Apostila ITM Henrique C Pavanati (Nov2010)

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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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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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/


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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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(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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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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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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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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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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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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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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CAPTULO 2 Ligas Metlicas Ferrosas 31

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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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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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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Apostila ITM Henrique C Pavanati (Nov2010)