Aço: Definição, Vantagens e Processo de Produção

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Aço
Prof. Talles Mello
www.tallesmello.com.br
Definição
O aço é uma liga de ferrocarbono com outros elementos adicionais (silício, manganês, fósforo, enxofre etc.), resultante da eliminação total ou parcial de elementos inconvenientes que se fazem presentes no produto obtido na primeira redução do minério de ferro. O teor de carbono nessa liga varia de 0 a 1,7%.
Minério de ferro
Retirado do subsolo, porém muitas vezes é encontrado exposto formando verdadeiras montanhas. 
Principais minérios: Hematita (Fe2O3), Pirita (FeS2) e Magnetita.
Para retirar as impurezas, o minério é lavado, partido em pedaços menores e em seguida levados para a usina siderúrgica.
A obtenção do ferro a partir de seus minérios ocorre nos alto-fornos, em presença de carbono (carvão).
Aço
Vantagens
Diminuição no peso e nas dimensões das estruturas.
Permite vãos maiores com menor custo em fundações.
Maior rapidez na execução que o C.A.(in loco).
Facilidade de montagem e menor preço de transporte que C.A. pré-moldado.
Permite acréscimos e reforços sem muitas dificuldades.
Permite desmontagem para reuso ou venda como sucata.
Desvantagens
Exige maior conservação que o C.A.
Exige maior especialização da mão-de-obra de montagem, elevando os custos.
Exige proteção contra incêndio, aumentando os custos.
Estrutura de aço é mais onerosa que o C.A.
Aço: Formas Comerciais
Perfilados - São vergalhões laminados em perfis especiais tais como: L (cantoneira), U, T, I (duplo T), Z.
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Aço: Formas Comerciais
Chapas - São laminados planos, encontradas no comércio nos seguintes tipos:
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.
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Esquema de produção
https://www.youtube.com/watch?v=vrgQaq3Y0IU
Obtenção do aço
O ponto de partida para obtenção do aço é o minério de ferro. 
Generalizando, pode-se resumir o processo de transformação do minério em aço em quatro grandes estágios: preparação ou tratamento do minério e do carvão; redução do minério de ferro; refino e tratamento mecânico.
Preparação ou tratamento do minério e do carvão
A primeira fase consiste na preparação do mineral extraído da natureza, geralmente feita a céu aberto, visto que a sua ocorrência é em grande quantidade.
Nessa fase o material é passado por britadeiras, seguida de classificação pelo tamanho. É lavado com jato de água, para eliminar argila, terra etc.
Como o minério deve entrar no alto forno com granulometria padronizada, os pedaços pequenos são submetidos à sintetização ou pelotização, para se aglutinarem em pedaços maiores.
O coque é um combustível obtido com o aquecimento do carvão mineral, resultando carbono e cinzas.
Atualmente costuma-se misturar, já nesta fase, um fundente (como o calcário), necessário à formação da escória de alto forno, que abaixa o ponto de fusão da mistura, e com isso se obtém maior eficiência das operações de alto forno.
Coqueria: https://www.youtube.com/watch?v=lPR04Zmw1Nk&t=1s
Matérias Primas: https://www.youtube.com/watch?v=EWJ9LdJCahc
Sinterização: https://www.youtube.com/watch?v=vSZTPnHjiR8&t=1s
Redução do minério de ferro
A redução tem como objetivo retirar o oxigênio do minério, que assim será reduzido a ferro, e o separa da ganga. Esta é o resultado da combinação de carbono (coque) com o oxigênio do minério.
Em temperaturas elevadas, as reações químicas que ocorrem entre o coque e o minério de ferro separam o ferro do oxigênio. Este reage com o carbono do coque, formando dióxido de carbono (CO2), principalmente.
Simultaneamente, a combustão do carvão e o oxigênio do ar fornecem calor para fundir o metal reduzido e a ganga, que se combina ao mesmo tempo com os fundentes, formando a escória que se separa do ferro no estado líquido, em virtude do seu menor peso específico.
Esse processo se passa no alto forno, com altura de 50 m a 100 m. Um elevador alimenta o forno, pela boca superior, com o minério de ferro, coque e o fundente. Na sua base é injetado ar quente. A temperatura varia de 1000°C no topo a 1500°C na base.
Na base do alto forno obtém-se a escória de alto forno e o ferro gusa, que é quebradiço e tem baixa resistência, por apresentar altos teores de carbono e de outros materiais, entre os quais silício, manganês, fósforo e enxofre.
Auto Forno: https://www.youtube.com/watch?v=UtMy4ZY3jgc
Refino
O refino é a transformação do ferro gusa em aço. Essa etapa é processada nas aciarias, com a diminuição de teor de carbono e de outros materiais. A transformação é feita pela introdução controlada de oxigênio.
O aço líquido é transferido para a segunda etapa do processo na aciaria, que é o lingoteamento contínuo, em que são produzidos os tarugos, que são barras de aço de seção quadrada e comprimento de acordo com sua finalidade. 
Nas lingoteiras, inicia-se o processo de solidificação do aço, com a formação e uma fina casca sólida na superfície do material.
Aciaria: https://www.youtube.com/watch?v=CrqfRuACeqE&t=42s
Laminação: https://www.youtube.com/watch?v=M98xHGalX-0&t=1s
Tratamento Mecânico
As próprias leis que regem a solidificação do aço líquido nas lingoteiras impedem a obtenção de um material homogêneo, resultando sempre num material com granulação grosseira, quebradiço e de baixa resistência. 
Por isso, a etapa final é o tratamento mecânico dos tarugos, que os transformam em produtos com características adequadas à sua utilização. 
Para aplicações estruturais, ele precisa sofrer modificações, o que é feito por dois tipos de tratamento: a quente e a frio.
Tratamento a Quente
Chama-se tratamento mecânico a quente quando a temperatura de trabalho é maior 720° (zona crítica), em que ocorre a recristalização do aço. Nessa situação o aço é mais mole, sendo mais fácil de trabalhar, pois os grãos deformados recristalizam-se em seguida sob a forma de pequenos grãos.
Nessas temperaturas há uma modificação da estrutura interna do aço, ocorrendo homogeneização e recristalização com a redução do tamanho dos grãos, melhorando as características mecânicas do material.
O aço obtido nessa situação apresenta melhor trabalhabilidade, aceita solda comum, possui diagrama tensão-deformação com patamar de escoamento, e resiste a incêndios moderados. Perde resistência, apenas, com temperaturas acima de 1150 ºC
Tratamento a Frio
Neste tratamento ocorre uma deformação dos grãos por meio de tração, compressão ou torção. Resulta no aumento da resistência mecânica e 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 (720º C). Os grãos permanecem deformados e diz-se que o aço está encruado.
Arame recozido para montagem de armaduras
Barras e Fios
A NBR 7480:2007 “Aço destinado a armaduras para estruturas de concreto armado” fixa as condições exigíveis na encomenda, fabricação e fornecimento de barras e fios de aço destinados a armaduras para concreto armado, com ou sem revestimento superficial. 
Classificam-se como barras os produtos de diâmetro nominal 6,3 mm ou superior, obtidos exclusivamente por laminação a quente, sem processo posterior de deformação mecânica. O diâmetro nominal de 5 mm foi retirado em relação à versão anterior dessa norma, a NBR 7480:1996. 
A e B (Fio e Barras)
No que ser refere à resistência, os aços dos tipos A e B não apresentam diferenças. Basicamente, o que diferencia é o processo de fabricação. O tipo A é obtido por laminação a quente, enquanto o tipo B é obtido por encruamento a frio após a laminação a quente. Este último, em geral, apresenta custo de fabricação menor do que o do tipo A.O aço do tipo B, quando aquecido posteriormente, ao processo de fabricação, perde parte de sua resistência à tração. Assim, a soldagem desses aços deve ser feita, quando necessário, com uso de técnicas especiais (de acordo com a NBR 6118). Como decorrência das diferenças das técnicas de fabricação, os diagramas tensão-deformação desses tipos de aço apresentam as seguintes diferenças:
- os aços do tipo A caracterizam-se pela linearidade do diagrama tensão-deformação até o limite de escoamento e pela presença de um patamar de escoamento bem definido a partir desse valor de tensão;
- os aços do tipo B não apresentam patamar de escoamento definido, sob a sua tensão de escoamento definida convencionalmente como a tensão sob a qual, feita a descarga do corpo-de-prova num ensaio de tração simples, resulte uma deformação plástica de 0,2%.
Resumo do Processo Produtivo
A usina siderúrgica é a responsável pela transformação do minério de ferro em aço, de maneira que ele possa ser usado comercialmente. Este processo tem o nome de Redução. Primeiramente, o minério – cuja origem básica é o óxido de ferro (FeO) – é aquecido em fornos especiais (alto fornos), em presença de carbono (sob a forma de coque ou carvão vegetal) e de fundentes (que são adicionados para auxiliar a produzir a escória, que, por sua vez, é formada de materiais indesejáveis ao processo de fabricação). 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 3,5 a 4,0% de carbono em sua estrutura. Como resultado de uma segunda fusão, tem-se o ferro fundido, com teores de carbono entre 2 e 6,7%. Após uma análise química do ferro, em que se verificam os teores de carbono, silício, fósforo, enxofre, manganês entre outros elementos, o mesmo segue para uma unidade da siderúrgica denominada aciaria, onde será finalmente transformado em aço. O aço, por fim, será o resultado da descarbonatação do ferro gusa, ou seja, é produzido a partir deste, controlando-se o teor de carbono para no máximo 2%. O que temos então, é uma liga metálica constituída basicamente de ferro e carbono, este último variando de 0,008% até aproximadamente 2,11%, além de certos elementos residuais resultantes de seu processo de fabricação. 
Aderência
A aderência mecânica é decorrente da existência de nervuras ou entalhes na superfície da barra. Este efeito também é encontrado nas barras lisas, em razão da existência de irregularidades próprias, originadas no processo de laminação das barras.
As nervuras e os entalhes têm como função aumentar a aderência da barra ao concreto, proporcionando melhor atuação conjunta do aço e do concreto.
Corrosão do Aço
Corrosão é a deterioração de metais causada por processos eletroquímicos das reações de oxirredução. Para entender melhor como funciona esse processo, é importante esclarecer os seguintes conceitos:
Oxidação é a perda de elétrons.
Redução é o ganho de elétrons.
Reação de oxirredução é aquela em que ocorre transferência de elétrons entre os átomos evolvidos.
A corrosão, em geral, é provocada pelo oxigênio. Os metais têm uma capacidade de oxidação bem maior do que o oxigênio, sendo assim, tendem a perder elétrons para o oxigênio presente no ar atmosférico. O ferro, por exemplo, oxida-se facilmente quando exposto ao ar e à umidade. Nesse processo de oxidação do ferro (chamada de ferrugem)
Corrosão do Aço
A resistência à oxidação e corrosão do aço inoxidável se deve principalmente à presença do cromo, que permite a formação de uma película finíssima de óxido de cromo sobre a superfície do aço, que é impermeável e insolúvel nos meios corrosivos usuais.
Assim, podemos definir como aço inoxidável o grupo de ligas ferrosas resistentes à oxidação e corrosão, que contenham no mínimo 12% de cromo.
Corrosão:
O pH do concreto protege o aço. (O concreto normalmente possui pH entre 12,6 e 13,5)
Presença de cloro corrói sob qualquer pH
Densidade = 7,85 kgf/dm³ 
Dilatação térmica:
s = 1,2.10-5 m /m.ºC é ≈ concreto = 1,2x10-5 m/m.ºC
por isto trabalham em conjunto no caso de pequenas variações de temperatura
Condutibilidade térmica = 30 X maior que o do concreto
Aço: Comportamento Químico
Carbonatação
Todo o aço no interior do concreto encontra-se inicialmente protegido por uma camada (filme) de óxidos aderidos ao aço – originadas pela dissolução de hidróxidos presentes no cimento que saturam os poros do concreto conferindo-lhe um pH entre 13 e 14 -, que o protege da corrosão. A este fenômeno dá-se a denominação de passivação do aço.
O fenômeno contrário, a despassivação do aço é a ação responsável pelo fenômeno da corrosão das armaduras, e inicia-se com a presença de gás carbônico (CO2) na atmosfera circundante à estrutura. O gás carbônico penetra nos poros e fissuras do concreto, quando saturados de água, formando o ácido carbônico (H2CO3) que ocasiona a redução do pH da solução nos poros abaixo de 9, o que desestabiliza o filme passivante de óxidos e proporciona um processo de corrosão eletroquímica do aço, caracterizado pelo transporte, nesse meio aquoso, de íons ferro (Fe+) em sentido oposto ao transporte e precipitação de hidróxidos dissolvidos (CaCO3, Na2CO3, e K2CO3) formando uma pilha dentro da massa que com a formação de ferrugem e, por seu maior volume dentro do concreto, a ruptura (desplacamento) do concreto do cobrimento em diversos pontos das peças atacadas.
O fenômeno que precede a formação da pilha eletroquímica é denominado carbonatação do concreto e avança no concreto, da superfície para seu interior ao longo dos anos, em maior ou menor velocidade conforme as condições de porosidade, umidade, temperatura e presença de substâncias agressivas – como o CO2 – na atmosfera. O avanço da carbonatação é tanto mais veloz quanto menor é a qualidade do concreto, especialmente quanto à porosidade e fissuração, que se deve evitar com um bom projeto. Outra forma de retardar o avanço da carbonatação é aumentar a espessura do cobrimento das armaduras superficiais, pois o tempo para a total carbonatação e início da corrosão será tanto maior quanto maior esta camada de cobrimento.
http://www.cimentoitambe.com.br/carbonatacao-do-concreto/
Cobrimento mínimo
Os cobrimentos nominais apresentados em mm na terceira tabela acima, levam em consideração as falhas do processo produtivo (industrial) e construtivo (artesanal) e portanto consideram a impossibilidade de se obter retilineidade nas barras, quando aplicadas. O que se considera é que, se aplicado diretamente o cobrimento efetivo na obra, a não retilineidade das barras vai ocasionar que diversos pontos tenham um cobrimento menor, por conta das deformações das barras de superfície e estribos, além das imperfeições de amarração.
Maior tensão de escoamento e ruptura Menor deformação até a ruptura
(P.Helene)
Efeitos físicos do % de Carbono:
Maior % de Carbono
E= tg 
igual em todos no trecho linear
Composição Química do Aço
Aços Baixo Carbono
Usos:
 perfis estruturais e placas utilizadas na fabricação de tubos
 construção civil, pontes
- tubulações
aços baixo carbono = baixas resistência e dureza
altas tenacidade e ductilidade. 
(teor de carbono menor que 0,25%)
Aços Médio Carbono
maior resistência e dureza que os baixo teor de C
menor tenacidade e ductilidade que os baixo teor de C 
(teor de carbono 0,25% a 0,60%)
Usos:
 rodas e equipamentos ferroviários
 engrenagens
 virabrequins e outras peças de máquinas que necessitam de elevadas resistências mecânica, resistência ao desgaste e boa tenacidade.
Aços Alto Carbono
Usos:
 talhadeiras
 folhas de serrote
 martelos
 facas
maior resistência e dureza
menor tenacidade e ductilidade
(teor de carbono maior que 0,60%)
Os vergalhões não devem ficar em contato direto com o solo, nem expostos às intempéries, por muito tempo para não sofrer quantidade significativa de corrosão.
(Aulas USP)
(Aulas USP)
Armazenagem
Bancada de corte
Dobra
Montagem das armadurasBaias de armazenamento
Central de Armaduras
Cuidado realizar in loco!
Determinação das propriedades mecânicas à tração de materiais Metálicos - NBR-6152/80 (MB-4/77).
Para obter a curva tensão x deformação de um aço, assim como medir o módulo de elasticidade ou módulo de deformação longitudinal Es
Principais Ensaios
https://www.youtube.com/watch?v=CMdKW09HWzs
(adaptação de P.Helene)
AÇO – CA-50
Principais Ensaios
Determinação das propriedades mecânicas à tração de materiais Metálicos - NBR-6152/80 (MB-4/77).
Para obter a curva tensão x deformação de um aço, assim como medir o módulo de elasticidade ou módulo de deformação longitudinal Es
AÇO – CA-60
Metais frágeis e dúcteis
A ductilidade é definida como a capacidade do material, seção, elemento estrutural ou sistema estrutural, de experimentar deformações inelásticas sem a perda de sua capacidade resistente, atingindo a ruptura após um considerável acúmulo de energia inelástica de deformação. A ductilidade é uma medida da capacidade do elemento estrutural se deformar antes que a ruptura ocorra. A fragilidade, oposto à ductilidade, é a característica dos materiais que rompem bruscamente, sem aviso prévio (um dos principais fatores responsáveis por diversos tipos de acidentes ocorridos em pontes e navios).
(P.Helene)
Material Frágil = Pouco se deforma antes da ruptura.
Obedece a Lei de Hooke até a ruptura.
Ex. : ferro fundido,	concreto e vidro plano.
Aço: Deformação
Material dúctil com patamar de escoamento = Apresenta patamar de escoamento definido que caracteriza a tensão fy denominada resistência de escoamento do aço à tração. Ex.: aços doces com baixo teor de carbono, classe A, como os aços para concreto armado CA25 e CA50.
(P.Helene)
Aço: Deformação
(P.Helene)
Material dúctil sem patamar de escoamento = Não apresenta patamar de escoamento definido. A deformação plástica que segue à elástica não é reversível. A tensão fy convencional, de resistência de escoamento do aço à tração corresponde a uma deformação plástica irreversível de 0,2%. Ex.:Aços para concreto armado CA60.
Aço: Deformação
A tensão de cisalhamento produz um deslocamento de um plano atômico em relação ao seguinte. Desde que os vizinhos dos átomos sejam mantidos, está-se na faixa de deformação elástica.
Não ocorre ruptura das ligações atômicas
Retirando-se a tensão, o reticulado volta a forma original.
Aço: Deformação Elástica
Ocorre uma ruptura das ligações atômicas originais, seguida de uma recomposição com o átomo seguinte.
Aço: Deformação Plástica
Uma tensão maior faz com que se deformem pelo estado plástico, devido a escorregamento de um plano cristalino. Ocorre um deslocamento permanente; A retirada da tensão não implica no retorno dos planos cristalinos ás suas posições originais.
Principais Ensaios
Ensaio de dobramento :
Obedece a NBR-6153/80, consiste em efetuar um dobramento de 180o em torno de um cutelo de diâmetro prefixado. A amostra deve suportar o dobramento sem ruptura ou fissuração.
Diâmetro mínimo do pino porcategoria
Bitola adobrar
CA 25
CA50
CA60
- menor que20mm
2Ø
3Ø
5Ø
- igual ou maiorque20mm
4Ø
6Ø
-
Φ=DiâmetroNominal	CA50 32mmemaior, diâmetro dopino8Φ
https://www.youtube.com/watch?v=CVE8YFzwgys
Ancoragens
Posicionamento do macaco para protensão
Cordoalhas/Fios dentro de bainhas
Concreto Protendido
https://www.youtube.com/watch?v=2AihfVX13B4