ATIVIDADE 1 - ESTRUTURA DE DADOS II - 52_2024.docx
Tec mat 1
1. FUNDAÇÃO DE APOIO À ESCOLA TÉCNICA
Centro de Ensino Técnico e Profissionalizante
Quintino
ESCOLA TÉCNICA ESTADUAL REPÚBLICA
DEPARTAMENTO DE MECÂNICA
Tecnologia dos Materiais I
Prof.: Antonio José R S Cruz e Hélio França Jr.
4. Cap´
ıtulo 1
¸˜
INTRODUCAO
1.1 ´
PERSPECTIVA HISTORICA
Os materiais est˜o t˜o profundamente enraizados em nossa cultura que a maioria de n´s nem
a a o
percebe sua presen¸a. Nos transportes, nas casas, nas roupas, nos meios de comunica¸˜o, na
c ca
recrea¸˜o, e at´ na produ¸˜o de alimentos - inevitavelmente todos segmentos de nossas vidas s˜o
ca e ca a
influenciados de uma maneira ou de outra pelos materiais. Historicamente, o desenvolvimento e
o avan¸o das sociedades tem sido intimamente ligado ` habilidade dos membros para produzir
c a
e manipular os materiais para satisfazer suas necessidades. De fato, as primeiras civiliza¸˜esco
foram designadas pelo n´ do desenvolvimento de seus materiais (isto ´, Idade da Pedra, Idade
ıvel e
do Bronze, etc.).
No in´ ıcio da civiliza¸˜o, os homens tinham acesso a um n´mero muito limitado de materiais,
ca u
todos retirados diretamente da natureza. Descobriram t´cnicas para produ¸˜o de materiais
e ca
com propriedades superiores aos naturais, alterando-as atrav´s de tratamentos t´rmicos ou pela
e e
adi¸˜o de outras substˆncias. Nesses novos materiais incluem-se a cerˆmica e v´rios metais.
ca a a a
Neste ponto, os materiais eram escolhidos atrav´s de um processo de sele¸˜o, ou seja, eram
e ca
selecionados dentre um n´mero restrito de materiais, os que possu´
u ıam as melhores propriedades
para determinada aplica¸˜o. Somente em tempos recentes os cientistas vieram a entender as
ca
rela¸˜es entre as estruturas dos materiais e suas propriedades. Esse conhecimento, adquirido nos
co
ultimos 60 anos, nos permitiu dar um grande passo no entendimento das suas caracter´
´ ısticas.
Assim, dezenas de milhares de materiais diferentes evolu´ ıram com caracter´
ısticas bastante es-
pec´ıficas que satisfazem `s necessidades de nossa sociedade moderna e complexa, tais como,
a
metais, pl´sticos, vidros, etc.
a
O desenvolvimento de tecnologias que propiciam maior conforto est˜o intimamente associadas ao
a
acesso ` materiais adequados. Um avan¸o na compreens˜o de um tipo de material ´ muitas vezes
a c a e
o precursor de um grande desenvolvimento tecnol´gico. Por exemplo, os autom´veis n˜o teriam
o o a
sido poss´ ıveis sem a disponibilidade de a¸o barato ou algum outro substituto adequado. Em
c
nossos dias, sofisticados equipamentos eletrˆnicos utilizam componentes fabricados com certos
o
materiais chamados semicondutores, surgidos ap´s a IIa Guerra Mundial.
o
1.2 ˆ
IMPORTANCIA DO ESTUDO DOS MATERIAIS
Todo projetista, seja ele cientista, engenheiro ou mesmo designer , estar´ exposto a problemas de
a
projeto que envolvem materiais. Como exemplo, podemos mencionar uma engrenagem de trans-
miss˜o, a superestrutura dos arranha-c´us, um componente de uma refinaria de petr´leo, ou um
a e o
circuito integrado de um ”chip”. E os cientistas e engenheiros de materiais s˜o os profissionais
a
que est˜o totalmente envolvidos na investiga¸˜o e desenvolvimento dos materiais utilizados em
a ca
todos esses projetos. Muitas vezes, o problema relacionado com materiais ´ selecionar correta-
e
1
5. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I
e a 2
mente apenas um dentre os milhares dispon´ ıveis. H´ v´rios crit´rios em que a decis˜o final ´
a a e a e
normalmente baseada. Em primeiro lugar, deve-se analisar as condi¸˜es de trabalho para de-
co
terminar a ordem das propriedades que o material deve possuir. Muito raramente o material
possui a combina¸˜o das propriedades ideais exigidas. Assim, pode ser necess´rio optar por uma
ca a
caracter´
ıstica ou outra. O exemplo cl´ssico envolve a dureza e a ductilidade; normalmente, um
a
material de alta dureza possui baixa ductilidade. Em certos casos, ´ necess´rio que duas ou
e a
mais propriedades estejam de acordo para seu aproveitamento. Em segundo lugar, est´ a dete-
a
riora¸˜o a qual o material sofrer´ durante sua opera¸˜o de servi¸o. Por exemplo, um material
ca a ca c
pode sofrer uma significante redu¸˜o na sua resistˆncia mecˆnica se for exposto a temperat-
ca e a
uras elevadas ou ambientes corrosivos. Finalmente, a viabilidade econˆmica. Da´ surge a t´
o ı ıpica
pergunta: Quanto custar´ o produto final? Um material que possuir as qualidades ideais para
a
o uso, poder´ tornar-se invi´vel devido ao seu elevado custo. Novamente aqui, ´ inevit´vel a
a a e a
necessidade da combina¸˜o de fatores na escolha. O pre¸o final de uma pe¸a acabada inclui
ca c c
qualquer despesa necess´ria para poder dar-lhe a forma desejada. Assim, com o estudo apro-
a
fundado dos materiais, pode-se escolher prudentemente os que mais se adaptam a sua realidade
seguindo estes crit´rios.
e
1.3 ˆ
CIENCIA DOS MATERIAIS
A Ciˆncia dos Materiais envolve a investiga¸˜o da rela¸˜o existente entre estrutura e propriedades
e ca ca
dos materiais. Assim, com base nessa correla¸˜o entre estrutura e propriedades, desenvolve ou
ca
cria a estrutura de um material para produzir um conjunto de pr´-determinadas propriedades.
e
”Estrutura”de um material diz respeito ao arranjo de seus componentes internos. A estrutura
subatˆmica envolve os el´trons dentro dos ´tomos e a intera¸˜o com seus n´cleos. Em um n´
o e a ca u ıvel
atˆmico, estrutura diz respeito ` organiza¸˜o dos ´tomos ou mol´culas uns em rela¸˜o aos outros.
o a ca a e ca
Seguindo essa ordem, o pr´ximo tipo de estrutura ´ formada por um grande n´mero de ´tomos
o e u a
ou mol´culas que formam grandes aglomerados poss´
e ıveis de serem observados atrav´s de um
e
microsc´pio. Estas estruturas s˜o denominadas ”microsc´picas”. Finalmente, a estrutura que
o a o
pode ser observada diretamente com os olhos, sem nenhum equipamento especial, ´ chamada de e
estrutura ”macrosc´pica”.
o
A no¸˜o de ”propriedade”tamb´m merece um esclarecimento. Durante o uso, todos os materi-
ca e
ais s˜o expostos a est´
a ımulos externos que provocam algum tipo de resposta. Por exemplo, um
esp´cime submetido a uma for¸a sofrer´ uma deforma¸˜o; ou a superf´ de um metal quando
e c a ca ıcie
polido refletir´ a luz. Portanto, propriedade ´ uma caracter´
a e ıstica dos materiais em termos do
tipo e magnitude da resposta para cada est´ ımulo espec´ ıfico. Geralmente, defini¸˜es de pro-
co
priedades s˜o criadas independentemente da forma e do tamanho do material.
a
Inevitavelmente as propriedades mais importantes dos materiais s´lidos podem ser agrupadas
o
em seis categorias: mecˆnicas, eletro-magn´ticas , qu´
a e ımicas, ´pticas e tecnol´gicas.
o o
Para cada propriedade, h´ um tipo de est´
a ımulo que provoca uma resposta diferente. A pro-
priedade mecˆnica relaciona deforma¸˜o do material a uma for¸a aplicada sobre ou por ele.
a ca c
Neste caso, est˜o descritos os m´dulos de elasticidade e for¸a. Para as propriedades el´tricas,
a o c e
como a condu¸˜o e constante diel´trica, o est´
ca e ımulo ´ o campo el´trico. O comportamento t´rmico
e e e
dos s´lidos pode ser representado em termos de capacidade calor´
o ıfica e condutibilidade t´rmica.
e
As propriedades magn´ticas demonstram a resposta de um material a aplica¸˜o de um campo
e ca
magn´tico. Para as propriedades ´pticas, os est´
e o ımulos podem ser uma radia¸˜o eletromagn´tica
ca e
ou luminosa e o ´ ındice de refra¸˜o e reflex˜o, representam as propriedades em si. As propriedades
ca a
qu´ımicas est˜o muitas vezes relacionadas a reatividade qu´
a ımica dos materiais. Finalmente, as
propriedades tecnol´gicas est˜o relacionadas a adeq¨abilidade do material diante dos processos
o a u
de fabrica¸˜o aos quais ´ submetido.
ca e
6. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I
e a 3
1.4 ¸˜
CLASSIFICACAO DOS MATERIAIS
Os materiais s´lidos s˜o geralmente classificados em trˆs grupos b´sicos: metais, pol´
o a e a ımeros e
cerˆmicas. Este esquema ´ baseado principalmente em sua composi¸˜o qu´
a e ca ımica e estrutura
atˆmica, e os materiais entram em um grupo distinto ou outro, embora haja alguns inter-
o
medi´rios. Al´m destes, h´ mais outros trˆs grupos importantes para a Engenharia de Materiais,
a e a e
s˜o eles: os comp´sitos, biomateriais e os semicondutores.
a o
Metais - Metais s˜o elementos qu´
a ımicos s´lidos ` temperatura ambiente (exceto o merc´rio),
o a u
opacos, lustrosos, e quando polidos refletem a luz, al´m de serem bons condutores de
e
eletricidade e calor. A maioria dos metais ´ forte, d´ctil e male´vel, e, em geral, de alta
e u a
densidade. Possuem um grande n´mero de el´trons livres; ou seja, estes el´trons n˜o
u e e a
s˜o ligados a nenhum ´tomo em particular. Muitas das propriedades dos metais est˜o
a a a
diretamente ligados a estes el´trons. Metais s˜o os materiais estruturais prim´rios de toda
e a a
a tecnologia e inclui um grande n´mero de ligas ferrosas (por exemplo, ferro-fundido, a¸o
u c
carbono, ligas de a¸os, etc.).
c
Pol´
ımeros - Dentre os pol´ ımeros incluem-se borrachas, pl´sticos, e muitos outros tipos de ade-
a
sivos. S˜o produzidos a partir da cria¸˜o de grandes estruturas moleculares provenientes
a ca
de mol´culas orgˆnicas em um processo conhecido como polimeriza¸˜o. Os pol´
e a ca ımeros tˆm
e
baixa condutividade t´rmica e el´trica, tem baixa resistˆncia mecˆnica comparado a outros
e e e a
materiais utilizados em Engenharia, e n˜o s˜o adequados para utiliza¸˜o em altas tem-
a a ca
peraturas. Pol´ ımeros termopl´sticos, nos quais as longas cadeias de mol´culas n˜o s˜o
a e a a
rigidamente conectadas, tem boa ductilidade e formabilidade. Pol´ ımeros termofixos s˜o a
normalmente mais resistentes, por´m, podem apresentar-se quebradi¸os pela sua cadeia
e c
molecular ser de forte conex˜o. Os materiais polim´ricos s˜o utilizados em in´meras
a e a u
aplica¸oes: embalagens, componentes de eletrodom´sticos, brinquedos, pe¸as t´cnicas e
c˜ e c e
etc.
Cerˆmicos - Esta classe pode ser definida como qualquer material s´lido inorgˆnico, n˜o-
a o a a
met´lico, usado ou processado em temperaturas altas. Quando falamos em cerˆmica, ime-
a a
diatamente nos vem a mente coisas tais como lou¸as sanit´rias, pisos, azulejos, porcelana
c a
de mesa, etc. Freq¨entemente esquece-se das aplica¸˜es tecnol´gicas mais avan¸adas de
u co o c
o
´xidos, carbonetos e nitretos. Muitos destes s˜o de grande interesse industrial. Cerˆmicas
a a
tamb´m incluem materiais como vidro, grafite, cimento (concreto), etc.
e
Comp´sitos - Comp´sitos consistem na combina¸˜o de dois ou mais materiais diferentes.
o o ca
O Fiberglass ´ um exemplo bem familiar, onde as fibras de vidro s˜o adicionadas a um
e a
material polim´rico. Um comp´sito ´ desenvolvido para combinar as melhores propriedades
e o e
dos materiais que o constituem. O Fiberglass, por exemplo, adquire a dureza do vidro e
a flexibilidade do pol´
ımero. Muitos dos recentes materiais desenvolvidos atualmente s˜o
a
comp´sitos.
o
Semicondutores - Semicondutores podem ser definidos como materiais que conduzem cor-
rente el´trica melhor que os isolantes mas n˜o melhor que os metais. Um grande n´mero
e a u
de materiais satisfaz a estas condi¸˜es. Em temperatura ambiente, a condutividade car-
co
acter´
ıstica dos metais ´ da ordem de 104 ` 106 ohm-1 cm-1, enquanto nos isolantes ´
e a e
da ordem de 10-25 ` 10-9 ohm-1 cm-1. Os materiais classificados como semicondutores
a
possuem condutividade entre 10-9 e 104 ohm-1 cm-1. Normalmente a condutividade dos
metais diminui com o aumento da temperatura. Com os semicondutores ocorre o contr´rio,
a
a condutividade aumenta com o aumento da temperatura. Nos semicondutores o processo
de condu¸˜o pode ocorrer de modo n˜o iˆnico onde h´ o transporte de carga ou de massa
ca a o a
7. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I
e a 4
(de el´trons). As propriedades unicas dos semicondutores dependem, acima de tudo, do
e ´
n´mero de portadores de corrente el´trica. Estes portadores podem ser de dois tipos:
u e
el´trons ou ”buracos”. O n´mero de portadores pode variar dependendo da temperatura,
e u
luminosidade, part´
ıculas nucleares, campos el´tricos, ou imperfei¸˜es no cristal na forma
e co
de ´tomos de impurezas ou do sistema cristalino.
a
Biomateriais - Biomateriais s˜o materiais empregados em componentes destinados ao im-
a
plante no corpo humano, substituindo partes doentes ou danificadas. Esses materiais n˜oa
devem produzir substancias t´xicas e deve ser compat´ com os tecidos do corpo, isto ´,
o ıvel e
n˜o deve produzir rea¸˜es biol´gicas adversas. Todas as classes de materiais podem ser
a co o
utilizadas como biomateriais - metais, cerˆmicos, pol´
a ımeros, semicondutores, comp´sitos -
o
desde que sejam cuidadosamente selecionados.
8. Cap´
ıtulo 2
PROPRIEDADES DOS
MATERIAIS
Todo projetista est´ vitalmente interessado nos materiais que lhe s˜o dispon´
a a ıveis. Quer seu
produto seja uma ponte, um computador, um ve´ ıculo espacial ou um autom´vel, deve ter um
o
profundo conhecimento das propriedades caracter´ ısticas e do comportamento dos materiais que
pode usar. Considere-se, por exemplo, a variedade de materiais usados na manufatura de um
autom´vel: ferro, a¸o, vidro, pl´sticos, borracha, apenas para citar alguns. E, somente para
o c a
o a¸o, h´ cerca de 3000 tipos ou modifica¸˜es. Com que crit´rio ´ feita a escolha do material
c a co e e
adequado para uma determinada pe¸a? c
Ao fazer a sua escolha, o projetista deve levar em conta propriedades tais como resistˆncia e
mecˆnica, condutividade el´trica e/ou t´rmica, densidade e outras. Al´m disso, deve considerar
a e e e
o comportamento do material durante o processamento e o uso, onde plasticidade, usinabilidade,
estabilidade el´trica, durabilidade qu´
e ımica, deve ser utilizada. Muitos projetos avan¸ados em
c
engenharia dependem do desenvolvimento de materiais completamente novos. Por exemplo, o
transistor nunca poderia ter sido constru´ com os materiais dispon´
ıdo ıveis h´ 40 anos atr´s; o
a a
desenvolvimento da bateria solar requereu um novo tipo de semicondutor; e, embora os projetos
de turbinas ` g´s estejam muito avan¸ados, ainda se necessita de um material barato e que
a a c
resista a altas temperaturas, para as p´s da turbina.
a
Desde que, obviamente, ´ imposs´
e ıvel para o projetista ter um conhecimento detalhado dos
milhares de materiais agora dispon´ıveis, assim como manter-se a par dos novos desenvolvimentos,
ele deve ter um conhecimento adequado dos princ´ ıpios gerais que governam as propriedades de
todos os materiais. Dentre estas propriedades, pode-se destacar:
2.1 ˆ
PROPRIEDADES MECANICAS
S˜o `quelas que definem o comportamento do material segundo um determinado esfor¸o a que
a a c
ele pode ser submetido. O conjunto de propriedades mecˆnicas ´ baseado nas seguintes carac-
a e
ter´
ısticas do material:
e a ´
Resistˆncia mecˆnica: E a propriedade apresentada pelo material em resistir a esfor¸os exter-
c
nos, est´ticos ou lentos. Tais esfor¸os podem ser de natureza diversa, como sejam: tra¸˜o,
a c ca
compress˜o, flex˜o, tor¸˜o, cisalhamento.
a a ca
Assim, os esquemas abaixo representam os esfor¸os referidos:
c
Elasticidade: Propriedade apresentada pelos materiais em recuperar a forma primitiva t˜o a
depressa cesse o esfor¸o que tenha provocado a deforma¸˜o.
c ca
A deforma¸˜o el´stica ´ revers´
ca a e ıvel e desaparece quando a tens˜o aplicada ´ removida.
a e
5
9. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I
e a 6
Figura 2.1: Esfor¸os mecˆnicos aos quais os corpos est˜o sujeitos.
c a a
Uma caracter´ ıstica da deforma¸˜o el´stica ´ que esta ´ praticamente proporcional ` tens˜o
ca a e e a a
aplicada.
O m´dulo de elasticidade (m´dulo de Young) ´ quociente entre a tens˜o aplicada e a
o o e a
deforma¸˜o el´stica resultante. Ele est´ relacionado com a rigidez do material. O m´dulo
ca a a o
de elasticidade resultante de tra¸˜o ou compress˜o ´ expresso em unidade de tens˜o (psi
ca a e a
ou kgf/mm2 ). O valor deste m´dulo ´ primordialmente determinado pela composi¸˜o do
o e ca
material e ´ apenas indiretamente relacionado com as demais propriedades mecˆnicas. O
e a
m´dulo de Young ´ determinado a partir do ensaio de tra¸˜o.
o e ca
´
Plasticidade: E a propriedade que apresentam certos materiais de se deixarem deformar per-
manentemente assumindo diferentes tamanhos ou formas sem sofrerem rupturas, rachaduras
ou fortes altera¸˜es de estrutura quando submetidos a press˜es ou choques compat´
co o ıveis com
as suas propriedades mecˆnicas. A plasticidade ´ influenciada pelo calor (o a¸o ao rubro
a e c
torna-se bastante pl´stico).
a
O inverso da plasticidade ´ a fragilidade ou quebrabilidade; assim, um material ´ dito fr´gil
e e a
ou quebradi¸o quando o mesmo ao romper-se apresenta uma pequena deforma¸˜o.
c ca
A plasticidade pode ser subdividida em:
´
• Maleabilidade: E a maior ou menor facilidade apresentada pelo material em se defor-
mar sob a¸˜o de uma press˜o ou choque, compat´ com a sua resistˆncia mecˆnica.
ca a ıvel e a
Um material ´ male´vel quando sob a¸˜o do laminador ou do martelo da forja, n˜o
e a ca a
sofre rupturas ou fortes altera¸˜es na estrutura (endurecimento inadmiss´
co ıvel).
A maleabilidade pode ser a quente ou a frio. Se a maleabilidade a frio ´ muito grande
e
o material ´ chamado pl´stico.
e a
´
• Ductilidade: E a capacidade que os materiais possuem de se deformar plasticamente
at´ a ruptura. Deforma¸˜o pl´stica ´ aquela que imp˜e ao material uma deforma¸˜o
e ca a e o ca
permanente.
Assim sendo, o seu valor pode ser expresso como alongamento e nas mesmas unidades
de deforma¸˜o. Um comprimento comum (embora n˜o universal) para a medida do
ca a
alongamento ´ 50mm. Como mostrado na Figura a seguir, o comprimento considerado
e
´ importante pois a deforma¸˜o pl´stica normalmente ´ localizada.
e ca a e
Uma segunda medida da ductilidade ´ a estric¸˜o que ´ a redu¸˜o na ´rea de se¸˜o reta
e ca e ca a ca
do corpo, imediatamente antes da ruptura. Os materiais altamente d´cteis sofrem grande
u
redu¸˜o de ´rea da se¸˜o reta antes de romper, Este ´
ca a ca ındice ´ sempre expresso em porcent-
e
agem e ´ calculado como se segue:
e
10. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I
e a 7
Figura 2.2: Corpo de prova sujeito ao alongamento.
´
Dureza: E definida pela resistˆncia da superf´ do material ` penetra¸˜o, ao desgaste, e ao
e ıcie a ca
atrito, embora a primeira defini¸˜o seja a mais comumente aceita. Como se pode esperar, a
ca
dureza e a resistˆncia ` tra¸˜o est˜o intimamente relacionadas. A determina¸˜o da dureza
e a ca a ca
´ obtida a partir de uma s´rie de ensaios destinados especificamente para tal intento.
e e
Fluˆncia (creep): Fenˆmeno de alongamento cont´
e o ınuo e que pode conduzir ` ruptura ´ de-
a e
nominado fluˆncia. Esta caracter´
e ıstica ´ t´
e ıpica de materiais ferrosos quando submetidos
a cargas de tra¸˜o constantes por longo tempo a elevadas temperaturas. Deformam-se
ca
continuamente mesmo quando a solicita¸˜o ´ menor do que a tens˜o de escoamento do
ca e a
material naquela temperatura. A fluˆncia ocorre mesmo quando o material ´ solicitado
e e
na temperatura ambiente, mas nessa temperatura a fluˆncia ´ praticamente desprez´
e e ıvel
comparada com a que ocorre em temperaturas elevadas.
o e a ´
O fenˆmeno da fluˆncia ocorre nos instrumentos de corda, viol˜o, por exemplo. E impor-
tante frisar que certas pe¸as ficam inutilizadas se alongarem apenas 0,01%.
c
e ´
Resiliˆncia: E a maior ou menor rea¸˜o do material `s solicita¸˜es dinˆmicas, isto ´, a pro-
ca a co a e
priedade do material resistir a esfor¸os externos dinˆmicos (choques, pancadas, etc.)
c a
sem sofrer deforma¸˜o permanente. Como exemplo citamos as pe¸as de um britador de
ca c
mand´ıbulas, uma matriz para forjamento, uma ferramenta de corte, molas, etc. Assim, as
molas s˜o feitas de materiais de elevada resiliˆncia.
a e
´
Tenacidade: E dada pela energia consumida para fratur´-lo . Em outras palavras, tenacidade
a
mede a capacidade que o material tem de absorver de energia at´ fraturar-se incluindo a
e
deforma¸˜o el´stica e pl´stica quando essa energia ´ absorvida progressivamente.
ca a a e
A tenacidade ´, pois, medida pela ´rea total do diagrama tens˜o-deforma¸˜o.
e a a ca
Em geral diz-se que um material ´ tanto tenaz quanto maior ´ a sua resistˆncia ` ruptura
e e e a
por tra¸˜o ou distens˜o; isto nem sempre ´ verdadeiro, pois alguns a¸os doces, por exemplo,
ca a e c
s˜o mais tenazes que os a¸os duros, isto porque os a¸os duros apresentam, na ruptura um
a c c
pouqu´ıssima deforma¸˜o.
ca
A tenacidade tem alguma rela¸˜o com a resistˆncia ao choque, por´m os valores da energia
ca e e
medidos para ambos os casos n˜o concordam para todos os materiais ou condi¸˜es de
a co
ensaio.
11. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I
e a 8
2.2 ´
PROPRIEDADES TECNOLOGICAS
S˜o as que conferem ao material uma maior ou menor facilidade de se deixar trabalhar pelos
a
processos de fabrica¸˜o usuais. As propriedades tecnol´gicas s˜o:
ca o a
´
Fusibilidade: E a propriedade que o material possui de passar do estado s´lido para o l´
o ıquido
sob a¸˜o do calor. Todo metal ´ fus´
ca e ıvel, mas, para ser industrialmente fus´
ıvel, ´ preciso
e
que tenha um ponto de fus˜o relativamente baixo e que n˜o sofra, durante o processo
a a
de fus˜o, oxida¸˜es profundas, nem altera¸˜es na sua estrutura e homogeneidade. Em
a co co
se tratando de metais conv´m conhecer as temperaturas correspondentes ` coloca¸˜o que
e a ca
tomam quando aquecidas:
Principais temperaturas de fus˜o.
a
Alum´ ınio 650o C
Ferro puro 1530o C
A¸os
c 1300o C a 1500o C
Zinco 420o C
Gusa e fofo 1150o C a 1300o C
Chumbo 330o C
Cobre 1080o C
Estanho 235o C
´
Soldabilidade: E a propriedade que certos metais possuem de se unirem, ap´s aquecidos e su-
o
ficientemente comprimidos. A soldabilidade depende do tempo em que o metal permanece
num estado s´lido-pl´stico, sob o efeito do calor produzido pela a¸˜o soldante. O metal
o a ca
ou liga que passar instantaneamente do estado s´lido para o l´
o ıquido ´ dificilmente sold´vel
e a
(ferro fundido, por exemplo).
Temperabilidade: Propriedade que possuem alguns metais e ligas de modificarem a sua estru-
tura cristalina (endurecimento) ap´s um aquecimento prolongado seguido de resfriamento
o
brusco.
Tal propriedade caracteriza o a¸o com certo teor de carbono, assim, como determinadas
c
ligas de alum´ ınio, transformando a estrutura cristalogr´fica do material que, em con-
a
seq¨ˆncia, altera todas as propriedades mecˆnicas.
ue a
´
Usinabilidade (ou maquinabilidade): E a propriedade de que se relaciona com a resistˆnciae
oferecida ao corte e ´ medida pela energia necess´ria para usinar o material no torno, sob
e a
condi¸˜es padr˜es.
co o
A usinabilidade de um material ´ obtida comparando-se com a de um material padr˜o cuja
e a
usinabilidade ´ convencionada igual a 100.(a¸o B1112). O conhecimento da usinabilidade
e c
de um material permite calcular os tempos necess´rios `s opera¸˜es de usinagem que ´,
a a co e
portanto, indispens´vel na programa¸˜o de uma fabrica¸˜o.
a ca ca
A usinabilidade ´ um fator que influi bastante na escolha de um material que deve ser
e
usinado; assim, as m´quinas autom´ticas d˜o grande produ¸˜o quando usinam os chama-
a a a ca
dos a¸os de corte f´cil (free cutting steels) tamb´m chamados de usinagem f´cil, que s˜o
c a e a a
materiais com alta percentagem de enxofre, f´sforo ou chumbo.
o
Fadiga: Fadiga n˜o chega a ser uma propriedade do material mais sim, um problema carac-
a
ter´
ıstico de materiais sujeitos a esfor¸os c´
c ıclicos. Quando um material ´ sujeito a esfor¸os
e c
dinˆmicos, durante longo tempo, ´ observado um ”enfraquecimento”das propriedades
a e
mecˆnicas ocasionando a ruptura. A fadiga pode ser tamb´m superficial, ocasionando
a e
desgaste de pe¸as sujeitas a esfor¸os c´
c c ıclicos, como comumente ocorre em dentes de en-
grenagens.
12. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I
e a 9
2.3 ´
PROPRIEDADES TERMICAS
Propriedades t´rmicas est˜o vinculadas `s caracter´
e a a ısticas dos materiais quando submetidos `
a
varia¸˜es de temperatura. Dentre estas propriedades destacam-se:
co
Condutividade t´rmica: S˜o propriedades que possuem certos corpos de transmitir mais ou
e a
menos calor. Neste caso, materiais bons condutores de calor, na ordem decrescente de
condutibilidade: Ag, Cu, Al, lat˜o, Zn, A¸o e Pb. Corpos maus condutores de calor, na
a c
ordem decrescente de condutibilidade: pedra, vidro, madeira, papel, etc.
Dilata¸˜o: Propriedade pela qual um corpo aumenta quando submetido ` a¸˜o do calor. A
ca a ca
capacidade de dilata¸˜o de um material est´ relacionada ao chamado coeficiente de di-
ca a
lata¸˜o t´rmica, que pode ser: linear, superficial e volum´trico. Esta caracter´
ca e e ıstica dos
materiais deve ser considerada quando o mesmo ´ submetido a varia¸˜es consider´veis de
e co a
temperatura.
2.4 ´
PROPRIEDADES ELETRICAS
A mais conhecida propriedade el´trica de um material ´ a condutividade el´trica. A condu-
e e e
tividade el´trica ´ a propriedade que possuem certos materiais de permitir maior ou menor
e e
capacidade de transporte de cargas el´tricas. Os corpos que permitem a eletricidade passar s˜o
e a
chamados condutores, sendo uma caracter´ ıstica dos materiais met´licos. J´ os que n˜o permitem
a a a
tal fenˆmeno s˜o os chamados materiais isolantes. O cobre e suas ligas e o alum´
o a ınio conduzem
bem a eletricidade, sendo empregados na fabrica¸˜o de linhas el´tricas e aparelhagens; as ligas
ca e
Cr-Ni, Fe-Ni conduzem mal, servido para constru¸˜o de resistˆncias el´tricas, como reostatos,
ca e e
etc. Dentre os materiais isolantes destacam-se: madeira seca, baquelite, ebonite,etc.
2.5 ´
PROPRIEDADES ELETROMAGNETICAS
A caracter´
ıstica mais comumente associada `s propriedades eletromagn´ticas ´:
a e e
´
Suscetibilidade magn´tica: E a propriedade que caracteriza a maior ou menor facilidade com
e
que os metais re´nem ou dispersam as linhas de for¸a de um campo magn´tico. Os metais
u c e
que re´nem de modo acentuado as linhas de for¸a de um campo magn´tico se denominam
u c e
”ferromagn´ticos”. Exemplo: Fe, Ni e Co.
e
Os metais que re´nem debilmente as linhas de for¸a de um campo magn´tico s˜o denomi-
u c e a
nados ”paramagn´ticos”. A maioria dos metais ´ paramagn´tico. Os metais que dispersam
e e e
as linhas de for¸a de um campo magn´tico s˜o denominados ”diamagn´ticos”.
c e a e
2.6 PROPRIEDADES F´
ISICAS
Dentre o conjunto de propriedades f´
ısicas destacam-se:
´
Densidade: E a rela¸˜o entre o peso de certo volume de um corpo e o peso de igual volume de
ca
a ´ um n´mero abstrato. Exemplo: Pb = 11,4 Cu = 8,9 Al = 2,7 Mg = 1,7
´gua. E u
Peso espec´ ´
ıfico: E o peso da unidade de volume do corpo. Por exemplo: o peso espec´
ıfico do
a¸o ´ 7,8 kg/dm3.
c e
13. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I
e a 10
2.7 PROPRIEDADES QU´
IMICAS
Resistˆncia ` corros˜o: Quase todos os materiais usados pelos projetistas s˜o suscet´
e a a a ıveis de
corros˜o por ataque qu´
a ımico. Para alguns materiais, a solubiliza¸˜o ´ importante. Em
ca e
outros casos, o efeito da oxida¸˜o direta de um metal ou de um material orgˆnico como a
ca a
borracha ´ o mais importante. Al´m disso, a resistˆncia do material ` corros˜o qu´
e e e a a ımica,
devido ao meio ambiente, ´ da maior importˆncia. A aten¸˜o que damos aos nossos au-
e a ca
tom´veis ´ um exemplo ´bvio da nossa preocupa¸˜o com a corros˜o. Desde que freq¨ente-
o e o ca a u
mente, o ataque pela corros˜o ´ irregular, ´ muito dif´ medi-la. A unidade mais comum
a e e ıcil
para a corros˜o ´ polegadas de superf´ perdida por ano.
a e ıcie
2.8 ´
PROPRIEDADES OPTICAS
Embora entre as propriedades ´pticas importantes para a engenharia incluem-se o ´
o ındice de
refra¸˜o, a absor¸˜o e a emissividade, apenas a primeira delas ser´ discutida aqui, porque as
ca ca a
outras duas j´ s˜o mais especializadas. O ´
a a ındice de refra¸˜o n ´ a raz˜o entre a velocidade da
ca e a
luz no v´cuo c e a velocidade da luz no material, Vm:
a
c
η= (2.1)
Vm
O´ ındice tamb´m pode ser expresso em termos do ˆngulo de incidˆncia i e do ˆngulo de refra¸˜o
e a e a ca
r:
sin i
η= (2.2)
sin r
14. Cap´
ıtulo 3
ESTRUTURA DOS MATERIAIS
A mat´ria apresenta um aspecto descont´
e ınuo desde o momento em que se acha constitu´ por
ıda
part´ıculas elementares, ´tomos e mol´culas. Quando se consideram as caracter´
a e ısticas de uma
substˆncia n˜o se leva somente em considera¸˜o o comportamento dos ´tomos isolados, mas
a a ca a
tamb´m do conjunto de tudo aquilo que interv´m em sua forma¸˜o.
e e ca
Segundo o estado f´ ısico da substˆncia, esses agrupamentos atˆmicos se apresentam com carac-
a o
ter´
ısticas distintas; assim, como nos estados gasoso e l´ ıquido os ´tomos tˆm grande mobilidade
a e
que permite adaptar-se a qualquer conforma¸˜o externa que o contenha. No estado s´lido os
ca o
a
´tomos apresentam certa permanˆncia em suas posi¸˜es o que confere ao material um certo grau
e co
de indeformabilidade, caracter´ ıstico do estado s´lido.
o
Os materiais encontrados na natureza, ou mesmo fabricados podem ser classificados segundo
regularidade em que ´tomos ou ions est˜o arranjados com respeitos a outros.
a a
Assim, pode-se encontrar:
• Materiais Cristalinos;
Um material cristalino apresenta uma ordem de ´tomos que se repete periodicamente at´
a e
grandes distˆncias atˆmicos . Esta ordem de ´tomos se forma durante a solidifica¸˜o do
a o a ca
material, em trˆs dimens˜es, e cada ´tomo ´ vinculado com ´tomos vizinhos.
e o a e a
Dentre os materiais cristalinos podemos destacar:
– todos os metais;
– muitos materiais cerˆmicos;
a
– alguns pol´
ımeros.
• Materiais amorfos (n˜o-cristalinos)
a
Dentre os materiais amorfos (materiais literalmente ”sem-forma”) incluem os gases, os
l´
ıquidos e os vidros. Os dois primeiros s˜o fluidos e s˜o de maior importˆncia em engen-
a a a
haria, j´ que incluem muitos dos nossos combust´
a ıveis e o ar necess´rio ` combust˜o, como
a a a
tamb´m a ´gua. O vidro, o ultimo dos trˆs materiais amorfos, ´ considerado um ;l´
e a ´ e e ıquido
r´
ıgido; entretanto, quando considerarmos a sua estrutura, vemos que ele ´ mais do que
e
apenas um l´ ıquido super-resfriado.
3.1 ESTRUTURA CRISTALINA
Uma mol´cula tem uma regularidade estrutural, porque as liga¸˜es covalentes determinam um
e co
n´mero espec´
u ıfico de vizinhos para cada ´tomo e a orienta¸˜o no espa¸o dos mesmos. A maioria
a ca c
dos materiais de interesse para a engenharia tem arranjos atˆmicos, que tamb´m s˜o repeti¸˜es,
o e a co
nas trˆs dimens˜es, de uma unidade b´sica. Tais estruturas s˜o denominadas cristais. Um
e o a a
11
15. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I
e a 12
Figura 3.1: Estrutura cristalina do cloreto de s´dio.
o
exemplo desta regularidade estrutural pode ser observada no NaCl, conforme apresentado na
Figura 3.1.
3.2 SISTEMAS CRISTALINOS
Define-se um sistema cristalino como a forma do arranjo da estrutura atˆmica. A sua repre-
o
senta¸˜o consiste em substituir ´tomos e rede espacial por conjunto de pontos.
ca a
Chama-se c´lula unit´ria a menor por¸˜o constituinte de um reticulado cristalino, conforme
e a ca
apresentado na Figura 3.3.
A ordem tridimensional dos ´tomos (arranjo das c´lulas unit´rias) se repete simetricamente
a e a
at´ os contornos dos cristais (tamb´m chamados contornos de gr˜os).
e e a
Na natureza ´ observado que os ´tomos, de forma geral, se arranjam de sete maneiras
e a
poss´
ıveis, conforme notado na figura abaixo.
3.3 ESTRUTURA CRISTALINA DOS PRINCIPAIS METAIS
Os principais metais apresentam estruturas conforme apresentado abaixo.
• CCC
Ba, Cr, Cs, Feα, Feδ, K, Li, Mo, Na, Nb, Ta, Ti b, V, W, Zrβ
• CFC
Ag, Al, Au, Ca, Co b, Cu, Fe g, Ni, Pb, Pt, Rh, Sr
• HC
Be, Cd, Co a, Hf a, Mg, Os, Re, Ru, Ti a, Y, Zn, Zrα
Estas estruturas cristalinas podem ser melhores observadas na Figura abaixo, Figura 3.6.
16. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I
e a 13
Figura 3.2: Representa¸˜o esquem´tica de um reticulado cristalino.
ca a
Figura 3.3: Representa¸˜o esquem´tica de uma c´lula unit´ria.
ca a e a
Figura 3.4: contorno de gr˜os
a
17. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I
e a 14
Figura 3.5: Sistemas cristalinos.
Figura 3.6: Estruturas cristalinas mais comuns.
3.4 ALOTROPIA OU POLIMORFISMO
´
E a propriedade que possui um corpo de apresentar-se em dois ou mais estados cristalinos difer-
entes, seja pela simetria, seja pela estrutura reticular, de acordo com a mudan¸a de temperatura.
c
Assim, o ferro apresenta-se em trˆs estados alotr´picos, conforme a temperatura em que ´ con-
e o e
siderado. Essas trˆs formas alotr´picas s˜o definidas como:
e o a
Ferro a (CCC) ` Ferro g (CFC) ` Ferro d (CCC)
a a
Em temperatura ambiente, a forma alotr´pica do ferro caracteriza-se pela estrutura CCC,
o
sendo este conhecido ferro-a. Quando este ´ aquecido ` 910o C, observa-se uma mudan¸a radical
e a c
na estrutura cristalina do ferro, passando ent˜o a estrutura CFC, sendo denominado ent˜o ferro-
a a
g. Caso o material seja aquecido at´ 1400o C, a estrutura volta a ser CCC. Neste caso o ferro
e
passa ser chamado de ferro-d.
18. Cap´
ıtulo 4
´
MATERIAIS METALICOS
S˜o substˆncias simples que apresentam 1 a 3 el´trons no n´
a a e ıvel mais externo e que, nas com-
bina¸˜es qu´
co ımicas, cedem el´trons perif´ricos transformando-se em cations.
e e
Apresentam, em linhas gerais as seguintes propriedades:
• Cor e brilho:
os metais, com exce¸˜o do ouro (amarelo) e cobre (vermelho) apresentam colora¸˜o que
ca ca
varia do branco ao cinzento.
• Densidade:
Os metais, quanto a densidade, se classificam em leves (densidade menor que 6 - alcalinos,
alcalinos terrosos, Mg, Be, Al); e pesados (densidade superior a 6).
• Estrutura cristalina:
Caracter´
ıstica observada em todos os metais.
• Classifica¸˜o:
ca
Os materiais met´licos s˜o classificados em: Met´licos ferrosos e Met´licos n˜o-ferrosos.
a a a a a
4.1 METAIS FERROSOS
O ferro ´ um metal cuja utiliza¸˜o pelo homem ´ muito antiga. As civiliza¸˜es antigas de Ass´
e ca e co ıria,
e ´
Babilˆnia, Egito, P´rsia, China, India e, mais tarde, da Gr´cia e de Roma j´ fabricavam, por
o e a
processos primitivos, armas e in´meros utens´
u ılios de ferro e a¸o.
c
A importˆncia do ferro como metal ´ tal que fundamenta a classifica¸˜o dos materiais met´licos,
a e ca a
al´m de possuir um ramo da ciˆncia dos materiais espec´
e e ıfico para seu estudo.
Portanto, siderurgia, ´ a ciˆncia que estuda a metalurgia do ferro (Fe), enquanto que metalurgia
e e
´ a ciˆncia que estuda a extra¸˜o dos metais, seus minerais e suas ligas.
e e ca
Os produtos sider´rgicos comuns s˜o ligas ferro-carbono com teor de carbono compreendido
u a
entre 0 e 6,7%, sendo que industrialmente, essa faixa de teor de carbono varia somente entre 0
e 4,5%.
Os materiais met´licos ferrosos s˜o, portanto, produtos sider´rgicos que se classificam exclusi-
a a u
vamente em fun¸˜o do teor de carbono encontrado na liga. Desta forma, os materiais met´licos
ca a
ferrosos s˜o classificados como:
a
A¸os: Liga Fe-C cujo teor de carbono varia de 0 a 2,1%C;
c
Ferros fundidos: Liga Fe-C com o teor de carbono situando-se entre 2,1 e 6,7%C.
15
19. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I
e a 16
A produ¸˜o dos a¸os e dos ferros fundidos pode ser definida segundo dois padr˜es mundiais,
ca c o
cujas estruturas diferem significativamente.
Tem-se, portanto, dois modelos de usinas sider´rgicas:
u
• Usinas integradas
• Usinas mini-mills
4.1.1 USINAS INTEGRADAS
As usinas integradas abrangem todas as etapas necess´rias para, a partir das mat´rias-primas,
a e
produzir-se ferro e a¸o. O processo cl´ssico e mais usado para a redu¸˜o do min´rio de ferro
c a ca e
utiliza o equipamento denominado alto forno, cujo produto consiste numa liga ferro-carbono de
alto teor de carbono, denominado ferro gusa, o qual, ainda no estado l´ıquido, ´ encaminhado `
e a
aciaria, onde, em fornos adequados, ´ transformado em a¸o. Este ´ vazado na forma de lingotes,
e c e
os quais, por sua vez, s˜o submetidos ` transforma¸˜o mecˆnica, por interm´dio de laminadores,
a a ca a e
resultando blocos, tarugos e placas. Estes, finalmente, ainda por interm´dio de laminadores,
e
s˜o transformados em formas estruturais com perfis em ”T”, ”I”, cantoneiras, trilhos, chapas,
a
tarugos, etc.
O fluxograma apresentado na Figura 4.1, representa esquematicamente, as principais etapas
para a fabrica¸˜o do a¸o a partir do modelo de processos adotado pelas usinas integradas.
ca c
4.1.1.1 ´
MATERIA-PRIMA
As mat´rias-primas b´sicas da usinas integradas s˜o:
e a a
• min´rio de ferro;
e
• carv˜o;
a
• calc´rio.
a
4.1.1.1.1 Min´rio de ferro O min´rio de ferro constitui a mat´ria-prima essencial para a
e e e
manufatura dos processos sider´rgicos.
u
Os minerais que contˆm ferro em quantidade apreci´vel s˜o os ´xidos, carbonatos, sulfetos e
e a a o
silicatos. Os primeiros s˜o os mais importantes sob a ´tica dos processos sider´rgicos. Os
a o u
principais ´xidos encontrados na natureza s˜o:
o a
• Magnetita (´xido ferroso-f´rrico) de f´rmula F e3 O4 , contendo 72,4% Fe.
o e o
• Hematita (´xido f´rrico), de f´rmula F e3 O3 , contendo 69,9% Fe
o e o
• Limonita (´xido hidratado de ferro), de formula 2F e2 O3 3H2 O, contendo, em m´dia,
o e
48,3% Fe.
A magnetita ´ encontrada principalmente na Su´cia, ao passo que a hematita ´ o min´rio mais co-
e e e e
mum, sendo encontrado, entre outros pa´ c u ´
ıses, na Fran¸a, EUA, R´ssia, India, Austr´lia, Canada
a
e Brasil.
O min´rio de ferro antes de ser inserido no alto-forno sofre um processo de beneficiamento,
e
que compreende uma s´rie de opera¸˜es a que os min´rios de ferro de v´rias qualidades podem
e co e a
ser submetidos, com o objetivo de alterar seus caracter´ ısticos f´
ısicos ou qu´ımicos e torn´-los
a
mais adequados para a utiliza¸˜o nos alto-fornos. Essas opera¸˜es s˜o, geralmente: britamento,
ca co a
peneiramento, mistura, moagem, classifica¸˜o e aglomera¸˜o.
ca ca
Os processos de aglomera¸˜o visam melhorar a permeabilidade da carga do alto-forno, reduzir
ca
20. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I
e a 17
Figura 4.1: Fluxograma representativo do processo utilizado pelas usinas integradas para
produ¸˜o do a¸o.
ca c
21. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I
e a 18
Figura 4.2: Esquema representativo do alto-forno.
o consumo de carv˜o e acelerar o processo de redu¸˜o. Dentre o processos de aglomera¸˜o os
a ca ca
mais importantes s˜o: sinteriza¸˜o e pelotiza¸˜o.
a ca ca
b) Carv˜o
a
O carv˜o, utilizado nos alto-fornos, pode ser tanto de origem mineral quanto de origem vegetal.
a
Tˆm v´rias fun¸˜es dentro do processo que s˜o:
e a co a
• atuar como combust´ gerando calor para as rea¸˜es.
ıvel co
• atuar como redutor do min´rio, que ´ basicamente constitu´ de ´xidos de ferro
e e ıdo o
• atuar como fornecedor de carbono, que ´ o principal elemento de liga dos produtos sider´rgicos
e u
Da mesma forma que o min´rio, o carv˜o tamb´m sofre um pr´-processamento antes de ser
e a e e
introduzido no alto-forno. Esta opera¸˜o consiste no processo de coqueifica¸˜o, que por sua vez
ca ca
consiste no aquecimento a altas temperaturas, geralmente em cˆmaras hermeticamente fechadas,
a
portanto com ausˆncia total de ar, exceto na sa´ dos produtos vol´teis, do carv˜o mineral.
e ıda a a
c) Calc´rio
a
O calc´rio atua como fundente, ou seja, reage, pela sua natureza b´sica, com substˆncias estran-
a a a
has ou impurezas contidas no min´rio e no carv˜o (geralmente de natureza ´cida) diminuindo
e a a
seu ponto de fus˜o e formando a esc´ria, subproduto, por assim dizer, do processo cl´ssico do
a o a
alto-forno.
4.1.1.2 Opera¸˜es sider´ rgicas
co u
a) Opera¸˜o do alto-forno (produ¸˜o do ferro gusa)
ca ca
O alto-forno constitui ainda o principal equipamento utilizado na metalurgia do ferro. A par-
tir dos primeiros fornos, dos tipos rudimentares, em que os gases eram perdidos na atmosfera,
constantes aperfei¸oamentos t´cnicos foram introduzidos e a capacidade di´ria paulatinamente
c e a
elevada, aproximando-se, nos dias atuais, de 10.000 toneladas de ferro gusa por dia.
22. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I
e a 19
Figura 4.3: Alto-forno e suas partes.
O alto-forno ´ uma estrutura cil´
e ındrica, revestida internamente por tijolos refrat´rios, de
a
grande altura, constitu´ por trˆs partes fundamentais: o fundo, chamado de cadinho, a parte
ıda e
mediana, conhecida como rampa, e a parte superior denominada cuba.
O cadinho, ´ o lugar onde o gusa l´
e ıquido ´ depositado. A esc´ria (conjunto de impurezas que
e o
devem ser separadas do gusa), que se forma durante o processo, flutua sobre o ferro que ´ mais
e
pesado. No cadinho h´ dois furos: o furo de corrida, aberto de tempos em tempos para que o
a
ferro l´
ıquido escoe, e o furo para o escoamento da esc´ria. Como a esc´ria flutua, o furo para
o o
seu escoamento fica acima do furo de corrida. Assim, sobra espa¸o para que uma quantidade
c
razo´vel de ferro seja acumulada entre as corridas.
a
Na rampa, acontecem a combust˜o e a fus˜o. Para facilitar esses processos, entre o cadinho
a a
e a rampa ficam as ventaneiras, que s˜o furos distribu´
a ıdos uniformemente por onde o ar pr´-
e
aquecido ´ soprado sob press˜o.
e a
´
A cuba ocupa dois ter¸os da altura total do alto-forno. E nela que ;e colocada, alternadamente
c
e em camadas sucessivas, a carga, compostos de min´rio de ferro, carv˜o e os fundentes (cal e
e a
calc´rio).
a
Na opera¸˜o do alto forno s˜o inseridos, em sua parte superior, o carv˜o (na forma de coque
ca a a
23. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I
e a 20
ou carv˜o vegetal), o min´rio de ferro (s´
a e ınter ou pelotas) e os fundentes.
A redu¸˜o dos ´xidos de ferro acontece ` medida que o min´rio, o agente redutor (coque ou
ca o a e
carv˜o vegetal) e os fundentes descem em contra-corrente, em rela¸˜o aos gases. Esses gases
a ca
s˜o o resultado da queima do coque (CO) com o oxigˆnio do ar quente (em torno de 1000o C)
a e
soprado pelas ventaneiras, e que escapam da zona de combust˜o. Este processo ocorre na rampa
a
do alto-forno.
Conforme o coque vai se queimando, a carga vai descendo para ocupar os peda¸os vazios. Esse
c
movimento de descida vai se espalhando lateralmente pela carga, at´ atingir toda a largura da
e
cuba. As rea¸˜es de redu¸˜o, carboneta¸˜o e fus˜o geram dois produtos l´
co ca ca a ıquidos: esc´ria e o
o
ferro gusa. Ambos s˜o empurrados para os lados, pelos gases que est˜o subindo e escorrem para
a a
o cadinho, de onde saem pelos furos de corrida da esc´ria e do gusa respectivamente.
o
O ferro gusa, tamb´m conhecido como ”ferro fundido de primeira fus˜o”, ´ uma liga ferro-carbono
e a e
com elevados teores de carbono (3,4 a 4,5% C) que ´ vendido em blocos como mat´ria-prima
e e
para a produ¸˜o de a¸os e ferros fundidos (fofos). O ferro gusa ´ extremamente fr´gil devido a
ca c e a
significativa quantidade de impurezas presentes na liga (f´sforo, sil´
o ıcio, enxofre, etc). Por esse
motivo, ele tem praticamente nenhuma aplica¸˜o na ind´stria. Basicamente, o uso do ferro gusa
ca u
se resume, al´m de servir de mat´ria-prima para a produ¸˜o de outros produtos sider´rgicos,
e e ca u
a uso em contra-pesos de guindastes e na fabrica¸˜o de pouqu´
ca ıssimas pe¸as fundidas de pouca
c
responsabilidade.
Este material quando refundido, num forno como o cubilˆ, junto com sucatas de ferro fundido
o
e a¸o, d´ origem ao ”ferro fundido de segunda fus˜o”ou ferro fundido propriamente dito. Por
c a a
outro lado, ele tamb´m pode ser encaminhado `s aciarias onde se d´ a produ¸˜o do a¸o.
e a a ca c
b)Fabrica¸˜o do a¸o
ca c
Sendo o ferro gusa uma liga ferro-carbono em que o carbono e as impurezas normais - Sil´ ıcio
(Si), Manganˆs (Mn), F´sforo (P) e Enxofre (S) - se encontram em teores elevados, a sua
e o
transforma¸˜o em a¸o, que ´ uma liga de mais baixos teores de Carbono (C), corresponde a um
ca c e
processo de oxida¸˜o, por interm´dio do qual a porcentagem daqueles elementos ´ reduzida at´
ca e e e
aos valores desejados.
A fabrica¸˜o do a¸o, na usina sider´rgica, ocorre dentro de um setor espec´
ca c u ıfico conhecido como
aciaria. H´ diversos modelos de aciaria cada uma utilizando processos distintos para a produ¸˜o
a ca
do a¸o. O equipamento utilizado nas aciarias, conhecido como conversor, ´ o respons´vel pelo
c e a
m´todo de obten¸˜o, sendo os mais tradicionais:
e ca
• conversor Bessemer/Thomas sopro pelo fundo;
• conversor Tropenas sopro lateral;
• conversor L-D (Linz-Donawitz) sopro superior.
Dentre os modelos apresentados, o mais utilizado no Brasil ´ o Linz-Donawitz. O conversor
e
L-D, tamb´m conhecido como BOP(”basic oxygen process”).
e
Este tipo de conversor ´ constitu´ de uma carca¸a cil´
e ıdo c ındrica de a¸o resistente ao calor, revestido
c
internamente por materiais refrat´rios de dolomita ou magnesita, conforme indica a Figura.
a
Neste processo, introduz-se oxigˆnio, praticamente puro, atrav´s de uma lan¸a posicionada
e e c
pouco acima da superf´ do gusa l´
ıcie ıquido, que o sopra provocando um impacto na superf´ ıcie
l´
ıquida. Este sopro de oxigˆnio promove uma rea¸˜o de oxida¸˜o eliminando o carbono e outras
e ca ca
impurezas: sil´ (Si), f´sforo(P) e enxofre(S).
ıcio o
O carbono eliminado da liga F´-C forma com o oxigˆnio, o CO e o CO2 . O sil´ oxidado, forma
e e ıcio
SiO2 . O f´sforo ´ eliminado antes do carbono pela a¸˜o da cal, que introduzida no conversor
o e ca
ap´s a introdu¸˜o do oxigˆnio pela lan¸a. Forma-se uma esc´ria que garante a fixa¸˜o do P2 O5
o ca e c o ca
24. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I
e a 21
Figura 4.4: Tipos de conversores.
Figura 4.5: Conversor L-D (Linz-Donawitz)
25. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I
e a 22
resultante da oxida¸˜o. O enxofre ´ facilmente eliminado, devido ` forte agita¸˜o do banho e
ca e a ca
pelo fato da esc´ria apresentar-se mais quente e mais fluida.
o
O fim do sopro ´ determinado atrav´s de c´lculos que indicam o teor de carbono a ser atingido.
e e a
A lan¸a ´ ent˜o retirada sendo, em seguida, o forno basculado para a posi¸˜o horizontal de modo
c e a ca
a proceder-se ao vazamento do a¸o.
c
c)Fabrica¸˜o do Ferro Fundido
ca
O ferro fundido ´ obtido no forno cubilˆ usando como mat´ria-prima o ferro gusa e sucatas
e o e
c ´
de a¸o e ferros fundidos (fofos). E um forno vertical cil´
ındrico revestido de tijolos refrat´rios e
a
equipado com ventaneiras na parte inferior.
A carga, que ´ feita por uma abertura lateral, na parte superior e consiste de ferro gusa, sucatas
e
de ferro fundido e a¸o, carv˜o coque e calc´rio. Essas mat´rias-primas s˜o depositadas em
c a a e a
camadas alternadas. O metal fundido se re´ne no fundo do forno, de onde ´ escoado pela bica a
u e
determinados intervalos de tempos. A esc´ria ´ previamente retirada por outro orif´ situado
o e ıcio
em um n´ mais alto. O fundo do forno cubilˆ tamb´m pode ser removido para a limpeza e
ıvel o e
repara¸˜o da sola.
ca
Figura 4.6: Forno cubilˆ
o
26. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I
e a 23
4.1.2 USINAS MINI-MILLS
4.1.2.1 ´
MATERIA-PRIMA
Este tipo de processo utiliza basicamente sucata (de a¸o ou ferro fundido) e cal. Pode-se tamb´m,
c e
a partir da aquisi¸˜o do gusa, proveniente das usinas integradas, trabalhar com este material.
ca
4.1.2.2 ¸˜ ´
OPERACOES SIDERURGICAS
O conceito de fabrica¸˜o do a¸o, observado nas usinas mini-mills, parte do princ´
ca c ıpio que n˜o
a
´ necess´rio incorporar ao processo as opera¸˜es realizadas no alto-forno. Pode-se, portanto,
e a co
segundo este conceito americano, trabalhar-se com sucata promovendo a fus˜o deste metal e
a
adicionando os elementos de liga necess´rios ` fabrica¸˜o de um a¸o novo.
a a ca c
Desta forma, usinas tipo mini-mills iniciam seu processo a partir do que se identifica como as
opera¸˜es da aciaria observadas nas usinas integradas.
co
O princ´ıpio ´ transformar a energia el´trica em energia t´rmica, por meio da qual, promove-se
e e e
a fus˜o do gusa e/ou da sucata, onde as condi¸˜es de temperatura e oxida¸˜o do metal l´
a co ca ıquido
s˜o severamente controladas.
a
Os fornos el´tricos s˜o basicamente de dois tipos: a arco el´trico e de indu¸˜o.
e a e ca
a. Fornos de arco el´trico Em geral estes fornos s˜o basculantes e tˆm o aspecto conforme
e a e
apresentado na Figura 4.7.
Figura 4.7: Forno de arco el´trico
e
27. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I
e a 24
Os fornos a arco el´trico s˜o constitu´
e a ıdos de uma carca¸a de a¸o feita de chapas grossas de
c c
a¸o soldadas e rebitadas, de modo a formar um recipiente cil´
c ındrico com fundo abaulado.
Essa carca¸a ´ revestida na parte inferior (chamada soleira)por materiais refrat´rios.
c e a
A carga ´ feita por uma porta diametralmente oposta ` bica por onde ´ vazado o metal. O
e a e
calor ´ fornecido pelo arco el´trico que se forma entre os trˆs eletrodos verticais e o banho.
e e e
A esc´ria pode ser removida e substitu´ atrav´s da porta de carga.
o ıda e
O tamanho dos fornos el´tricos variam muito, havendo instala¸˜es capazes de produzir
e co
desde 500 kg at´ 100 toneladas de a¸o em cada corrida. A dura¸˜o de cada corrida de 60
e c ca
toneladas ´ de cerca de 8 horas.
e
Durante o processo, ocorre a oxida¸˜o das impurezas e do carbono e rea¸˜es de desox-
ca co
ida¸˜o, ou retirada dos ´xidos com a ajuda de agentes desoxidantes, e a dessulfura¸˜o,
ca o ca
´
quando o enxofre ´ retirado. E um processo que permite o controle preciso das quanti-
e
dades de carbono presentes no a¸o. c
Os fornos el´tricos contam com os ´xidos de ferro (ferrugem) presentes nas sucatas de a¸o
e o c
e de ferro fundido para promover a oxida¸˜o das impurezas contidas na mat´ria-prima.
ca e
Essas impurezas s˜o eliminadas, posteriormente, junto com a esc´ria.
a o
b. Fornos de indu¸˜o.
ca
O conjunto que comp˜e esse forno ´ formado de um gerador com motor de acionamento,
o e
uma bateria de condensadores e uma cˆmara de aquecimento. Essa cˆmara ´ basculante
a a e
e tem, na parte externa, a bobina de indu¸˜o, conforme indicado na Figura 4.8.
ca
Figura 4.8: Forno de indu¸˜o.
ca
O cadinho ´ feito de massa refrat´ria socada dentro dessa cˆmara, onde a sucata se funde
e a a
por meio de calor produzido dentro da pr´pria carga.
o
O fenˆmeno qu´
o ımico observado nos fornos de indu¸˜o ´ semelhante `quele existente nos
ca e a
fornos de arco el´trico.
e
28. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I
e a 25
4.1.3 ´
PRODUTOS SIDERURGICOS
Os produtos da ind´stria sider´rgica s˜o classificados, conforme mencionado anteriormente, em
u u a
fun¸˜o do teor de carbono encontrado na liga Fe-C.
ca
O teor de carbono, como elemento de liga principal, exerce influˆncia significativa sobre as pro-
e
priedades dos materiais. Tal influˆncia se explica pelos diferentes n´
e ıveis de solubilidade do ferro
em fun¸˜o da temperatura, que altera a sua forma alotr´pica, e modifica a capacidade de formar
ca o
solu¸˜o com o carbono.
ca
Pode-se compreender melhor este fenˆmeno a partir de uma an´lise do diagrama de fases Fe-C,
o a
apresentado na Figura 4.9
As principais considera¸˜es a serem feitas a respeito do diagrama bin´rio Fe-C, com rela¸˜o
co a ca
a
`s rea¸˜es que ocorrem em equil´
co ıbrio e das estruturas resultantes, s˜o as seguintes:
a
• o ponto A corresponde ao ponto de fus˜o do ferro puro - 1538o C e o ponto D, impreciso,
a
ao ponto de fus˜o do F e3 C;
a
• na parte superior esquerda do diagrama, numa faixa estreita, ocorre uma rea¸˜o especial
ca
chamada ”perit´tica”, na passagem do estado l´
e ıquido ao s´lido, em torno de 1495o C. a
o
qual, contudo, n˜o apresenta importˆncia sob o ponto de vista pr´tico. Nesse trecho, ao
a a a
solidificar, o ferro adquire a estrutura c´bica centrada - chamada, nesse caso, de d (delta),
u
passando, entretanto, quase a seguir, ` estrutura c´bica de face centrada gama (g), que
a u
caracteriza o ferro a alta temperatura. A 912o C, h´ a passagem da forma c´bica de face
a u
centrada para cubo centrado at´ a temperatura ambiente, na forma alotr´pica alfa (a);
e o
• na faixa de temperaturas em que o ferro est´ na forma alotr´pica gama, ele tem capacidade
a o
de dissolver o carbono presente;
• entretanto, essa solubilidade do carbono do ferro gama n˜o ´ ilimitada: ela ´ m´xima a
a e e a
1.148 C e corresponde a um teor de carbono de 2,11%. A ` medida que cai a temperatura,
a solubilidade do carbono no ferro gama decresce; assim, a 727o C, a m´xima quantidade
a
de carbono que pode ser mantido em solu¸˜o s´lida no ferro gama ´ 0,77%; esses fatos
ca o e
s˜o indicados no diagrama pelas linhas JE e Acm, esta ultima representando, portanto, a
a ´
m´xima solubilidade do carbono ou do Fe3C no ferro gama, nas condi¸˜es de equil´
a co ıbrio;
• as linhas JE e ECF correspondem ` linha ”solidus”do diagrama;
a
• o carbono afeta, por outro lado, a temperatura de transforma¸˜o alotr´pica gama-alfa: a
ca o
partir de 0% de carbono, essa temperatura de transforma¸˜o decresce paulatinamente, at´
ca e
que para 0,77% ela se situa a 727o C. Abaixo de 727o C n˜o poder´ existir, em nenhuma
a a
hip´tese, nas condi¸˜es de equil´
o co ıbrio, ou seja, esfriamento muito lento, ferro na forma
alotr´pica gama; tal fato ´ indicado pela linha PSK ou A1;
o e
• o ponto C, conforme estudado anteriormente, ´ o conhecido ponto eut´tico do diagrama
e e
Fe-C. Observa-se que o ponto S assemelha-se ao C sendo chamado de ponto eutet´ide.
o
• entre teores de carbono 0 e 0,77% ocorre n˜o apenas o abaixamento da temperatura de
a
transforma¸˜o alotr´pica gama-alfa, esta transforma¸˜o ´ paulatina ou se d´ em duas
ca o ca e a
etapas: come¸a na linha GS ou A3 e termina na linha PS ou A1. Somente a 727o C ela ´
c e
instantˆnea;
a
• a solubilidade do carbono no ferro alfa n˜o ´, de fato, nula: cerca de 0,008% de carbono
a e
dissolvem-se ` temperatura ambiente, e a 727o C, a solubilidade aumenta para 0.02%; de
a
727o C para cima, decresce novamente a solubilidade do carbono at´ 912o C torna-se nula.
e
29. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I
e a 26
Figura 4.9: Diagrama de equil´
ıbrio Fe-C.