Introdução à Metalurgia e Ligas Metálicas

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QUÍMICA DOS MATERIAIS
Aula 3 - Metalurgia
INTRODUÇÃO
Nesta aula, você irá reconhecer a Metalurgia. As ligas metálicas, em virtude da sua composição, são agrupadas com 
frequência em duas classes: ferrosas e não ferrosas. 
As ligas ferrosas, aquelas em que o ferro é o principal constituinte, incluem os aços e os ferros fundidos e, 
consequentemente, as não ferrosas representam todas as ligas que não são à base de ferro.
As ligas metálicas estão entre os materiais mais produzidos no mundo. Elas são de especial importância como material em 
todos os ramos da Engenharia. Os motivos são a abundância, os custos, as técnicas de extração, o refino, a produção de 
ligas e a fabricação do material. 
A versatilidade das ligas ferrosas também permite muitas facilidades na hora de escolher esse material como base para 
qualquer projeto ou empreendimento.
OBJETIVOS
Reconhecer os processos de fabricação das ligas metálicas;
Compreender as características das ligas metálicas;
Identificar como o processo de corrosão pode comprometer as ligas metálicas. 
LIGAS METÁLICAS
Conforme foi visto, na aula anterior, os materiais metálicos têm sua formação em rede cristalizada, podendo inclusive sofrer 
alterações em sua composição para que suas características sejam melhoradas.
Conforme foi visto, A grande maioria dos metais utilizados não é empregada pura, faz parte de ligas. Entende-se por liga 
mistura de aspecto metálico e homogêneo, de um ou mais metais entre si, ou com outros elementos. 
A possibilidade de se combinar elementos, no qual pelo menos um seja metálico, é muito grade, podendo dar origem a 
inúmeras ligas metálicas. Contudo, a composição química de cada liga deve-se levar em conta que as modificações 
estruturais podem ocorrer em diferentes temperaturas, em virtude da temperatura de fusão dos diferentes elementos da liga.
As ligas podem ser classificadas de três formas: 
Misturas mecânicas
Considera-se mistura mecânica quando os cristais dos metais componentes estão simplesmente misturados, como por 
exemplo, em uma liga de estanho e chumbo, que se forma no processo de solda. 
Soluções sólidas
As soluções sólidas ocorrem com a interligação dos cristais durante a solidificação, como por exemplo, a liga de aço 
carbono. 
Compostos químicos
Pode se considerar composto químico os casos em que os metais formam uma composição diversa, como por exemplo, a 
liga de cobre e zinco. 
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO
Historicamente, as ligas metálicas são os materiais mais usados pelo homem, sua utilização data de muitos anos antes de 
Cristo. O ferro e as ligas, cujo metal principal era o ferro, são utilizados pela humanidade de longas datas. A utilização desses 
materiais se vez necessária para suprir a necessidades do homem, para a proteção de seus bens e posses, na fabricação de 
armas, ou mesmo para facilitar seu dia a dia, na produção de ferramentas e utensílios. Porém, desde os primeiros artefatos 
metálicos, houve grande evolução nesta área; hoje são conhecidas ligas metálicas de alto desempenho.
Para tanto, todo elemento metálico só pode ser utilizado após passar por um processo de conformação, que é a alteração de 
um corpo metálico para outra forma definida. 
Os processos de conformação podem ser divididos em dois grupos: 
PROCESSOS METALÚRGICOS:
Nos quais as modificações de forma estão relacionadas com altas temperaturas;
PROCESSOS MECÂNICOS:
Nos quais as modificações são provocadas pela aplicação de tensões externas. 
Dentre os processos mais comuns de conformação dos metais temos: 
Laminação: É um processo de conformação plástica, muito utilizado atualmente, pois apresenta alta produtividade e 
excelente controle dimensional do elemento conformado. 
A laminação consiste na passagem de um corpo sólido entre dois cilindros que geram a mesma velocidade periférica, mas 
em sentidos contrários. 
Como a distância entre as superfícies laterais é inferior à espessura da peça, ela sofre uma deformação plástica durante a 
passagem entre os cilindros. O resultado desta passagem é a diminuição da seção transversal e aumento da largura 
(geralmente pequeno) e do comprimento (geralmente maior).
O processo de laminação pode ocorrer a frio ou a quente. Como a chapa laminada a frio é um produto que se origina na 
bobina laminada a quente, esse passa por mais processos produtivos para obter suas características finais. 
A chapa laminada a quente possui um processo a menos que a chapa laminada a frio. Esse único processo confere aos 
produtos propriedades distintas e, portanto, utilizados em aplicações diferentes. 
A laminação é utilizada para a fabricação de chapas, blocos e tarugos, além dos perfis estruturais na forma de I, T, L etc., ou 
mesmo perfis de seção circular, quadrada, hexagonal e etc.
Forjamento: É um processo de conformação plástica, em que se obtém a forma desejada, através do martelamento ou da 
aplicação gradativa de uma pressão. O forjamento pode ocorrer em processos a frio, ou a quente, mas a grande maioria das 
peças conformadas por forjamento ocorre por meio de processo a quente.
Após o forjamento de uma peça é possível que ela receba tratamento térmico para que suas propriedades mecânicas sejam 
melhoradas e seu desempenho seja melhor. O tratamento térmico objetiva, principalmente:
a remoção das tensões internas introduzidas durante o forjamento e o resfriamento do forjado;li>
a homogeneização da estrutura da peça forjada;
a melhoria de sua usinabilidade e de suas propriedades mecânicas.
Atualmente, o forjamento é empregado para a produção de peças como, eixo manivelas, bielas, discos de turbinas, 
engrenagens, rodas, cabeças de parafusos, esferas, ferramentas manuais e uma grande variedade de componentes 
estruturais para máquinas operatrizes e equipamentos de transporte.
Trefilação
É um processo de conformação plástica que se realiza pela operação de condução de um fio, barra ou tubo através de uma 
ferramenta chamada de fieira. Essa ferramenta apresenta um formato externo cilíndrico e que contém um furo em seu 
centro, por onde passa o fio. Esse furo, com diâmetro decrescente, apresenta um perfil na forma de funil curvo ou cônico.
A laminação consiste na passagem de um corpo sólido entre dois cilindros que geram a mesma velocidade periférica, mas 
em sentidos contrários. A passagem do fio pela fieira provoca redução de sua seção e, como a operação é normalmente 
realizada a frio, ocorre o encruamento com a alteração das propriedades mecânicas do material do fio. Essas alterações 
ocorrem, principalmente, na redução da ductilidade e no aumento da resistência mecânica. 
Assim sendo, a trefilação tem por objetivo a obtenção de fios, barras ou tubos de diâmetros menores e com propriedades 
mecânicas controladas.
O processo de trefilação é empregado para a fabricação de barras, tubos, arames e fios de metais ferrosos e não ferrosos. 
As barras produzidas por trefilação possuem as seguintes aplicações: 
pistões pequenos, 
eixos, 
material estrutural;
material para parafusos.
Atualmente, o forjamento é empregado para a produção de peças como, eixo manivelas, bielas, discos de turbinas, 
engrenagens, rodas, cabeças de parafusos, esferas, ferramentas manuais e uma grande variedade de componentes 
estruturais para máquinas operatrizes e equipamentos de transporte.
Extrusão
É um processo de conformação plástica, no qual é reduzida ou modificada a seção transversal de um corpo metálico, através 
da aplicação de altas tensões de compressão.
A extrusão consiste na passagem de um corpo metálico, geralmente de forma cilíndrica, que é forçado a escoar através da 
abertura, por meio de uma ação de compressão de um pistão acionado pneumaticamente ou hidraulicamente.
Entende-se por extrusão o processo de compressão indireta, pois são as paredes internas da ferramenta que provocam, 
devido à reação à pressão do pistão, a ação de compressãosobre o tarugo. 
A extrusão pode ocorrer por meio de processo a quente onde, inicialmente o tarugo é aquecido no forno e, em seguida, é 
transportado para o recipiente da extrusão. 
A extrusão é utilizada para a fabricação de perfis de seção circular, quadrada, hexagonal etc.
Estampagem
É um processo de conformação plástica, e consiste na conformação de peças a partir da aplicação de tensões em um plano 
vertical. Geralmente, essas tensões são aplicadas através de prensas. 
As tensões passam pelo eixo de simetria da peça a ser conformada, são iguais, e as possibilidades de aparecimento de 
enrugamento, no flange ou de fissuras na região lateral adjacente ao fundo do copo, são as mesmas durante a estampagem.
Os processos de estampagem podem ser classificados em três grupos: 
estampagem profunda; 
re-estampagem; 
re-estampagem reversa.
A figura ilustra essas classificações:
Estampagem
Além do processo de estampagem de perfis, é atribuído também à estampagem o processo de dobramento de chapas. É 
possível realizar o dobramento em qualquer ângulo, com raios de concordância diversos. 
Segundo Miranda (2012), quando o dobramento é feito em uma pequena parte com pequena dimensão da extremidade do 
esboço, é chamado de flangeamento, já o rebordamento é um dobramento completo da borda de um esboço. Normalmente, 
o processo de dobramento ocorre a frio.
A estampagem é utilizada para a fabricação de artefatos metálicos que necessitem de conformação a frio, sendo que para 
isso é necessário que a liga metálica apresente condições de conformação sem haver o comprometimento de suas 
propriedades mecânicas, são exemplos desses materiais as telhas metálicas e terminais elétricos. 
Usinagem
A usinagem é um processo de conformação, muito utilizado atualmente, cerca de 80% dos materiais metálicos passam por 
esse processo. 
A usinagem consiste em produzir formas com elevada tolerância dimensional, bom acabamento superficial e muitas vezes 
de geometrias complexas. Como o processo de usinagem ocorre em uma peça que foi produzida por um processo primário, 
tal como laminação, forjamento ou fundição ela é considerada como processo secundário. 
Esse processo é largamente utilizado porque, peças produzidas por fundição ou conformação plástica muitas vezes 
requerem operações de usinagem para obter um determinado acabamento superficial, melhorar as tolerâncias dimensionais, 
dar a forma desejada e permitir algumas peculiaridades tais como, furos rosqueados, saliências e reentrâncias.
As operações de usinagem podem ser diversas, em virtude das máquinas e dos equipamentos disponíveis para a realização 
da usinagem. As técnicas mais utilizadas para a usinagem de peças são:
torneamento; 
aplainamento; 
furação;
mandrilamento; 
fresamento; 
serramento;
brochamento; 
roscamento; 
retificação etc.
A usinagem é utilizada para a fabricação de peças ou componentes como: eixos, parafusos, rodas dentadas, pinos, 
polias, componentes estruturais para máquinas, válvulas, ferramentas diversas, componentes para agricultura, peças 
automobilísticas etc. 
Fundição
É um processo de conformação e consiste basicamente na obtenção de objetos, na forma final, a partir do uso de um metal 
líquido ou viscoso, depositado em um molde preparado, sendo que, a peça fundida é o produto obtido quando o líquido ou o 
metal viscoso se solidifica.
O molde é o recipiente que tem cavidade ou cavidades que vão conferir à peça a ser fundida a forma desejada.
Pelo processo de fundição, podem-se obter peças de pouca ou muita complexidade, com a existência de concavidades e 
reentrâncias ou não, além de peças extremante leves ou extremamente pesadas.
PROCESSO TÉRMICO
A maior parte dos processos de tratamento térmico consiste no aquecimento e resfriamento das peças, com o objetivo de 
alterar suas propriedades mecânicas, a fim de aumentar o desempenho de tais materiais. 
O processo de aumento da temperatura deve ocorrer de maneira controlada, mantendo a temperatura por um tempo 
determinado e, posteriormente, realizar o resfriamento da peça em um meio que pode ser água, óleo, ar etc.
PROCESSO TÉRMICO
Os tratamentos térmicos comumente aplicados a ligas metálicas são classificados em: 
Existem outros tipos menos comuns de serem aplicados como: cementação, nitretação, tratamento a vapor e o tratamento 
sub zero.
CORROSÃO
Entende-se por corrosão a deterioração de um material, geralmente metálico, que pode ocorrer por uma ação química ou 
eletroquímica, do meio ambiente, associada ou não, a esforços mecânicos. 
Alguns estudiosos também classificam como corrosão a deterioração sofrida por alguns materiais não metálicos como 
concreto, polímeros, borracha e madeira. Este processo é causado pela interação físico-química entre o material e o seu 
meio operacional. 
Os efeitos indesejáveis causados pelo processo de corrosão sofrido pelo material, como desgaste, variações químicas ou em 
sua estrutura, o tornam impróprio para o uso.
O processo de corrosão pode se apresentar de diferentes maneiras, que são identificadas em função da aparência ou da 
forma de ataque e as diferentes causas da corrosão e seus mecanismos. Assim, pode-se ter corrosão segundo:
morfologia: uniforme, por placas, alveolar, puntiforme ou pite, intergranular (ou intercristalina), intergranular (ou transgranular ou 
transcristalina), filiforme, por esfoliação, grafítica, dezincificação, em torno de cordão de solda e empolamento pelo hidrogênio;
as causas ou mecanismos: por aeração diferencial, eletrolítica, ou por correntes de fuga, galvânica associada a solicitações mecânicas 
(corrosão sob tensão fraturante), em torno de cordão de solda, seletiva (grafítica e dezincificação), empolamento ou fragilização pelo 
hidrogênio;
os fatores mecânicos: sob tensão, sob fadiga, por atrito, associada a erosão;
o meio corrosivo: atmosférica, pelo solo, induzida por microrganismos, pela água do mar, por sais fundidos;
APLICAÇÕES NA ENGENHARIA
Os materiais metálicos são empregados em larga escala na Engenharia. Como as propriedades existentes nesses materiais 
extraídos da natureza, em muitos casos, não satisfazem as necessidades de utilização, faz-se necessário o tratamento 
térmico para modificá-las e, consequentemente, melhorar o desempenho do material ao longo de sua vida útil. 
Usualmente, esses materiais são empregados em estruturas metálicas, enterradas ou submersas, tais como:
minerodutos; 
oleodutos; 
gasodutos; 
adutoras de água; 
cabos de comunicação de energia elétrica; 
píeres de atracação de embarcações, 
tanques de armazenamento de combustíveis;
emissários submarinos.
Os efeitos indesejáveis causados pelo processo de corrosão sofrido pelo material, como desgaste, variações químicas ou em 
sua estrutura, o tornam impróprio para o uso.
O processo de corrosão pode se apresentar de diferentes maneiras, que são identificadas em função da aparência ou da 
forma de ataque e as diferentes causas da corrosão e seus mecanismos. Assim, pode-se ter corrosão segundo:
Além disso, podem ser empregados em meios de transportes como: trens, navios, automóveis, caminhões e ônibus.
A aplicação de metais pode ocorrer ainda em estruturas metálicas sobre o solo ou aéreas, como: torres de linha de 
transmissão de energia elétrica, poste de iluminação e de telecomunicações, instalações industriais, viadutos, passarelas, 
pontes, radares, antenas etc. É claro que não podemos nos esquecer das aplicações em pequenas quantidades em máquinas 
e equipamentos.
Além das situações citadas, destaca-se a utilização em obras de engenharia pela utilização dos metais em estruturas de 
concreto armado ou mesmo na sua aplicação como material estrutural.
Questão 1: Assinale a alternativa correta. As ligas podem ser classificadas de três formas:
misturas mecânicas, soluções de ligação covalente e misturas físicas. 
misturas químicas, soluções deligação covalente e compostos químicos.
misturas químicas, soluções de ligação metálicas e compostos químicos.
misturas mecânicas, soluções sólidas e misturas físicas.
misturas mecânicas, soluções sólidas e compostos químicos.
Justificativa
Questão 2: Assinale a alternativa correta:
A laminação consiste na passagem de um corpo sólido entre dois cilindros que geram a mesma velocidade periférica, mas em sentidos 
contrários.
A laminação é um processo de conformação plástica que se realiza pela operação de condução de um fio, barra ou tubo através de uma 
ferramenta chamada de fieira, esta ferramenta apresenta um formato externo cilíndrico e que contém um furo em seu centro, por onde 
passa o fio. Esse furo, com diâmetro decrescente, apresenta um perfil na forma de funil curvo ou cônico.
A laminação é um processo de conformação plástica, e consiste na conformação de peças a partir da aplicação de tensões em um 
plano vertical, geralmente essas tensões são aplicadas através de prensas.
A laminação consiste em um processo que busca produzir formas com elevada tolerância dimensional, bom acabamento superficial e 
muitas vezes de geometrias complexas.
A laminação é um processo de conformação e consiste basicamente na obtenção de objetos, na forma final, a partir do uso de um metal 
líquido ou viscoso, depositado em um molde preparado, sendo que, a peça fundida é o produto obtido quando o líquido ou o metal 
viscoso se solidifica.
Justificativa
Questão 3: Com relação aos processos térmicos, assinale a alternativa correta:
A têmpera consiste em aquecer o material, seguido de seu rápido resfriamento, colocando-o em algum solvente ácido a baixa 
temperatura.
Recozimento é um processo que consiste no aquecimento do material e seu rápido resfriamento ao ar livre.
Consistem no aquecimento e resfriamento das peças, com o objetivo de alterar suas propriedades mecânicas, a fim de aumentar o 
desempenho de tais materiais.
Todos os aços, independente da porcentagem de carbono, podem receber têmpera.
Revenido é um processo de tratamento térmico feito com auxílio de solventes químicos.
Justificativa
Questão 4: Com relação à corrosão, assinale a alternativa correta:
A corrosão é um processo que só acontece nos aços.
A corrosão é a não capacidade de um material em se deformar plasticamente atingindo a ruptura rapidamente.
A ação de microrganismos não interfere na corrosão.
A corrosão é a deterioração de um material, geralmente metálico, que pode ocorrer por uma ação química ou eletroquímica, do meio 
ambiente, associada ou não, a esforços mecânicos.
A atmosfera e os solventes orgânicos não aceleram o processo de corrosão.
Justificativa
Questão 5: Com relação a uso dos metais, podemos afirmar: 
Na construção civil, o aço, por ter dilatação térmica diferente do concreto, não é usado em obras.
Os navios de madeira possuem mais durabilidade que navios feitos com ligas metálicas, uma vez que a madeira não sofre o processo 
de corrosão.
Devido à corrosão, as ligas metálicas não são colocadas em contato direto com o solo.
As ligas metálicas possuem mais usos nas indústrias que os metais na sua forma pura.
O tratamento térmico não aumenta a resistência da liga, apenas a deixa mais durável.
Justificativa
Para um bom entendimento do conteúdo, os princípios físicos das ligas metálicas devem ser estudados. Não é suficiente 
reconhecer as características físicas do material, como também as condições físicas no momento da solicitação. Por 
exemplo, não se devem construir estruturas utilizando materiais que apresentem o comportamento de transição dúctil-frágil 
caso haja utilização em temperaturas abaixo da temperatura de transição, para evitar fraturas frágeis e catastróficas. 
A figura mostra uma ruptura de uma ponte metálica, no Canadá, ocorrida em 1951. A estrutura rompeu de forma frágil, em 
uma noite de inverno (-30 ºC), em um momento no qual a ponte não estava sequer submetida a uma grande solicitação.
Pesquise sobre outros fatos como esse. Uma das possíveis causas do navio Titanic ter afundado rapidamente é que, no 
momento da colisão, seu casco estava a uma temperatura muito baixa, e, no choque, sua estrutura inteira “trincou”, 
rompendo os rebites estruturais do casco, causando seu rápido afundamento.
Identifique:
Os motivos que levaram a couraça do navio a trincar em toda sua extensão.
Os materiais atuais que impediriam que esse problema fosse tão grave.
Site para referência: , acessado em 14/06/2016.
Resposta Correta
Glossário