2 - Relação estrutura-propriedades

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GRUPO DE ESTUDOS SOBRE FRATURA DE MATERIAIS 
DEMET/EM/UFOP 
RELAÇÃO ESTRUTURA-PROPRIEDADES
ESTRUTURA DE MATERIAIS
FABRICAÇÃO
ESTRUTURA
PROPRIEDADES
DESEMPENHO
METALURGIA FÍSICA
ex: dureza vs estrutura do aço
• Propriedades dependem da Estrutura
ex: estrutura vs taxa de resfriamento do aço
• Processamento pode alterar a Estrutura
H
a
rd
n
e
s
s
 (
B
H
N
)
Cooling Rate (ºC/s)
100
200
300
400
500
600
0.01 0.1 1 10 100 1000
(d)
30 m
(c)
4 m
(b)
30 m
(a)
30 m
Conceitos teóricos para desenvolvimento de
produtos:
Encruamento
- Densidade de discordâncias
Solução sólida
- C, Mn, Si, P
- Átomos de C para “bake hardening”
Precipitação
- Carbonetos, nitretos (Nb, Ti, V, etc)
Refino de grão
- Equação de Hall-Petch
Transformação de fase
- Simples, “dual-phase”
- “Multi-phase”, TRIP
4
2
1
2
1
1
10125,6
ln
8,10
x
X
X
f
dkckbG LEii
i
NPLE
Exemplos de 
adequação da 
relação estrutura-
propriedades 
para atender a 
uma aplicação
Utensílios 
domésticos
Construção 
civil
DutosAutomobilístico
Aeronáutico
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O AÇO LAVA, PASSA, COZINHA , CONGELA E ALIMENTA
Aços inoxidáveis são a solução
preferida quando se trata do
processamento, da estocagem e do
transporte de alimentos e bebidas.
Podutos de aço inoxidável fornecem
a adequada resistência à corrosão sob
o incessante ataque de sais e de
acidos contidos na comida, além de
terem uma superfície neutra ao
paladar, que é facilmente limpa.
CONSTRUÇÃO: estruturas de concreto x estruturas em aço
CONSTRUÇÃO: estruturas de concreto x estruturas em aço
CONSTRUÇÃO: estruturas de concreto x estruturas em aço
ESCOLA DE MINAS – CAMPUS UNIVERSITÁRIO
CONSTRUÇÃO CIVIL: AÇO RESISTENTE À CORROSÃO ATMOSFÉRICA
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AÇOS RESISTENTES À CORROSÃO ATMOSFÉRICA
REICHSTAG, BERLIM, ALEMANHA
Museu do Louvre, Paris, França
Tour Eiffel, Paris, França. Quando os 320m desta torre foram
construídos em 1889, foram necessárias 7.000ton de aço. Com
aços estruturais de elevada resistência mecânica , e novas
tecnologias de união, atualmente seriam necessárias 2.000ton de
aço.
NINHO DE PÁSSARO, PEQUIM, CHINA
CUBO D’ÁGUA, PEQUIM, CHINA
Estação ferroviária central de Berlim, Alemanha. Com uma altura de
16m, uma emaranhada construção de aço atravessa as plataformas
sobre uma distância de 68m. As armações no teto pesam entre 40 e
50ton cada uma.
Torre “Taipei 101” em Taiwan. Com uma
altura de 508m e 101 andares , trata-se de
um dos edifícios mais altos do mundo. A
capacidade do aço de absorver cargas com
resposta elástica é um pre-requisito
essencial para a estabilidade desta
construção.
Graças ao seu baixo peso, instalação fácil e rápida, e
segurança contra incêncio, estruturas metálicas de aço
conformado a frio têm sido largamente aplicadas na
construção de residências e prédios comerciais, incluindo
a criação de novos espaços e ampliação de andares.
Paineis de aço tratados superficialmente e revestidos têm
sido aplicados com sucesso no teto e nas paredes de
prédios comerciais e industriais.
O rádio-telescópio “Effelsberg, na Alemanha, é um
exemplo de que grandes e complexas estruturas metálicas
podem ser construídas com extrema precisão. A
construção móvel tem um diâmetro de 100m e um peso de
aproximadamente 3.280ton. A tolerância dimensional é
menor do que 1mm.
Agulhas de tiras de aço com geometria intrincada para
operações complexas de tecelagem garantem o trabalho
livre de interrupções em fábricas de produção têxtil, em
velocidades extremamente elevadas .
Cambridge, UK
Ironbridge Gorge, UK
London, UK
London, UK
PONTE JK - BRASÍLIA
PONTE de MILLAU NA FRANÇA: A PONTE MAIS ALTA DO MUNDO
343 m de altura; 2,5 km de comprimento.
O recorde na construção de vão livre de uma ponte é mantido pela Ponte Akashi Kaikyo, no Japão, com 1.991m.
Cada um dos dois cabos de aço suspensos pelas duas torres de aço (25.000ton de aço, 297m de altura) tem um
diâmetro de 1,12m, compreendendo 36.830 fios individuais. Eles suportam a ponte de aço de 3.911m de comprimento.
PONTE SETO NO JAPÃO: AÇO DE ALTA RESISTÊNCIA MECÂNICA 
PARA CABOS DE SUSTENTAÇÃO
PONTE SETO NO JAPÃO : Características gerais
• Completada em abril de 1988.
• Composta por 3 pontes suspensas, 2 pontes montadas por cabos, 4 pontes 
elevadas e 1 ponte suporte.
• Comprimento de 9.368m.
• 660.000 toneladas de aço.
• Aço para os cabos de sustentação: alta resistência – 1,6 GPa ou 4 vezes a 
resistência de um aço carbono ordinário.
• Características da maior ponte suspensa:
a) comprimento – 1.723m.
b) largura – 1.100m.
c) peso das vigas – 43.000 ton.
d) cabos: compostos de 34.417 fios de diâmetro 5,1mm.
e) diâmetro do cabo – 1,06m.
f) peso do cabo – 25.000ton.
• Vantagem de utilização de aço de alta resistência = redução da área 
transversal dos membros e, portanto, de seu peso.
Na engenharia aeronáutica, aviões como o B-747
Jumbo e o Airbus A-380 pesam mais de 400ton na
aterrissagem, necessitando de um trem de pouso
resistente. Estes dispositivos são fabricados de aços
temperados e revenidos, com resistência mecânica em
torno de 2.000MPa, e uma geometria
excepcionalmente delgada para recolhimento na
fuselagem durante o voo.
Aços Cr-Ni resistentes à corrosão são usados em
tanques para transporte de gás liquefeito em foguetes
espaciais, numa temperatura da ordem de -160oC.
Somente o aço é capaz de oferecr a tenacidade
criogênica necessária para garantir segurança e
confiabilidade .
Tubos de aço resistentes a elevadas temperaturas
são utilizadas em caldeiras a vapor. Sua composição
química possui certos elementos de liga, como V,
Nb, Ti e B, que formam soluções sólidas e
precipitados estáveis, e auxiliam no aumento da
resistência mecânica. Um aço com soldabilidade
melhor é desenvolvido, sem necessidade de
tratamento térmico pós-soldagem.
Rotores de turbinas e geradores são confeccionados
com os chamados aços “super-clean”. Trata-se de
aços CrMoV e NiCrMoV, que contêm muito pouco
teor de Si, Mn e P, e baixíssimo teor de As, Sb e Bi.
Estes aços são capazes de apresentar elevada
resistência contra fluência.
LIMPIDEZ E RESISTÊNCIA À FADIGA
Sempre quando energia elétrica é gerada, transformada ou convertida em trabalho mecânico,
chapas e tiras de “aços elétricos” são utilizados. Estes aços garantem que as perdas por histerese e
correntes parasitas sejam minimizadas. Como resultado, geradores de energia de larga escala e
transformadores de alta potência operam com elevada eficiência, e a energia elétrica chega ao
consumidor sem perda significativa.
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DESENVOLVIMENTO DE AÇOS ELÉTRICOS
Enquanto em 1975 o peso em serviço de um
guindaste fabricado de aço estrutural era de 95ton
para uma capacidade de levantamento de 140ton, a
utilização de um aço estrutural de elevada
resistência mecânica com refino de grão permite
que um moderno guindaste com capacidade de
levantamento de 200ton pese apenas 60ton.
Aços estruturais especiais obtidos por têmpera e
revenido , com 0,7 a 1,5%Cr, endurecidos até
500HB, exibem elevada resistência ao desgaste
abrasivo e ao atrito superficial. Estes aços são
usados, por exemplo, em carrocerias de grandes
caminhões. Graças ao rigoroso controle de
elementos de liga, o comportamento destes aços
durante o corte e a soldagem é significativamente
melhorado.
ENDURECIMENTO POR REFINO DE GRÃO
Atualmente, o sistema de transporte ferroviário
utiliza locomotivas que viajam a uma velocidade de
300km/h. Esta elevada velocidade exige constante
inovação no projeto do trem como, por exemplo, na
forma de melhorados truques de guia e conjunto de
rodas, com a utilização de aços de elevada
resistência mecânica.
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Outro exemplo de inovação no projeto no setor
ferroviário consiste na utilização de trilhos cuja
seção transversal apresenta adequado
endurecimento superficial e com tenacidade elevada
em seu interior. Esta combinação permite o
desenvolvimento de trilhos com resistência ao
desgaste cerca de trêsvezes superior ao normal,
garantindo segurança e redução no custo de
manutenção. Em adição, é possível a construção e
instalação de trilhos com comprimento de até 120m
(trilhos convencionais têm um comprimento de 30 a
60m), reduzindo de forma significativa o número de
juntas soldadas e o número de pontos de fraqueza
dos trilhos.
O sistema avançado de transporte ferroviário por intermédio da levitação magnética exige uma
demanda enorme de aços especiais. Os trilhos apropriados são fabricados de aço elétrico especial,
com propriedades magnéticas adequadas.
AÇOS PARA DUTOS
Plantas de processamento, vasos de pressão e tanques
usados na indústria química são comumente expostos a
um meio agressivo, em algumas situações com problemas
adicionais de elevada pressão e extrema temperatura.
Aços inoxidáveis oferecem uma ótima solução para estas
aplicações.
A extração e o transporte de petróleo e gás natural
exigem a utilização de tubos de aço resistentes a cargas
compressivas, trativas e torcionais, resistentes ao meio
agressivo e resistentes a flutuações de temperatura sob
enormes distâncias no solo, no subsolo e no oceano.
Tubos para transmissão de gás e petróleo
A maior parte das especificações para dutos está baseada em
normas do American Petroleum Institute – API, que introduziu
em 1948 o grau API 5L X42 (tensão limite de escoamento de 42
ksi).
No desenvolvimento de aços para dutos, além da resistência
mecânica, deve-se atentar para tenacidade, soldabilidade,
resistência à trincas induzidas por hidrogênio, resistência à fadiga
nas juntas soldadas e resistência à corrosão.
A fabricação de dutos envolve o processo de conformação sem
costura, ou então a solda por arco submerso (SAW) ou a solda por
resistência elétrica (ERW).
O Japão é um dos líderes na produção de dutos. A figura acima mostra um resumo
dos processos e faixas de tamanho disponíveis no país em 1981.
Laminação contínua (~ 300 mil ton/ano)
* diâmetro de 1 ½” a 7”
* esp. parede de 2,3mm a 30,0mm
Laminação automática (~ 260 mil ton/ano) 
* diâmetro de 6” a 14” * 
esp. parede de 6,3mm a 38,0mm
Perfuração
Fonte: Silva,J.M.S., I Workshop ABM, 2007 
DUTO SEM COSTURA
V & M TUBES
Tipos de soldagem
Solda reta (UOE, JCO, 3-roll bending): tradicionalmente usado 
em tubulações de gás e petróleo. 
Solda helicoidal (ou “espiral”): utilização crescente na indústria 
de petróleo e gás. Várias companhias já adotaram em projetos 
(Kinder Morgan, El Paso, CNPC).
Solda por resistência elétrica (ERW): disponível em diâmetros até 
aproximadamente 24 pol. (~610mm). Uso crescente na indústria 
do petróleo e gás.
Fonte: Siciliano,F., I Workshop ABM, 2007 
Fonte: Siciliano,F., I Workshop ABM, 2007 
Mercado de chapas grossas (solda reta):
Demanda alta (dutos, infra-estrutura, transporte, 
equipamentos pesados);
Oferta restrita por produtividade, especialmente para aços 
API processados convencionalmente.
Mercado de BQ (espiral e ERW):
Demanda alta (dutos, infra-estrutura,transporte);
Aços API podem ser processados com menor perda de 
produtividade.
Fonte: Fritz,M., I Workshop ABM, 2007 
SOLDA RETA
TENARIS CONFAB
Fonte: Fritz,M., I Workshop ABM, 2007 
SOLDA HELICOIDAL
TENARIS CONFAB
Fonte: Fritz,M., I Workshop ABM, 2007 
SOLDA ERW
TENARIS CONFAB
- The High Frequency current (100 to 400 KHz) is transmitted 
by sliding contacts or induction coils.
- The current travels up and down the Vee heating the edges. 
- The squeeze rolls supply the mechanical pressure necessary to 
forge the edges and produce the weld. 
- There is not addition of filler metal.
Processo de Soldagem – ERW
Fonte: Fritz,M., I Workshop ABM, 2007 
Evolução na Produção de Aços API´s
No Mundo
Fonte JFE e NSC
No Brasil
Fonte Usiminas
1980 1985 1990 1995 200019751960 20102005
X60
X65
X70
Início do fornecimento
Testes Industriais 
X80
X100
X120
Início de Desenvolvimento 
X52
X65
X60 Suor Gás
X70
Início do fornecimento
X80
Início de Desenvolvimento 
Década CG TQ
60 A/B ~ X52
70 A/B ~ X60
X60,
H40 e J55
80 X65
X65,
J55 e K55
90 X70 e X80 X70
00 X80
X70 e X80,
N80/L80/P110
Fonte: Taiss,E.J.M., I Workshop ABM, 2007 
Atendimento à Demanda Tecnológica
 Entre produtores de aço com capacidade de atender a demanda tecnológica, destaca-se:
NIPPON STEEL
JFE
EUROPIPE
V & M TUBES
 Vale ressaltar que tratam-se de Siderúrgicas que possuem o “Accelerate Cooling” possibilitando atender a
demandas CEQ baixo, composição química menos carregada, maior faixa dimensional, melhor performance
de soldabilidade.
 Com a implantação do Processo de “Accelerate Cooling” na linha de Chapas Grossas, a Usiminas estará apta
a ingressar neste seleto grupo viabilizando o atendimento da demanda dos graus API 5L X70 restritivos e X80,
além de possibilitar o desenvolvimento para graus superiores, como X90, X100 e X120.
Características de “Line Pipe” de última Geração
 Composição química restrita;
 Baixa quantidade de elementos residuais, principalmente fósforo e enxofre;
 Diminuição da segregação central em chapas e bobinas;
 Controle das inclusões não-metálicas;
 Redução de defeitos internos (laminations, trincas, etc);
 Restrição do range nos valores de propriedades mecânicas (LE, LR, Charpy, CTOD, Integral J)
Atendimento à Demanda Tecnológica
Fonte: Taiss,E.J.M., I Workshop ABM, 2007 
RH
Melhoria da limpidez com a redução de N ( 0,070%), O ( 0,002%), e H ( 0,0002%,).
Redução da dispersão de composição química e de propriedades mecânicas.
Redução de recusas internas em aços de alta resistência*.
Possibilitar redução de CEQ (carbono equivalente) e adição de ligas.
Possibilita a produção com produtividade e qualidade no “Estado da Arte”.
Principais Investimentos Associados ao Resfriamento Acelerado são imprescindíveis em uma Configuração 
Tecnológica adequada ao atendimento ao Mercado....
FORNO PANELA E REFINO SECUNDÁRIO
Relação adequada de Ca/S 1,5 e Al/N 2. Requisitos básicos para aços API- Norma ISO3183.
Reduzir o teor de fósforo (P) com duplo sopro. P 0,015%
Redução do teor de enxofre (S) para 0,002%. Fusão da Norma ISO3183 e AP-5L.
Investimentos Associados ao Accelerate Cooling
INVESTIMENTOS EM CHAPAS GROSSAS
Aumento da produção com a instalação de forno de reaquecimento e laminador desbastador
Automação da linha de chapas com aumento de potência.
Instalação de uma desempenadeira e prensa e atualização da linha de tesouras e ultra som.
Fonte: Taiss,E.J.M., I Workshop ABM, 2007 
Evolução dos aços para dutos
Grau
Composição
Química
(em % peso)
Processamento Microestrutura
X42-X52 C (0.10~0.25)-Mn
como laminado ou 
normalizado
Ferrita + Perlita
X56-X65
C (0.12~0.26)-
Mn-Nb(V)-Ti
TMP Ferrita + Perlita
X60-X70
C (0.05~0.12)-
Mn-Nb(V)-Ti
TMP
Ferrita + pequena 
Perlita
X70-X80
C (0.05~0.09)-
Mn-Nb-Mo-Ti
TMP+ resfriamento 
acelerado
Ferrita acicular
X80-
X120
C (0.02-0.07)-Mn-Nb-
B-Mo-Ti (Ni,Cu )
TMP+ resfriamento 
acelerado
ou têmpera direta + 
revenimento
Bainita 
ultra-baixo carbono
Fonte: Fritz,M., I Workshop ABM, 2007 
Evolução de aços de elevado desempenho para dutos: influência da microestrutura e do processo de produção
em propriedades mecânicas.
1965
1975
1985
Processamento termo-mecânico com resfriamento acelerado.
0 1 2 3 4 5
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
X80-X120X70-X80X60-X70X52-X60
C
a
rb
o
n
 C
o
n
te
n
t,
 W
t%
Steel Grade
0 1 2 3 4 5
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
X80-X120X70-X80X60-X70X52-X60
S
ul
ph
ur
 C
on
te
nt
, W
t%
Steel Grade
Fonte: Fritz,M., I Workshop ABM, 2007 
Controle da composição química
Controle da microestrutura
Fonte: Fritz,M., I Workshop ABM, 2007 
A era do pré-sal
Fonte: Dapiaz,G. E Palmieri,I., 
ABM, 2011 
Fonte: Dapiaz,G. E Palmieri,I., 
ABM, 2011 
Fonte: Dapiaz,G. E Palmieri,I., 
ABM, 2011 
Fonte: Dapiaz,G. E Palmieri,I., 
ABM, 2011 
A era do 
pré-salDesafios 
Tecnológicos
Materiais
Profundidade 
elevada
Pressão e/ou 
Temperatura 
elevadas
Soldabilidade
Corrosão
Trincas p/hidrogênio
Fadiga
Tenacidade
Indústria de bicicletas – materiais candidatos para o quadro de uma bicicleta.
AÇOS PARA O SETOR
AUTOMOTIVO
Fonte: D.Matlock, IX SBPMat, 2010, Ouro Preto
Aços conformados a quente para a
estrutura interna do VW Passat.
Projeto ULSAB: redução de 25%
no peso do automóvel, sem
prejuizo de desempenho,
segurança e custo.
Paineis de aços com distintas composições
químicas, espessuras ou tratamentos superficiais,
soldadas por laser e então conformadas no produto
final desejado.
Indústria automobilística - desafios a partir de movimentos ambientais da
década 1960.
Fonte: Godefroid,L.B., II Workshop ABM, 2008 
Crescimento no 
consumo de 
petróleo
Poluição 
urbana
Alterações 
climáticas 
globais
Relação entre consumo de combustível e a massa do veículo.
Indústria automobilística - utilização de materiais leves no setor de transportes.
Material candidato Material trocado Redução de peso (%) Custo relativo
Aço ARBL Aço comum 10 - 25 1
Alumínio Aço, ferro fundido 40 - 60 1,3 - 2
Magnésio Aço ou ferro fundido 60 - 75 1,5 – 2,5
Magnésio Alumínio 25 - 35 1 – 1,5
Compósito GFRC Aço 25 - 35 1 – 1,5
Compósito CFRC Aço 50 - 60 2 - 10
Compósito matriz Al Aço ou ferro fundido 50 - 65 1,5 - 3
Titânio Aço ligado 40 - 55 1,5 - 10
Aço inox Aço carbono 20 - 45 1,2 – 1,7
Fonte: Godefroid,L.B., II Workshop ABM, 2008 
Indústria automobilística - objetivos do consórcio Auto/Steel Partnership.
Redução de peso (50%)
Custo (igual até +5%)
Vida útil (igual)
Reciclabilidade
Transferência de tecnologia
Fonte: Godefroid,L.B., II Workshop ABM, 2008 
Projeto de chapas de aço
Balanço entre resistência e formabilidade
Fonte: Godefroid,L.B., II Workshop ABM, 2008 
Fonte: Godefroid,L.B., II Workshop ABM, 2008 
Fonte: Godefroid,L.B., II Workshop ABM, 2008 
Fonte: Godefroid,L.B., II Workshop ABM, 2008 
Fonte: Godefroid,L.B., II Workshop ABM, 2008 
Fonte: Godefroid,L.B., II Workshop ABM, 2008 
Fonte: Godefroid,L.B., II Workshop ABM, 2008 
Fonte: D.Matlock, IX SBPMat, 2010, Ouro Preto
90%
10%
Aço baixo carbono
Aço alta resistência
50%
33%
17%
Aço baixo carbono
Aço alta resistência
Aço avançado de alta resistência
Resultado do teste de impacto frontal empregado na indústria automobilística.
(a) veículo da década de 90 do século passado
(b) veículo de 2005
78
AÇOS USADOS NO SISTEMA DE EXAUSTÃO DE AUTOMÓVEIS
Projeto moderno de exaustão de automóvel, feito de
chapas de aço inoxidável austenítico. Comparado com
o tradicional sistema fundido, há uma redução de 30%
de peso, com redução da temperatura no
compartimento do motor.
Convertedor catalítico com substratos fabricados de
folhas de aço com 0,04mm de espessura. Comparado
com a versão monolítica de cerâmica, o aço oferece
uma substancial economia de combustível.
Deutsches Museum, München, DE
MATERIAIS PARA 
APLICAÇÕES 
AERONÁUTICAS
Indústria aeronáutica – materiais candidatos para a estrutura de um avião.
LIGAS DE ALUMÍNIO desenvolvidas
para a aviação.
A nova frota de aviões da EMBRAER.
Cronologia de entrada em operações de diversos modelos de aviões da Boeing.
Cronologia de utilização de ligas de alumínio na indústria aeronáutica.
LIGAS DE ALUMÍNIO desenvolvidas 
pela ALCOA para o Boeing 777.
Diversos materiais empregados no Boeing 777.
Distribuição em peso de materiais no Boeing 777.
Utilização de diversos materiais na fabricação do avião stealth bomber.
B-2 Spirit
F-117
Utilização de diversos materiais compósitos avançados no bombardeio B-2 da U.S.A.F.
Utilização de diversos materiais na fabricação do Space Shuttle.