AULA 3

Materiais de ConstruçãoII

II – Aços para Construção

Introdução ao estudo do Aço:

— Definição;

— Diagrama de Equilíbrio Ferro-Carbono

Produção do Aço:

— Tratamento do minério;

— Redução do minério;

— Obtenção do aço;

— Tratamentos do aço.

Definição:

Chama-se aço a liga de ferro com outros metais designadamente: manganês, silício,

molibdénio, crómio, níquel, etc., sendo essencialmente, uma liga de ferro com 0,2% de

carbono.

Diagrama de Equilíbrio Ferro-Carbono

O processo mais simples de obtenção de ligas é o de fusão. Consiste em misturar os

componentes fundidos numa proporção desejada. Pode também ser a mistura de um metal

infusível, pulverizado, com outro metal no estado de fusão.

A medida que se vai aquecendo um metal, vai aumentando a sua actividade orbital, até que

chega a um ponto em que começa a fusão. Enquanto toda a massa não está fundida, a

temperatura permanece constante e, depois da fusão total, a temperatura começa a ascensão.

O mesmo processo ocorre quando há esfriamento, a temperatura permanece constante até a

solidificação, normalmente abaixo da temperatura de fusão.

Fig. 1. Patamares de transformação de estado

Os patamares do diagrama de esfriamento e aquecimento correspondem a momentos em que

há formação de tipos diferentes de cristais.

Se se representar no eixo vertical a temperatura e no horizontal a percentagem de um dos

metais componentes da liga, ter-se-á o diagrama de equilíbrio (ou de estado metaestável).

Dificilmente se consegue o ferro puro. Apenas pela electrólise se consegue ferro com pureza,

e mesmo assim a 99,80%. O ferro sempre tem carbono junto e, conforme este carbono é

distribuído, variam as qualidades da liga. ―Aços com mesmo teor de carbono podem ter

propriedades bastante diferentes‖.

Além do carbono, outras substâncias incluem a liga Ferro-Carbono na fabricação e não se

conseguindo eliminá-las, dão determinadas e variadas propriedades a liga.

O diagrama de equilíbrio das ligas Ferro-Carbono, representa no eixo horizontal, as diversas

percentagens de carbono e, no vertical, as temperaturas de fusão. Ele monstra,

consequentemente, as transformações que sofrem os cristais nas diversas temperaturas e

dosagens.

Fig. 2. Diagrama Ferro-Carbono

Entre estes cristais encontram-se os de ferro puro (α, β, γ, δ), grafite, cementite, perlite,

austenite, esferoidite, martensite, ledeburite, etc..

A forma alotrópica α é chamada ferrite. Os átomos têm distribuição cúbica magnética,

existente no ferro entre 0 a 770oC. Entre 770 e 910oC forma-se o ferro β, também cúbico

centrado mas não magnético. Entre 910 e 1390 oC aparece forma cúbica com cristais

centrados nas faces – forma γ. Entre 1390 e 1538 oC aparece a forma δ idêntica a anterior.

Em 1538 oC o metal funde.

À medida que se vai adicionando carbono, o quadro se modifica. O carbono na forma pura

cristalizada - grafite, não fica livre no interior do metal, combinando-se durante a

solidificação formando o carboneto de ferro ou Cementite, Fe3C.

Continuando-se a carbonetação, mas sem ir ainda a altas temperaturas, verifica-se que cada

grão de ferrite só aceita 0,80% de carbono associado, apresentando propriedades particulares

denominando-se perlite.

Ultrapassando o teor de 0,80% de carbono total, a cementite não encontra mais cristais de

ferro para se associar. Permanece livre e vai depositar-se no contorno intercristalino,

formando o cristal ledeburite.

Até 1,7% de carbono forma-se somente ledeburite e quando este limite é ultrapassado, o

carbono começa a aparecer puro, na forma de cristais de grafite misturados com ledeburite e

perlite. Neste ponto se deixa de ter aço para se ter ferro fundido, sendo este o limite até a qual

é possível esmagar o aço, por forjamento. Acima de 1,7%, as propriedades só podem ser

alteradas por processos químicos, ou seja, por alteração da constituição.

Finalmente, o ponto de 6,67% de carbono demarca a máxima carbonetação das ligas de ferro,

porque então os pesos atómicos servem para demonstrar que se tem novo composto, o

carboneto de ferro Fe3C, e não mais liga.

Isto tudo ocorre enquanto a liga não é levada acima de 727oC. Quando isto acontece, a

cementite dissolve-se no ferro circunvizinho, formando um novo tipo de cristal, a austenite.

Por exemplo, num aço com 0,65 de carbono a 800oC aparece a austenite ainda líquida. Se

deixado esfriar naturalmente a 648 oC, forma-se a perlite. Se e passar rapidamente de 800oC

até 315 oC forma-se um novo cristal, a bainite. E se for feita baixar bruscamente até 125 oC,

aparece a martensite. Estes novos cristais vão ter dimensões e disposições que dependem

daquelas que tinha a austenite.

Nota: a austenite uma vez transformada em perlite, bainite ou martensite, não se reconstrói,

sendo que, sempre é preciso ir a austenite para se obterem outros cristais. Razão pela qual se

chama a temperatura de 727 oC por temperatura crítica.

No entanto, os diagramas de equilíbrio facilitam a correcta escolha das ligas para

determinado trabalho tecnológico e permitem a caracterização das suas propriedades físicas e

mecânicas, com isso, também, é possível alterar fundamentalmente as propriedades iniciais

de um metal. Denomina-se em geral por tratamento a quente dos aços.

As ligas que cristalizam a uma dada temperatura para um dado sistema, chamam-se

Eutécticas e as que se encontram à esquerda e direita dessa, chamam-se Hipoeutécticase

Hipereutécticas, respectivamente.

―Liquidus‖- é uma curva acima da qual todas as ligas se encontram no estado líquido.

―Solidus‖- linha abaixo da qual todas as ligas se encontram no estado sólido.

Entre o líquido e sólido a liga consta de duas fases: a fase líquida e os cristais da liga.

Produção do Aço

A produção do aço é feita a partir da transformação dos minérios de ferro (existentes em

cerca de 5% na natureza) e compreende 4 fases:

1ª) Tratamento do Minério

A extracção é geralmente feita ao céu aberto e a concentração inicia-se com uma passagem

por britadeira, seguida por classificação por tamanho. O mineral é lavado com jacto de água

fria para eliminar argila, solos, etc. Os pedaços pequenos são aglutinados devendo a

granulometria estar entre 12 e 25 mm para entrada no alto forno.

Nesta fase procura-se enriquecer o teor de ferro no minério (até mais de 60%) e aglomerá-lo,

tendo como objectivo a redução de impurezas.

Os minérios de ferro apresentam-se sob a forma de carbonatos (siderita CO3Fe com 30 a

42% de ferro), óxidos (magnetita ou imã natural Fe3O4 com 45 a 70% de ferro, hematita ou

oca vermelha Fe2O3 com 50 a 60% de ferro, limonita ou hematita parda 2Fe2O3.3H2O com

20 a 60% de ferro) e sulfatos (piritas SFeem que o ferro é subproduto em cerca de 40%). A

ganga normal é a sílica.

2ª) Redução do Minério Tratado

Tem por fim retirar o oxigénio (O2) do ferro e separar a ganga, o que resulta da combustão

do carbono do coque com o oxigénio. Além disso, a combustão do coque com o oxigénio do

ar fornece o calor necessário a fundição do metal e da ganga (C+O2↔ 2CO).

O processo realiza-se num alto-forno com dois processos de redução que são:

a) Redução indirecta: Fe2O3 + CO → 2FeO + CO2

b) Redução directa: FeO + CO → Fe + CO2

No fundo do alto-forno (cadinho) extraí-se periodicamente o metal puro (ferro) e a escória,

dum lado e doutro, respectivamente.

O ferro assim obtido é o ferro gusa, impuro, com alto teor de carbono. Ë deixado solidificar

em moldes (leitos de areia) ou conduzido directamente para a aciaria. Por causa de certas

impurezas sobrantes (silício, fósforo, níquel, crómio, etc.), depois são refundidos em fornos

menores (chamados Cubilot), refinando-se mais.

Fig. 3. Esquema simplificado dum alto-forno

Conforme o teor de carbono e a velocidade de resfriamento, ao solidificar-se pode ser:

As escórias podem ser usadas como material de construção: fabrico de cimento, inertes,

pavimentação de estradas, etc..

3ª) Obtenção do Aço

A gusa contém habitualmente 3 a 6% de carbono, enquanto o aço só admite até 2,0%, então

faz-se a obtenção que consiste na redução dos teores de carbono, fósforo, silício, manganês,

etc., por aumento da temperatura da gusa até 1300 a 1600 oC.

A eliminação dos elementos referidos faz-se por oxidação recorrendo-se a 4 métodos

diferentes, dada a maneira de adição de oxigénio e aumento da temperatura, os quais:

1º Processo de Siemens-Martin (SM) - Usam-se queimadores à gás ou fuel, sendo

relativamente caro. O processo permite o uso de sucata que contém oxigénio. É um processo

demorado e de elevada capacidade (80 a 100 tonelada por hora);

2º Processo Linz-Donnawitz (LD) - O oxigénio é adicionado sob forma gasosa. É vantajoso

porque não há contacto do ferro com o ar mas apenas com o oxigénio. A ligação dos

elementos é exotérmica, o que favorece o ferro. Pode usar-se sucata. O tempo de ciclo do

processo é de 40 minutos com capacidade de 400 toneladas.

3º Processo por Afinação (TB) – Usam-se convertidores de Thomas-Bessemer. O processo é

semelhante ao anterior com a diferença no revestimento dos convertidores. Neste caso, o

revestimento é feito por elementos ácidos (argila e quartzo) usados em minérios básicos com

baixo teor em fósforo, enquanto que, no anterior o revestimento é em básicos (tijolo de

dolomite MgO) e usados em minérios ácidos. O oxigénio é fornecido pelo fundo do

convertidor.

4º Processo de Fundição no Forno Eléctrico (FE) – Usa-se para aços nobres ou com baixo

teor de carbono. Os materiais resultantes deste processo podem ser o aço não ligado, aço

ligado e aço carbono.

4ª) Enobrecimento do Aço

Nesta fase os aços são tratados com o fim de melhorar as suas propriedades mecânicas.

Dada a gama apreciada de tratamentos, podemos dividi-los nos seguintes grupos:

— Tratamentos térmicos – são processos térmicos de arrefecimento e aquecimento a que os

aços se submetem com o fim de modificar a sua estrutura para melhorar as suas

características sem alterar contudo as suas composições químicas.

— Tratamentos mecânicos – são processos de deformação (a quente ou a frio) do aço com o

fim de melhorar as suas propriedades mecânicas.

— Tratamentos Químicos – consistem em modificar a composição química de uma película

superficial da peça.

— Tratamentos superficiais – têm por finalidade melhorar as qualidades das superfícies das

peças. Trata-se de um depósito na superfície da peça a tratar sem alterar a composição

química.

Existem também os tratamentos termomecânicos e termoquímicos, que são combinações

feitas em determinada fase de produção.

a) Tratamentos Térmicos

O aço pode existir numa larga variedade de condições, desde o bem macio ao bem duro, e

pode ser mudado de uma maneira para outra através do tratamento térmico.

As propriedades do aço não são determinadas apenas pela proporção entre os constituintes

(essencialmente Ferro e Carbono), mas, pela forma como se combinaram. É o tratamento a

quente que pode alterar essa distribuição.

Os principais tratamentos térmicos são:

— Normalização – Serve para eliminar as tensões internas que aparecem naturalmente na

laminação ou outras formas de moldagem. Resulta um aço mais macio, menos quebradiço.

Leva-se o aço à temperatura acima da crítica, espera-se a transformação total em austenita e

deixa-se esfriar lentamente ao ar livre.

— Recozimento – consiste no reaquecimento do metal até uma determinada temperatura, na

permanência desta temperatura durante algum tempo e no subsequente resfriamento lento.

Resulta a eliminação das tensões que se originam na fundição e a elevação dos índices

tecnológicos do metal. As temperaturas adoptadas ficam próximas à crítica.

— Têmpera – consiste no aquecimento do metal até a temperatura de formação da austenita,

na permanência nessa temperatura durante algum tempo e no subsequente resfriamento

brusco (usa-se azeite ou água, etc.). O esfriamento pode dar origem a diferentes tipos de

cristais e dependa da velocidade com que se procede. Resulta no aumento da dureza, o limite

de elasticidade, a resistência à tracção e, diminui o alongamento e a tenacidade.

— Revenimento– é semelhante ao recozimento, porém é feito à temperaturas abaixo da linha

crítica e tem a finalidade de corrigir defeitos aparecidos durante uma têmpera. Esses defeitos

podem ser: excesso de dureza ou tensões internas.

— Beneficiamento – consiste em proceder em simultâneo a têmpera e o revenimento com o

fim de atingir alta tenacidade.

b) Tratamentos Mecânicos

O metal é sólido com cristais de tamanho uniforme. Quando submetido a esforços que

tendem a deformá-lo a frio, os grãos tendem a orientar-se no sentido da deformação (é o

encruamento)

O encruamento altera as propriedades mecânicas: aumenta a resistência a tracção e a dureza,

diminui a ductilidade e o alongamento.

Os tratamentos mecânicos comuns são:

— Laminagem – é a deformação longitudinal permanente devido a compressão transversal.

Existe laminagem a quente e a frio.

— Estiragem – é a deformação longitudinal permanente devido a tracção nas extremidades

das barras ou fios. É inconveniente por provocar ramificações nas secções por falta de

homogeneidade.

— Trefilagem – é a estiragem através de fieiras, reduzindo o inconveniente anterior. Recorre-

se antes a palentagem que garante a uniformidade e lubrificação com solução de Bórax.

— Torção – é o tratamento que resulta na melhoria da aderência (ao betão) quando a face é

nervurada em secção circular.

c) Tratamentos Químicos

Têm por finalidade enriquecer a camada superficial do aço com uma capa protectora onde

apareçam outros elementos. Conforme a substância empregada, ter-se-á a resistência ao

desgaste, à abrasão, à corrosão ou outras.

São eles: Cementação (com carbono); Nitretação (com o nitrogénio); Cianetação (com

carbono e nitrogénio); Aluminização (com alumínio); Cromagem (com cromo); etc..

2. Classificação dos Aços

Os aços podem ser classificados segundo:

— A sua composição química

a) Aços sem liga – nestes podem surgir outros elementos que não são, no entanto,

considerados elementos de liga. O seu teor depende do processo do fabrico e da sua matéria-

prima. Tais elementos não podem atingir os seguintes valores: Si 0,5%, Mn 1,5%, Al 0,1%,

Tt 0,05% e Cu 0,35%.

b) Aços com liga – são aqueles em que os elementos anteriormente considerados surgem com

teores superiores aos indicados ou surgem outros elementos de liga tais como: Cr, Ni, Mo e

W, intencionalmente adicionados.

c) Aços de pouca liga – o teor dos elementos de liga é inferior a 5% e nos de muita liga o

contrário.

— Teor de carbono

a) Aços Eutectóides– têm o teor de carbono correspondente a 0,8%, representado no diagrama

de equilíbrio.

b) Aços Hipoeutectóides e Hipereutectóides – com teores de carbono inferior e superior a

0,8%, respectivamente.

— Grau de desoxidação

a) Aços Calmados (R) – são aqueles que já sofreram completa desoxidação.

b) Aços Efervescentes (U) - são aqueles em que a desoxidação foi incompleta havendo

desprendimento durante a sua solidificação com formação de vazios e segregação do núcleo.

— Modo de produção

a) Aços TB (Thomas-Bessemer)

b) Aços LD (Linz-Donnawitz)

c) Aços SM (Siemens-Martin)

d) Aços FE (Forno Eléctrico)

e) Aços TL (Cadinho - são aços especiais)

— Aplicação

Os aços podem ser usados na construção para ferramentas, perfis metálicos, armaduras para

betão armado e pré-esforçado, em casos especiais, etc..

3. Nomenclatura Sistemática dos Aços

(1) Aços sem liga

- Nas Normas Portuguesa (NP), a nomenclatura baseia-se no valor da tensão de cedência;

- Nas Normas Alemãs (DIN), a nomenclatura baseia-se no valor da tensão de rotura mínima.

(2) Aços com liga

A designação técnica compreende:

- O valor característico de carbono;

- Os elementos de liga;

- Os valores característicos dos elementos de liga.

Ex.1: Faça a designação de um aço com a seguinte composição: C=0,34% e Cr=1,2%.

Então (0,34 x 100). Cr (1,2 x 4) → 34.Cr.4,8

Ex.2: Faça a designação de um aço com a seguinte composição: C=0,18%, Cr=2,0% e

Ni=2,0%. Então (0,18 x 100).Cr.Ni. (2,0 x 4). (2,0 x 4) → 18.Cr.Ni.8.8 ou mesmo 18.Cr.Ni.8

Nos aços de alta liga, evitam-se em geral os multiplicadores dos elementos acompanhantes.

Ex.3: Faça a designação do seguinte aço de alta liga: C=0,12%, cr=18% e Ni=8%.

Então X (0,12 x 100).Cr.Ni.18.8 → X12.Cr.Ni.18.8

Muitas vezes há interesse em designar a forma de fabrico, neste caso a primeira letra indica:

M – aço produzido em Siemens-Martin

T - aço produzido em Thomas-bessemer

Y – aço produzido em Linz-Donnawitz

E - aço produzido em Forno Eléctrico

É habitual colocar-se uma segunda letra que nos dá indicação sobre comportamento:

A – resistente ao endurecimento

S – soldável por fusão

Após a composição podem-se acrescentar letras, com o seguinte significado relativo ao

tratamento térmico:

N – Normalizado; G – Recozido; A – Revenido; H – temperado; V – Beneficiado; U – Não

tratado; K – Encruado (conformado à frio).

Ex. 4: E.42.Cr.Mo.4.V

É um aço de liga produzido em forno eléctrico, com 0,42% de carbono, 1,0% de Crómio e

0,4% de Molibdénio, beneficiado.

Ex. 5: X12.Cr.Ni.17.7.U

É um aço de alta liga com 0,12% de carbono, 17,0% de Crómio e 7,0% de Niquel, não

tratado.