis de concreto,
painéis "dry-wall", painéis de fachada, etc).
Menor prazo de execução
A pré-fabricação da estrutura, a possibilidade de se trabalhar em diversasA pré-fabricação da estrutura, a possibilidade de se trabalhar em diversas
frentes de serviços simultaneamente, a eliminação ou diminuição de
formas e escoramentos e o fato da montagem da estrutura não ser
afetada por ocorrências climáticas, pode levar a uma redução
significativa no tempo de execução quando comparado com os processos
convencionais.
Racionalização de materiais e mão-de-obra
Numa obra, através de processos convencionais, as perdas e desperdícios
pode chegar a 30% do total. A estrutura em aço possibilita a adoção de
sistemas industrializados, fazendo com que o desperdício seja
sensivelmente reduzido.
Alívio de carga nas fundações
Por serem mais leves, as estruturas em aço podem reduzir em até 30% o
custo das fundações.
Garantia de qualidade
A fabricação de uma estrutura em aço ocorre dentro de uma indústria
especializada e conta com mão-de-obra altamente qualificada, o que dá
ao cliente a garantia de uma obra com qualidade superior devido ao
rígido controle existente durante todo o processo industrial.rígido controle existente durante todo o processo industrial.
Antecipação do ganho
Em função da maior velocidade de execução da obra, haverá um ganho
adicional pela ocupação antecipada do imóvel e pela rapidez no retorno
do capital investido, aliado a redução dos custos fixos.
Reciclabilidade
O aço é 100% reciclável e as estruturas podem ser desmontadas e
reaproveitadas com menor geração de rejeitos
Organização do canteiro de obras
Como a estrutura em aço é totalmente pré-fabricada, há uma melhor
organização do canteiro e com redução significativa de armazenagens
de materiais da construção convencional, reduzindo também o
inevitável desperdício. O ambiente limpo com menor geração de
entulho, oferece ainda melhores condições de segurança ao trabalhador
contribuindo para a redução dos acidentes na obra.
Precisão construtiva
Enquanto nas estruturas de concreto a precisão é medida em centímetros,Enquanto nas estruturas de concreto a precisão é medida em centímetros,
numa estrutura em aço a unidade empregadaé o milímetro. Isso
garante uma estrutura perfeitamente aprumada e nivelada, facilitando
atividades como o assentamento de esquadrias, instalação de elevadores,
bem como redução no custo dos materiais de revestimento.
Preservação do meio ambiente
A estrutura em aço é menos agressiva ao meio ambiente, pois além de
reduzir o consumo de madeira na obra, diminui a emissão de material
particulado e poluição sonora geradas pelas serras e outros
equipamentos destinados a trabalhar os materiais na obra.
Histórico do AçoHistórico do Aço
A fabricação do ferro teve início na Anatólia (extremo oeste Ásia), cerca de
2000 AC, período conhecido como a Idade do Ferro plenamente
estabelecida por volta de 1000 AC. Neste período a tecnologia da
fabricação do ferro espalhou-se pelo mundo.
A evolução do ferro começou quando o minério de ferro na forma de
torrões ou pedaços sólidos, denominados tarugos, foi sendo aquecido em
fornos primitivos, abaixo do seu ponto de fusão. Com isso, era possível
retirar algumas impurezas do minério, já que elas tinham menor ponto
de fusão do que a esponja de ferro.
Ou seja, eram forjados a quente na forma de barras de ferro, possuindo
alguma maleabilidade, contendo, entretanto, ainda pedaços de escória e
carvão (impurezas).
Os egípcios por volta de 900 AC já dominavam processos relacionados a
tratamentos térmicos nos aços para fabricação de espadas e facas.
Em 500 AC, chegou às fronteiras orientais da Europa e por volta de 400
AC chegou à China.
Os minérios de ferro eram encontrados em abundância na natureza, assim
como o carvão.
Cont. Histórico Aço
Os chineses já produziam aços tratados termicamente por volta de 200AC
e os japoneses aprenderam a arte da produção de artefatos em metal
dos chineses, os quais ajudaram a espalhar o conhecimento da
tecnologia da fabricação de aços, aumentando muito a produção de
ferro trabalhado no mundo romano.
Com o declínio do Império Romano, a produção de aço ou ferro
trabalhado se estabilizou na Europa até que no começo do século XV
começou a ser utilizada quedas d'água para insuflar ar nos fornos de
fusão.fusão.
Em consequência a temperatura no interior dos fornos passou a ser maior
do que 1200 °C. Desta forma, ao invés de produzirem-se os torrões com
mais impurezas, passou-se a produzir um líquido rico em carbono: o
ferro fundido.
Para se obter um ferro mais maleável, reduzindo o teor de carbono deste
ferro fundido, o mesmo era solidificado e em seguida fundido em
atmosfera oxidante, utilizando carvão como combustível.
Este processo retirava o carbono do ferro dando origem a um tarugo semi-
sólido que após resfriamento era martelado até chegar na forma final.
Cont. Histórico Aço
A construção metálica, com o uso do aço em escala industrial, ganhou
impulso em meados do século XIX, associada ao processo de
industrialização dos paises participantes da Revolução Industrial. Ao
mesmo tempo, as ferrovias disseminavam as estruturas metálicas.
Desenvolveram-se as teorias de cálculo estrutural, pesquisas de materiais,
ensaios, detalhes de ligações, técnicas de montagem. Em 1851, iniciou-se
a era dos grandes edifícios metálicos.
Em 1872, a primeira fábrica antecipou elementos estruturais da moderna
construção com esqueleto de aço: as laterais do edifício apoiadas em
vigas em balanço e a estabilidade lateral do prédio, garantida por rede
de diagonais, como no contraventamento de modernos arranha-céus.
Avanços tecnológicos como o elevador permitiram a existência de edifícios
de andares múltiplos. Nas décadas seguintes ergueram-se na Europa e
nos EUA construções de edifícios de andares múltiplos em aço, com
novas expressões arquitetônicas e novos tipos de aços mais resistentes.
Evolução da Construção Metálica no Mundo
A primeira obra importante construída em ferro foi a Ponte Ironbridge sobre o
Rio Severn na Inglaterra, em 1779. Essa ponte, com vão simples de 30,5 m é
formada por um arco de elementos de ferro fundido e existe até hoje.
Em 1851 inicia-se a era dos grandes edifícios metálicos, como o Palácio de
Cristal, em Londres. Mas o primeiro edifício de andares múltiplos realmente
projetado como deve ser um edifício com estrutura metálica foi a fábrica de
chocolates de Noisiel-Sur-Name, perto de Paris.
Em 1885 a Carnegie Steel Company, começou a laminar vigas de aço queEm 1885 a Carnegie Steel Company, começou a laminar vigas de aço que
substituíram as vigas de ferro forjado e as colunas de ferro fundido. Assim foi
possível mais liberdade na arquitetura das construções com seções curvas.
No período compreendido entre as duas guerras mundiais observou-se um
crescimento maior na área de estruturas metálicas de pontes e edifícios.
Em 1963 há a construção do primeiro edifício em seção tubular.
Em 1970 construção do WTC, NY, com 411 m de altura e 110 andares.
Em 1974 construção do Sears Building, NY, com 109 andares e 445 m de
altura.
Obras de destaque
Obras de destaque
Curiosidades do Burj Khalifa 
O Burj Khalifa Bin Zayid é um arranha-céu localizado em Dubai, nos
Emirados Árabes Unidos, sendo a maior estrutura e, consequentemente,
o maior arranha-céu construído pelo homem, com 828 metros de altura.
Possui 162 andares habitáveis, 44 andares para armazenamento de água
e equipamentos de manutenção, custo estimado de U$$ 1,5 bilhão, 3 mil
vagas de garagem, 57 elevadores com velocidade de 64 km/h e 24.348
janelas.
Sua construção começou em 21 de Setembro de 2004 e foi inaugurado
no dia 4 de janeiro de 2010.
O Burj Khalifa necessita de 1 000 000 litros de água por dia.
A antena do Burj Khalifa pode ser vista a cerca de 100 km de distância.
Possui um dos dois hotéis de 7 estrelas do Mundo(o outro é o Burj al
Arab, também em Dubai), o Accor Ar'Kalifb nos andares 75 a 88.
Visto de cima, o Burj Khalifa forma uma rosa.
Histórico Aço no Brasil
Tratados políticos-comerciais do Brasil com a Inglaterra ocasionaram o
aparecimento dos primeiros edifícios e pontes de estrutura metálica no
Brasil, p.e., 1926 – Ponte em estrutura metálica pêncil Hercílio Luz,
suspensa com vão de 343 m, utilizando cadeia de barras - Florianópolis.
Essa importação se justificou pelo alto grau de desenvolvimento técnico
dos fabricantes, que asseguravam aos compradores produtos funcionais,
racionais e duráveis, e pelo atraso da siderurgia brasileira.
1940 foi fundada a Companhia Siderúrgica Nacional, CSN, na cidade de1940 foi fundada a Companhia Siderúrgica Nacional, CSN, na cidade de
Volta Redonda-RJ. Ela foi instituída através da Comissão Executiva do
Plano Siderúrgico Nacional e entrou em funcionamento em 12 de
outubro de 1945, com a finalidade de produzir chapas, trilhos e perfis
nas bitolas americanas.
Na década de 50, a siderurgia brasileira teve novos estímulos. Nessa
época, de elevadas taxas de industrialização e da política de substituição
de importações de bens de consumo duráveis e de bens de capital.
Várias siderúrgicas foram instaladas no país para atender a estas
indústrias.
Desde a década de 30 no século passado, a construção civil no país vem
privilegiando o concreto e a alvenaria.
Um dos principais motivos que levaram ao tardio uso do ferro no Brasil
e conseqüentemente do aço, foram as altas temperaturas, necessárias
para sua fabricação, e que encareciam seu processo de fabricação,
dificultando tanto a popularização quanto a comercialização.
Em 1953 foi fundada a Fábrica de Estruturas Metálicas - FEM da CSN,Em 1953 foi fundada a Fábrica de Estruturas Metálicas - FEM da CSN,
que iniciou o ciclo completo de detalhamento, fabricação e montagem de
estruturas de aço.
A FEM foi desativada em 1998.
A FEM iniciou a formação de mão-de-obra especializada, bem como do
ciclo completo de produção de estruturas metálicas.
Entre 1950 e 1960, a FEM, pioneira no Brasil em edifícios de andares
múltiplos, teve seu apogeu,fabricando e montando muitas estruturas.
Processo de Fabricação do AçoProcesso de Fabricação do Aço
Diferença entre Ferro e Aço
A diferença fundamental é que o ferro tem menos resistência mecânica e é
usado mais em finalidades que não exijam muita capacidade portante. É
aproveitada a plasticidade do material, trabalhando no estado líquido,
permitindo a moldagem de desenhos ricamente detalhados, como em
portões, grades, etc.
O aço é empregado quando é exigida a responsabilidade estrutural, ou
seja, a capacidade de suportar cargas.seja, a capacidade de suportar cargas.
O diferencial entre o ferro e o aço foi definido na Revolução Industrial,
com a invenção de fornos sofisticados que permitiam não só corrigir as
impurezas do ferro, como adicionar-lhes propriedades mecânicas como
resistência ao desgaste, ao impacto, à corrosão, etc.
Por causa dessas propriedades e do seu baixo custo o aço passou a
representar cerca de 90% de todos os metais consumidos pela
civilização industrial.
Basicamente, o aço é uma liga de ferro e carbono.
Produção do AçoProdução do Aço
O ferro é encontrado em toda crosta terrestre, fortemente associado ao
oxigênio e à sílica. Basicamente, o minério de ferro é um óxido de ferro
(FeO), misturado com areia fina (sílica – dióxido de silício – SiO2).
A usina siderúrgica é a responsável pela transformação do minério de
ferro em aço, de maneira que ele possa ser usado comercialmente.
O Minério de Ferro
É a principal matéria-prima do alto-forno, pois é dele que se extrai o 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% de Fe em média).
Hematita (óxido férrico) Fe2O3 - (69,9% de Fe em média).
Limonita (óxido hidrat. de ferro) 2FeO3-3H2O - (48,3% de Fe em média).
Obs.: O Brasil possui grandes reservas de minério de ferro de alta qualidade (alto
teor de ferro).
Cont. Produção do Aço
Minério
Os minérios são as substâncias portadoras de metais e, as partes não
aproveitáveis, as impurezas, são denominadas “GANGAS”.
As minas são os locais onde se encontram as jazidas, na extensão concedida
e delimitada pelo governo federal.
Todos os serviços de mineração são controlados pelo Código de Minas,
sendo proibida qualquer exploração que não seja supervisionada pelosendo proibida qualquer exploração que não seja supervisionada pelo
Ministério de Minas e Energia.
Obtenção dos Metais
Geralmente, obedece a duas fases: a Mineração e a Metalurgia.
Na Mineração temos a colheita do minério que pode ser feita a céu aberto
ou subterrâneas, a ferro ou a fogo (mecânica ou com explosivos), e a
concentração (purificação), que pode ser feita com processos mecânicos
ou químicos.
Metalurgia x Siderurgia
Metalurgia designa um conjunto de procedimentos e técnicas para
extração, fabricação, fundição e tratamento dos metais e suas ligas.
Portanto, a metalurgia é o conjunto de técnicas que o homem adquiriu
com o decorrer do tempo que lhe permitiu extrair e manipular metais e
gerar ligas metálicas.
Os primeiros metais a serem descobertos foram os metais nobres, que porOs primeiros metais a serem descobertos foram os metais nobres, que por
não reagirem com outros elementos podiam ser encontrados na sua
forma bruta na natureza. Esses metais passaram a ser trabalhados
quando se descobriu que o calor podia amolecê-los e trabalhá-los.
Siderurgia é uma das subdivisões da metalurgia, ou seja, é o ramo da
metalurgia que se dedica à fabricação e tratamento do aço.
Cont. Produção do Aço
Na Metalurgia o metal puro é extraído do minério por um dos seguintes
processos:
Redução: o processo de redução mais comum é o feito com carbono e óxido
de carbono a altas temperaturas, em fornos, e do qual resulta o metal
puro ou quase puros, em estado de fusão.
Precipitação química: o processo de precipitação simples usa alguma reação
química da qual resulte o metal puro.
Eletrólise: o processo eletrolítico só pode ser empregado em minérios que possam
ser dissolvidos na água. A eletrólise é usada também para purificação (refino)ser dissolvidos na água. A eletrólise é usada também para purificação (refino)
de metais por algum dos processos anteriores.
Minérios que dão origem ao aço
Magnetita (Fe3O4) → cor preta, contém em média 72,4% de ferro.
Hematita (Fe2O3) → cor vermelho escuro, contém em média 69,9% de ferro.
Limonita (2Fe2O3 – 3H2O) → cor parda, contém em média 48,3% de ferro.
Siderita (CO3Fe) → cor cinza com matizes amarelas, contém média 36% de
ferro.
Pirita (SFe)→ que é minério de enxofre, onde o ferro é subproduto.
Cont. Produção do Aço
Síntese das Etapas da Produção do Aço
1) Primeira etapa REDUÇÃO
Primeiramente, o minério é aquecido em fornos especiais (alto-fornos), em
presença de carbono sob a forma de coque* ou carvão e de fundentes,
que são adicionados para auxiliar a produzir a escória, esta formada
por materiais indesejáveis (gangas) ao processo de fabricação.
*O coque é um tipo de combustível derivado do carvão mineral. O coque obtém-se do*O coque é um tipo de combustível derivado do carvão mineral. O coque obtém-se do
aquecimento do carvão mineral, sem combustão, num recipiente fechado. É utilizado na
produção de ferro gusa (alto forno), sendo adicionado junto com minério.
O carbono é relativamente abundante na natureza e pode ser encontrado
sob diversas formas, entre elas o carvão. Na siderurgia, usa-se carvão
mineral, e em alguns casos, o carvão vegetal.
O carvão é o combustível e agente redutor para o processo de redução dos
óxidos de ferro. Ele também tem a função de dar suporte à carga
criando espaços apropriados de modo a garantir um bom escoamento
dos gases e dos materiais fundidos.
Cont. Produção do Aço
O carvão exerce duplo papel na fabricação do aço:
� Como combustível, permite alcançar altas temperaturas (cerca de
1.500º Celsius) necessárias à fusão do minério.
� Como redutor, associa-se ao oxigênio que se desprende do minério com
a alta temperatura, deixando livre o ferro.
O processo de remoção do oxigênio do ferro para ligar-se ao carbono chama-
se REDUÇÃO e ocorre dentro do equipamento chamado alto-forno.se REDUÇÃO e ocorre dentro do equipamento chamado alto-forno.
O objetivo desta primeira etapa é reduzir ao máximo o teor de oxigênio da
composição FeO. A partir disso, obtém-se o denominado ferro-gusa, que
contem de 2,5 a 6,5% de carbono em sua estrutura.
No processo de redução, o ferro se liquefaz, sendo chamado de ferro-gusa
ou ferro de primeira fusão.
Impurezas como calcário, sílica, etc. formam a escória, que é matéria-
prima para a fabricação de cimento.
Cont. Produção do Aço
As cargas são dispostas no interior do alto-forno, alternadamente, carvão e
carga metálica. A medida que a carga desce no interior do forno, as
camadas se tornam mais estreitas, mantendo a distinção entre elas. Essa
região se denomina zona de granular.
O alto-forno é um reator térmico no qual a carga sólida é descendente e os
gases redutores ascendentes.
É um equipamento contínuo e seu funcionamento é ininterrupto por anos.
É destinado à produção de ferro gusa, matéria prima do aço.É destinado à produção de ferro gusa, matéria prima do aço.
O ferro-gusa é o produto obtido a partir da redução de óxidos de ferro
através dos elementos redutores (CO2, e gás hidrogênio - H2).
Este produto têm em sua composição de 90 a 95% de ferro e 2,5 a 6,5% de
carbono e alguns elementos de liga.
O ferro reduzido absorve carbono e é fundido e escorre para o cadinho. Ou
seja, em períodos de tempo determinados o ferro-gusa e a escória do
alto-forno (material líquido) escorrem e são armazenados no cadinho na
parteinferior do forno.
Cont. Produção do Aço
O fluxo de material combina-se com as impurezas do minério e com as
cinzas do carvão e forma uma escória que sobrenada o metal líquido no
cadinho.
No cadinho, o ferro-gusa e a escória se separam por diferença de
densidade.
O ar soprado pelas ventaneiras reage com o carvão gerando o gás redutorO ar soprado pelas ventaneiras reage com o carvão gerando o gás redutor
CO e calor na região mais inferior do alto-forno.
Os gases chegam a atingir a temperatura de 2.000ºC e irão fundir a carga
metálica e a escória. Este gás redutor em contato com as fontes de óxido
de ferro gera o processo de redução do minério.
No alto-forno, o gusa é produzido no estado líquido a uma temperatura de
até 1.500ºC, após este processo ele passa pela aciaria, onde passa por
purificações e tratamentos para adquirir determinadas características e
passar a se denominar aço.
Cont. Produção do Aço
Obtenção do ferro gusa
Na usina, o minério é derretido num forno denominado Alto Forno.
No alto forno, já bastante aquecido, o minério é depositado em camadas
sucessivas, intercaladas com carvão coque (combustível) e calcário
(fundente). (Fig. 3)
Estando o alto forno carregado, por meio de dispositivo especial injeta-se
ar em seu interior. O ar ajuda a queima do carvão coque, que ao atingir
temperaturas superiores a 1200ºC derrete o minério. (Fig.4)temperaturas superiores a 1200ºC derrete o minério. (Fig.4)
Cont. Produção do Aço
O ferro ao derreter-se deposita-se no fundo do alto-forno. A este ferro dá-
se o nome de ferro-gusa ou simplesmente gusa. As impurezas ou
escórias por serem mais leves, flutuam sobre o ferro-gusa derretido.
(Fig. 5)
Através de duas aberturas especiais, em alturas diferentes são retiradas,
primeiro a escória e em seguida o ferro-gusa que é despejado em
panelas chamadas CADINHOS. (Fig. 6)
Para poder fabricar o ferro fundido e o aço, você precisa do ferro-gusa. É um
material duro e quebradiço, formado por uma liga de ferro e carbono, com alto
teor de carbono, ou seja, uma grande quantidade de carbono e um pouco de
silício, manganês, fósforo e enxofre.
Cont. Produção do Aço
O ferro-gusa derretido é levado no cadinho e despejado em formas
denominadas lingoteiras. Uma vez resfriado, o ferro-gusa é retirado da
lingoteira recebendo o nome de Lingote de Ferro-Gusa. (Fig. 7)
A seguir são armazenados para receberem novos tratamentos, pois este
tipo de ferro, nesta forma, é usado apenas na confecção de peças que
não passarão por processos de usinagem.
Auto Forno
Auto Forno
Cont. Produção do Aço
2) A etapa seguinte do processo é o REFINO. Esta etapa resulta de uma
segunda fusão. É feita uma análise química do ferro, em que se
verificam os teores de carbono, silício, fósforo, enxofre, manganês entre
outros elementos.
O ferro (ferro fundido) é então levado para a aciaria, ainda em estado
líquido, para ser transformado em aço, mediante queima de impurezas
e adições. O refino do aço se faz em fornos a oxigênio ou elétricos.
3) Finalmente, a fase clássica do processo de fabricação do aço que é a
LAMINAÇÃO.
O aço, em processo de solidificação, é deformado mecanicamente e
transformado em produtos siderúrgicos utilizados pela indústria de
transformação, como chapas grossas e finas, bobinas, vergalhões,
arames, perfilados, barras etc.
Com a evolução da tecnologia, as fases de redução, refino e laminação
estão sendo reduzidas no tempo, assegurando maior velocidade na
produção.
Ferro fundido
É uma liga de ferro-carbono que contém 2 a 4,5% de carbono (C). O ferro
fundido é obtido diminuindo-se a porcentagem de carbono do ferro
gusa. É portanto um ferro de segunda fusão. A fusão de ferro gusa, para
a obtenção do ferro fundido, é feita em fornos apropriados sendo o mais
comum o forno “Cubilô”. (Fig. 9)
O ferro fundido tem na sua composição maior porcentagem de ferro e
menor porcentagem de carbono, silício, manganês, enxofre e fósforo.
Resumo Etapas Produção Aço
Etapas de Produção
O aço é produzido, basicamente, a partir de minério de ferro, carvão e cal. A fabricação do
aço pode ser dividida em quatro etapas: preparação da carga, redução, refino e
laminação.
1. Preparação da carga
Grande parte do minério de ferro (finos) é aglomerada utilizando-se cal e finos de coque. O
produto resultante é chamado de sinter. O carvão é processado na coqueria e
transforma-se em coque.
2. Redução
Essas matérias-primas, agora preparadas, são carregadas no alto forno. Oxigênio aquecido
a temperaturas superiores a de 1000ºC é soprado pela parte de baixo do alto-forno. Oa temperaturas superiores a de 1000ºC é soprado pela parte de baixo do alto-forno. O
carvão, em contato com o oxigênio, produz calor que funde a carga metálica e dá início
ao processo de redução do minério de ferro em um metal líquido: o ferro-gusa. O gusa é
uma liga de ferro e carbono com um teor de carbono muito elevado.
3. Refino
Aciarias a oxigênio ou elétricas são utilizadas para transformar o gusa líquido ou sólido e a
sucata de ferro e aço em aço líquido. Nessa etapa parte do carbono contido no gusa é
removido juntamente com impurezas. A maior parte do aço líquido é solidificada em
equipamentos de lingotamento contínuo para produzir semi-acabados, lingotes e blocos.
4. Laminação
Os semi-acabados, lingotes e blocos são processados por equipamentos chamados
laminadores e transformados em uma grande variedade de produtos siderúrgicos, cuja
nomenclatura depende de sua forma e/ou composição química.
Fluxo de Produção Aço
Cont. Produção do Aço
Site: Fluxo Produção Aço
http://www.csn.com.br/portal/page?_pageid=94,92965&_dad=portal&_s
chema=PORTAL
http://www.slideshare.net/mfpenido/apresentao-fabricao-do-ao-
resentation
Tratamentos do AçoTratamentos do Aço
Tratamentos Térmicos do Aço
O tratamento térmico é o conjunto de operações de aquecimento e
resfriamento a que são submetidos os aços, sob condições controladas
de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de esfriamento com
objetivo de alterar as suas propriedades ou conferir-lhes
características determinadas.
� As propriedades dos aços dependem, em princípio, da sua estrutura.
Os tratamentos térmicos modificam, em maior ou menor escala, aOs tratamentos térmicos modificam, em maior ou menor escala, a
estrutura dos aços, resultando, em conseqüência na alteração mais ou
menos pronunciada, de suas propriedades.
� Cada uma das estruturas obtidas apresentam seus característicos
próprios, que se transferem ao aço, conforme a estrutura ou combinação
de estruturas presentes.
� Pelo exposto, pode-se perfeitamente avaliar a importância dos
tratamentos térmicos, sobretudo nos aços de alto carbono e nos que
apresentam também elementos de liga.
Portanto, o processo de aquecer e resfriar um aço, visando modificar
as sua propriedades, denomina-se TRATAMENTO TÉRMICO.
Um Tratamento Térmico é feito sempre em três fases distintas:
1 - Aquecimento
2 - Tempo de Permanência à Temperatura (Manutenção da Temperatura)
3 - Velocidade de Resfriamento (água, óleo, ar, cal e areia)
Aquecimento
� O aquecimento é geralmente realizado a uma temperatura acima da crítica
(temperatura de austenização), visto que assim se obtêm a completa
austenização do aço, ou seja, total dissolução do carboneto de ferro gama.
� A austenização é o ponto de partida para as transformações posteriores
desejadas, as quais se processarão em função da velocidade de esfriamento
adotada.adotada.
� Na fase de aquecimento, dentro do processo de tratamento térmico, devem
ser apropriadamente consideradas: velocidade de aquecimento e a
temperatura máxima de aquecimento.
� A temperatura de aquecimento é mais ou menos um fator fixo,
determinado pela natureza do processo e, claro, depende das propriedades
e das estruturas finais desejadas,assim como da composição química do
aço, principalmente do seu teor de carbono.
Tempo de Permanência à Temperatura
� Quanto mais longo o tempo à temperatura considerada de austenização,
tanto mais completa a dissolução do carboneto de ferro ou outras fases
presentes (elemento de liga) no ferro gama, entretanto maior o tamanho
de grão resultante.
� As desvantagens de um tamanho de grão excessivo são maiores que as
desvantagens de não ser ter total dissolução das fases no ferro gama, de
modo que se deve procurar evitar tempos muito prolongados demodo que se deve procurar evitar tempos muito prolongados de
temperaturas de austenização.
� Sob o ponto de vista de modificação estrutural, admite-se que uma
temperatura ligeiramente mais elevada seja mais vantajosa que um tempo
mais longo a uma temperatura inferior.
� O tempo à temperatura de austenização deve ser o menor possível, ou seja,
o suficiente a se ter a uniformização do aquecimento através de toda a
seção.
Velocidade de Resfriamento
� Este é o fator mais importante, pois é ele que determinará efetivamente a
estrutura e, em conseqüência, as propriedades finais dos aços.
� Pela variação da velocidade de resfriamento pode-se obter desde uma
estrutura grosseira de baixa resistência mecânica e baixa dureza até a
estrutura com características melhores resultante de tratamentos térmicos.
� A obtenção dessas características não é só função da velocidade de� A obtenção dessas características não é só função da velocidade de
resfriamento, depende também da composição do aço (teor elementos
liga).
� Os meios de esfriamento usuais são: ambiente do forno, ar e meios
líquidos.
� O resfriamento mais brando é, evidentemente, o realizado no próprio
interior do forno, tornando-se mais severo às medida que se passa para o
ar ou para um meio líquido, onde a extrema agitação dá origem aos meios
de esfriamento mais drásticos ou violentos.
� O Tratamento Térmico é normalmente associado com o aumento da
resistência do material , mas também pode ser usado para melhorar:
• usinabilidade (facilidade cortar, tornear o aço);
• conformabilidade (facilidade dobrar, prensar o aço);
• restaurar a ductilidade depois de uma operação a frio.
� O Tratamento Térmico é portanto uma operação que pode auxiliar
processos de manufatura com aço, melhorando o desempenho deprocessos de manufatura com aço, melhorando o desempenho de
produtos, aumentando sua resistência ou alterando outras
características desejáveis.
� Os aços são especialmente adequados para o Tratamento Térmico, uma
vez que respondem bem aos tratamentos em termos das características
desejadas, sendo que seu uso comercial supera o de todos os demais
materiais.
Os aços são tratados basicamente para uma das finalidades abaixo:
� Amolecimento: o amolecimento é feito para redução da dureza, remoção de
tensões residuais, melhoria da tenacidade, restauração da ductilidade,
redução do tamanho do grão ou alteração das propriedades eletromagnéticas.
Restaurar a ductilidade ou remover as tensões residuais é uma operação
necessária quando uma grande quantidade de trabalho a frio tenha sido
executada (como laminação a frio ou trefilação).
As principais formas de amolecimento do aço é: Recozimento e Normalização.
� Endurecimento: o endurecimento dos aços é feito para aumentar a
resistência mecânica, a resistência ao desgaste e a resistência à fadiga.
O endurecimento é muito dependente do teor de carbono do aço. A presença de
elementos de liga possibilita o endurecimento de peças de grandes
dimensões, o que não seria possível quando do uso de aços comuns ao
carbono.
O tratamento de endurecimento é: Têmpera.
O Tratamento Térmico é bastante utilizado em aços de alto teor de carbono,
dentro dos parâmetros dos aços, ou com elementos de liga.
Seus principais objetivos:
� Aumento ou diminuição da dureza.
� Aumento da resistência mecânica.
� Melhorar resistência ao desgaste, à corrosão e ao calor.
� Modificação das propriedades elétricas e magnéticas.
� Melhora da ductilidade.
� Melhora das propriedades de corte.
� Melhora da usinabilidade.
� Remoção de tensões internas, provenientes por exemplo de resfriamento
desigual, trabalho mecânico ou outra causa.
Geralmente, a melhoria de uma ou mais propriedades, mediante um
determinado tratamento, é conseguido com prejuízo de outras:
� Por exemplo, o aumento da ductilidade provoca simultaneamente
queda nos valores de dureza e resistência à tração.
� É necessário, pois, que o tratamento térmico seja escolhido e aplicado
criteriosamente, para que os inconvenientes apontados sejam
reduzidos ao mínimo.
� A simples aplicação de um tratamento térmico não produz qualquer
alteração na composição química do aço e sim na sua estrutura
interna.
Há casos em que interessa somente uma modificação parcial de certas
propriedades mecânicas:
Por exemplo, melhorar superficialmente a dureza do aço; esse efeito é
conseguido pela alteração parcial da sua composição química.
Características dada ao aço através do tratamento
Características que podem ser obtidas para o aço através dos
tratamentos térmicos:
Principais características do aço:
Pode ser curvado Pode ser dobrado
Pode ser trabalhado com ferramenta de corte
Características dada ao aço através do tratamento
Pode ser forjado Pode ser laminado
Pode ser soldado Pode ser estirado (trefilado)
Possui grande resistência à tração
Cont. Tratamentos do Aço
Principais parâmetros de influência nos tratamentos térmicos são:
Aquecimento: geralmente realizado a temperaturas acima da crítica (723° -
temperatura de austenização), para uma completa “austenização” do aço.
Esta austenização* é o ponto de partida para as transformações posteriores
desejadas, que vão acontecer em função da velocidade de resfriamento;
Tempo de permanência à temperatura de aquecimento: deve ser o tempo
estritamente necessário para se obter uma temperatura uniforme através
de toda a seção do aço;
Velocidade de resfriamento: é o fator mais importante, pois é o queVelocidade de resfriamento: é o fator mais importante, pois é o que
efetivamente vai determinar a estrutura e consequentemente as
propriedades finais desejadas. As siderúrgicas escolhem os meios de
resfriamento ainda em função da seção e da forma da peça.
* A austenita é uma forma de ordenamento diferente dos átomos de ferro. É uma fase
constituída de ferro com uma determinada estrutura interna. O ferro possui a propriedade
de transformar sua estrutura. A transformação pode ocorrer a várias temperaturas (entre
900 a 1400 ºC), as quais são determinadas pelos elementos presentes na liga metálica em
questão, por exemplo, essa transformação para o ferro puro ocorre a 912°C e a 723°C para
o aço carbono. A austenita é o ponto de partida para vários tratamentos térmicos, pois
partindo da austenita é possível a transformação da liga em vários microconstituintes.
Cont. Tratamentos do Aço
Tratamento a Quente
� Neste processo, ocorre a recristalização do aço sob a forma de pequenos
grãos, melhorando as características mecânicas do material.
� Este tratamento consiste na laminação, forjamento ou estiramento do aço,
realizado em temperaturas acima de 723º C (zona crítica).
� Nestas temperaturas há uma modificação na estrutura interna do aço,� Nestas temperaturas há uma modificação na estrutura interna do aço,
onde ocorre uma homogeneização da estrutura interna e recristalização
com redução do tamanho dos grãos.
� Nesta situação o material apresenta melhor trabalhabilidade, aceita solda
comum, possui diagrama tensão-deformação com patamar de escoamento,
e resiste a incêndios moderados, perdendo resistência com temperaturas
acima de 1150º C apenas.
� Estão incluídos neste grupo os aços de Classe A.
Cont. Tratamentos do AçoTratamento a Frio
� Neste tratamento ocorre uma deformação dos grãos através de tração,
compressão ou torção, e resulta no aumento da resistência mecânica, da
dureza, e diminuição da resistência à corrosão e da ductilidade, ou seja,
decréscimo do alongamento e da estricção.
� O processo é realizado abaixo da zona de temperatura crítica (723º C), os
grãos permanecem deformados e diz-se que o aço está encruado.grãos permanecem deformados e diz-se que o aço está encruado.
� Nesta situação, os diagramas de tensão-deformação dos aços não
apresentam patamar de escoamento convencional, torna-se mais difícil a
solda e a temperaturas da ordem de 600º C o encruamento é perdido.
� Estão incluídos neste grupo os aços de Classe B.
Cont. Tratamentos do Aço
Dentre os tratamentos térmicos mais utilizados:
•• RecozimentoRecozimento;;
•• NormalizaçãoNormalização;;
•• TêmperaTêmpera;; ee
•• RevenidoRevenido..
No Recozimentoecozimento a velocidade de esfriamento é sempre lenta e o aquecimento
pode ser feito a temperaturas superiores à crítica (recozimento total oupode ser feito a temperaturas superiores à crítica (recozimento total ou
pleno) ou inferiores (recozimento para alívio de tensões internas). É
utilizado quando se deseja:
� remover tensões devido a tratamentos mecânicos à frio ou à quente, tais
como o forjamento e a laminação;
� diminuir a dureza para melhorar a ductibilidade e usinabilidade do aço;
� alterar propriedades mecânicas;
� ajustar o tamanho do grão.
Cont. Tratamentos do Aço
A NormalizaçãoNormalização é um tratamento semelhante ao anterior quanto aos
objetivos. A diferença consiste no fato de que o resfriamento posterior é
menos lento, ou seja, há uma maior velocidade de resfriamento.
� A normalização pode ser usada para obter uma boa ductilidade sem redução
significativa da dureza e da resistência à tração. Também para facilitar a
usinagem e refinar e homogeinizar a estrutura dos grãos.
� É um tratamento comum para aços-liga, antes da usinagem e de posteriores
tratamentos como têmpera e revenido.
� Devido à maior velocidade de resfriamento, aços normalizados tendem a ser� Devido à maior velocidade de resfriamento, aços normalizados tendem a ser
menos dúcteis e mais duros que os plenamente recozidos.
A TêmperaTêmpera consiste no resfriamento rápido do aço de uma temperatura
superior à sua temperatura crítica em um meio como óleo, água, ou
mesmo ar.
� O objetivo dessa operação, sob o ponto de vista de propriedades mecânicas, é o
aumento da dureza, reduzindo a ductibilidade, ou seja, tem a finalidade de se
obter uma estrutura com alta dureza que é denominada estrutura martensítica.
\
� Resultam também da Têmpera redução da ductilidade, da tenacidade e
aparecimento de apreciáveis tensões internas. Tais inconvenientes são atenuados
ou eliminados pelo Revenido.
Cont. Tratamentos do Aço
O RevenidoRevenido geralmente sucede à têmpera, pois além de aliviar ou remover
tensões internas, corrige a excessiva dureza e fragilidade do material e
aumenta a maleabilidade e a resistência ao choque. A temperatura de
aquecimento é inferior à 723° (crítica), e os constituintes obtidos
dependem da temperatura a que se aquece a peça.
Os trabalhos mecânicos podem ser a frio e a quente.
A LaminaçãoLaminação é um exemplo de trabalho mecânico a quente, sendo uma etapaA LaminaçãoLaminação é um exemplo de trabalho mecânico a quente, sendo uma etapa
de extrema importância, pois é através dela que se obtêm as formas
adequadas dos produtos em aço para uso comercial (chapas, perfis, barras).
O ForjamentoForjamento* e o estiramento são outros exemplos de trabalho a quente.
*AçoAço ForjadoForjado:: aço submetido, mediante temperaturas elevadas, a uma deformação plástica
que lhe confere sensível melhoria em sua resistência mecânica.
Cont. Tratamentos do Aço
O trabalho mecânico a quente é realizado acima da temperatura crítica do aço
(723° C), pois assim o material se torna mais mole e conseqüentemente mais
fácil de ser trabalhado. Depois de deformados, os grãos do material em
questão recristalizam-se, agora sob a forma de pequenos grãos.
A laminaçãolaminação também pode ser um trabalho a frio, desta forma ela é realizada
abaixo da temperatura crítica. Neste caso, após o trabalho, os grãos
permanecem deformados e diz-se que o material está “encruado”.
Assim como nos tratamentos térmicos, o EncruamentoEncruamento altera asAssim como nos tratamentos térmicos, o EncruamentoEncruamento altera as
propriedades do material, ele:
• aumenta a resistência mecânica,
• aumenta o limite de escoamento,
• aumenta a dureza; e
• diminui a ductibilidade.
Se o aço encruado for aquecido, os cristais tenderão a se reagrupar e o
encruamento a desaparecer.
Cont. Tratamentos do Aço
Deformação a quente
VantagensVantagens
�Permite o emprego de menor esforço mecânico para a mesma
deformação (necessita-se então de máquinas de menor capacidade se
comparado com o trabalho a frio).
�Promove o refinamento da estrutura do material, melhorando a
tenacidade.tenacidade.
�Elimina porosidades.
�Deforma profundamente devido a recristalização.
DesvantagensDesvantagens
� Exige ferramental de boa resistência ao calor, o que implica em custo.
� O material sofre maior oxidação, formando casca de óxidos.
� Não permite a obtenção de dimensões dentro de tolerâncias estreitas.
Cont. Tratamentos do Aço
Deformação a frio
VantagensVantagens
� Aumenta a dureza e a resistência dos materiais, mas a ductilidade
diminui.
� Permite a obtenção de dimensões dentro de tolerâncias estreitas.
� Produz melhor acabamento superficial.� Produz melhor acabamento superficial.
DesvantagensDesvantagens
� Necessidade de ferramental de alta resistência mecânica e ao impacto.
� Necessidades de recozimentos intermediários para eliminação do
encruamento.
Característica do aço:
� cor acinzentada;
� peso específico: 7,85 g/cm3 ;
� maleável (lamina-se bem);
� dúctil (estira-se bem em fios)
� tenaz (resiste bem à tração, à compressão e a outros esforços de
deformação lenta);
� deixa-se soldar, isto é, uma barra de aço liga-se a outra pela ação do calor� deixa-se soldar, isto é, uma barra de aço liga-se a outra pela ação do calor
(solda autágena) ou pela ação combinada do calor com os choques, na
bigorna ou no martelete (caldeamento);
� deixa-se trabalhar bem pelas ferramentas de corte;
� apresenta boa resiliência, isto é, resiste bem aos choques;
� com determinadas porcentagens de carbono, apresenta condições especiais
de dureza (adquire têmpera);
� com determinadas porcentagens de carbono, é mais elástico;
� oferece grande resistência à ruptura.
Algumas formas comerciais do aço
Para os diferentes usos industriais, o aço é encontrado no comércio na
forma de vergalhões, perfilados, chapas, tubos e fios.
1) VergalhõesVergalhões - são barras laminadas em diversos perfis, sem tratamento
posterior à laminação.
Quando se necessita de barras com formas e medidas precisas recorre-se
aos aços trefilados, que são barras que após laminadas passam por um
processo de acabamento denominado trefilação.
2) PerfiladosPerfilados - São vergalhões laminados em perfis especiais tais como: L
(cantoneira), U, T, I (duplo T), Z.
3) ChapasChapas - São laminados planos, encontradas no comércio nos seguintes
tipos:
• Chapas pretas - sem acabamento após a laminação, sendo muito• Chapas pretas - sem acabamento após a laminação, sendo muito
utilizadas nas indústrias.
• Chapas galvanizadas - recebem após a laminação uma fina camada de
zinco. São usadas em locais sujeitos a umidade, tais como calhas e
condutores, etc.
• Chapas estanhadas - também conhecidas como Folhas de Flandres ou
latas. São revestidas com uma fina camada de estanho. São usadas
principalmente na fabricação de latas de conservas devido sua
resistência à umidade e corrosão.Ligas Metálicas do AçoLigas Metálicas do Aço
A grande variedade de metais existentes, a maioria não é empregada em
estado puro, mas em ligas com propriedades alteradas em relação ao
material inicial, visando entre outras coisas, a redução dos custos de
produção e alteração conveniente das suas propriedades mecânicas.
As ligas metálicas do aço, ou seja, a composição química com os elementos
de liga, influenciam muito em suas propriedades e são de fundamental
importância, especificamente no campo de estruturas metálicas, cujo
projeto e execução nelas se baseiam.projeto e execução nelas se baseiam.
Os elementos de liga muitas vezes já aparecem como integrantes do
minério, mas em outras vezes são adicionados no processo de produção.
Elementos de Liga e seus efeitos nos Aços
Uma liga é uma mistura, de aspecto metálico e homogêneo, de um ou mais
metais entre si ou com outros elementos. Deve ter composição cristalina
e comportamento como metal.
As ligas têm a finalidade de atribuir às propriedades mecânicas e
tecnológicas dos metais condições melhores que as dos metais puros.
Influência dos Elementos de Liga nas Propriedades do Aço
CARBONO (C): o aumento do teor de carbono constitui a maneira mais
econômica para obtenção da resistência mecânica nos aços, atualmente
principalmente no limite de resistência. Por outro lado, prejudica
sensivelmente a ductilidade ( em especial o dobramento) e a tenacidade.
Teores elevados de carbono comprometem a soldabilidade e diminuem
a resistência a corrosão atmosférica ( o teor de carbono é usualmente
limitado a 0,20 %).
COBRE (Cu): aumenta de forma sensível a resistência à corrosão
atmosférica dos aços, em adições de até 0,35 %.
CROMO (Cr): aumenta a resistência mecânica à abrasão e à corrosão mas
reduz a soldabilidade. O Cromo melhora o desempenho do aço sob
temperatura elevadas.
ENXOFRE (S): é extremamente prejudicial aos aços, desfavorecendo a
soldabilidade e a ductilidade. Nos aços comuns, o teor de enxofre é
limitado a valores abaixo de 0,05 %.
FÓSFORO (P): aumenta o limite de resistência, favorece a resistência a
corrosão e a dureza, prejudicando contudo a soldabilidade e a
ductilidade.
MANGANÊS (Mn): é usado em praticamente em todos os aços. O aumento
do teor de manganês é uma maneira de melhorar a resistência
mecânica, atuando especialmente sobre o limite de escoamento e a
resistência a fadiga, porém prejudica a soldabilidade.
Elementos de Liga e seus efeitos nos Aços
Propriedade dos AçosPropriedade dos Aços
Suas propriedades são de fundamental importância, especificamente no campo de
estruturas metálicas, cujo projeto e execução nelas se baseiam.
O objetivo de se estudar as propriedades dos aços utilizados em estruturas
metálicas é conhecer características mecânicas, principalmente em termos de
tensões e deformações dos mesmos.
As propriedades mecânicas definem o comportamento dos aços sujeitos a esforços
mecânicos e correspondem às propriedades que determinam a sua capacidade
de resistir e transmitir os esforços que lhe são aplicados, sem que se rompam
(ELU) ou tenham deformações excessivas (ELS).(ELU) ou tenham deformações excessivas (ELS).
EnsaioEnsaio dede TraçãoTração –– Tensão(f)Tensão(f) /Deformação/Deformação ((εε))
O aço ao ser submetido a uma tensão é um material que apresenta uma fase
elástica, em que as deformações não são permanentes (totalmente elásticas).
Aumentando-se ainda mais a tensão, passa por um patamar de escoamento e entra
em uma fase plástica, onde as deformações são permanentes.
Existe uma terceira fase, onde a partir deste ponto deixa de ser um material
adequado para estruturas. Além disso, nesta terceira fase, a ruptura pode
ocorrer a qualquer momento, sem qualquer aviso.
Cont. Propriedade dos Aços
Ensaio de TraçãoEnsaio de Tração
O ensaio de tração é de muita importância para análise estrutural, pois é 
através dele que são efetuadas considerações relevantes.
Consiste em colocar um corpo de prova metálico (dúctil) num
equipamento, submetendo-o a uma solicitação de tração.
Preferencialmente, é escolhido um material dúctil visto que este tem como
característica apresentar todas as regiões possíveis (três regiões) nocaracterística apresentar todas as regiões possíveis (três regiões) no
diagrama obtido do ensaio de tração.
O equipamento, para o desenvolvimento do ensaio, está conectado a um
PC e um monitor onde todo o ensaio é gerenciado por um Software e a
medida que se processa o ensaio:
• vai sendo construído gradativamente o diagrama na tela do monitor;
• aparecendo a evolução da grandeza das tensões e deformações
correspondentes numa “janela”.
Cont. Propriedade dos Aços
Cont. Propriedade dos Aços
Considerações ImportantesConsiderações Importantes
• Sabe-se que todos os corpos são constituídos por pequenas partículas
que se atraem (força de atração molecular) para formar o corpo.
• Quando sobre este corpo é aplicada uma carga externa, por exemplo, de
tração, este corpo tende a se deformar, ou seja, há uma tendência de
afastamento relativo entre as pequenas partículas que o constituem.
• Porém, devido a força de atração molecular há uma resistência a esse
afastamento relativo (surgem as tensões), ou seja, há um equilíbrio entreafastamento relativo (surgem as tensões), ou seja, há um equilíbrio entre
os esforços externos e os internos (tensões).
• Porém, ocorre o afastamento relativo das partículas só que
acompanhado de um acúmulo de energia potencial, sempre que existir o
equilíbrio entre os esforços internos e externos.
• Essa energia potencial acumulada durante o processo de deformação
será reaproveitada quando cessar de atuar a carga externa, fazendo
com que o corpo volte a sua condição inicial - ElasticidadeElasticidade.
Cont. Propriedades dos Aços
MóduloMódulo dede ElasticidadeElasticidade dodo AçoAço
Pode-se observar do diagrama que a declividade da reta da região de
elasticidade representa, na verdade, o Módulo de Elasticidade.
xx E εσ .= ETg
x
x
==
ε
σ
α
Cont. Propriedade dos Aços
AnáliseAnálise dodo DiagramaDiagrama TensãoTensão--DeformaçãoDeformação
11)) RegiãoRegião dede ElasticidadeElasticidade ouou ProporcionalidadeProporcionalidade (Região(Região OA)OA)
Está região apresenta características muito importantes e é nesta região
que se fundamenta toda a análise estrutural, entre suas características:
• As tensões são sempre proporcionais as deformações desenvolvidas que
fundamenta a Lei de Hooke. E εσ .=fundamenta a Lei de Hooke.
• O corpo, quando cessadas as cargas externas, volta integralmente a sua
condição inicial, sem nenhum tipo de deformação permanente.
• Não há nenhum tipo de perda de energia durante o processo nessa
região, ou seja, a energia acumulada durante o processo de deformação
permanece íntegra.
• A energia acumulada durante o processo de deformação é totalmente
reaproveitada, fazendo com que o corpo volte a sua condição inicial.
xx E εσ .=
Cont. Propriedade dos Aços
2) Região de Escoamento (Região AB)2) Região de Escoamento (Região AB)
As principais características dessa região são:As principais características dessa região são:
• As tensões são praticamente constantes e as deformações são crescentes.
• A partir do limite de escoamento (tensão de escoamento σy= ƒy), ou seja,
quando a grandeza das tensões internas produzidas pelas carga
externas ultrapassar a grandeza da tensão de escoamento, o corpo não
voltará mais sua condição inicial – deformação permanente.voltará mais sua condição inicial – deformação permanente.
• Ultrapassado o limite de escoamento a energia potencial acumulada
durante o processo de deformação começa a se transformar em outra
forma de energia (energia térmica, principalmente).
• A tensão de escoamento (limite de escoamento) é uma grandeza muito
próxima da grandezada tensão de proporcionalidade (limite de
proporcionalidade σp), sendo assim, para efeito de análise se considera
como sendo a mesma grandeza (ƒy = σp).
Cont. Propriedade dos Aços
• É a partir da região de escoamento que começa o fenômeno da estricçã.
• Este fenômeno ocorre somente em materiais dúcteis.
• Constitui-se de um estreitamento da seção transversal da barra quando
submetida a um ensaio de tração e é ultrapassado o limite de
elasticidade do material (figura).
• O fenômeno da estricção vai ser efetivamente visível na região de• O fenômeno da estricção vai ser efetivamente visível na região de
encruamento, próximo da região de ruptura.
Cont. Propriedade dos Aços
RegiãoRegião dede EncruamentoEncruamento (Região(Região BC)BC)
AsAs principaisprincipais característicascaracterísticas dessadessa regiãoregião sãosão::
• As tensões voltam a aumentar com as deformações, como se houvesse
um revigoramento do material, porém, de uma forma desproporcional.
• É nessa região onde se alcança a maior magnitude de tensão, Tensão
Limite de Resistência (σu) = Tensão Última (ƒu)
•• Partindo dessa grandeza de tensão (σu = ƒu), as tensões decrescem até o
ponto de ruptura da barra, onde é atingida a Tensão de Ruptura (σr).
• Nessa região o fenômeno da estricção é mais visível.
• Logo após cessado o ensaio, em contato com o material ensaiado,
observa-se que este está quente, fato que comprova a dissipação da
energia potencial acumulada durante o processo de deformação em
energia térmica, caracterizando de forma mais contundente a
deformação permanente.
VÍDEO DO ENSAIO DE TRAÇÃO
VÍDEO ENSAIO TRAÇÃO.wmv
Cont. Propriedade dos Aços
PropriedadesPropriedades::
ElasticidadeElasticidade:: é a propriedade do metal de retornar à forma original, uma
vez removida a força externa atuante. Deste modo, a deformação segue
a Lei de Hooke, sendo proporcional ao esforço aplicado.
• Ao maior valor de tensão para o qual vale a Lei de Hooke, denomina-se
limite de proporcionalidade.
• Ao ultrapassar este limite, surge a fase plástica, onde ocorrem
deformações crescentes mesmo sem a variação da tensão: é o
denominado patamar de escoamento.denominado patamar de escoamento.
• Alguns materiais – como o ferro fundido ou o aço liga tratado
termicamente – não deformam plasticamente antes da ruptura, sendo
considerados materiais frágeis. Estes materiais não apresentam o
patamar de escoamento.
PlasticidadePlasticidade:: é a propriedade inversa à da elasticidade, ou seja, do
material não voltar à sua forma inicial após a remoção da carga
externa, obtendo-se deformações permanentes. A deformação plástica
altera a estrutura de um metal, aumentando sua dureza. Este fenômeno
é denominado endurecimento pela deformação à frio ou encruamento.
Cont. Propriedade dos Aços
DuctilidadeDuctilidade:: é a capacidade do material de se deformar muito
(plasticamente) sob a ação de cargas antes de se romper, daí sua grande
importância, já que estas deformações constituem um aviso prévio à
ruptura final do material, o que é de extrema importância para
prevenir acidentes em uma construção, por exemplo.
Fragilidaderagilidade:: oposto à ductilidade, é a característica dos materiais que
rompem bruscamente (não existe plasticidade), sem aviso prévio.rompem bruscamente (não existe plasticidade), sem aviso prévio.
ResiliênciaResiliência:: é a capacidade de absorver energia mecânica em regime
elástico, ou seja, a capacidade de restituir a energia mecânica absorvida.
TenacidadeTenacidade:: é a energia total, plástica e elástica, que o material pode
absorver até a ruptura. Assim, um material dúctil com a mesma
resistência de um material frágil irá requerer maior energia para ser
rompido, portanto é mais tenaz.
Cont. Propriedade dos Aços
FluênciaFluência:: é outra propriedade apresentada pelo aço e metais em geral.
• O fenômeno caracterizado pela deformação progressiva do material sob
um valor constante de tensão é chamado de fluência e, normalmente,
passa a ser significativo quando se trabalha a temperaturas superiores a
40 % da Temperatura de Fusão (Tf) do material.
• Tem relação com a temperatura a qual o material está submetido:
quanto mais alta, maior ela será, porque facilita o início e fim da
deformação plástica.
• Nos aços, é significativa para temperaturas superiores a 0,4Tf, ou seja,
em caso de incêndios.em caso de incêndios.
• O estudo da fluência é importante nos cálculos de engenharia, onde se
projetam peças sujeitas à cargas elevadas, como turbinas, pontes
metálicas e gruas.
FadigaFadiga:: capacidade de um material de resistir ao efeito de um grande
número de esforços repetitivos; um material pode atingir a ruptura sob
ação de esforços repetitivos ou cíclicos. A ruptura por fadiga é sempre
uma ruptura frágil, mesmo para materiais dúcteis.
Cont. Propriedade dos Aços
Resumo Propriedades mecânicasResumo Propriedades mecânicas
Para efeito de cálculo devem ser adotados os seguintes valores, na faixa
normal de temperaturas atmosféricas:
EE == 200200..000000 MPaMPa - módulo de elasticidade do aço (todos os aços);
GG == 7777..000000 MPaMPa - módulo de elasticidade transversal do aço (todos osGG == 7777..000000 MPaMPa - módulo de elasticidade transversal do aço (todos os
aços);
µµ == 00,,33 - coeficiente de Poisson;
αα == 11,,22 xx 1010--55 porpor °°CC - coeficiente de dilatação térmica;
ρρ == 78507850 KgfKgf/m/m33 - massa específica
Classificação dos açosClassificação dos aços
DurezaDureza:: é a resistência ao risco ou abrasão.
É a resistência que a superfície do material oferece à penetração de uma
peça de maior dureza. Sua análise é de fundamental importância nas
operações de estampagem de chapas de aços.
ClassificaçãoClassificação dosdos AçosAços
Não existe, ainda hoje, uma classificação dos aços considerada precisa eNão existe, ainda hoje, uma classificação dos aços considerada precisa e
completa, principalmente com relação aos aços-liga, em que a cada dia é
pesquisada a inclusão de novos elementos, e consequentemente obtidos
novos aços.
A ABNTABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), a SAESAE (Society
Automotive Engineers) e a ASTMASTM (American Society for Testing and
Materials), entre outras , possuem sistemas que tem atendido as atuais
necessidades.
Classificação dos aços
AçosAços EstruturaisEstruturais
São vergalhões para reforço de concreto, barras, chapas e perfis para
estruturas metálicas, ou seja, são aqueles aços adequados para o uso em
elementos que suportam cargas.
OsOs principaisprincipais requisitosrequisitos parapara osos açosaços destinadosdestinados àà aplicaçãoaplicação estruturalestrutural sãosão::
• elevada tensão de escoamento para prevenir a deformação plástica• elevada tensão de escoamento para prevenir a deformação plástica
generalizada;
• elevada tenacidade para prevenir fratura rápida (frágil) e catastrófica;
•
• boa soldabilidade para o mínimo de alterações das características do
material na junta soldada;
• boa trabalhabilidade em operações tais como corte furação e dobra, sem
que se originem fissuras ou outros defeitos.
Classificação dos aços
Os principais aços estruturais podem ser classificados em três grupos
principais, conforme a tensão de escoamento mínima especificada:
• aços carbono: aproximadamente 195 a 260 MPa;
• aços de alta resistência e baixa liga (ARBL): 290 a 345 MPa;
• aços liga tratados termicamente: 630 a 700 MPa.
Classificação dos aços
AçosAços especiaisespeciais
São os aços resistentes à corrosão atmosférica, um fenômeno que exige
atenção quando se vai utilizar estruturas de aço aparente.
AçosAços PatináveisPatináveis ouou AclimáveisAclimáveis ((wheatheringwheathering steelsteel)) são aços de baixa liga e
alta resistência, que mesmo sem a utilização de uma proteção adicional,
possuem a capacidade de resistira corrosão de forma bastante superior
aos aços comuns.
• Os aços patináveis foram introduzidos nos Estados Unidos, inicialmente• Os aços patináveis foram introduzidos nos Estados Unidos, inicialmente
para utilização em estradas de ferro e na fabricação de vagões de carga.
• Devido às características e qualidades desses aços, que combinavam alta
resistência mecânica com resistência à corrosão atmosférica,
rapidamente encontraram aceitação.
Classificação dos aços
Tais características acontecem em função da presença de determinados
elementoselementos dede ligaliga, como cobre, cromo, níquel, entre outros, em
combinações específicas, conforme a siderúrgica produtora.
O aço carbono comum se caracteriza normalmente por suas propriedades
típicas permanecendo alteradas sob ação do meio envolvente.
Pode ser alterado pela adição dos elementoselementos dede ligaliga, embora as
porcentagens destes elementos sejam bem pequenas.
Os aços patináveis, quando expostos à atmosfera, iniciam a formação deOs aços patináveis, quando expostos à atmosfera, iniciam a formação de
uma camada de óxido compacta e aderente – a pátina – que funciona
como barreira de proteção contra a corrosão.
AlgumasAlgumas teoriasteorias tentamtentam explicarexplicar oo desempenhodesempenho superiorsuperior destedeste tipotipo dede açoaço:
• Os elementos de liga (especialmente cobre) retardam a velocidade de
corrosão;
• Os produtos da corrosão formados são mais homogêneos, compactos,
favorecendo a proteção e ainda alterando as condições de condensação
de umidade na superfície do metal base.
Classificação dos aços
ÉÉ necessárionecessário observarobservar algunsalguns aspectosaspectos relevantesrelevantes aoao desenvolvimentodesenvolvimento destadesta
pátinapátina protetoraprotetora::
• A camada protetora, bem formada, só é conseguida em condições de
umedecimento (chuva e umidade) e secagem (sol e vento);
• O tempo de sua formação varia em função da atmosfera local, levando
em média de 2 a 3 anos. Após esse período ela adquire uma coloração
marrom escura;
• Locais de retenção de grande umidade ou partes submersas não
desenvolvem a mesma proteção, pois não estão expostos à luz solar;desenvolvem a mesma proteção, pois não estão expostos à luz solar;
• Locais submetidos a lavagens acentuadas e constantes, tais como zonas
de respingo em água do mar, não apresentam eficiência superior ao aço
comum, já que a lavagem remove a pátina;
• Quanto às propriedades, são soldáveis e trabalháveis de maneira similar
ao aço-carbono comum.
ApresentamApresentam aindaainda médiamédia ouou altaalta resistênciaresistência mecânica,mecânica, oo queque proporcionaproporciona
tantotanto umauma reduçãoredução nono pesopeso dada estruturaestrutura quantoquanto umauma diminuiçãodiminuição dada
espessuraespessura dasdas chapaschapas usadasusadas.
Classificação dos aços
AçosAços inoxidáveisinoxidáveis
Os aços inoxidáveis são ligas de ferro com a característica de possuírem
teores de Cr (cromo) acima de 12%.
Este tipo de aço é de grande interesse de aplicação em determinados
ambientes ou situações, devido à sua capacidade de resistir à corrosão
aliada a algumas propriedades mecânicas.
• Como nos aços patináveis, a característica de alta resistência à corrosão
é obtida pela formação de um filme superficial, produto da reação do
cromo com o oxigênio da atmosfera: cada vez que este filme é rompidocromo com o oxigênio da atmosfera: cada vez que este filme é rompido
por qualquer motivo (riscos, por exemplo), imediatamente ele se
recompõe, desde que haja oxigênio disponível para a formação do óxido
protetor.
• Tanto a resistência à corrosão, bem como características de fabricação,
podem ser melhoradas através da adição de alguns elementos além do
cromo.
Deve-se observar que nenhum material é totalmente inoxidável e, em meios
corrosivos a seleção deve ser realizada com o máximo de consciência e
conhecimento de suas características e comportamento do material.
Classificação dos aços
ExistemExistem atualmenteatualmente umauma grandegrande variedadevariedade dede ligasligas produzidas,produzidas, cadacada umauma
apresentandoapresentando propriedadespropriedades específicasespecíficas emem funçãofunção dede suasua composiçãocomposição
químicaquímica..
Nesta composição química, bem como de características metalúrgicas é que
estão agrupadas as três famílias dos aços inoxidáveis: AusteníticosAusteníticos,
FerríticosFerríticos eeMartensíticosMartensíticos.
Existem diversos sistemas de classificação, mas será mostrado o padrãoExistem diversos sistemas de classificação, mas será mostrado o padrão
reconhecido pela ABNT:
AusteníticosAusteníticos:: contem tipicamente 18% de cromo, 8% de níquel e baixo
teor de carbono. Atualmente esta família responde por cerca de 70% do
total de aços inox produzidos em todo o mundo, principalmente em
função de características como: excelente resistência à corrosão, alta
resistência mecânica, boa soldabilidade, boa conformabilidade,
facilidade de limpeza, durabilidade, recomendando-os à arquitetura e
construção em geral;
Classificação dos aços
FerríticosFerríticos:: são ligas de ferro-cromo, contendo geralmente de 12 a 17% de
cromo. Apresentam boa resistência à corrosão em meios menos
agressivos, boa ductilidade, razoável soldabilidade;
MartensíticosMartensíticos:: também são ligas ferro-cromo. Uma característica desta
família é a de poder atingir altas durezas (1379 MPa) através de
tratamento térmico, entretanto, não são especificados para uso da
construção civil.
A aplicação de aços inoxidáveis como painéis de revestimento de fachadasA aplicação de aços inoxidáveis como painéis de revestimento de fachadas
tem crescido muito nos últimos anos. Comparado com os materiais
tradicionalmente utilizados, tais como mármore, granito, cerâmica,
apresenta algumas vantagens:
• redução do peso do revestimento sobre a estrutura da edificação;
• rapidez de instalação;
• facilidade de manutenção e limpeza;
• não liberam produtos de corrosão que atacam superfícies de alumínio
ou zinco ou ainda que manchem outros materiais em contato
(mármores, alvenarias, etc.).