MCI_10_0809_Metais

Materiais de Construção I

Módulo – Aço e metais não ferrosos

Apontamentos das Aulas Teóricas

Augusto Gomes, A. P. Ferreira Pinto

Mestrado Integrado em Engenharia Civil

2008/2009

Augusto Gomes, A. P. Ferreira Pinto, 2009 – Apontamentos das aulas teóricas – “Metais”

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AÇO

AÇO = Liga de ferro + carbono

- O aço é moldável por vazamento e maleável a quente

- A maleabilidade distingue o aço do ferro fundido

ELEMENTOS QUE SÃO INCLUÍDOS NA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DO S AÇOS

- Elementos de Liga – Ni, Cr, Mn, V, Mo, W, Nv, Ti

- Elementos residuais - Impurezas

AÇOS DE LIGA :

- Baixa - < 5% elementos de liga (normal)

- Alta - > 5% elementos de liga

MATÉRIA PRIMA (Minérios de Ferro)

- Magnetite - Fe3 O4 - 72% Ferro

- Hematite - Fe2 O4 - 70% Ferro

- Limonite - 2Fe2 O4 - 60% Ferro

- Siderite - Fe CO3

FABRICO

- Minério de ferro → Sinterização (Preparação do minério)

- Britagem

- Junção de calcário

- Sinterização (preparação)

- Carvão - coqueria → coque

- Destilação sem ar do carvão mineral

- Coque – produto de maior poder calorífico e maior resistência à compressão

- Alto forno (contínuo) – Fusão redutora → gusa

- Minério de Ferro

- Calcário → Gusa + Escórias

- Coque

- gases

- Separação por gravidade - Escórias - γ = 25 kN/m3

- Gusa - γ = 78 kN/m3


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ESQUEMA DE UMA INSTALAÇÃO SIDERÚRGICA

ALTO FORNO

Minério

Coque

ZonaGranular

Zonade Amolecimento

e Fusão

Zonade Coque AtivaCamada

em Amolecimentoe Fusão

Zonade Combustão

Cadinho

Zona deGotejamento

Zonade CoqueEstagnado


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REACÇÕES BÁSICAS NO FORNO

1) Formação do ferro (Reacção de redução do minério de ferro)

- C + O2 → CO2

- CO2 + C → 2 CO

- 3 CO + Fe2O3 → 2 Fe + 3 CO2

2) Formação da Escória

- Ca CO3 → Ca O + CO2

- n Ca O + m Si O2 + p Al2 O3 → n Ca O . m Si O2 . p Al2 O3

(silicatos e aluminatos de cálcio)

GUSA - 4% (em peso) de Carbono + 1% impurezas (Silício, enxofre, fósforo, manganésio, )

- O óxido de ferro é facilmente redutível a T=750ºC

- Temperatura de fusão do ferro 1535ºC

- É possível reduzir o óxido de ferro a 800ºC dando origem a metal sólido designado por esponja de ferro

ACIARIA

GUSA → Aciaria → Aço

- Gusa + ferro ligas + Oxigénio → aço (<% C) + CO2

- Purificação da Gusa em convertidores de Bessemer ou em fornos Siemens-Martin

- Injecção de ar na gusa fundida

– Carbono

– Silício - Removidos por oxidação

– Manganésio

– Fósforo e Enxofre – Removidos com cal

- A oxidação do carbono causa a elevação da temperatura para 1600-1650ºC

- O aço resultante do convertidor tem excesso de oxigénio causando a reacção O + C → CO

que produz efervescência nos moldes do metal fundido.

- É necessário desoxidar o aço antes do vazamento. Vazios → defeitos

- Processo de desoxidação

– Calmagem - (aços calmados)

Adição de manganês, silício e alumínio que se combinam com o oxigénio

- Aços efervescentes – Desoxidação com Mn - Baixo teor de carbono

(<0.15%) – utilizados na produção de chapas


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CONVERTIDOR

- Da aciaria resulta:

- Ferro macio - %C < 0.025%

- Aço – 0.10% < %C < 1.7%

- Ferro fundido - 1.7% < %C < 4%

- O aço em fusão é moldado em:

- Lingotes – 0.60x0.60x0.90

- Biletes – 0.20x0.20x alguns metros

- Peças de fundição


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LINGOTES BILETES

FUNDIÇÃO

ELABORAÇÃO ELÉCTRICA DO AÇO – Mini Siderurgias

- Produção de aço de qualidade a partir de sucata

- Aquecimento e fusão da sucata através de arco eléctrico entre eléctrodos de carbono

- Temperaturas de 1800ºC

- Eliminação de impurezas através de jacto de oxigénio

- Escória removida por decantação


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SOLIDIFICAÇÃO

- Estado fluido – átomos movem-se livremente

- Solidificação – inicia-se nos pontos de menor agitação térmica

(Força de atracção entre átomos > Energia cinética )

- A solidificação ocorre em torno de núcleos com arranjos cristalinos regulares – Em geral, CCC ou CFC

- Cada núcleo dá origem a um cristal (grão) que se unem por forças atractivas entre cristais

- Dimensão do grão

- depende da velocidade de arrefecimento e da quantidade de impurezas

- > velocidade de arrefecimento ⇒ < tamanho de grão

- Influencia fortemente as características dos materiais

- ↑ grão ⇒ ↑ planos de clivagem ⇒ ↑ escorregamento mais fácil ⇒ ↓ tensão de cedência

IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS - DESLOCAÇÕES

- Resultam de defeitos na estrutura cristalina

- Dão origem às deslocações que justificam a deformabilidade dos metais

TIPOS DE IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS


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TIPOS DE COMFORMAÇÃO

- Conformação mecânica – Moldagem

- Remoção ou maquinagem – Fresagem, furação, corte, ...

TIPOS DE MOLDAGEM

- Extrusão – Fios

- Trefilagem – Processo de fieira – fios, varões, arames

- Estiramento – Processo de tracção

Difícil de manter a uniformidade ao longo do comprimento

- Fundição – aço vazado em moldes

- Terras de fundição – areia + argila + carvão

Moldes - Refractários

- Metálicos


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- Estampagem – Ex: cubas de máquinas de lavar roupa,

chapas da carroçaria de automóveis

- Forja – Tratamento e moldagem do aço por

martelamento ou prensagem

- Laminagem a quenta - Processo de deformação plástica

- Elevada produtividade e precisão

- barras, perfis (I, H, T, L, U), barras (barras chatas, vergalhões),

varões (circulares), tubos, carris

- CHAPAS - PERFIS


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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS AÇOS

- Módulo de Elasticidade – Es = 200 GPa

- Tensão de cedência - fsy

- Tensão limite convencional de proporcionalidade a 0.2% - fs0.2

- Tensão de rotura - fsu

- Extensão de rotura - εsu

- Coeficiente de Poisson - ν = 0.2

- Peso volúmico - γ = 78 kN/m3 (7 850 kg/m3)


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DIAGRAMAS TENSÃO DEFORMAÇÃO

INFLUÊNCIA DO TEOR DE CARBONO

- ↑ % C (teor de carbono) ⇒ ↑ fsy e fsu

↓ εsy

↓ extensão do patamar de cedência

↓ deformação a que ocorre a tensão máxima

↓ ductilidade

↓ características de soldabilidade

COMPORTAMENTO À TRACÇÃO E À COMPRESSÃO

VALOR CARACTERÍSTICO

fsym = valor médio da tensão de cedência;

fsyk = valor característico da tensão de cedência;

fs0.2m = valor médio da tensão limite convencional de proporcionalidade a 0.2%;

fs0.2k = valor característico da tensão limite convencional de proporcionalidade a 0.2%;


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DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO DO AÇO

- Ferro γ – Austenite - dissolve 2% C

- Ferro α - Ferrite - dissolve 0,025% C

- Carboneto de ferro - Fe3C – Cementite – muito dura e frágil contém até 6,7% C

- A T > 730ºC o aço é moldável

TRATAMENTOS TÉRMICOS

TÊMPERA – Aquecimento a 900º + arrefecimento brusco em água ou óleo

– impede a difusão dos átomos de carbono

- Dá origem a Martensite

REVENIDO – Aquecimento a 200º a 400º + arrefecimento lento

– Permite a difusão do carbono → Cementite → maior ductilidade

– > temperatura → > resistência


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TRATAMENTOS MECÂNICOS

ENDURECIMENTO A FRIO – Deformação plástica

- Efeito de envelhecimento que aumenta a tensão de cedência

ESTIRAGEM – Tracção às barras ou fios – Não é constante ao longo das barras

TREFILAGEM – Processo de fieira – Constante ao longo do comprimento

TORÇÃO - Utilizado em varões - Processo constante ao longo do comprimento


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TIPOS DE AÇO PARA BETÃO ARMADO

0.15% < %C < 0.25%C – Aços para varões para betão armado

Classes de Resistência

A235 (S235) A400 (S400) A500 (S500)

A235NL A235NR A235EL A235ER

N – Aço de dureza natural E – Aço endurecido

L – varão liso R – Varão rugoso (nervurado)

AÇOS ACTUAIS – VARÃO PARA BETÃO ARMADO – TEMPCORE

O processo de laminagem actual inclui um tratamento térmico no final constituído por:

a) Têmpera superficial obtida com jactos de água a alta pressão;

b) Revenido natural conferido pelo calor do núcleo do interior da secção do varão


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MARCAÇÃO DOS VARÕES

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A400NR A500NR

A500NR – DUCTILIDADE NORMAL A500NR SD – DUCTILIDADE ESPECIAL

A500ER – Aço endurecido a frio. Em geral é utilizado em malhas electro-soldadas


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MARCAÇÃO DOS VARÕES – ORIGEM


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AÇOS PARA PRÉ-ESFORÇO

0.6% < %C < 0.9%C – aço para pré-esforço

EN 10 138

CABOS DE PRÉ-ESFORÇO

Classe de resistência: A1600/1860 ⇔ fsp0.2k / fspuk

ESP = 195 GPa

Fios, cordões, cabos

Características dos cordões mais utilizados actualmente:

Ø=15mm (0.6”) A = 140mm2 - 7 Fios Ø=5.0mm

Pu = 260kN p=1.102 kg/m

BARRAS DE PRÉ-ESFORÇO

Ø = 26.5, 32mm, 36mm

A800/1000 ou A1100/1250 ⇔ fsp0.2k / fspuk

A1100/1250

A800/1000


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RELAÇÃO CONSTITUTIVA DE CÁLCULO – EC2 - VARÃO

RELAÇÃO CONSTITUTIVA DE CÁLCULO – EC2 – AÇO DE PRÉ-ESFORÇO


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AÇOS PARA ESTRUTURAS METÁLICAS

EN 10 025 – 1994

Classes de Resistência

S235 S275 S355 (fsyk)

PERFIS ESTRUTURAIS

PERFIS TUBULARES

RHS - Round Hollow Section

SHS - Square Hollow Section

PERFIS CORRENTES (SERRALHARIA )


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CHAPAS

PERFIS ENFORMADOS A FRIO

OUTROS METAIS:

- FERRO FUNDIDO

- METAIS NÃO FERROSOS

- ALUMÍNIO

- COBRE

- ESTANHO

- ZINCO


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FERRO FUNDIDO

- No século XIX produziam-se vigas, arcos e colunas em ferro fundido

- Ferro fundido = Ligas Ferro-Carbono com mais de 2% de Carbono

- Os ferros fundidos não são soldáveis e são pouco dúcteis

- Maior resistência à corrosão do que o aço

1) Ferro fundido dúctil (ou nodular)

- A sua estrutura nodular confere-lhe melhor resistência, tenacidade e ductilidade aproximando-o do aço

- Aplicações: Tubagens para esgotos, válvulas, corpo de bombas, engrenagens, componentes de automóveis.

2) Ferro fundido cinzento

3) Ferro fundido branco

4) Ferro fundido maleável

Não confundir ferro fundido com ferro forjado (= aço produzido em forja)

ALUMÍNIO

Processo de Fabrico

- Matéria Prima – Bauxite –

- Mistura de alumina com óxido de ferro e sílica

Bauxite → Alumina → Alumínio

- Extracção da alumina (AL2O3) a partir da bauxite:

ataque a quente sob pressão de uma solução de soda cáustica (T = 240ºC P = 35 atm.)

- Extracção do alumínio - Electrólise (no estado de fusão) da alumina misturada com fluoreto de sódio que funciona como fundente - Tfusão 2000ºC → 1000ºC

2 Al2O3 + 3C → 4 Al + 3CO2

- 4 a 6 ton de bauxite → 2 ton de alumina → 1 ton de alumínio

- Corrente eléctrica de 80 000 a 150 000 A sob tensão de 4.5 a 5 V

- 1 ton de alumínio → 14 MWh

- 1 forno de 100 000 A produz 800 kg de alumínio / dia

PRODUTOS DE ALUMÍNIO

- Lingotes → fundição → peças fundidas (moldadas)

- Placas de laminagem → laminagem → chapas e folhas

- Biletes → Extrusão → perfis

- Fios → Fieiras → arames para condutores eléctricos


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PROCESSO DE EXTRUSÃO → PERFIS - Aquecimento da bilete até 450-480ºC, em forno a óleo

- Compressão contra a matriz – negativo da secção do perfil

- Têmpera superficial com ventiladores

- Tratamento térmico-mecânico

- Estiramento de 1 a 2%

- Estabilização da liga – 180ºC

LIGAS DE ALUMÍNIO - Elementos de liga – Manganês (Mn), Sílicio (Si), Magnésio (Mg), Cobre

- Ex: Duralumínio – Al + 4,4% Cu + 1.5% Mg + 0.6%Mn (450 MPa)

LIGAS UTILIZADAS NA CONSTRUÇÃO

- Perfis para caixilhos – 0.375% de Si e 0.625% de Mg

- Perfis estruturais – 0.5% de Mn, 1.0% de Si e 0.625% de Mg

PROPRIEDADES MECÂNICAS DO ALUMÍNIO

- Peso volúmico – γ = 27 kN/m3

- Tensão limite de proporcionalidade a 0.2% – f0.2 = 100 a 620 MPa

- Tensão de rotura à tracção – fsu = 300 a 700 MPa

- Deformação de rotura – εu = 5 a 30 %

- Módulo de Elasticidade – E = 70 a 80 GPa

- Coeficiente de dilatação térmica – α = 2.4 x 10-5 /ºC

APLICAÇÕES DO ALUMÍNIO

- Construção civil

- Caixilharias e portas

- Revestimentos – chapas, folhas pára vapor , membranas

- Coberturas – Chapas

- Elementos estruturais

- Outros – puxadores, dobradiças, etc

- Outras aplicações

- Transportes - Aviões, automóveis, comboios, barcos

- Embalagens – folhas de alumínio, latas, etc

- Cabos eléctricos


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ANODIZAÇÃO

Objectivo – criar na superfície uma camada de alumina 200 a 2000 vezes mais espessa que a formada naturalmente

Alumina – (AL2O3) – Transparente, impermeável, boa resistência mecânica, permite coloração, conserva as características do alumínio

Fases da anodização:

Preparação da superfície – Desengorduramento, decapagem e acetinagem (ataque com soda cáustica)

Neutralização – neutraliza a acção da soda cáustica

Anodização – banho de água acidulada → cria camada de alumina que se deposita na superfície através de electrólise.

– A espessura da anodização depende do tempo de anodização

– No final da anodização a camada de alumina é transparente e porosa (cerca de 60 000 poros/cm2)

Coloração – deposição de corantes minerais por electrólise

Colmatagem – elimina os poros da camada anódica → hidratação da alumina em banho de água a ferver → maior resistência à corrosão

CONTROLO DE QUALIDADE DA ANODIZAÇÃO

- Espessura da anodização – depende da agressividade do meio ambiente

- Classe 10 – 10 µ – ambientes não agressivos interiores secos

- Classe 15 – 15 a 19 µ – ambientes fracamente agressivos – interiores com condensações

- Classe 20 – 20 a 24 µ - ambientes moderadamente agressivos – exteriores

- Classe 25 – 25 µ - ambientes muito agressivos – marítimo, industrial

- Grau de colmatagem

- Controlo da coloração

- A camada anódica resiste bem à corrosão atmosférica mas é atacada por ácidos e produtos alcalinos como é o caso do cimento

TERMOLACAGEM

Pintura electroestática com resina sintética - espessuras de 45 a 110 µ

Fases da termolacagem:

Preparação da superfície – Desengorduramento, decapagem, lavagem

Cromatização – aplicação de solução de crómio – melhora resistência à corrosão e aderência da pintura

Pintura – projecção de tinta em pó com pistolas electrostáticas

Polimerização – polimerização da tinta em forno

Controlo de Qualidade da Termolacagem

- Espessura da pintura

- Aderência

- Dodragem

- Impacto

- Corte e maquinação


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COBRE COBRE PURO

- Muito maleável mas de ductilidade inferior ao aço

- Fácil de trabalhar – cortar, conformar e soldar

- Aumento da resistência à tracção com endurecimento a frio

- Custo elevado

- Utilizado em condutores eléctricos, tubagens, permutadores de calor, ar condicionado, caldeiras

Propriedades físicas

- Peso volúmico – 90 kN/m3

- Resistência à tracção de 70 a 320 MPa

- Elevada condutibilidade térmica

- Elevada resistência à corrosão – é atacado pelos ácidos e cloretos

- Em contacto com o ar seco forma-se uma película de Cu2O que protege a superfície

- Em atmosfera húmida sob acção de sulfuretos e do dióxido de carbono a película fica preta ou verde

- Utilizado em canalizações à excepção de esgotos

- Não se deve colocar em contacto uma conduta de cobre com uma de aço galvanizado → corrosão galvânica do cobre

LIGAS DE COBRE

Mais conhecidas: Latão – Liga de cobre com zinco

Bronze – Liga de cobre com estanho

LATÃO – Liga de cobre e zinco

- A resistência do latão é superior à do cobre (com 45% zinco)

- O latão é resistente à corrosão

- Dureza relativamente baixa → pequena resistência ao desgaste

- Fácil de maquinar - mais fácil do que o bronze

- Existem latões de 90 a 10% de cobre – Ex: CuZn40

Resistência Mecânica

do Latão


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UTILIZAÇÕES DO LATÃO NA CONSTRUÇÃO

– elementos que tenham de ser maquinados, sem exigências de elevada resistência mecânica:

– torneiras, em geral, cromadas - revestimento de níquel e crómio que confere maior dureza superficial e melhor aspecto decorativo

–peças decorativas (chapas de revestimento), dobradiças, puxadores, fechaduras, ...

BRONZE – Liga de cobre e estanho

- Os bronzes caracterizam-se pela resistência mecânica, dureza superficial (resistência ao desgaste) e resistência à corrosão

- O teor de estanho não ultrapassa 25%

- Bronzes comuns: 13 a 20% Estanho (Sn)

- Bronze para sinos 25% - CuSn25

- Bronze com cobre, estanho e zinco → o mais resistente → engrenagens, segmentos para pistões

- Utilizações na construção:

- elementos decorativos,

- componentes de aparelhos de apoio,

- válvulas hidráulicas, dobradiças, puxadores, .... Resistência Mecânica

do Bronze


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ZINCO

ZINCO PURO - resistência à tracção de 30 a 200 MPa

- Massa volúmica - 71 kN/m3

Ligas de Zinco com cobre, chumbo, magnésio, cádmio, alumínio

- Elevada resistência à corrosão atmosférica embora tenha uma fraca resistência química

Utilizações do zinco na construção:

- Chapas de revestimento – coberturas (de mansardas), caleiras de coberturas e ligação entre paredes e telhados, depósitos de água, ...

- O zinco é aplicado como material de protecção do aço

Galvanização - protecção do aço com um revestimento de zinco

- galvanização por imersão

- deposição electrolítica

Metalização - protecção do aço com um revestimento de zinco aplicado por projecção de pó de zinco seguida de aquecimento a 350ºC durante várias horas

ESTANHO

- Metal muito macio e de baixo ponto de fusão

- Utilizado na folha de Flandres – chapa de aço estanhado

- Utilizado na soldadura de alguns metais

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