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7/31/2019 Apostila ITM Henrique C Pavanati (Nov2010)
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IINNSSTTIITTUUTTOO FFEEDDEERRAALL DDEE SSAANNTTAA CCAATTAARRIINNAA
DDEEPPAARRTTAAMMEENNTTOO AACCAADDMMIICCOO DDEE MMEETTAALL--MMEECCNNIICCAA
CCUURRSSOO TTCCNNIICCOO DDEE MMEECCAANNIICCAA IINNDDUUSSTTRRIIAALL PPrrooIInn II
Prof. Henrique Cezar Pavanati, Dr. Eng.
Florianpolis, novembro de 2010
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Apostila Introduo Tecnologia dos Materiais
SUMRIO
SUMRIO .................................................................................................................... iii
APRESENTAO........................................................................................................vi
CAPTULO 1 Introduo ........................................................................................... 1
1.1 Consideraes iniciais ...................................................................................... 1
1.2 Disponibilidade dos Materiais ........................................................................... 3
1.3 Ligaes qumicas ............................................................................................ 5
1.4 Tipos de Materiais............................................................................................. 8
1.4.1 Materiais Metlicos................................................................................. 10
1.4.2 Materiais Cermicos............................................................................... 11
1.4.3 Materiais Polimricos ............................................................................. 12
1.4.4 Materiais Compsitos............................................................................. 13
1.4.5 Competio entre os materiais............................................................... 15
1.5 Estrutura Atmica dos Materiais ..................................................................... 16
1.6 Estrutura Cristalina do Ferro Puro .................................................................. 18
1.6.1 Ferro Alfa (Fe-) ...................................................................................... 19
1.6.2 Ferro gama (Fe-) .................................................................................... 20
1.6.3 Ferro Delta (Fe-)..................................................................................... 21
1.6.4 Transformaes Polimrficas do Ferro .................................................... 21
1.7 Defeitos Cristalinos ......................................................................................... 221.7.1 Vazios ...................................................................................................... 23
1.7.2 tomo Intersticial...................................................................................... 24
1.7.3 Contornos de Gro................................................................................... 24
1.7.2 Discordncias........................................................................................... 25
1.8 Soluo Slida ................................................................................................ 26
1.9 Propriedades dos Materiais......................................................................... 28
1.9.1 Propriedades Mecnicas.......................................................................... 28
1.9.2 Propriedades Tecnolgicas...................................................................... 29CAPTULO 2 Ligas Metlicas Ferrosas .................................................................. 30
2.1 Beneficiamento das Ligas de Ferro ................................................................ 30
2.1.1 Histrico do Beneficiamento de Ligas Metlicas Ferrosas....................... 31
2.1.2 O Processo Siderrgico ........................................................................... 32
2.1.3 Matrias-Primas da Indstria Siderrgica................................................ 34
2.1.3.1 Minrio de Ferro................................................................................ 34
2.1.3.2 Carvo Coque ................................................................................... 36
2.1.3.3 Fundentes ......................................................................................... 37
2.1.4 O Alto-forno.............................................................................................. 37
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Apostila Introduo Tecnologia dos Materiaisiv
2.1.5 Aciaria....................................................................................................... 39
2.2 Aos e Ferros Fundidos .................................................................................. 43
2.2.1 As ligas metlicas ferrosas....................................................................... 43
2.2.2 Aos.......................................................................................................... 44
2.2.3 Ao-carbono............................................................................................. 46
2.2.4 Aos ligados ............................................................................................. 50
2.2.5 Ferro Fundido........................................................................................... 57
CAPTULO 3 Diagramas de Fase e Diagramas TTT .............................................. 61
3.1 Diagrama de Fase........................................................................................... 61
3.1.1 Terminologias utilizadas no estudo dos diagramas de fase..................... 62
3.1.2 Diagrama de fase isomorfo ...................................................................... 63
3.1.3 Diagrama de fase euttico........................................................................ 67
3.1.4 Diagrama de fase Ferro-Carbono............................................................. 693.1.5 Polimorfismo dos aos na zona crtica ..................................................... 71
3.2 Diagramas Tempo-Temperatura-Transformao (TTT).................................. 75
3.2.1 Transformao isotrmica........................................................................ 75
3.2.2 Efeito da seo da pea........................................................................... 81
3.2.3 Fatores que alteram a forma dos diagramas TTT .................................... 83
CAPTULO 4 Tratamentos Trmicos e Superficiais................................................ 85
4.1 Tratamentos Trmicos..................................................................................... 85
4.1.1 Consideraes iniciais com relao aos tratamentos trmicos................ 854.1.2 Parmetros de controle de um tratamento trmico .................................. 86
4.1.3 Tratamentos trmicos tpicos aplicados aos aos.................................... 89
4.1.3.1 Recozimento pleno............................................................................ 90
4.1.3.2 Recozimento para alvio de tenses ................................................. 93
4.1.3.3 Recozimento para recristalizao ..................................................... 94
4.1.3.4 Recozimento de Esferoidizao ........................................................ 96
4.1.3.5 Normalizao..................................................................................... 98
4.1.3.6 Tmpera direta ................................................................................ 100
4.1.3.7 Tmpera subzero ............................................................................ 106
4.1.3.8 Martmpera ..................................................................................... 110
4.1.3.9 Austmpera ..................................................................................... 112
4.1.3.10 Revenimento ................................................................................. 115
4.1.4 Temperabilidade dos aos ..................................................................... 118
4.1.4.1 Taxa de resfriamento crtico ............................................................ 119
4.1.4.2 Ensaio Grossmann.......................................................................... 120
4.1.4.3 Ensaio Jominy ................................................................................. 121
4.2 Tratamentos Superficiais............................................................................... 122
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Apostila Introduo Tecnologia dos Materiais v
4.2.1 Deposio .............................................................................................. 123
4.2.2 Tratamento trmico superficial............................................................... 124
4.2.2.1 Tmpera superficial por induo..................................................... 124
4.2.2.2 Tmpera superficial por chama....................................................... 125
4.2.3 Tratamentos termoqumicos................................................................... 126
4.2.3.1 Cementao.................................................................................... 127
4.2.3.2 Nitretao........................................................................................ 128
CAPTULO 5 Ensaios Mecnicos ......................................................................... 130
5.1 Consideraes iniciais sobre os ensaios mecnicos.................................... 130
5.2 Ensaio de Trao.......................................................................................... 131
5.2.1 Tenso e deformao na Trao ........................................................... 131
5.2.2 Equipamento e corpos de prova de um ensaio de trao...................... 133
5.2.3 Conduo de um ensaio de trao ........................................................ 1355.2.4 Anlise da curva tenso-deformao..................................................... 137
5.2.4.1 Tenso de escoamento do material (e) ......................................... 138
5.2.4.2 Limite de resistncia ou tenso mxima (R ou MAX) ..................... 139
5.2.4.3 Mdulo de elasticidade ou mdulo de rigidez do material (E)......... 142
5.2.4.4 Plasticidade do material () ............................................................. 144
5.2.4.5 Tenacidade com baixa velocidade de aplicao da fora............... 145
5.2.5 Fratura dos corpos de prova no ensaio de trao.................................. 146
5.3 Ensaio de Dureza.......................................................................................... 1475.3.1 Escala de dureza Mohs.......................................................................... 148
5.3.2 Escala de dureza Brinell......................................................................... 149
5.3.3 Escala de dureza Rockwell .................................................................... 151
5.3.4 Escala de dureza Vickers....................................................................... 155
5.4 Ensaio de Impacto ........................................................................................ 158
REFERNCIAS........................................................................................................ 164
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Apostila Introduo Tecnologia dos Materiais
APRESENTAO
Esta apostila foi montada como material didtico de apoio, sem nenhum fim lucrativo,
destinado exclusivamente para os alunos da unidade curricular Introduo Tecnologia dos
Materiais do Curso Tcnico de Mecnica Industrial do Instituto Federal de Santa
Catarina (IF-SC).
A apostila dividida em cinco captulos seguindo a ordem utilizada pelo
planejamento das aulas no decorrer do semestre letivo que compreendem um total de
64 h/a. A ementa desta unidade curricular est focada na abordagem de bases tecnolgicas
envolvendo fundamentalmente materiais metlicos ferrosos. Alm disso, so abordados os
temas relacionados aos diagramas de fase, curvas TTT, tratamentos trmicos e superficiais
alm dos ensaios mecnicos, todos aplicados principalmente a materiais metlicos ferrosos.
O tema relacionado preparao e anlise metalogrfica tratado em material didtico
extra. A unidade curricular de Introduo Tecnologia dos Materiais (ITM10101) faz parte
do 1 mdulo (semestre) do Curso Tcnico de Mecnica Industrial do IF-SC. Este curso
tcnico caracterizado por ser um curso subseqente, ou seja, para poder ingressar no
curso o aluno necessita ter concludo o ensino fundamental (concludo o 2 grau). A durao
total do curso de 1.200 horas sendo divididos em 3 mdulos 400 h e o estgio obrigatrio
tambm de 400 h.
Assim sendo, esta apostila tem como pblico-alvo, estudantes que ingressaram no
Curso Tcnico de Mecnica Industrial considerando os conhecimentos adquiridos no2 grau. A apostila traz conceitos bsicos sobre materiais sem entrar muito a fundo em
detalhes de fsica, qumica e matemtica. O que se faz um detalhamento mnimo
necessrio para dar subsdios para um melhor entendimento de alguns aspectos
metalrgicos relevantes.
O objetivo principal deste documento trazer ao leitor uma fundamentao mnima
em aspectos introdutrios de materiais, focados principalmente nos materiais metlicos
ferrosos. Cabe ressaltar que em favor da didtica aplicada a estudantes de nvel mdio,
muitas simplificaes foram adotadas, sendo algumas perigosamente exageradas e semgrande rigor fsico, qumico ou matemtico. Estas simplificaes so vlidas para facilitar o
entendimento geral do assunto tratado, fornecendo ao leitor, subsdios para se concentrar
nos aspectos macro do assunto como um todo. Um tratamento mais rigoroso do tema
necessitar de uma pesquisa em literaturas mais especficas e de cunho cientfico.
proibida a utilizao desta apostila para fins comerciais e para sua utilizao fora
do contexto do IF-SC.
Henrique Cezar Pavanati, novembro de 2010.
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CAPTULO 1 Introduo 1
CAPTULO 1 Introduo
1.1 Consideraes iniciais
A evoluo da sociedade humana sempre foi influenciada pela descoberta de novos
materiais. possvel correlacionar cada importante salto ocorrido no desenvolvimento da
humanidade com descobertas envolvendo novos materiais.
Os primeiros utenslios utilizados pelo homem foram obtidos a partir de madeira ou
pedra, principalmente para a fabricao de ferramentas e armas. Outros materiais tambm
foram largamente utilizados para fins especficos como ossos, fibras vegetais, conchas, pele
de animais e argila. Em geral, estes materiais eram usados para fins decorativos ou paraproporcionar maior conforto.
Tal desenvolvimento, de certa forma, tornou mais fcil a obteno e processamento
dos recursos mnimos para a sobrevivncia, fornecendo consequentemente, maior tempo
livre para o nosso desenvolvimento intelectual. Nesta poca, o crebro humano no possua
nada diferente do crebro do homem dos dias atuais, ou seja, a capacidade de raciocnio
era equivalente nossa. No entanto, o homem possua muito menos tempo para pensar e,
consequentemente, menos oportunidade para se desenvolver. A partir do momento que o
homem produziu ferramentas e novas tcnicas para facilitar sua vida, passou a ter mais
tempo para concatenar idias, levando-o mais rapidamente a novas solues para os
problemas do dia-a-dia, como obter alimento, armazenar comida, desenvolver tcnicas de
caa e assim por diante. O desenrolar deste processo funcionou como uma bola de neve.
Quanto mais ele se desenvolvia mais tempo disponvel para pensar e se desenvolver ele
tinha.
A descoberta de novos materiais teve (e vem tendo ainda hoje!) um papel
fundamental neste desenvolvimento. Os primeiros elementos que o homem modificou
quimicamente foram o carbono, de materiais queimados, e uma pequena quantidade de
metais. A prata, por exemplo, um dos elementos qumicos mais antigos isolados pelohomem. Outro exemplo pr-histrico o cobre, empregado na manufatura de armas e
ferramentas, especialmente quando ligado com o estanho formando a conhecida liga de
bronze (da a Idade do Bronze). Os primeiros utenslios fabricados com ferro foram obtidos a
partir de meteoritos, j que a anlise de objetos daquela poca mostra a presena de teores
relativamente elevados de nquel, tpico de ferro meteortico. O ferro advindo de minrio
(que nada mais que xido de ferro misturado com materiais de rochas como slica) foi
provavelmente obtido pela primeira vez quando algum fez uma grande fogueira sobre
algumas rochas contendo minrio de ferro. Com a ao do carbono em altas temperaturaseste minrio reduziu (ou seja, o oxignio se separou do ferro), tendo-se ento o ferro
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Apostila Introduo Tecnologia dos Materiais2
metlico parcialmente isolado. Bastava ento algum recolher estas estranhas pedras
maleveis depois de cessado o fogo e trabalhar com elas, dando forma a vrios tipos de
objetos, ainda que rudimentares.
De maneira geral, o estudo de materiais foi por muito tempo levado de forma
emprica. Este processo esteve principalmente na mo dos alquimistas que isolavam e
transformavam os materiais. No entanto, a metodologia de estudo utilizada pelos
alquimistas, possua um carter mstico e enviesado pelos preconceitos caractersticos da
poca, como ocorreu em todos os ramos da cincia.
A Figura 1.1 mostra a evoluo cronolgica dos elementos qumicos descobertos
Figura 1.1 Evoluo cronolgica cumulativa dos elementos qumicos descobertos noltimo milnio (reproduzida de PADILHA, 2000).
Nos dias de hoje a quantidade de materiais e tcnicas para produo so enormes.
A escolha do material mais adequado para uma determinada aplicao no uma tarefatrivial, necessitando de um bom conhecimento em materiais. O tcnico ou tecnlogo deve
conhecer os tipos bsicos de materiais e suas propriedades principais, saber articular estes
conhecimentos e determinar, da melhor forma possvel, a escolha do material mais
apropriado, levando em considerao o custo, suas caractersticas especficas e outros
fatores que possam afetar o usurio/operador assim como o ambiente onde o mesmo se
encontra.
Neste primeiro captulo ser abordada uma viso geral da cincia dos materiais e
alguns conceitos bsicos para que o aluno possa ter uma base para poder entender osprincipais aspectos relacionados aos diversos tipos de materiais.
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CAPTULO 1 Introduo 3
1.2 Disponibilidade dos Materiais
Como j dito, o homem, h milhares de anos, isola e transforma materiais para a
produo de utenslios que facilitem sua vida. Mas de onde vm estes materiais? Onde
estariam disponveis? A resposta mais bvia seria: da Terra.
A Terra possui um dimetro em torno de 13.000 km e sua massa de
aproximadamente 6 1024 kg (ou seja, 24 zeros atrs do nmero 6 !!!). Mas, o homem pode
de fato utilizar todo este material? A resposta NO. O homem tem possibilidade de utilizar
somente o que h na crosta terrestre. A crosta terrestre uma fina casquinha sobre esta
grande esfera que o planeta Terra. Ela possui uma espessura de 30 a 50 km. Fazendo-se
uma analogia, se tivssemos uma esfera de 100 mm (10 cm) de dimetro, a espessura
equivalente da crosta terrestre seria de 0,4 mm. Seria como uma camada espessa de verniz
ou tinta sobre esta esfera de 100 mm. A atmosfera da terra possui dimenses semelhantes
da crosta terrestre, logo, a mesma analogia vlida.
O homem, ento, extrai seus recursos do meio em que vive, ou seja, da crosta
terrestre e da atmosfera. Mas, quais elementos qumicos esto disponveis na crosta
terrestre e atmosfera? Sempre ouvimos falar que a terra composta principalmente por
ferro, mas esta informao leva em conta toda a esfera.
A Figura 1.2 abaixo mostra a distribuio da composio qumica dos elementos
qumicos que compe a crosta terrestre.
Potssio
3%
Magnsio
2% Outros
1%Sdio
3%
Clcio
4%
Ferro
5%
Alumnio
8%
Silcio
27%
Oxignio
47%
Figura 1.2 Composio qumica da crosta terrestre (reproduzido de ASHBY e JONES, 2007)
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Apostila Introduo Tecnologia dos Materiais4
A Figura 1.2 mostra algo interessante: o oxignio e silcio juntos representam quase
75% da proporo de elementos qumicos presentes na crosta terrestre. Nada mais justo! A
crosta terrestre formada principalmente por rochas. A quantidade de slica presente nestas
rochas muito grande. A areia do mar, nada mais do que slica moda. Se observarmos a
composio qumica da slica (SiO2) notamos que ela composta de um tomo de silcio e
dois tomos de oxignio. Observando a Figura 1.2 percebemos que a quantidade de
oxignio quase o dobro da de silcio. Coincidncia?
Os elementos que seguem, em ordem decrescente, alumnio, ferro, clcio, sdio,
magnsio e potssio juntos com oxignio e silcio representam 99% dos elementos qumicos
presentes na crosta terrestre. Isto significa dizer que 99% dos recursos disponveis so
compostos por estes elementos. O elemento qumico mais abundante do universo o
hidrognio, a matria orgnica composta principalmente de carbono, a gua possui 2/3 de
hidrognio, o carbono (elemento principal de organismos vivos) e metais importantes comonquel, chumbo, estanho, cobre, titnio, molibdnio e mais os outros noventa e tantos
elementos qumicos da tabela peridica com 1% de representao na proporo da crosta.
Outro ponto a ser ressaltado. Por que o alumnio to disputado entre os catadores
de sucata j que se trata do terceiro elemento mais abundante na crosta terrestre? Por que
simplesmente no cavar e recolher o alumnio? O mesmo pode-se dizer do ferro, tambm
muito abundante. Clcio, sdio, magnsio e potssio tambm so metais. Voc j os viu?
Voc j viu algum objeto feito a partir de uma barra de clcio? Qual a cor do clcio? Branco?
O que ocorre que, assim como o silcio, estes outros metais esto ligados aooxignio. O alumnio est presente principalmente como alumina (Al2O3) e o ferro como
hematita (Fe2O3) e magnetita (Fe3O4). No possvel produzir latinhas de alumnio
diretamente com a alumina recolhida da terra. como morrer de sede na praia. A gua
salgada no serve para beber! necessrio separar o alumnio do oxignio e isso muito
dispendioso. O mesmo ocorre com o ferro, mas este mais fcil de separar que o alumnio.
Por isso h mais objetos produzidos de ferro que de alumnio, apesar do Ferro ser menos
abundante que o Alumnio. Certamente voc no encontrou por a nenhum objeto feito de
uma barra de clcio metlico. O mpeto de pensar o clcio na cor branca que voc o
encontra na forma de xido. A cal , basicamente, xido de clcio. O clcio (assim como o
ltio, potssio, sdio, rubdio, csio, frncio, magnsio, etc.) extremamente apaixonado
por oxignio e por isso a separao um tanto dolorosa. Voc precisa ceder muita energia
para separar o clcio do oxignio. O inverso ocorre quando estes metais muito
apaixonados por oxignio o encontram, uma quantidade grande de energia liberada. Os
metais alcalinos e alcalinos terrosos possuem esta caracterstica1.
1 Procure no www.youtube.com a seguinte frase braniac alkaline metals e voc ver reaes de metaisalcalinos com gua (estes metais quando em contato com o oxignio da gua provocam uma forte reao)
http://www.youtube.com/http://www.youtube.com/7/31/2019 Apostila ITM Henrique C Pavanati (Nov2010)
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CAPTULO 1 Introduo 5
A maioria dos metais presentes no planeta Terra tendem a formar xidos,
carbonetos, nitretos, boretos, sulfetos, entre outros. Raramente voc ir encontrar o metal
isolado. Existem excees. Por exemplo, o ouro, este fantstico metal no to valioso
toa. Ele no forma um xido estvel, ou seja, no oxida! Assim, os objetos produzidos a
partir dele duram quase que eternamente. No por nada que arquelogos ainda
encontram objetos de civilizaes antigas produzidas a partir de ouro, em excelente estado
de conservao. O ouro pode ser encontrado na natureza na forma metlica. Por isso, foi
um dos primeiros metais conhecidos pelo homem (Figura 1.1) e to valorizado. A prata
possui um xido pouco estvel e por ser mais abundante que o ouro acabou tendo maior
importncia na pr-histria que este.
Materiais so substncias com propriedades que as tornam teis na construo de
mquinas, estruturas, dispositivos e produtos. Os materiais slidos so frequentemente
classificados em quatro grupos principais:- Materiais metlicos;
- Materiais cermicos;
- Materiais polimricos;
- Materiais compsitos.
Esta classificao baseada na estrutura atmica e nas ligaes qumicas
predominantes em cada grupo. Os materiais compsitos foram incorporados recentemente
nesta classificao e representa os materiais formados por aqueles pertencentes a
diferentes classes ou da mesma classe desde que no haja dissoluo de um no outro. Novamos confundir esta classificao com a classificao dos elementos qumicos da tabela
peridica. Os elementos qumicos so classificados como metais, no-metais, semi-metais e
gases nobres. Quando falamos em materiais, queremos dizer um conjunto de elementos
qumicos formando uma substncia com estrutura e ligaes entre os tomos. Para que um
amontoado de tomos permanea junto necessrio que haja atrao entre eles. Esta
atrao a ligao qumica.
1.3 Ligaes qumicas
Como j dito, as ligaes qumicas fazem com que um amontoado de tomos
permanea unido.
Antes de comearmos, vamos lembrar como o tomo. O tomo constitudo de
prtons, nutrons e eltrons. Os prtons possuem carga positiva, os eltrons possuem
carga negativa e os nutrons no possuem carga. O tomo possui um ncleo muito
pequeno e denso e uma nuvem de partculas em sua volta. Esta nuvem de partculas so oseltrons (carga negativa) que viajam em torno do ncleo cada qual em sua rbita especfica,
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Apostila Introduo Tecnologia dos Materiais6
a eletrosfera. J o ncleo composto de prtons e nutrons. A massa do tomo est
praticamente toda no ncleo. O tomo em si eletricamente neutro, pois o nmero de
prtons igual ao nmero de eltrons, como ambos possuem cargas opostas estas se
anulam. A natureza do tomo dada pelo nmero de prtons (ou de eltrons) e a tabela
peridica os classifica todos os cento e tantos tomos um a um desta maneira.
Como vimos, os tomos so eletricamente neutros, mas estes no so
necessariamente estveis. Com exceo dos gases nobres, quando um tomo se aproxima
do outro ocorre uma interao entre as eletrosferas de ambos. Esta interao pode ser de
vrias formas, compartilhamento de eltrons, troca de eltrons ou socializao de eltrons
dos tomos em contato. Esta interao produz uma fora que faz com que os tomos
permaneam unidos, ou seja, produz a fora de ligao qumica (ou ligao qumica). Com
esta fora atuando, os tomos ficam unidos e para separ-los necessrio ceder uma fora
maior que a da ligao qumica (j experimentou quebrar uma lajota com o dedo do p?).Mas como agem as ligaes qumicas? O que ocorre que existe uma fora que faz
com que os tomos se atraiam agrupando-os. Ocorre como num im. O plo negativo de um
im atrado pelo plo positivo de outro. Lembrando, cargas opostas se atraem.
exatamente o que ocorre no caso das ligaes qumicas. Os tomos quando prximos de
outros modificam o equilbrio das suas cargas eltricas fazendo com que um tomo fique
grudado em outro devido atrao de cargas.
Esta fora conhecida como fora de ligao qumica, ou simplesmente ligao
qumica. Existem vrios tipos de ligaes qumicas, que podem ser classificadas de vriasformas. Existem ligaes qumicas fortes e ligaes qumicas fracas.
As ligaes fortes podem ser basicamente de trs tipos.
- Ligao metlica;
- Ligao inica;
- Ligao covalente.
Na ligao inica, um ou mais eltrons so transferidos de um tomo menos vido
por eltrons (eletropositivo) para outro sedento por eltrons (eletronegativo). A fora de
ligao existe, pois um ao ceder e o outro ao receber eltrons ficaram eletricamente
desbalanceados. O que recebeu o eltron ficou negativo e o que cedeu ficou positivo. A
ligao ocorre devido atrao do on negativo e do positivo.
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CAPTULO 1 Introduo 7
Figura 1.3 Formao do cloreto de sdio por meio de ligao inica (adaptado de Padilha, 2000)
Na ligao covalente, um ou mais eltrons so compartilhados entre dois tomos,gerando uma fora de atrao entre aqueles que participam da ligao. Este
compartilhamento muito comum nas molculas orgnicas.
A ligao metlica ocorre da seguinte forma: tomos com 1, 2 ou no mximo 3
eltrons na ltima camada (de valncia) possuem possibilidade de se movimentar
livremente quando juntos com outros tomos com as mesmas caractersticas. Os eltrons
que no so de valncia permanecem presos ao tomo. Estes eltrons presos mais o
ncleo formam um caroo eletricamente positivo que envolvido por uma nuvem de
eltrons. Os eltrons da nuvem atuam como uma cola mantendo os caroos positivosunidos (Figura 1.4).
O fato dos materiais metlicos possurem este tipo de ligao determina as
propriedades fsicas e mecnicas, como condutividade eltrica, trmica e capacidade de
modelagem (ductilidade).
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Apostila Introduo Tecnologia dos Materiais8
Figura 1.4 Ilustrao da nuvem eletrnica, que caracteriza a ligao metlica
Os principais tipos de ligaes qumicas fracas so:
- Pontes de hidrognio;- Foras de Van der Walls;
Estas ligaes so muito mais fracas que as ligaes metlicas, inicas e
covalentes. A fora de Van der Walls uma fora de atrao muito fraca que tem sua
origem na atrao dos ncleos positivamente carregados de cada molcula pelos eltrons
de outra molcula. Este tipo de ligao tem sua importncia ressaltada nos polmeros
(plsticos). Estes materiais possuem principalmente ligaes covalentes e inicas entre os
tomos formando molculas. No entanto, existem ligaes fracas (do tipo velcro) entre as
molculas ou entre partes diferentes de uma mesma molcula formando um emaranhado demolculas rgido (como um novelo de l cheio de ns). Isso faz com que o material
polimrico tenha caractersticas plsticas quando aquecido (no caso dos termoplsticos).
O outro tipo de ligao fraca, as pontes de hidrognio, forma-se quando um tomo
de hidrognio se assenta sobre dois tomos de oxignio ou dois tomos de nitrognio, ou
um de cada. Um exemplo importante a gua. Existem ligaes fracas entre os tomos de
hidrognio de uma molcula com o oxignio de outra molcula de H 2O. Caso no existisse
esta ligao a gua seria gasosa nas condies em que vivemos, este simples fato definiu
nossa existncia na Terra.
Tanto a fora de Van der Walls como as pontes de hidrognio so facilmente
formadas e facilmente rompidas. Poderamos fazer uma analogia: as ligaes fortes seriam
como uma solda e a ligaes fracas como um velcro.
1.4 Tipos de Materiais
Os materiais de construo mecnica podem ser divididos em quatro grandesgrupos. O primeiro em escala de uso e mais antigo o grupo dos materiais metlicos. Em
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CAPTULO 1 Introduo 9
seguida temos os materiais cermicos e polimricos. Por ltimo, temos os materiais
compsitos que podem ser considerados combinaes estratgicas dos trs grupos de
materiais anteriores para o aproveitamento racional das propriedades individuais de cada
grupo. O enquadramento dos materiais dentro destes grupos arbitrrio. Geralmente,
levam-se em conta trs aspectos: natureza dos elementos qumicos presentes, tipo de
ligao qumica preponderante e estrutura atmica. Veremos estes detalhes mais adiante,
ainda neste captulo.
A Figura 1.5, mostra de forma esquemtica estes grupos de materiais. Nesta figura,
possvel ver tambm, alguns exemplos de combinao de duas classes de materiais para
a confeco de um material compsito especfico.
Figura 1.5 Diagrama esquemtico dos grupos tradicionais de materiais.
A disponibilidade comercial dos materiais crescente e h uma concorrncia entre
eles em diversas aplicaes em engenharia. No so poucas as vezes que vemos materiais
metlicos sendo substitudos por polmeros (nos automveis, por exemplo), ou alumnio,
substituindo o ferro, ou vice-versa. Cabe ressaltar que a escolha de um material para uma
determinada aplicao arbitrria, e deve levar em conta vrios requisitos, tanto tcnicoscomo econmicos e sociais. Logo, o conhecimento dos tipos de materiais auxilia na
elaborao de critrios tcnicos baseados nas propriedades fsicas, mecnicas e
tecnolgicas requeridas para manufatura de componentes e suas aplicaes.
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Apostila Introduo Tecnologia dos Materiais10
1.4.1 Materiais Metlicos
Os materiais metlicos so substncias inorgnicas formadas, geralmente, a partir
da combinao de elementos metlicos da tabela peridica. Estes materiais possuem
preponderantemente ligaes metlicas. Um exemplo simples, o elemento qumico Al
(alumnio) quando ligado com outros tomos de alumnio (com ligaes metlicas) forma o
material conhecido como alumnio. Parece bvio? Cuidado! Fique atento para o fato que
elemento qumico metlico, ligao metlica e material metlico, so trs definies
distintas!
Existem elementos no-metlicos (semi-metais e no metais) que podem fazer parte
da composio dos metais, por exemplo: carbono, nitrognio, oxignio, hidrognio, boro,
entre outros.
Como j dito, os materiais metlicos so classificados como um conjunto de tomos
que apresentem ligaes metlicas. Os elementos que preferem formar predominantemente
ligaes metlicas so os tomos metlicos (coincidncia?). Estes materiais possuem um
grande nmero de eltrons no-localizados, ou seja, eltrons que no esto ligados a
qualquer tomo em particular. Muitas propriedades dos metais so atribudas diretamente a
estes eltrons (ou a este tipo de ligao qumica). Os metais so excelentes condutores de
eletricidade e calor, so opacos, resistentes e deformveis, o que faz desta classe de
materiais muito atraente para o uso em uma infinidade de aplicaes.
Como vimos, os materiais metlicos so formados por um arranjo ordenado de ons(do elemento qumico metlico) positivamente carregados (Figura 1.4), cada um dos quais
contribui com eltron(s) para a nuvem negativa. Sem estes eltrons, os ons metlicos
(Figura 1.4) positivamente carregados iriam se repelir. So os eltrons negativamente
carregados, que constituem um adesivo mvel por vezes denominado nuvem de eltrons,
que os mantm unidos pelo que denominamos ligao metlica.
Os materiais metlicos podem ser formados por um nico elemento qumico, ou seja,
metal puro (p. ex.: Ouro, alumnio, cobre, estanho, prata), ou formado por mais de um
elemento qumico, ou seja, liga metlica (p. ex.: ao-carbono Fe+C, bronze Cu+Sn,lato Cu+Zn, ao inox Fe+C+Cr, Duralumnio Al+Cu+Mg+Mn+Si, entre outros).
Numa liga metlica temos a matriz, formada pelo elemento qumico em maior
quantidade e o elemento de liga, presente em menor quantidade. Por exemplo, o ao-
carbono uma liga formada por ferro e carbono. Neste caso, a matriz o ferro e o carbono
o elemento de liga, j que este ltimo est presente numa proporo de at 2,11% na liga.
De maneira geral, as ligas metlicas so classificadas como ferrosas e no-
ferrosas. Tal classificao pode ser entendida se for levado em conta a matriz da liga.
Assim, uma liga que possui predominncia do elemento qumico Fe, classificada como
ferrosa, caso contrrio, como no-ferrosa.
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CAPTULO 1 Introduo 11
1.4.2 Materiais Cermicos
Numa definio muito grosseira, materiais cermicos so substncias duras,
resistentes ao ataque ambiental e constituda de uma combinao de materiais (blenda) de
elementos metlicos ou semi-metlicos e um elemento no-metlico, que usualmente o
oxignio. Uma cermica muito conhecida a slica, nome comum do dixido de silcio
(SiO2). Aqui o silcio o semi-metal e o oxignio o no-metal. Outro exemplo comum a
alumina (Al2O3), onde o metal o alumnio e o no-metal o oxignio. Existem, no entanto,
uma srie de cermicas sem oxignio, formadas principalmente por nitrognio e carbono.
Por exemplo, nitreto de silcio, carboneto de tungstnio, entre outros. Existem materiais
cermicos compostos por um nico elemento qumico. O grafite e o diamente, por exemplo,
so materiais cermicos constitudos unicamente de carbono.
Uma definio mais abrangente quanto aos materiais cermicos pode ser a seguinte:
Os materiais cermicos so materiais inorgnicos onde predominam o tipo de ligao
qumica inica ou covalente. Os materiais que se enquadram como cermicos inclui aqueles
compostos por materiais argilosos, cimento e vidro. Estes materiais so tipicamente
isolantes eltricos e trmicos, em decorrncia do tipo de ligao qumica que no possui
eltrons livres para a conduo de eletricidade e calor. Os cermicos so, geralmente, mais
resistentes s elevadas temperaturas e abraso que os materiais metlicos e polimricos.
Os cermicos so em geral duros e quebradios (lembrando que dureza anda lado a lado
com a fragilidade).Alguns exemplos de materiais cermicos:
- compostos simples xidos, carbonetos, nitretos, boretos com ligao
predominantemente inica;
- compostos mistos xidos mistos, carbonetos e nitretos mistos, carbonitretos,
entre outros, com ligao qumica predominantemente inica;
- diamante formado por carbono com ligaes covalentes com estrutura
tetradricas
- vidros cermicos formado por ligaes inicas onde no h ordenao atmica alonga distncia.
Quando falamos de materiais cermicos, nos vem em mente sempre algo como
tijolos, telhas, vasos, etc.. Materiais com pouca resistncia mecnica e com relativa
fragilidade. Estes materiais, na verdade, fazem parte de uma classe dentro dos materiais
cermicos, que so as cermicas tradicionais. Estas possuem elevada dureza, mas
tambm elevada fragilidade. So fabricados a partir de ps de argilo-minerais e rochas
modas (slica). Estas cermicas so utilizadas onde as solicitaes mecnicas no so
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Apostila Introduo Tecnologia dos Materiais12
muito severas. Geralmente, decorativos, para proteo ao calor ou intempries (construo
civil e utenslios domsticos).
No entanto, existe outra classe de materiais cermicos para aplicao em
engenharia, as denominadas cermicas avanadas (ou de alto desempenho). Estas
possuem maior resistncia ao choque e vibraes (ou seja, possuem maior tenacidade) e
podem ser usadas como componentes especiais de mquinas e motores que necessitem de
elevada resistncia ao desgaste e calor, alm , claro de maior tenacidade. Nesta classe, se
enquadram a alumina (Al2O3), xido de zircnia (ZrO2), nitreto de silcio (Si3N4), carboneto de
silcio (SiC), nitreto de alumnio (AlN), entre outros.
1.4.3 Materiais Polimricos
Uma classe particular de compostos do carbono desempenha um papel importante
no mundo vivo e no ambiente material de grande parte da humanidade. Esta classe
denominada polmeros. Um polmero uma cadeia, produzida pela unio (ligao
covalente) de pequenas molculas, conhecida como monmeros. Os monmeros de uma
cadeia podem ser idnticos, como as peas de um colar, ou similares. Monmeros so
pequenas molculas contendo carbono (por ex.: etileno C2H4).
A palavra polmero origina-se do grego poli(muitos) e mero(unidade de repetio).
Polmero = Muitos meros em cadeia por ligao covalente
Por exemplo, um polmero muito comum, o polietileno. formado pela repetio de
vrios meros formados a partir do monmero etileno (ou eteno), conforme a Figura 1.6.
Figura 1.6 Esquema da polimerizao do monmero etileno para formar o polietileno com grau depolimerizao n.
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CAPTULO 1 Introduo 13
Os polmeros2, por terem este tipo de ligao qumica e estrutura molecular fazem
com que estes materiais sejam isolantes eltricos e maus condutores de calor, baixa
densidade, elevada resistncia corroso e ampla variedade de formulao. Em
compensao, estes materiais possuem baixa resistncia mecnica e baixa resistncia ao
calor, quando comparado com as cermicas e metais.
Os polmeros podem ser naturais (madeira, cabelos, pele, protenas, celulose,
chifres de animais, entre outros) ou sintticos (polietileno, PVC, nylon, acrlico, teflon, etc.).
O mais abundante polmero natural sobre a Terra certamente a celulose, que
uma substncia tenaz que forma a cobertura externa da clula vegetal. O algodo celulose
quase que pura, a madeira possui cerca de 50% de celulose. A glicose tambm um
importante polmero natural. Do ponto de vista do homem, o mais importante polmero a
molcula do DNA, que carrega informao gentica de uma gerao para a seguinte.
O homem comeou a sintetizar polmeros de forma controlada a partir de 1900.Baekeland (em 1905) misturou formaldedo e fenol aquecendo-os. Ele obteve um material
preto e duro, a que chamou de baquelite. A baquelite foi um plstico comum nos anos 1930
e 1940, mas os holofotes foram tomados pelo nilon em 1934. Nos dias da baquelite, a
criao de polmeros no estava muito longe da culinria um pouco disso, um pouco
daquilo, calor e mexa bem. A qumica e fsica dos polmeros so hoje disciplinas muito
sofisticadas e chegamos ao estgio em que novos polmeros so fabricados por encomenda
para objetivos especficos.
1.4.4 Materiais Compsitos
Os materiais compsitos so materiais formados pela mistura de dois ou mais
materiais. A maioria dos materiais compsitos produzida a partir de uma mistura de um
material de reforo, com caractersticas requeridas para o produto e um outro material que
serve como matriz que agrega o primeiro formando um nico material (exemplo: concreto
armado: ferro e concreto. Neste caso o ultimo funciona como matriz). Um outro exemploclssico a fibra de vidro. Fibras de vidro so incorporadas no interior de um material
polimrico.
Estes materiais podem ser enquadrados nas outras trs classes (como no exemplo
da Figura 1.4) ou podem pertencer mesma classe de material. De um modo geral, os
componentes que compem o material compsito no se dissolvem um nos outros e podem
ser identificados pelas interfaces que os separam.
2
Na linguagem comum, os polmeros so tambm denominados plsticos. No entanto, plstico um adjetivo que define um material deformvel permanentemente. Tente usar a denominao corretasempre que possvel.
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Apostila Introduo Tecnologia dos Materiais14
Um compsito projetado para se ter uma combinao das melhores caractersticas
de cada material que o compe. A fibra de vidro, por exemplo, adquire resistncia do vidro e
flexibilidade do polmero. Algo semelhante pode-se fazer com a fibra de carbono. Algumas
estruturas so construdas de fibras de carbono embebidas em resina polimrica (Figura
1.7a). A resina d sustentao e forma ao objeto. J a fibra de carbono com resistncia
trao muito elevada fornece estrutura tal caracterstica.
(a) (b)
Figura 1.7 Micrografias de materiais compsitos. (a) Fibra de carbono em resina polimrica e (b)metal duro ou widia.
Outro exemplo interessante a Widia. Este material comumente chamado desta
forma tecnicamente conhecido como metal duro. Um exemplo de seu uso na ponta das
brocas usadas para furar parede de alvenaria. usado somente um incerto (pastilha) na
ponta da broca de ao, pois somente aquela regio estar severamente submetida
abraso (lembre-se que a parede basicamente cermica, dura e com elevada resistncia a
abraso, diferente da madeira que polimrica). Neste caso, se usarmos uma broca normal
ele logo perder o fio. Por que no usar ento uma broca de cermica? Lembre-se que a
cermica frgil (pouco tenaz), no suportaria as vibraes mecnicas. O que se fez ento
foi um compsito. A matriz metlica (no to dura, mas tenaz, resiste ao impacto) com
partculas de material cermico embebidos neste metal. Uma micrografia deste material
mostrada na Figura 1.7b. As partculas cermicas embebidas na matriz metlica do a
resistncia abraso necessria para o material, enquanto que a matriz metlica tenaz
fornece capacidade de resistir aos impactos. Dificilmente ns iramos encontrar (a um bom
custo) ambas as caractersticas num material pertencente a uma nica classe.
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CAPTULO 1 Introduo 15
1.4.5 Competio entre os materiais
Buscando maior competitividade nos bens de consumo, as indstrias desenvolvem
produtos cada vez melhores. O objetivo final sempre a satisfao do cliente, mas, no
entanto, esta satisfao algo relativo. Em geral, o cliente quer o bom e barato. O desafio
ento utilizar o material que fornece a melhor relao custo/benefcio do mercado.
Atualmente, pode-se notar que os aspectos sociais e ambientais vm sendo levado em
considerao pelos clientes, cada vez mais exigentes. Para se conhecer estas
caractersticas deve-se ter um bom entendimento sobre os materiais, seus possveis
tratamentos e os custos envolvidos e impactos associados.
Na histria, o uso de materiais para produzir bens de consumo estava limitado ao
conhecimento da existncia destes materiais, na facilidade de se obter, e nas suas
caractersticas quanto facilidade de se processar e quo durveis eram tais materiais. A
Figura 1.8 mostra a importncia relativa das principais classes de materiais ao longo da
histria.
Figura 1.8 A evoluo dos materiais com o tempo (adaptado de Ashby, 2000).
Os materiais pr-histricos eram, principalmente, as cermicas e os polmeros
naturais. As armas (como sempre na crista da onda da tecnologia) eram produzidas com
madeira e pedras (ponta de flechas, lanas, entre outros). As casas e pontes eram
construdas a partir de pedras. O ouro e a prata disponveis na poca tinham menor
importncia nesta tecnologia. Com a descoberta do cobre, bronze e em seguida o ferro,um enorme avano foi desencadeado, pois estes metais substituram com maior eficincia
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Apostila Introduo Tecnologia dos Materiais16
os artefatos armamentcios e as ferramentas produzidas de madeira e pedra. Com o
desenvolvimento da metalurgia, os horizontes se abriram e um grande salto na tecnologia foi
dado. Nos meados da Segunda Guerra Mundial, os materiais metlicos se sobressaiam (e
com folga!) s demais classes de materiais. A partir da as cermicas avanadas
comearam a se desenvolver e sua utilizao passou a ser inevitvel. Alm disso, a partir
deste perodo, o homem consolidou seu domnio na sntese de materiais polimricos e, por
conseguinte, os materiais compsitos se desenvolveram tambm. Com o domnio da
tecnologia dos materiais, a importncia relativa dos mesmos agora mais equilibrada. Isto
faz com que a gama de materiais passveis de serem utilizados seja maior o que por um
lado bom. A notcia ruim que precisamos estudar mais para conhecer suas
caractersticas e melhor aproveitar os recursos naturais disponveis.
1.5 Estrutura Atmica dos Materiais
Como j mencionado anteriormente, os tomos se agrupam atravs de ligaes
qumicas. Mas eles se agrupam de qualquer forma? A natureza reservou alguma maneira
prpria para os tomos se agruparem? A resposta SIM. Na maioria dos casos os tomos
no esto agrupados de qualquer jeito. Eles se agrupam segundo uma regra que a natureza
imps a cada tipo de material. O modo como os tomos esto agrupados dentro do material
chamado de estrutura atmica dos materiais (ou arranjo atmico). A importncia da
estrutura atmica dos materiais deve-se ao fato que elas influenciam marcadamente as
propriedades dos materiais, ou seja, quo resistentes, duros, moldveis, etc., so os
materiais.
Este agrupamento pode ser ordenado, ou aleatrio. Entende-se por agrupamento
ordenado o material que possui os tomos em posies bem definidas, por exemplo,
tomos enfileirados um atrs do outro. Podemos fazer uma analogia com uma caixa de
ovos. Os tomos seriam os ovos. Neste tipo de caixa cada tomo tem uma posio bem
definida. Na natureza existem milhares de modelos de caixas de ovos. Ou seja, os tomospodem se arranjar (ordenadamente) de vrias maneiras. Este tipo de arranjo denominado
Estrutura Cristalina (que nada tem haver com transparncia). Quase todos os metais e os
cermicos possuem estrutura cristalina.
A Figura 1.9 mostra exemplos de diferentes tipos de estrutura cristalina. Neste caso
temos diferentes estruturas para materiais que so compostos nica e exclusivamente de
um mesmo tomo, o carbono.
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CAPTULO 1 Introduo 17
(a) (b) (c)
Figura 1.9 Exemplos de estrutura cristalina possvel para o tomo de carbono (a) hexagonal,(b) cbica diamante e (c) fulereno.
No caso a temos o tomo de carbono com a estrutura cristalina na forma
hexagonal. Este material o grafite. Esta estrutura cristalina confere a propriedade delubrificante slido ao material, j que as ligaes entre os hexgonos so mais fracas e se
rompem com maior facilidade. No caso b, o carbono est agrupado na estrutura cristalina
do diamante. Isto lhe confere dureza extraordinria ao material. No caso c temos o
carbono arranjado na forma de bola, ou mais conhecido como fulereno. Os metais em geral
apresentam estrutura cristalina. O ferro, por exemplo, apresenta estrutura cristalina cbica,
assim como o alumnio, o cobre e outros.
Figura 1.10 Desenho esquemtico de uma estrutura amorfa (Callister, 2002).
No agrupamento aleatrio os tomos no tm posies definidas. Seria como levar
ovos em uma sacola plstica. Cada tomo se acomoda da maneira que lhe convm. Esta
estrutura chamada de Estrutura Amorfa (ou seja, sem forma, ou aleatria). Em geral, os
materiais cermicos na forma de vidro possuem estrutura amorfa. A Figura 1.10 mostra
exemplo de uma estrutura amorfa. Neste caso, apesar de ter uma organizao a curtadistncia, os tomos do composto SiO2, se encontram desorganizados.
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Apostila Introduo Tecnologia dos Materiais18
Figura 1.11 Desenho esquemtico de uma estrutura atmica molecular (Callister, 2002).
Existe, ainda, outro grupo intermedirio chamado de estrutura molecular. Nesta
estrutura os tomos possuem posies definidas, mas a estrutura no rgida. Os
polmeros possuem estrutura molecular. A Figura 1.11 mostra um exemplo de estrutura
atmica molecular
1.6 Estrutura Cristalina do Ferro Puro
Neste curso veremos fundamentalmente os materiais ferrosos. Deste ponto em
diante, veremos ento as caractersticas metalrgicas relacionadas ao ferro e suas ligas.
As propriedades mecnicas dos materiais ferrosos so definidas principalmente por
sua estrutura cristalina. Por um capricho da natureza e muita sorte a nossa, o ferro puro
apresenta mais de um tipo de estrutura cristalina, mudando conforme a temperatura. O ferro
no estado lquido (a uma temperatura acima de 1534 C) no apresenta uma disposio
regular de tomos (seria amorfo). Isto ir ocorrer somente na solidificao, quando ostomos formam a estrutura cristalina (rede especial regular, repetitiva a longo alcance).
O ferro cristaliza-se sob a forma cbica e, dependendo da disposio dos tomos
dentro do cubo (isto depende da temperatura), pode-se design-las pelas letras do alfabeto
grego, alfa (), gama () e delta ()3
3Isto pode parecer irrelevante agora, mas ser utilizado durante todo o curso, portanto, no passe esta parte
sem ter entendido bem! Isto tem que estar no sangue do tcnico em mecnica.
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CAPTULO 1 Introduo 19
1.6.1 Ferro Alfa (Fe- )
Como j dito, o ferro pode se apresentar na natureza (no estado slido) com trs
estruturas cristalinas (alfa, gama e delta), dependendo da temperatura em que se encontra.
O ferro se apresenta com a estrutura alfa (Fe-) desde temperaturas criognicas at
temperatura de 912 C. O ferro alfa tambm frequentemente denominado: Fe- , Ferro
CCC ou Ferrita.
A forma desta estrutura a cbica de corpo centrado (CCC). Isto porque os tomos
se arranjam na forma de um cubo. Na estrutura CCC tomos de ferro se posicionam nos
vrtices do cubo (num total de 8) tendo um tomo adicional no centro do cubo. A Figura 1.12
mostra como o arranjo atmico da estrutura cristalina alfa do ferro.
(a) (b) (c)
Figura 1.12 Estrutura cristalina CCC - Clula unitria real (a), clula unitria esquemtica (b)e rede cristalina (c) (Callister, 2002).
A rede cristalina (Figura 1.12c) pode ser definida como constituda de muitas clulas
cbicas (Figura 1.12c em destaque), ou clulas unitrias, representada pela Figura 1.12a e
1.12b. A dimenso caracterstica desta rede espacial o comprimento da aresta do cubo,
tambm chamado de parmetro de rede (a).
Observando a clula unitria real da estrutura CCC podemos contar quantos tomos
estariam dentro desta clula. Cada tomo do vrtice corresponde a um oitavo (1/8) de
tomo, pois temos que levar em considerao que, numa rede cristalina (Figura 1.12c)
temos uma clula unitria ao lado, na frente acima e nas diagonais, assim, os tomos dos
vrtices so compartilhados entre oito clulas unitrias. Temos tambm o tomo do centro.
Como temos oito vrtices, ento teremos oito oitavos de tomos 8*(1/8) (que igual a um)
mais um tomo no centro, fazendo um total de 2 tomos dentro de uma clula unitria.
Observe com ateno que os tomos no ocupam todos os espaos possveis
(Figura 1.12a). Seria como empilhar bolinhas de pingue-pongue numa caixa. Restaria aindaespao vazio entre as bolinhas. Nos materiais a mesma coisa. Numa rede cristalina
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Apostila Introduo Tecnologia dos Materiais20
perfeita, os tomos (idealizados como esfricos) no ocupam todo o espao possvel, logo
h espao disponvel. Este espao ocupado de qu? Boa pergunta! Ar? Lembre-se que
o ar formado por molculas (N2, O2, etc.) que talvez sejam maiores que estes espaos
entre os tomos do ferro. Ser que o ar consegue entrar nestes espaos? A resposta
NO. Para ocupar este espao necessrio que o tomo seja do tamanho destes espaos
entre os tomos de ferro. Existem tomos que podem ocupar estes espaos, mas isto um
assunto para ser visto mais adiante, por enquanto guarde esta informao, pois ela
importante! Caso no seja ocupado por nenhum tomo ento este espao vcuo absoluto!
Fazendo-se o clculo do volume do cubo ocupado pelos tomos chegaramos num
valor que se chama FEA (Fator de Empacotamento Atmico). No caso da estrutura CCC do
ferro o FEA igual a 0,68, ou seja, 68% do cubo ocupado por tomos e 32% vazio.
1.6.2 Ferro gama (Fe- )
O Ferro gama possui uma estrutura cristalina diferente da do ferro alfa. A estrutura
do ferro gama a Cbica de Face Centrada (CFC). O ferro gama, para o ferro puro, existe
entre as temperaturas de 912 C e 1394 C. Esta estrutura pode ser visualizada na Figura
1.13.
(a) (b) (c)
Figura 1.13 Estrutura cristalina CFC - Clula unitria real (a), clula unitria esquemtica (b)e rede cristalina (c) (Callister, 2002).
O ferro gama tambm conhecido como Fe- , ferro CFC ou Austenita. Como o
prprio nome diz esta estrutura formada por um cubo. No entanto, a disposio dos
tomos dentro deste cubo um pouco diferente daquela do ferro CCC. Neste caso, os
tomos dos vrtices no mudam, continuam onde estavam. Porm, na estrutura CFC no
h mais um tomo no centro do cubo e sim um tomo localizado no meio de cada face docubo, como mostra mais claramente a Figura 1.13a.
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CAPTULO 1 Introduo 21
A clula unitria CFC possui ento em cada vrtice um oitavo (1/8) de tomo, da
mesma forma que a estrutura CCC. No entanto, esta clula possui meio tomo nas faces,
pois esta clula compartilha um tomo com o seu vizinho. Para se saber quantos tomos
teremos numa clula unitria CFC basta contar: oito oitavos de tomos dos vrtices
(8*(1/8)=1) que igual a 1, mais seis metades de tomos nas faces (6*(1/2)=3) que fica
igual a 3. Logo, na soma total temos o equivalente a quatro (4) tomos numa clula unitria
CFC (a clula unitria CFC maior que a CCC). O fator de empacotamento atmico (FEA) da
estrutura CFC igual a 0,74, ou seja, 74% da clula ocupada por tomos e 26% vazio.
Isso quer dizer que o ferro gama (CFC) mais denso que o ferro alfa (CCC)? A
resposta SIM. Nesta estrutura os tomos esto melhor arranjados, ou seja, mais
empacotados. Se voc for guardar bolinhas de pingue-pongue numa caixa melhor usar a
disposio CFC que a CCC.
1.6.3 Ferro Delta (Fe- )
O Ferro delta idntico ao ferro alfa, exceto quanto faixa de temperatura na qual
existe. Ele possui estrutura cbica de corpo centrado (CCC), e tambm chamada de
Ferrita, porm, mais especificamente de ferrita delta. Logo, esta estrutura pode ser
visualizada na Figura 1.12. A faixa de temperatura que ocorre a ferrita delta (Fe-) para ferro
puro de 1394 C at a fuso do ferro que ocorre a 1536 C.
1.6.4 Transformaes Polimrficas do Ferro
Vimos que o ferro possui trs tipos de estrutura cristalina no estado slido. Podemos
cham-las tambm de fases. Logo, se aquecermos o ferro a partir da temperatura ambienteat a da ebulio do mesmo, teremos cinco fases. Cinco? SIM, so 3 fases slidas (Fe-,
Fe- e Fe-), a fase lquida (ferro derretido) e a fase gasosa (acima de 2860 C).
Podemos seguir o grfico esquemtico da Figura 1.14, que mostra a dilatao e
mudana de fase (estrutura cristalina) de uma barra de ferro puro sendo aquecida.
A temperatura ambiente tem-se ento o ferro alfa (CCC). Conforme a temperatura
vai aumentando, a barra vai se dilatando (devido dilatao trmica). Em temperaturas em
torno de 912 C ocorre uma leve contrao na barra. Isso quer dizer que ocorreu alguma
coisa. O ferro mudou de fase, porm continua slido! Ele mudou de ferro alfa (CCC) para
ferro gama (CFC).
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Apostila Introduo Tecnologia dos Materiais22
Figura 1.14 Representao esquemtica da variao da estrutura cristalina com a temperaturalevando-se em considerao a dilatao trmica (adaptado de SILVA e MEI, 2010).
J foi dito que a estrutura CFC possui um fator de empacotamento maior (0,74 contra
os 0,68 da estrutura CCC), ou seja, os tomos se arranjam de uma forma mais densa.
isso que ocorre, como os tomos se arranjam melhor o volume da pea diminui, ento a
densidade aumenta (densidade massa de um corpo dividido pelo volume deste corpo, se a
massa no muda e o volume diminui ento a densidade aumenta). Depois de transformado,continuando o aquecimento, o volume continua a aumentar devido a dilatao linear.
Quando se atinge a temperatura de 1392 C ocorre desta vez, uma expanso. Isto quer
dizer que houve novamente uma transformao de fase. Neste caso, do ferro gama (CFC)
para ferro delta (CCC). Como o ferro delta (idntico ao ferro alfa) possui menor fator de
empacotamento, ocorre uma dilatao quando da transformao de fase. Com o
aquecimento tem-se ento uma nova transformao de fase, para o estado lquido (a 1536
C). Neste ponto a barra de ferro sua forma e no mais possvel medir esta dilatao
trmica.
1.7 Defeitos Cristalinos
Vimos que a organizao atmica nos cristais segue uma determinada ordem a
longa distncia. Imagine uma estrada feita de caixa de ovos. Cada ovo teria seu lugar na
estrada. Com os tomos na rede cristalina ocorre da mesma forma. A estrutura cristalina,
como mostrado na seo anterior, isenta de defeitos. No entanto, sabe-se que na natureza
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CAPTULO 1 Introduo 23
nem tudo perfeito, ento seria razovel esperar certa quantidade de defeitos na rede
cristalina.
J foi mencionado que a estrutura cristalina define as propriedades dos materiais. No
entanto, no foi dito que nesta estrutura cristalina existem defeitos. Sim, estes defeitos so
inevitveis e inclusive existe um certo valor mnimo de defeitos presentes num material
cristalino em equilbrio, para uma determinada temperatura. Na verdade, o tipo de rede
cristalina, os tipos de defeitos cristalinos e a quantidade destes defeitos que determinam o
comportamento mecnico de um material. Ns veremos isso durante todo o curso. Ser
sempre mencionado algo relacionado rede cristalina e a um tipo de defeito especfico (as
discordncias). Mas primeiro vamos apresentar os principais tipos de defeitos cristalinos e
como eles so.
1.7.1 Vazios
Os vazios (ou lacunas) ocorrem quando a posio de um tomo na rede cristalina
no est ocupada. No caso da analogia com a caixa de ovos, seria o mesmo que se
estivesse faltando um ovo na caixa.
A quantidade de vazios (lacunas) presente na rede cristalina aumenta com a
temperatura, pois os tomos oscilam mais violentamente e provvel que saltem para outro
local ou em direo superfcie. Por exemplo, a 700 C, de cada 100.000 pontos da rede
cristalina, um est vazio.
A Figura 1.15 mostra um exemplo de um vazio na rede cristalina.
(a) (b)
Figura 1.15 Representao esquemtica de um vazio na rede cristalina (a) e uma analogia com osgros de milho em uma espiga(b).
Este tipo de defeito considerado um defeito de ponto, pois unidimensional,
diferentemente de outros tipos de defeitos como em linha, superficiais ou volumtricos.
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1.7.2 tomo Intersticial
Os tomos intersticiais ocorrem quando um tomo no est em sua posio correta,
havendo um tomo a mais na rede cristalina. Este tomo acaba empurrando os tomos
vizinhos produzindo uma certa distoro na rede.
A Figura 1.16 mostra um exemplo de tomos intersticiais
(a) (b)
Figura 1.16 Representao esquemtica de um tomo intersticial na rede cristalina (a) e umaanalogia com os gros de milho em uma espiga(b).
Este defeito tambm considerado um defeito pontual. Este tipo de defeito interfere
muito pouco nas propriedades mecnicas dos materiais.
1.7.3 Contornos de Gro
Os contornos de gro so defeitos importantes nos materiais. Eles so na verdade
uma falha na orientao dos cristais. mais fcil entender o que o contorno de gro
quando explicamos de onde ele vem. A Figura 1.17 ajuda a exemplificar o fenmeno.
Figura 1.17 Representao esquemtica da solidificao do material e a formao dos contornos degro a partir de vrios ncleos (Callister, 2002).
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Durante a solidificao do ferro (por exemplo), comeam a surgir ncleos de
cristalizao (Figura 1.16a). Isto , tomos comeam a se aglomerar (sempre seguindo a
estrutura cristalina). No entanto, numa panela onde se tem o metal derretido (fundido)
comeam a aparecer milhes de ncleos de solidificao ao mesmo tempo. Um ncleo no
sabe, no entanto, a orientao dos outros ncleos, e assim, cada um deles se forma numa
orientao diferente. Dentro do ncleo que se tem a mesma orientao cristalogrfica
Conforme os ncleos vo crescendo (Figura 1.17b) os tomos se agregam no ncleo
formado seguindo a orientao cristalogrfica deste ncleo. Quando todo o material se
solidificou os ncleos se encontram, porm, com orientaes cristalogrficas diferentes
(Figura 1.17c). Assim, nesta regio de encontro dos ncleos no h uma unio completa e
perfeita como dentro do ncleo. Estes ncleos, ou seja, regio cristalina com a mesma
orientao cristalogrfica chamada de gro. Os contornos de gros ento so as
fronteiras onde regies com diferentes orientaes cristalinas se encontram. Estas regiesso possveis de se visualizar em um microscpio e aparecem como linhas de separao
como mostrado na Figura 1.17d.
Os contornos de gro influenciam marcadamente nas propriedades dos materiais.
Quanto menor o tamanho dos gros mais resistente tende a ser o material. Existem
tratamentos trmicos que podem alterar o tamanho de gro. Veremos isso mais adiante do
curso. Por hora basta entender o que so os contornos de gro.
1.7.2 Discordncias
As discordncias podem ser consideradas como os defeitos mais importantes nos
materiais metlicos cristalinos. Um tipo de discordncia mostrado na Figura 1.18.
(a) (b)
Figura 1.18 Representao esquemtica de uma discordncia em forma de cunha (a) e suaanalogia numa espiga de milho (b).
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Esta caracterizada pela presena de uma fileira extra de tomos na rede cristalina.
A este tipo de discordncia damos o nome de discordncia em cunha. Existem outros tipos
de discordncias (em hlice e mista), mas iremos nos fixar nesta para fins didticos. Este
tipo de defeito chamado defeito em linha, pois o defeito seria uma linha perpendicular ao
plano da pgina.
A discordncia um defeito to importante, pois ela comanda o mecanismo de
deformao plstica do material. Quando um material cristalino se deforma
permanentemente ele o faz atravs de movimentao de discordncias. Como assim? A
Figura 1.19 abaixo exemplifica este raciocnio.
Figura 1.19 Representao esquemtica da movimentao de discordnciaem cunha (Callister, 2002).
Se eu aplico uma fora (como aquela representada pelas flechas na Figura 1.19)
para deformar o material. Tudo nos levaria a pensar que a fora necessria paramovimentar uma coluna de tomos seria a somatria das foras de ligao entre os tomos
do plano, certo? No entanto, a fora necessria muito menor. Isto ocorre porque os
tomos adjacentes discordncia quebram suas ligaes e se ligam com os sucessivos
tomos mais prximos, assim a discordncia se movimenta.
1.8 Soluo Slida
A maioria das pessoas gosta de caf doce. Para adoar o caf necessrio misturar
acar numa certa quantidade. Se voc faz parte das pessoas que adoam o caf j deve
ter notado que voc adicional algo slido em um lquido (acar e caf, respectivamente).
Para que voc sinta o caf doce necessrio que o acar slido se dissolva no caf.
Quando isso ocorre voc no consegue mais diferenciar o acar do caf, no mesmo?
Isto porque temos uma soluo monofsica. Neste caso, para se ter uma soluo
monofsica necessrio que todo o acar se dissolva no caf. Caso voc coloque acar
demais, parte dele se dissolve e parte fica no fundo da xcara. Isto seria uma soluo
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bifsica. Dizemos que o acar atingiu o limite de solubilidade e este precipitou no fundo
da xcara.
Tudo bem. Mas, o que isso tem haver com o nosso curso? No caso do exemplo
anterior, estamos falando de soluo no estado lquido. Depois de dissolvido, o acar e o
caf ficaram no estado lquido. Na metalurgia, o conceito muito similar, porm,
trabalhamos geralmente, com soluo slida.
O bronze uma liga cobre e estanho. Mas como dois materiais slidos podem se
dissolver um no outro? Na verdade no bem assim que ocorre. O que se faz geralmente
fundir os materiais e aps a solidificao temos ento um dissolvido no outro, formando uma
liga metlica. Mas, como ocorre essa dissoluo? Existem, basicamente, duas maneiras:
- Soluo Slida Intersticial;
- Soluo Slida Substitucional.
A Figura 1.20 mostra a representao destes dois tipos de soluo slida.
(a) (b)
Figura 1.20 Representao esquemtica da soluo slida intersticial (a) e soluo slidasubstitucional (b).
Na soluo slida intersticial (Figura 1.20a) o soluto entra nos espaos vazios
(interstcios) da rede cristalina (p.ex. o ferro CCC possui 32% de espao vazio na clulaunitria). No entanto, para isso o tomo que entra nestes interstcios deve ter um tamanho
pequeno o suficiente para poder entrar neste. No ferro, os tomos que podem entrar em
soluo intersticial so, principalmente o H, B, C, N e O.
No caso do tomo de soluto no ser suficientemente pequeno para caber nos
interstcios da estrutura cristalina do solvente ele pode entrar em soluo slida
substitucional. Por exemplo, o ao inox uma liga de ferro, cromo e uma pitada de
carbono. Para que o ao seja realmente inox necessrio que haja, pelo menos, 12% em
soluo slida. No entanto, o tomo de cromo tem o tamanho parecido com o tomo de
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ferro, logo ele entra em soluo slida substitucional. J o carbono que pequeno, entra em
soluo slida intersticial.
1.9 Propriedades dos Materiais
Os materiais muitas vezes so identificados pelos seus atributos ou qualidades. Por
exemplo, materiais refratrios, aos mola, materiais com boa condutibilidade eltrica. Estes
atributos so chamados de propriedades dos materiais e so essenciais para a escolha de
um material para uma determinada aplicao.
As propriedades dos materiais dependem da natureza do material, composio
qumica, estrutura cristalina, dos defeitos na estrutura cristalina. Podemos citar comopropriedades dos materiais, as propriedades fsicas, qumicas, mecnicas e tecnolgicas.
Todas as propriedades tm importncia, no entanto, para a rea tecnolgica as mais
importantes e as quais brevemente explanaremos sero as propriedades mecnicas e
tecnolgicas.
1.9.1 Propriedades Mecnicas
As propriedades mecnicas constituem uma das caractersticas mais importantes
das ligas metlicas ferrosas em suas vrias aplicaes, visto que o projeto e a construo
de componentes mecnicos estruturais so baseados nestas propriedades.
Elas definem o comportamento do material quando sujeito a esforos de natureza
mecnica e correspondem as propriedades que, num determinado material, indicam a sua
capacidade de transmitir e resistir aos esforos que lhe so aplicados, sem romper ou sem
que produzam deformaes permanentes.
As propriedades mecnicas podem ser obtidas a partir de ensaios mecnicos,seguindo as suas respectivas normas. Estes procedimentos sero abordados mais adiante.
As propriedades mecnicas mais importantes so:
a) Resistncia mecnica pode-se conceituar resistncia mecnica como sendo a
capacidade do material de resistir a esforos de natureza mecnica, como trao,
compresso, cisalhamento, toro, flexo entre outros, sem romper e/ou se
deformar. O termo resistncia mecnica, porm abrange na prtica um conjunto de
propriedades que o material deve apresentar, dependendo da aplicao ao qual se
destina. muito comum para efeito de projeto relacionar diretamente a resistncia
mecnica com resistncia trao do material;
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b) Elasticidade a capacidade que o material apresenta de deformar-se
elasticamente. A deformao elstica de um material ocorre quando o material
submetido a um esforo mecnico e o mesmo tem suas dimenses alteradas, e
quando o esforo cessado o material volta s suas dimenses iniciais;
c) Ductilidade e/ou plasticidade a capacidade que o material apresenta de
deformar-se plasticamente (ou permanentemente) antes de sua ruptura. Nota-se que
houve deformao plstica de um material quando este submetido a um esforo
mecnico e o mesmo tem suas dimenses alteradas, e quando o esforo cessado
o material no retorna sua dimenso inicial.
d) Dureza A dureza possui vrias definies. Talvez a que mais se adapte ao
nosso curso seja: dureza a medida da resistncia que o material possui a
deformao plstica localizada.
e) Tenacidade a capacidade que o material possui em absorver energia antes desua ruptura. Dentro deste mesmo conceito pode-se associar a tenacidade com a
resistncia ao impacto.
1.9.2 Propriedades Tecnolgicas
Na produo de certos componentes mecnicos, algumas propriedades tecnolgicas
podem ser consideradas, para que o material a ser processado tenha um comportamento
que no comprometa seu desempenho tanto durante o processamento, como em sua
utilizao. Vamos citar as mais importantes:
a) Usinabilidade expressa a facilidade de um material ser usinado, ou seja,
fabricao de uma pea, a partir da remoo de maior dimenso, atravs da
remoo de material. Esta propriedade tecnolgica pode expressa por meio de um
valor numrico comparativo com um outro material padro;
b) Conformabilidade a capacidade do material de ser deformado plasticamenteatravs de processos de conformao mecnica. Esta propriedade est associada
ductilidade do material;
c) Temperabilidade est diretamente relacionada com a profundidade (da
superfcie em direo ao ncleo) com a qual o material pode ser endurecido num
tratamento trmico de tmpera.
d) Soldabilidade a capacidade de um material ser unido pelo processo de
soldagem, tendo por objetivo a continuidade das propriedades fsicas, qumicas e
mecnicas dos mesmos.
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CAPTULO 2 Ligas Metlicas Ferrosas
Muitos dos utenslios e equipamentos que so utilizados pelo homem foram
produzidos a partir do ferro. No entanto, raramente estes objetos so fabricados a partir do
ferro puro. Ento, afirmar que um prdio utiliza barras de ferro para a confeco de concreto
armado estaria tecnicamente errado. Na realidade o homem utiliza ligas ferrosas e as
principais delas so o ao e o ferro fundido 4 que so ligas formadas basicamente por ferro e
carbono. Comearemos, no entanto, do incio, ou seja, como so produzidas estas ligas,
como feito o beneficiamento do minrio de ferro at se produzir o ao.
2.1 Beneficiamento das Ligas de Ferro
Na natureza o ferro normalmente no se apresenta na forma metlica e sim presente
na formulao de compostos qumicos, em geral cermicos. Uma exceo a esta regra o
ferro meteortico, que est presente somente em pequena quantidade na natureza. Os
compostos qumicos que apresentam uma grande concentrao de ferro so conhecidos
como minrio de ferro. Alguns dos principais minrios de ferro encontrados na natureza
podem ser observados na Tabela 2.1.
Tabela 2.1 Principais minrios de Ferro.
Minrio de Ferro Frmula Quandidade mdia de ferro (%)
Hematita Fe2O3 70,0
Magnetita Fe3O4 72,4
Limonita Fe2O3. H2O 59,9
Siderita FeCO3 48,3
Assim sendo, os principais minrios de ferro so xidos (Hematita e Magnetita).Como vimos, os metais tendem a formar xidos, pois eles preferem se ligar ao oxignio a
permanecer ligado a outros tomos de ferro (possuem menor energia livre como xido de
ferro que como ferro puro). Como mostrado na Tabela 2.1, por exemplo, a Hematita, possui
dois tomos de ferro ligados a trs tomos de oxignio. Este composto no metlico e sim
cermico, isto porque possui ligaes preponderantemente inicas entre ferro e oxignio
(tomos metlicos ligados a tomos no-metlicos).
4 Veremos que Ferro Fundido uma denominao dada a uma liga ferrosa. No confunda esta denominaocom o estado fsico de uma liga ferrosa (ao-carbono derretido no Ferro Fundido!).
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Sabemos da experincia do dia-a-dia que os materiais cermicos (cermica
tradicional) so frgeis, ou seja, quebradios. Se tentarmos moldar o minrio de ferro para
fazermos uma espada, este se fragmentar em vrias partes at formar um p (p de
Hematita).
Se a natureza prefere que o ferro se apresente na forma de xido, como fazer
ento para transform-lo em metal (ligaes qumicas metlicas entre tomos metlicos, Fe-
Fe)? Necessitamos transformar este xido de ferro em ferro metlico. Partimos do minrio
de ferro, pois ele possui uma elevada concentrao de tomos de Ferro (Tabela 2.1).
Quanto mais ferro no minrio, teoricamente, maior o aproveitamento. Podemos comear a
estudar o beneficiamento com um histrico, e veremos que tudo no passou de acidente.
2.1.1 Histrico do Beneficiamento de Ligas Metlicas Ferrosas
Os primeiros contatos do homem com o metal ferro foram a partir de ferro
meteortico. No a toa que em diversas lnguas a palavra que designa o metal ferro tem
significado equivalente a metal que veio do cu.
Nos seus 3000 anos oficiais de existncia, o processo de transformao de minrio
de ferro em produtos de ao (siderurgia) evoluiu junto com a civilizao, mas sua essncia
a mesma at hoje:
- Usa-se uma fonte de carbono (carvo vegetal ou mineral);
- Faz-se uma reao deste carbono com o oxignio do ar para extrair o ferro do
minrio;
- O material obtido tratado termicamente e mecanicamente at o produto final.
Para se reduzir (separar o oxignio do metal) um xido de ferro a partir do carbono,
so necessrias altas temperaturas. Eu entendi bem, ou se adiciona oxignio para remover
o oxignio do ferro? Isso mesmo, porm tem que haver carbono nesta histria. O sopro de
ar em uma mistura de minrio de ferro e carvo situados em local isolado da atmosfera,
(que pode ser um buraco no cho) em presena de calor pode resultar na reduo dominrio. Bastaria algum fazer uma fogueira num buraco cavado na terra, onde houvesse
minrio de ferro (ou outro mineral rico deste elemento) para que pedras maleveis fossem
recolhidas do fundo do mesmo. Frequentemente, grandes descobertas so realizadas
acidentalmente.
Este processo j era dominado pelos Hititas (aprox. 3.000 a.C.), que o mantiveram
em segredo por muito tempo. Com a queda do imprio Hitita(aprox. 1.200 a.C.), os ferreiros
dispersaram-se e j entre os gregos a produo de ferro favoreceu o desenvolvimento de
novas tcnicas e ferramentas. O ferro bom como era conhecido a liga ferrosa da pocaainda possua um elevado teor de impurezas. Apesar disso, este possua relativa facilidade
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Apostila Introduo Tecnologia dos Materiais32
de se moldar e podia ser trabalhado por martelamento a temperaturas relativamente
elevadas. Na realidade, os processos utilizados no passado eram de reduo direta, ou
seja, sem que se formasse ferro inteiramente lquido. Isto porque as temperaturas
alcanadas no eram suficientes para liquefazer (fundir) o metal, o qual se apresentava no
estado pastoso, misturado com as impurezas do minrio.
O arteso (operador) recolhia o material no fundo do forno com auxlio de uma vara
e formando-se uma bola que, depois de atingido certo peso, era retirado e, em seguida,
martelado para eliminar as impurezas, que se apresentavam na forma de escria.
Pequenas variaes na forma de se obter e trabalhar as ligas ferrosas foram
realizadas at o sc. XVI, onde se desenvolveu o alto-forno, exatamente em 1450. No fim
da Idade Mdia, o comrcio de ao e outras ligas ferrosas estava plenamente difundido, e
diferentes tecnologias coexistiam, tanto para a extrao como para a obteno de ferro
gusa que usado como matria base para a produo de ao.A partir do advento do alto-forno e da utilizao de carvo mineral para a reduo do
minrio, a metalurgia ferrosa se desenvolveu rapidamente. Nos dias atuais, um alto-forno
pode produzir 13.000 toneladas de ferro gusa por dia, tem vida til, em mdia de 15 anos,
alta produtividade e baixo consumo de combustvel.
No Brasil, o grande passo para a consolidao da indstria siderrgica nacional,
baseada em carvo coque, foi dado durante o governo Getlio Vargas, com a instituio em
4 de maro de 1940 da Comisso Executiva do Plano Siderrgico Nacional, resultando na
fundao da CSN (Companhia Siderrgica Nacional) em janeiro de 1941. A usina foiconstruda em Volta Redonda (RJ) e inaugurada em outubro de 1946.
2.1.2 O Processo Siderrgico
As usinas siderrgicas atuais podem ser divididas em dois grandes grupos:
integradas e semi-integradas. A usina integrada aquela cujo ao obtido a partir do
minrio de ferro, que transformado em ferro gusa e em seguida em ao. A usina semi-integrada aquela cujo ao obtido a partir de ferro gusa (adquirido de uma usina
integrada) e/ou sucata de ao, no havendo a necessidade da etapa de reduo do minrio
de ferro. A sucata transformada novamente em ao comercial, por meio do emprego de
fornos eltricos de fuso (so as recicladoras de ao). Neste captulo veremos somente a
parte referente usina integrada5.
Em uma usina integrada, o processo (que vai das matrias-primas ao produto final)
constitudo pelas seguintes etapas principais:
5 Cabe ao leitor no esquecer da existncia do segundo importante grupo de siderurgia (o semi-integrado).
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CAPTULO 2 Ligas Metlicas Ferrosas 33
a) Extrao de ferro do seu minrio (reduo qumica) nos alto-fornos;
b) Converso do ferro gusa em ao;
c) Lingotamento do ao lquido de modo a solidificar em forma conveniente s
operaes seguintes.
d) Conformao do metal na forma de produto.
A Figura 2.1 mostra um fluxograma simplificado do processo siderrgico.
Figura 2.1 Fluxograma simplificado do processo siderrgico (adaptado de Mouro et al., 2007)
De maneira simplificada, podemos descrever as seqncias (referentes s usinas
integradas) conforme o fluxograma da Figura 2.1. As matrias-primas bsicas do processo
so o minrio de ferro, coque (carvo destilado) e fundente (calcrio), mas muitos outros
insumos e utilidades podem ser empregados. Estas matrias-primas so processadas e
levadas ao alto-forno onde so dispostas alternadamente e, em seguida, aquecidas pelo
sopro de ar quente realizado pelas ventaneiras. O oxignio do ar reage com o coque
formando calor e gases que reduzem o minrio de ferro. O minrio de ferro, por ser um
material cermico, tem temperatura de fuso muito maior que o ferro metlico. Na
temperatura na qual o alto forno trabalha, o minrio de ferro no se funde. Porm quando o
minrio transformado em ferro metlico, tem-se a fuso deste, pois nas regies mais
quentes do alto forno tem-se temperatura suficientemente alta para derreter o metal
(chamado de ferro gusa). Conforme o minrio vai se transformando em ferro gusa este se
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liquefaz e se deposita no fundo do alto forno. O fundente adicionado, juntamente com as
matrias-primas, se liga s impurezas (tambm cermicas) formando um novo composto
qumico. Este composto qumico formado pela ligao das impurezas com o fundente possui
ponto de fuso inferior ao das impurezas. Desta forma, este novo composto qumico
tambm se funde e escorre para o fundo do alto forno. Este composto lquido chamado de
escria. O sopro de ar quente necessrio para a reduo do minrio de ferro e gerao de
calor realizado por um tempo suficiente para que se tenha uma certa quantidade de ferro
gusa e escria. Depois de completado o processo, faz-se o vazamento do ferro gusa e da
escria. O ferro gusa levado aciaria atravs de carros torpedos onde so depositados no
conversor para que o ferro gusa seja refinado num conversor a oxignio (processo LD). Do
conversor temos o ao praticamente pronto, bastando apenas fazer correes de
composio ou adicionar outros elementos de liga em um equipamento chamado forno
panela (no aparece na Figura 2.1). Aps a correo da composio qumica, o aoderretido vazado no equipamento que efetua o lingotamento contnuo. Neste local, o ao
adquire forma (tarugo, bloco ou placa). Os lingotes obtidos nestes processos so
considerados produtos intermedirios, podendo ser vendidos nesta forma ou ainda
processados pela prpria usina (laminao) tendo-se ento diversos tipos de produtos
acabados, conforme a Figura 2.1.
2.1.3 Matrias-Primas da Indstria Siderrgica
O processo siderrgico tem incio na aquisio da matria-prima (proveniente da
minerao, beneficiamento da matria-prima, etc.). Como j dito, as matrias-primas
bsicas da indstria siderrgica so: minrio de ferro, coque e fundente. Outras matrias-
primas so igualmente importantes, como o minrio de mangans, desoxidantes, sucatas,
entre outros.
2.1.3.1 Minrio de Ferro
O minrio de ferro, como bvio, constitui a matria-prima essencial, pois dele se
extrai o ferro. Como j mencionado na seo anterior, os minrios de ferro mais importantes
so os magnetticos (Fe3O4) e hematticos (Fe2O3). Este ltimo o mais importante devido
aos altos teores de Fe e baixos teores de impurezas (ganga). A grande ocorrncia de ferro
na crosta terrestre (Brasil, frica do Sul, Austrlia, China, ndia, entre outros) permite a sua
explorao sem receios de exausto.
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A minerao produz minrios de ferro de div
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