Aços carbono (2)

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FACULDADE NORTE CAPIXABA DE SÃO MATEUS
ENGENHARIA MECÂNICA 
JULIA MAIA
aços carbonos
SÃO MATEUS
2017
JULIA MAIA
aços carbono
trabalho apresentado à disciplina Resistencia dos Materiais 1 do curso de Engenharia Mecânica da Faculdade Norte Capixaba de São Mateus, como requisito para obtenção da avaliação bimestral.
Professor: Thales.
SÃO MATEUS
2017
aços carbonos
JULIA MAIA[1: Graduanda do curso de engenharia mecânica da Faculdade Norte Capixaba de São Mateus.]
resumo
Diante da revolução tecnológica pela qual o mundo tem passado, o aço carbono tem sido um dos materiais mais usados. Ele encontra-se presente nas diversas áreas e sua utilização tem um leque muito grande de possibilidades. Este material que é proveniente do ferro tem várias vantagens, tais como: ter fácil usinagem, preço bom e resistência mecânica favorável para desenvolver diversos tipos de materiais. Esta resistência pode sofrer alterações dependendo da composição e da temperatura empregada na fundição da liga. A quantidade de carbono inserida no aço define se ele é de baixo, médio ou alto carbono. 
PALAVRAS-CHAVE: Aços. Classificação. Utilização.
ABSTRACT
Faced with the technological revolution the world has been through, carbon steel has been one of the most widely used materials. It is present in the various areas and its use has a very wide range of possibilities. This material that comes from iron has several advantages, such as: have easy machining, good price and favorable mechanical strength to develop various types of materials. This resistance may change depending on the composition and temperature used in casting the alloy. The amount of carbon inserted in the steel defines whether it is low, medium or high carbon.
KEYWORDS: Steel. Classification.Use.
	
lista de figura
figura 1- Propriedades dos aços.............................................8
figura 2- Identificação quanto ao teor de carbono.....11
figura 3- Classificação dos aços............................................15
1 INTRODUÇÃO
O aço atualmente tem sido um dos elementos mais importantes para a sociedade que avança e se desenvolve tecnologicamente com muita rapidez. Grande parte dos bens de consumo que o ser humano usufrui hoje em dia tem a presença deste elemento. Pode-se citar tubulações, aviões, automóveis, panelas, vergalhões para a construção, enfim, em muitos dos bens de diferentes áreas conhecidas, o aço está presente. Diante deste fato pode-se tirar a seguinte conclusão: O mundo já não vive sem a presença do aço e consequentemente do aço carbono que provém dele.
2 O PROCESSO
Tschiptschin (s.d) é um doutor e professor que escreveu sobre os processos de fabricação do aço. As explicações sobre o processo tiveram como base o seu texto, assim de acordo com ele pôde-se entender que o aço é proveniente do minério de ferro que é encontrado nas minas onde ele é extraído. As empresas responsáveis pela extração levam o minério em sua forma bruta e ela passa por um processo de aquecimento no alto forno. Sai desse processo o que chamam de ferro gusa. Este é depurado até virar ferro fundido. 
O ferro gusa é barato, mas não apresenta resistência quando submetido a força de tração, além de ser muito frágil. Isso se deve por conter em sua composição uma porcentagem muito alta de carbono e outras impurezas. Quando a necessidade pede um material que seja resistente e duro utiliza-se o aço. 
Este por sua vez é uma liga de ferro, mas com pouca presença de carbono que é produzido a partir do ferro gusa. No entanto é retirado deste, no processo de fusão parte do teor de carbono e outros elementos indesejáveis. A maioria dos processos siderúrgicos trabalha em cima desse objetivo: Preparar o aço. 
Para que o ferro alcance um nível de dureza aceitável ele recebe o complemento de diversos outros materiais. Entretanto, o elemento que é mais utilizado quando se trata de deixa-lo mais duro é o carbono. Outros elementos que agem dentro do ferro é o silício, manganês e o fósforo. Eles ajudam a equilibrar os níveis de resistência do aço. 
Dependendo da composição e características desejadas pode-se produzir diversos tipos de aço e estes podem ser aços inoxidáveis, aços de construção, aços comuns ou até mesmo aços especiais. 
Dentre os diversos tipos de aços e materiais diferentes o aço carbono é o que tem sido mais utilizado. Na grande parte dos equipamentos de processos ele se encontra presente e só não é utilizado quando realmente não existe a possibilidade do seu uso.
O motivo disso é que ele é um material fácil de ser soldado, tem boa usinagem, de fácil obtenção, pode ser encontrado em diversos tipos de apresentação, tem uma resistência aceitável e o seu valor não é abusivo. Pode-se concluir então que sua relação custo X benefício destaca-se em comparação a outros materiais.
Para 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. Em uma refinaria de petróleo típica, a percentagem em peso do aço carbono, no total de todos os equipamentos de processo é aproximadamente 95%. (AILTON, S.D)
3 QUANTO A COMPOSIÇÃO
Os aços carbonos são obtidos através da junção equilibrada de ferro e carbono. Segundo Ailton (s.d) eles são ligas de metal que pesam de 0,05 a 2,0% de carbono. Além do carbono também se encontra presente na liga quantidades menores de outros elementos como Al= 0,10%, Cr =0,20%, Cu = 0,35%., Ni =0,25%, B = 0,0030%. Em equipamentos de processo existe uma quantidade máxima que é admitida de carbono nas ligas (0,35%). Tais dados foram retirados da norma ABNT NBR 6215 (2011).
Dependendo da quantidade de carbono presente no aço ele é classificado como baixo, médio e alto carbono. Estes três tipos serão mostrados a seguir mais detalhadamente.
Ainda de acordo com Ailton (s.d), o aço carbono apresenta as seguintes características:
Resistência mecânica de 32 a 66 kg/mm^2.
Limite de escoamento entre 17 a 28 kg/mm^2.
Alongamento de 18 a 35%
4 EFEITOS DOS ELEMENTOS DE LIGA NOS AÇOS
Elementos de liga são algumas substancias adicionadas aos aços, quando estes estão em processo de formação.
De acordo com Abreu (2014), os principais elementos de liga são: carbono, manganês e silício. Estes são os mais usados na indústria de siderurgia, pois dão resistência e dureza aos aços e são usados em mais tipos de operações, enquanto algumas substancias só tem uso em atividades especificas e localizadas. 
4.1 PROPRIEDADES ADQUIRIDAS
A tabela a seguir mostra perfeitamente alguns dos elementos de liga mais utilizados e as propriedades adquiridas do aço após essa adição.
FIGURA 1- Propriedades dos aços.
FONTE: UFPR (s.d)
Pode-se observar que após adicionar um único elemento ao aço, obtêm-se uma série de modificações no desempenho final do mesmo.
Abaixo citado, observa-se a que características o aço adquire quando se adiciona certo elemento a ele de acordo com a pesquisa do Professor Ailton (s.d).
4.2 PRINCIPAIS ELEMENTOS
4.2.1 CARBONO
O carbono é fundamental para dar as primícias aos aços. Quanto mais carbono se adicionar, irá se obter um produto mais duro, resistente e frágil, porém com baixa soldabilidade.
4.2.2 MANGANÊS
O manganês irá estabilizar os carbonetos criando uma microestrutura que irá diminuir a velocidade de resfriamento. Ele aumenta a resistência mecânica e têmpera da peça. Ideal para automóveis e para diversos produtos na engenharia mecânica.
4.2.3 CROMO
Acelera o crescimento dos carbonetos e aumenta a resistência a corrosão e a altas temperaturas. Ele é um aço especial e vai resultar em produtos para a indústria química e aços ferramentas.
4.2.4 SILÍCIO
Este elemento vai auxiliar na desoxidação do aço, trazendo assim um aço resistente a intemperes e resistente a tração. Esse aço irá resultarem ferramentas de peças fundidas.
4.2.5 NÍQUEL
O níquel é um elemento adicionado aos aços que não formam carbonetos em sua estrutura. Ele aumenta a resistência a tração dos aços e o transforma a aços para diversos tipos de construção mecânica e resistente a altas temperaturas. O produto final pode vir a ser desde uma peça de automóvel até um utensílio doméstico.
5 CLASSIFICAÇÃO QUANTO AS PROPRIEDADES
Como já foi citado acima, para a aplicação, os aços podem ser classificados com alto, médio e baixo carbono. Isto seria uma subclassificação dos aços, uma forma mais por menos.
5.1 O BAIXO CARBONO
De acordo com Mary(2010) que escreve para o blog “Engenharia mecânica na web”, os aços com teor baixo de carbono apresentam uma porcentagem que varia de 0 a 0,35%.
Como já foi supracitado quanto mais carbono existe na liga, mais dura ela se torna. Seguindo este preceito pode-se concluir que o baixo carbono tem seus limites de dureza e resistências decadentes. Em contra partida por conter níveis baixos de carbonos a liga apresenta altos índices de tenacidade (dificuldade de se partir) e ductilidade (Propriedade que permite o material suportar a deformação elástica). Essas propriedades fazem com que ele seja fácil de ser soldado e usinado, além do custo de produção ser mais barato.
Os baixos carbonos normalmente não são tratados termicamente.
Ainda segundo Mary(2010) esta classe de aço carbono é bastante aplicada em placas para fabricação de tubos, na construção civil, nas chapas automobilísticas, em latas, em perfis estruturais, pontes e etc.
5.2 MÉDIO CARBONO
Os aços médio carbono são aplicados nos serviços onde precisa-se de uma maior resistência mecânica, além das resistências ao desgaste e a tenacidade
A sua identificação pode ser vista microscopicamente, com a realização de alguns ensaios, ou pode ser também visual. Para identificar este tipo de aço visualmente, é necessário levar um fator em conta: O tipo de centelha que ele irá produzir caso entra em contato com alguma superfície desbastadora.
Um exemplo clássico é ir até o esmeril e passar o aço observando a quantidade de centelhas que irá sair. Caso saia pouco, será baixo carbono, caso saia muita, será alto carbono. Agora, as centelhas do aço médio carbono serão moderadas e de acordo com a imagem: 
FIGURA 2- Identificação quanto ao teor de carbono. 
FONTE: Abreu, 2014.
Outra forma de identificação é olhar sua microestrutura. 
O aço médio carbono é composto de até 3,5% de carbono e 1,2% de manganês para aços não acalmados; e para os aços acalmados, 3,5% de carbono, 1,6% de manganês e 0,6% de silício.
Esses aços podem ser colocados certos tratamentos térmicos a ponte de terem sua microestrutura alterada de forma a se adequar no trabalho. Os tratamentos a serem utilizados nesses tipos de aços seriam: têmpera e revenido.
O professor Ailton (s.d) em conjunto com o Centro Universitário Padre Anchieta Controle de Processos Químicos, produziu um artigo com relação a matéria “ciência dos materiais” e buscou retratar um pouco mais dos aços carbono. Em um de seus tópicos de estudo ele relatou o seguinte dos aços médio carbono:
Aço de médio carbono:
Composição química: C até o,3 5%, Mn até 1,20%
Limite de resistência: 40Kg/mm2
< LR < 66Kg/mm2
Limite de escoamento: 20Kg/mm2
< LE < 28Kg/mm2
Alongamento máximo: 33%
Qualidade: aços de grão grosso
Temperaturas limites: Serviço contínuo 400°C
Características: não tão fácies de trabalho a frio
Utilização: vasos de pressão, tubos de grande díametro
Possível fragilidade em serviços abaixo de 15º C
Nesse estudo, é possível ver com riqueza de detalhes a aplicação desejada para o aço. Mostra também os limites de escoamento e de resistência que são importantíssimos para exercer a atividade sem que ocorra nenhum risco. Ao analisar os outros tipos de aços verá que esses limites são maiores dentre eles, ou seja, atividades que precisam de uma maior força de resistência levarão aços médio carbono em sua estrutura. 
Outro fator importante a citar-se são as temperaturas de trabalho e a que tipo de trabalho pode ser submetido, visto que apresenta bom desempenho em altas temperaturas e que não resiste a trabalhos a frio nem a soldas.
5.3 ALTO CARBONO
Mary (2010) escreveu que altos carbonos são os aços que apresentam um teor de mais de 0,6% de carbono em sua composição. 
Por conterem maior quantidade de carbono eles são mais duros e resistentes, em contra partida são menos dúcteis se comparados aos aços de médio e baixo carbono. Quando submetidos ao desgaste apresentam uma grande resistência. Por possuírem essas características, o processo de soldagem se torna mais difícil, pois quanto mais duro é o material aumenta a probabilidade de ocorrer trincas quando estão numa situação a frio. Ou seja, o material se torna frágil em alguns aspectos. Normalmente é utilizado na condição temperada. 
Uma das características mais predominantes num aço com alto teor de carbono é por que possuem um bom fio de corte. Por isso é usado predominantemente para se produzir facas, talhadeiras, folhas de serrote e etc.
6 EFEITOS DA TEMPERATURA NO AÇO CARBONO
Dependendo da temperatura a qual é empregado os aços carbonos apresentam diferenças em sua estrutura, bem como em sua forma de reação. Diante disso, para cada condição térmica o material apresenta respostas diferentes como será visto a seguir.
6.1 ALTAS TEMPERATURAS
Segundo Ailton (s.d) quando submetidos a temperaturas altas, materiais metálicos reagem diminuindo os limites de resistência. Os limites de escoamento, módulo de elasticidade e dureza também são afetados. Devido a este fato, os materiais tem uma temperatura limite a ser empregada para que não seja necessária a produção de ligas de espessuras grandes a fim de compensar a sua baixa resistência.
Nos aços carbonos quando o material alcança a temperatura de 250ºC ele atinge o seu limite máximo de resistência. A 370ºC o aço carbono começa a sofrer deformação por fluência. Quando atinge 400ºC o limite de resistência é diminuído.
6.2 BAIXAS TEMPERATURAS
Quando submetidos a baixas temperaturas os aços carbonos apresentam uma transição dúctil-frágil. Isso se deve pela presença do carbono concentradas no material. Para ser usado a temperaturas baixas recomenda-se utilizar uma porcentagem maior de manganês na liga (1,6%).
Segundo Ailton (s.d) quando a temperatura for menor que -45°C não é recomendável utilizar-se o aço carbono, nem que seja por um tempo curto. Quando for de -45 a 0°C só deve ser utilizado se for baixo carbono e alto manganês e deve passar por testes de impacto. De 0 a 15°C também é realizado testes de impacto em peças que tenham espessura até 12mm e é empregado aços que tenham grãos finos. E por fim, para temperaturas maiores de 15°C é apenas realizado testes de impacto para espessuras superiores a 50mm.
7 CORROSÃO NOS AÇOS CARBONOS
Um dos pontos negativos do aço carbono deve-se ao fato dele apresentar facilidade a corrosão, assim como as outras classificações de ferro.
Em algumas situações o aço carbono apresenta uma resistência boa, por exemplo: Quando o meio não apresenta tensão e é alcalino, ou se o meio não apresenta água ou umidade nenhuma. 
De acordo com Ailton (s.d), qualquer contato com o meio contendo umidade, água ou oxigênio faz com que o aço carbono apresente corrosão, a qual é mais conhecida como ferrugem. Isso porque ele é coberto de óxido e este não consegue impedir o aparecimento da ferrugem. O processo de corrosão só seria muito devagar se a atmosfera não fosse úmida e não apresentasse poluição.
Para que os problemas com a ferrugem sejam sanados normalmente usa-se um revestimento anticorrosivo ou apenas fazem a pintura do material.
Algumas situações fazem com que o aço carbono apresente a ferrugem de forma mais acentuada. Essas situações devem ser evitadas, como por exemplo o contato do aço com o solo e se não for possível ser evitado, o aço deve passar por um revestimento afim de que a peça seja protegida. Também deve ser evitado o contato comágua doce com ph maior que 8. Se a água tiver em condições normais não existe problema contanto que na água não haja gases dissolvidos ou a presença de minerais. 
Uma situação que não deve ocorrer é a utilização do aço carbono em águas salgadas ou salobras. Neste caso não existem agentes passivos que diminuam a corrosão. 
8 CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS
	
Os aços, no geral, são classificados quanto ao grau, tipo e classe. A seguir será possível observar os tipos de classificação seguindo os conceitos de Ailton (s.d).
8.1 CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO GRAU
O grau, irá dizer sobre o que compõe a microestrutura do aço carbono. Por exemplo. Aço com 3% de carbono e 0,5 % de manganês. Portanto, o grau do aço carbono tem a função de mostrar as suas composições químicas, de que ele é feito, e mostrar e quanto dessa substância está presente nele.
8.2 CLASSIFICAÇÃO QUANTO A DESOXIDAÇÃO
O tipo, mostra o processo de desoxidação utilizado. Por exemplo, pega-se um aço com um teor elevado de oxigênio que sofreria com as intemperes ambientes, o aplica-se o processo por desoxidação por silício ou manganês, que traria menores teores de oxigênio.
8.3 OUTROS FATORES CLASSIFICATÓRIOS
Agora, a classe dos aços carbonos seria para descrever outros fatores como acabamento e resistência. A imagem a seguir, mostra como seria a classificação de um aço pelo nome.
FIGURA 3- Classificação dos aços. 
Como mostrado na figura, os aços vem classificados de acordo a sequência acima. Um exemplo seria um aço SAE 1120, onde seria um aço de usinagem fácil com alto teor de silício.
9 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Os aços estão presentes em praticamente todos os setores da indústria nacional, seja ela qualquer que for: têxtil, agraria, siderurgia entre outras. Para que seu uso seja mais preciso, é preciso procurar um aço que esteja de acordo com suas especificações de uso e trabalho. Isso faz deste produto um dos produtos mais importantes da indústria do século XXI e o torna um dos principais objetos por trás da 4 revolução industrial.
10 REFERÊNCIAS BIBLOGRÁFICAS
ABNT. Termos de produtos siderúrgicos. 2011. Disponível em :<http://www.abnt.org.br/noticias/3840-termos-de-produtos-siderurgicos > Acesso em: 12 de abril de 2017.
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AILTON. Aços carbonos e suas características. Faculdades UNIANCHIETA. Disponível em: < http://www.ebah.com.br/content/ABAAAelYMAB/aco-carbono> Acessado em 09 de abril de 2017.
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MAGALHÃES, Jaymilson. A Utilização de Aço Carbono. Disponível em: <http://www.zemoleza.com.br/trabalho-academico/exatas/engenharia/engenharia-de-producao-a-utilizacao-de-aco-carbono/> Acessado em 09 de abril de 2017.
MARY. Propriedades dos aços baixo carbono. 2010. Disponível em <http://engenhariamecanicanaweb.blogspot.com.br/2010/02/propriedades-dos-acos-baixo-carbono.html > Acessado 09 de abril de 2017.
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VRAC, Maxwell. A história do aço. Disponível em: < https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/3667/3667_3.PDF> Acessado em 09 de abril de 2017.
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TSCHIPTSCHIN, André Paulo. Mundo dos aços especiais módulo 1: Processos de fabricação. (s.d). Disponível em: <http://www.pmt.usp.br/ACADEMIC/antschip/Modulo-1.pdf> Acesso em: 09 de abril de 2017.
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