FUNDAÇÃO DE APOIO À ESCOLA TÉCNICA
Centro de Ensino Técnico e Profissionalizante
                 Quintino
  ESCOLA TÉCNIC...
Sum´rio
   a

1 INTRODUCAO¸˜                                                                                              ...
4.2.6      ˆ
                TITANIO E SUAS LIGAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .          48
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Cap´
   ıtulo 1

       ¸˜
INTRODUCAO

1.1                     ´
        PERSPECTIVA HISTORICA
Os materiais est˜o t˜o prof...
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Cap´
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PROPRIEDADES DOS
MATERIAIS

Todo projetista est´ vitalmente interessado nos materiais que lhe s˜o dispon´...
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Cap´
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ESTRUTURA DOS MATERIAIS

A mat´ria apresenta um aspecto descont´
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Cap´
   ıtulo 4

             ´
MATERIAIS METALICOS

S˜o substˆncias simples que apresentam 1 a 3 el´trons no n´
 a       ...
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Tec mat 1

  1. 1. FUNDAÇÃO DE APOIO À ESCOLA TÉCNICA Centro de Ensino Técnico e Profissionalizante Quintino ESCOLA TÉCNICA ESTADUAL REPÚBLICA DEPARTAMENTO DE MECÂNICA Tecnologia dos Materiais I Prof.: Antonio José R S Cruz e Hélio França Jr.
  2. 2. Sum´rio a 1 INTRODUCAO¸˜ 1 ´ 1.1 PERSPECTIVA HISTORICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 ˆ 1.2 IMPORTANCIA DO ESTUDO DOS MATERIAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 ˆ 1.3 CIENCIA DOS MATERIAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 ¸˜ 1.4 CLASSIFICACAO DOS MATERIAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 5 ˆ 2.1 PROPRIEDADES MECANICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 ´ 2.2 PROPRIEDADES TECNOLOGICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 ´ 2.3 PROPRIEDADES TERMICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 ´ 2.4 PROPRIEDADES ELETRICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.5 PROPRIEDADES ELETROMAGNETICAS ´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.6 PROPRIEDADES F´ISICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.7 PROPRIEDADES QU´ IMICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 ´ 2.8 PROPRIEDADES OPTICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 3 ESTRUTURA DOS MATERIAIS 11 3.1 ESTRUTURA CRISTALINA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.2 SISTEMAS CRISTALINOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.3 ESTRUTURA CRISTALINA DOS PRINCIPAIS METAIS . . . . . . . . . . . . 12 3.4 ALOTROPIA OU POLIMORFISMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 4 MATERIAIS METALICOS ´ 15 4.1 METAIS FERROSOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 4.1.1 USINAS INTEGRADAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 ´ 4.1.1.1 MATERIA-PRIMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 4.1.1.1.1 Min´rio de ferro . . . . e . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 4.1.1.2 Opera¸˜es sider´rgicas . . . . . co u . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 4.1.2 USINAS MINI-MILLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 ´ 4.1.2.1 MATERIA-PRIMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 ¸˜ 4.1.2.2 OPERACOES SIDERURGICAS ´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 ´ 4.1.3 PRODUTOS SIDERURGICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4.1.3.1 ACOS . . . . . . . . . . . . . . . ¸ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.1.3.2 FERROS FUNDIDOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 ˜ 4.2 METAIS NAO-FERROSOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.2.1 ALUM´ INIO E SUA LIGAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.2.2 COBRE E SUA LIGAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.2.3 N´IQUEL E SUAS LIGAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 ´ 4.2.4 MAGNESIO E SUAS LIGAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.2.5 CHUMBO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 i
  3. 3. 4.2.6 ˆ TITANIO E SUAS LIGAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.2.7 ZINCO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.2.8 ESTANHO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 ´ 5 MATERIAIS POLIMERICOS 50 ´ 5.1 PLASTICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 ˆ 5.2 ELASTOMEROS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 ˆ 6 MATERIAIS CERAMICOS 57 ´ 7 MATERIAIS COMPOSITOS 58 ii
  4. 4. Cap´ ıtulo 1 ¸˜ INTRODUCAO 1.1 ´ PERSPECTIVA HISTORICA Os materiais est˜o t˜o profundamente enraizados em nossa cultura que a maioria de n´s nem a a o percebe sua presen¸a. Nos transportes, nas casas, nas roupas, nos meios de comunica¸˜o, na c ca recrea¸˜o, e at´ na produ¸˜o de alimentos - inevitavelmente todos segmentos de nossas vidas s˜o ca e ca a influenciados de uma maneira ou de outra pelos materiais. Historicamente, o desenvolvimento e o avan¸o das sociedades tem sido intimamente ligado ` habilidade dos membros para produzir c a e manipular os materiais para satisfazer suas necessidades. De fato, as primeiras civiliza¸˜esco foram designadas pelo n´ do desenvolvimento de seus materiais (isto ´, Idade da Pedra, Idade ıvel e do Bronze, etc.). No in´ ıcio da civiliza¸˜o, os homens tinham acesso a um n´mero muito limitado de materiais, ca u todos retirados diretamente da natureza. Descobriram t´cnicas para produ¸˜o de materiais e ca com propriedades superiores aos naturais, alterando-as atrav´s de tratamentos t´rmicos ou pela e e adi¸˜o de outras substˆncias. Nesses novos materiais incluem-se a cerˆmica e v´rios metais. ca a a a Neste ponto, os materiais eram escolhidos atrav´s de um processo de sele¸˜o, ou seja, eram e ca selecionados dentre um n´mero restrito de materiais, os que possu´ u ıam as melhores propriedades para determinada aplica¸˜o. Somente em tempos recentes os cientistas vieram a entender as ca rela¸˜es entre as estruturas dos materiais e suas propriedades. Esse conhecimento, adquirido nos co ultimos 60 anos, nos permitiu dar um grande passo no entendimento das suas caracter´ ´ ısticas. Assim, dezenas de milhares de materiais diferentes evolu´ ıram com caracter´ ısticas bastante es- pec´ıficas que satisfazem `s necessidades de nossa sociedade moderna e complexa, tais como, a metais, pl´sticos, vidros, etc. a O desenvolvimento de tecnologias que propiciam maior conforto est˜o intimamente associadas ao a acesso ` materiais adequados. Um avan¸o na compreens˜o de um tipo de material ´ muitas vezes a c a e o precursor de um grande desenvolvimento tecnol´gico. Por exemplo, os autom´veis n˜o teriam o o a sido poss´ ıveis sem a disponibilidade de a¸o barato ou algum outro substituto adequado. Em c nossos dias, sofisticados equipamentos eletrˆnicos utilizam componentes fabricados com certos o materiais chamados semicondutores, surgidos ap´s a IIa Guerra Mundial. o 1.2 ˆ IMPORTANCIA DO ESTUDO DOS MATERIAIS Todo projetista, seja ele cientista, engenheiro ou mesmo designer , estar´ exposto a problemas de a projeto que envolvem materiais. Como exemplo, podemos mencionar uma engrenagem de trans- miss˜o, a superestrutura dos arranha-c´us, um componente de uma refinaria de petr´leo, ou um a e o circuito integrado de um ”chip”. E os cientistas e engenheiros de materiais s˜o os profissionais a que est˜o totalmente envolvidos na investiga¸˜o e desenvolvimento dos materiais utilizados em a ca todos esses projetos. Muitas vezes, o problema relacionado com materiais ´ selecionar correta- e 1
  5. 5. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I e a 2 mente apenas um dentre os milhares dispon´ ıveis. H´ v´rios crit´rios em que a decis˜o final ´ a a e a e normalmente baseada. Em primeiro lugar, deve-se analisar as condi¸˜es de trabalho para de- co terminar a ordem das propriedades que o material deve possuir. Muito raramente o material possui a combina¸˜o das propriedades ideais exigidas. Assim, pode ser necess´rio optar por uma ca a caracter´ ıstica ou outra. O exemplo cl´ssico envolve a dureza e a ductilidade; normalmente, um a material de alta dureza possui baixa ductilidade. Em certos casos, ´ necess´rio que duas ou e a mais propriedades estejam de acordo para seu aproveitamento. Em segundo lugar, est´ a dete- a riora¸˜o a qual o material sofrer´ durante sua opera¸˜o de servi¸o. Por exemplo, um material ca a ca c pode sofrer uma significante redu¸˜o na sua resistˆncia mecˆnica se for exposto a temperat- ca e a uras elevadas ou ambientes corrosivos. Finalmente, a viabilidade econˆmica. Da´ surge a t´ o ı ıpica pergunta: Quanto custar´ o produto final? Um material que possuir as qualidades ideais para a o uso, poder´ tornar-se invi´vel devido ao seu elevado custo. Novamente aqui, ´ inevit´vel a a a e a necessidade da combina¸˜o de fatores na escolha. O pre¸o final de uma pe¸a acabada inclui ca c c qualquer despesa necess´ria para poder dar-lhe a forma desejada. Assim, com o estudo apro- a fundado dos materiais, pode-se escolher prudentemente os que mais se adaptam a sua realidade seguindo estes crit´rios. e 1.3 ˆ CIENCIA DOS MATERIAIS A Ciˆncia dos Materiais envolve a investiga¸˜o da rela¸˜o existente entre estrutura e propriedades e ca ca dos materiais. Assim, com base nessa correla¸˜o entre estrutura e propriedades, desenvolve ou ca cria a estrutura de um material para produzir um conjunto de pr´-determinadas propriedades. e ”Estrutura”de um material diz respeito ao arranjo de seus componentes internos. A estrutura subatˆmica envolve os el´trons dentro dos ´tomos e a intera¸˜o com seus n´cleos. Em um n´ o e a ca u ıvel atˆmico, estrutura diz respeito ` organiza¸˜o dos ´tomos ou mol´culas uns em rela¸˜o aos outros. o a ca a e ca Seguindo essa ordem, o pr´ximo tipo de estrutura ´ formada por um grande n´mero de ´tomos o e u a ou mol´culas que formam grandes aglomerados poss´ e ıveis de serem observados atrav´s de um e microsc´pio. Estas estruturas s˜o denominadas ”microsc´picas”. Finalmente, a estrutura que o a o pode ser observada diretamente com os olhos, sem nenhum equipamento especial, ´ chamada de e estrutura ”macrosc´pica”. o A no¸˜o de ”propriedade”tamb´m merece um esclarecimento. Durante o uso, todos os materi- ca e ais s˜o expostos a est´ a ımulos externos que provocam algum tipo de resposta. Por exemplo, um esp´cime submetido a uma for¸a sofrer´ uma deforma¸˜o; ou a superf´ de um metal quando e c a ca ıcie polido refletir´ a luz. Portanto, propriedade ´ uma caracter´ a e ıstica dos materiais em termos do tipo e magnitude da resposta para cada est´ ımulo espec´ ıfico. Geralmente, defini¸˜es de pro- co priedades s˜o criadas independentemente da forma e do tamanho do material. a Inevitavelmente as propriedades mais importantes dos materiais s´lidos podem ser agrupadas o em seis categorias: mecˆnicas, eletro-magn´ticas , qu´ a e ımicas, ´pticas e tecnol´gicas. o o Para cada propriedade, h´ um tipo de est´ a ımulo que provoca uma resposta diferente. A pro- priedade mecˆnica relaciona deforma¸˜o do material a uma for¸a aplicada sobre ou por ele. a ca c Neste caso, est˜o descritos os m´dulos de elasticidade e for¸a. Para as propriedades el´tricas, a o c e como a condu¸˜o e constante diel´trica, o est´ ca e ımulo ´ o campo el´trico. O comportamento t´rmico e e e dos s´lidos pode ser representado em termos de capacidade calor´ o ıfica e condutibilidade t´rmica. e As propriedades magn´ticas demonstram a resposta de um material a aplica¸˜o de um campo e ca magn´tico. Para as propriedades ´pticas, os est´ e o ımulos podem ser uma radia¸˜o eletromagn´tica ca e ou luminosa e o ´ ındice de refra¸˜o e reflex˜o, representam as propriedades em si. As propriedades ca a qu´ımicas est˜o muitas vezes relacionadas a reatividade qu´ a ımica dos materiais. Finalmente, as propriedades tecnol´gicas est˜o relacionadas a adeq¨abilidade do material diante dos processos o a u de fabrica¸˜o aos quais ´ submetido. ca e
  6. 6. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I e a 3 1.4 ¸˜ CLASSIFICACAO DOS MATERIAIS Os materiais s´lidos s˜o geralmente classificados em trˆs grupos b´sicos: metais, pol´ o a e a ımeros e cerˆmicas. Este esquema ´ baseado principalmente em sua composi¸˜o qu´ a e ca ımica e estrutura atˆmica, e os materiais entram em um grupo distinto ou outro, embora haja alguns inter- o medi´rios. Al´m destes, h´ mais outros trˆs grupos importantes para a Engenharia de Materiais, a e a e s˜o eles: os comp´sitos, biomateriais e os semicondutores. a o Metais - Metais s˜o elementos qu´ a ımicos s´lidos ` temperatura ambiente (exceto o merc´rio), o a u opacos, lustrosos, e quando polidos refletem a luz, al´m de serem bons condutores de e eletricidade e calor. A maioria dos metais ´ forte, d´ctil e male´vel, e, em geral, de alta e u a densidade. Possuem um grande n´mero de el´trons livres; ou seja, estes el´trons n˜o u e e a s˜o ligados a nenhum ´tomo em particular. Muitas das propriedades dos metais est˜o a a a diretamente ligados a estes el´trons. Metais s˜o os materiais estruturais prim´rios de toda e a a a tecnologia e inclui um grande n´mero de ligas ferrosas (por exemplo, ferro-fundido, a¸o u c carbono, ligas de a¸os, etc.). c Pol´ ımeros - Dentre os pol´ ımeros incluem-se borrachas, pl´sticos, e muitos outros tipos de ade- a sivos. S˜o produzidos a partir da cria¸˜o de grandes estruturas moleculares provenientes a ca de mol´culas orgˆnicas em um processo conhecido como polimeriza¸˜o. Os pol´ e a ca ımeros tˆm e baixa condutividade t´rmica e el´trica, tem baixa resistˆncia mecˆnica comparado a outros e e e a materiais utilizados em Engenharia, e n˜o s˜o adequados para utiliza¸˜o em altas tem- a a ca peraturas. Pol´ ımeros termopl´sticos, nos quais as longas cadeias de mol´culas n˜o s˜o a e a a rigidamente conectadas, tem boa ductilidade e formabilidade. Pol´ ımeros termofixos s˜o a normalmente mais resistentes, por´m, podem apresentar-se quebradi¸os pela sua cadeia e c molecular ser de forte conex˜o. Os materiais polim´ricos s˜o utilizados em in´meras a e a u aplica¸oes: embalagens, componentes de eletrodom´sticos, brinquedos, pe¸as t´cnicas e c˜ e c e etc. Cerˆmicos - Esta classe pode ser definida como qualquer material s´lido inorgˆnico, n˜o- a o a a met´lico, usado ou processado em temperaturas altas. Quando falamos em cerˆmica, ime- a a diatamente nos vem a mente coisas tais como lou¸as sanit´rias, pisos, azulejos, porcelana c a de mesa, etc. Freq¨entemente esquece-se das aplica¸˜es tecnol´gicas mais avan¸adas de u co o c o ´xidos, carbonetos e nitretos. Muitos destes s˜o de grande interesse industrial. Cerˆmicas a a tamb´m incluem materiais como vidro, grafite, cimento (concreto), etc. e Comp´sitos - Comp´sitos consistem na combina¸˜o de dois ou mais materiais diferentes. o o ca O Fiberglass ´ um exemplo bem familiar, onde as fibras de vidro s˜o adicionadas a um e a material polim´rico. Um comp´sito ´ desenvolvido para combinar as melhores propriedades e o e dos materiais que o constituem. O Fiberglass, por exemplo, adquire a dureza do vidro e a flexibilidade do pol´ ımero. Muitos dos recentes materiais desenvolvidos atualmente s˜o a comp´sitos. o Semicondutores - Semicondutores podem ser definidos como materiais que conduzem cor- rente el´trica melhor que os isolantes mas n˜o melhor que os metais. Um grande n´mero e a u de materiais satisfaz a estas condi¸˜es. Em temperatura ambiente, a condutividade car- co acter´ ıstica dos metais ´ da ordem de 104 ` 106 ohm-1 cm-1, enquanto nos isolantes ´ e a e da ordem de 10-25 ` 10-9 ohm-1 cm-1. Os materiais classificados como semicondutores a possuem condutividade entre 10-9 e 104 ohm-1 cm-1. Normalmente a condutividade dos metais diminui com o aumento da temperatura. Com os semicondutores ocorre o contr´rio, a a condutividade aumenta com o aumento da temperatura. Nos semicondutores o processo de condu¸˜o pode ocorrer de modo n˜o iˆnico onde h´ o transporte de carga ou de massa ca a o a
  7. 7. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I e a 4 (de el´trons). As propriedades unicas dos semicondutores dependem, acima de tudo, do e ´ n´mero de portadores de corrente el´trica. Estes portadores podem ser de dois tipos: u e el´trons ou ”buracos”. O n´mero de portadores pode variar dependendo da temperatura, e u luminosidade, part´ ıculas nucleares, campos el´tricos, ou imperfei¸˜es no cristal na forma e co de ´tomos de impurezas ou do sistema cristalino. a Biomateriais - Biomateriais s˜o materiais empregados em componentes destinados ao im- a plante no corpo humano, substituindo partes doentes ou danificadas. Esses materiais n˜oa devem produzir substancias t´xicas e deve ser compat´ com os tecidos do corpo, isto ´, o ıvel e n˜o deve produzir rea¸˜es biol´gicas adversas. Todas as classes de materiais podem ser a co o utilizadas como biomateriais - metais, cerˆmicos, pol´ a ımeros, semicondutores, comp´sitos - o desde que sejam cuidadosamente selecionados.
  8. 8. Cap´ ıtulo 2 PROPRIEDADES DOS MATERIAIS Todo projetista est´ vitalmente interessado nos materiais que lhe s˜o dispon´ a a ıveis. Quer seu produto seja uma ponte, um computador, um ve´ ıculo espacial ou um autom´vel, deve ter um o profundo conhecimento das propriedades caracter´ ısticas e do comportamento dos materiais que pode usar. Considere-se, por exemplo, a variedade de materiais usados na manufatura de um autom´vel: ferro, a¸o, vidro, pl´sticos, borracha, apenas para citar alguns. E, somente para o c a o a¸o, h´ cerca de 3000 tipos ou modifica¸˜es. Com que crit´rio ´ feita a escolha do material c a co e e adequado para uma determinada pe¸a? c Ao fazer a sua escolha, o projetista deve levar em conta propriedades tais como resistˆncia e mecˆnica, condutividade el´trica e/ou t´rmica, densidade e outras. Al´m disso, deve considerar a e e e o comportamento do material durante o processamento e o uso, onde plasticidade, usinabilidade, estabilidade el´trica, durabilidade qu´ e ımica, deve ser utilizada. Muitos projetos avan¸ados em c engenharia dependem do desenvolvimento de materiais completamente novos. Por exemplo, o transistor nunca poderia ter sido constru´ com os materiais dispon´ ıdo ıveis h´ 40 anos atr´s; o a a desenvolvimento da bateria solar requereu um novo tipo de semicondutor; e, embora os projetos de turbinas ` g´s estejam muito avan¸ados, ainda se necessita de um material barato e que a a c resista a altas temperaturas, para as p´s da turbina. a Desde que, obviamente, ´ imposs´ e ıvel para o projetista ter um conhecimento detalhado dos milhares de materiais agora dispon´ıveis, assim como manter-se a par dos novos desenvolvimentos, ele deve ter um conhecimento adequado dos princ´ ıpios gerais que governam as propriedades de todos os materiais. Dentre estas propriedades, pode-se destacar: 2.1 ˆ PROPRIEDADES MECANICAS S˜o `quelas que definem o comportamento do material segundo um determinado esfor¸o a que a a c ele pode ser submetido. O conjunto de propriedades mecˆnicas ´ baseado nas seguintes carac- a e ter´ ısticas do material: e a ´ Resistˆncia mecˆnica: E a propriedade apresentada pelo material em resistir a esfor¸os exter- c nos, est´ticos ou lentos. Tais esfor¸os podem ser de natureza diversa, como sejam: tra¸˜o, a c ca compress˜o, flex˜o, tor¸˜o, cisalhamento. a a ca Assim, os esquemas abaixo representam os esfor¸os referidos: c Elasticidade: Propriedade apresentada pelos materiais em recuperar a forma primitiva t˜o a depressa cesse o esfor¸o que tenha provocado a deforma¸˜o. c ca A deforma¸˜o el´stica ´ revers´ ca a e ıvel e desaparece quando a tens˜o aplicada ´ removida. a e 5
  9. 9. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I e a 6 Figura 2.1: Esfor¸os mecˆnicos aos quais os corpos est˜o sujeitos. c a a Uma caracter´ ıstica da deforma¸˜o el´stica ´ que esta ´ praticamente proporcional ` tens˜o ca a e e a a aplicada. O m´dulo de elasticidade (m´dulo de Young) ´ quociente entre a tens˜o aplicada e a o o e a deforma¸˜o el´stica resultante. Ele est´ relacionado com a rigidez do material. O m´dulo ca a a o de elasticidade resultante de tra¸˜o ou compress˜o ´ expresso em unidade de tens˜o (psi ca a e a ou kgf/mm2 ). O valor deste m´dulo ´ primordialmente determinado pela composi¸˜o do o e ca material e ´ apenas indiretamente relacionado com as demais propriedades mecˆnicas. O e a m´dulo de Young ´ determinado a partir do ensaio de tra¸˜o. o e ca ´ Plasticidade: E a propriedade que apresentam certos materiais de se deixarem deformar per- manentemente assumindo diferentes tamanhos ou formas sem sofrerem rupturas, rachaduras ou fortes altera¸˜es de estrutura quando submetidos a press˜es ou choques compat´ co o ıveis com as suas propriedades mecˆnicas. A plasticidade ´ influenciada pelo calor (o a¸o ao rubro a e c torna-se bastante pl´stico). a O inverso da plasticidade ´ a fragilidade ou quebrabilidade; assim, um material ´ dito fr´gil e e a ou quebradi¸o quando o mesmo ao romper-se apresenta uma pequena deforma¸˜o. c ca A plasticidade pode ser subdividida em: ´ • Maleabilidade: E a maior ou menor facilidade apresentada pelo material em se defor- mar sob a¸˜o de uma press˜o ou choque, compat´ com a sua resistˆncia mecˆnica. ca a ıvel e a Um material ´ male´vel quando sob a¸˜o do laminador ou do martelo da forja, n˜o e a ca a sofre rupturas ou fortes altera¸˜es na estrutura (endurecimento inadmiss´ co ıvel). A maleabilidade pode ser a quente ou a frio. Se a maleabilidade a frio ´ muito grande e o material ´ chamado pl´stico. e a ´ • Ductilidade: E a capacidade que os materiais possuem de se deformar plasticamente at´ a ruptura. Deforma¸˜o pl´stica ´ aquela que imp˜e ao material uma deforma¸˜o e ca a e o ca permanente. Assim sendo, o seu valor pode ser expresso como alongamento e nas mesmas unidades de deforma¸˜o. Um comprimento comum (embora n˜o universal) para a medida do ca a alongamento ´ 50mm. Como mostrado na Figura a seguir, o comprimento considerado e ´ importante pois a deforma¸˜o pl´stica normalmente ´ localizada. e ca a e Uma segunda medida da ductilidade ´ a estric¸˜o que ´ a redu¸˜o na ´rea de se¸˜o reta e ca e ca a ca do corpo, imediatamente antes da ruptura. Os materiais altamente d´cteis sofrem grande u redu¸˜o de ´rea da se¸˜o reta antes de romper, Este ´ ca a ca ındice ´ sempre expresso em porcent- e agem e ´ calculado como se segue: e
  10. 10. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I e a 7 Figura 2.2: Corpo de prova sujeito ao alongamento. ´ Dureza: E definida pela resistˆncia da superf´ do material ` penetra¸˜o, ao desgaste, e ao e ıcie a ca atrito, embora a primeira defini¸˜o seja a mais comumente aceita. Como se pode esperar, a ca dureza e a resistˆncia ` tra¸˜o est˜o intimamente relacionadas. A determina¸˜o da dureza e a ca a ca ´ obtida a partir de uma s´rie de ensaios destinados especificamente para tal intento. e e Fluˆncia (creep): Fenˆmeno de alongamento cont´ e o ınuo e que pode conduzir ` ruptura ´ de- a e nominado fluˆncia. Esta caracter´ e ıstica ´ t´ e ıpica de materiais ferrosos quando submetidos a cargas de tra¸˜o constantes por longo tempo a elevadas temperaturas. Deformam-se ca continuamente mesmo quando a solicita¸˜o ´ menor do que a tens˜o de escoamento do ca e a material naquela temperatura. A fluˆncia ocorre mesmo quando o material ´ solicitado e e na temperatura ambiente, mas nessa temperatura a fluˆncia ´ praticamente desprez´ e e ıvel comparada com a que ocorre em temperaturas elevadas. o e a ´ O fenˆmeno da fluˆncia ocorre nos instrumentos de corda, viol˜o, por exemplo. E impor- tante frisar que certas pe¸as ficam inutilizadas se alongarem apenas 0,01%. c e ´ Resiliˆncia: E a maior ou menor rea¸˜o do material `s solicita¸˜es dinˆmicas, isto ´, a pro- ca a co a e priedade do material resistir a esfor¸os externos dinˆmicos (choques, pancadas, etc.) c a sem sofrer deforma¸˜o permanente. Como exemplo citamos as pe¸as de um britador de ca c mand´ıbulas, uma matriz para forjamento, uma ferramenta de corte, molas, etc. Assim, as molas s˜o feitas de materiais de elevada resiliˆncia. a e ´ Tenacidade: E dada pela energia consumida para fratur´-lo . Em outras palavras, tenacidade a mede a capacidade que o material tem de absorver de energia at´ fraturar-se incluindo a e deforma¸˜o el´stica e pl´stica quando essa energia ´ absorvida progressivamente. ca a a e A tenacidade ´, pois, medida pela ´rea total do diagrama tens˜o-deforma¸˜o. e a a ca Em geral diz-se que um material ´ tanto tenaz quanto maior ´ a sua resistˆncia ` ruptura e e e a por tra¸˜o ou distens˜o; isto nem sempre ´ verdadeiro, pois alguns a¸os doces, por exemplo, ca a e c s˜o mais tenazes que os a¸os duros, isto porque os a¸os duros apresentam, na ruptura um a c c pouqu´ıssima deforma¸˜o. ca A tenacidade tem alguma rela¸˜o com a resistˆncia ao choque, por´m os valores da energia ca e e medidos para ambos os casos n˜o concordam para todos os materiais ou condi¸˜es de a co ensaio.
  11. 11. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I e a 8 2.2 ´ PROPRIEDADES TECNOLOGICAS S˜o as que conferem ao material uma maior ou menor facilidade de se deixar trabalhar pelos a processos de fabrica¸˜o usuais. As propriedades tecnol´gicas s˜o: ca o a ´ Fusibilidade: E a propriedade que o material possui de passar do estado s´lido para o l´ o ıquido sob a¸˜o do calor. Todo metal ´ fus´ ca e ıvel, mas, para ser industrialmente fus´ ıvel, ´ preciso e que tenha um ponto de fus˜o relativamente baixo e que n˜o sofra, durante o processo a a de fus˜o, oxida¸˜es profundas, nem altera¸˜es na sua estrutura e homogeneidade. Em a co co se tratando de metais conv´m conhecer as temperaturas correspondentes ` coloca¸˜o que e a ca tomam quando aquecidas: Principais temperaturas de fus˜o. a Alum´ ınio 650o C Ferro puro 1530o C A¸os c 1300o C a 1500o C Zinco 420o C Gusa e fofo 1150o C a 1300o C Chumbo 330o C Cobre 1080o C Estanho 235o C ´ Soldabilidade: E a propriedade que certos metais possuem de se unirem, ap´s aquecidos e su- o ficientemente comprimidos. A soldabilidade depende do tempo em que o metal permanece num estado s´lido-pl´stico, sob o efeito do calor produzido pela a¸˜o soldante. O metal o a ca ou liga que passar instantaneamente do estado s´lido para o l´ o ıquido ´ dificilmente sold´vel e a (ferro fundido, por exemplo). Temperabilidade: Propriedade que possuem alguns metais e ligas de modificarem a sua estru- tura cristalina (endurecimento) ap´s um aquecimento prolongado seguido de resfriamento o brusco. Tal propriedade caracteriza o a¸o com certo teor de carbono, assim, como determinadas c ligas de alum´ ınio, transformando a estrutura cristalogr´fica do material que, em con- a seq¨ˆncia, altera todas as propriedades mecˆnicas. ue a ´ Usinabilidade (ou maquinabilidade): E a propriedade de que se relaciona com a resistˆnciae oferecida ao corte e ´ medida pela energia necess´ria para usinar o material no torno, sob e a condi¸˜es padr˜es. co o A usinabilidade de um material ´ obtida comparando-se com a de um material padr˜o cuja e a usinabilidade ´ convencionada igual a 100.(a¸o B1112). O conhecimento da usinabilidade e c de um material permite calcular os tempos necess´rios `s opera¸˜es de usinagem que ´, a a co e portanto, indispens´vel na programa¸˜o de uma fabrica¸˜o. a ca ca A usinabilidade ´ um fator que influi bastante na escolha de um material que deve ser e usinado; assim, as m´quinas autom´ticas d˜o grande produ¸˜o quando usinam os chama- a a a ca dos a¸os de corte f´cil (free cutting steels) tamb´m chamados de usinagem f´cil, que s˜o c a e a a materiais com alta percentagem de enxofre, f´sforo ou chumbo. o Fadiga: Fadiga n˜o chega a ser uma propriedade do material mais sim, um problema carac- a ter´ ıstico de materiais sujeitos a esfor¸os c´ c ıclicos. Quando um material ´ sujeito a esfor¸os e c dinˆmicos, durante longo tempo, ´ observado um ”enfraquecimento”das propriedades a e mecˆnicas ocasionando a ruptura. A fadiga pode ser tamb´m superficial, ocasionando a e desgaste de pe¸as sujeitas a esfor¸os c´ c c ıclicos, como comumente ocorre em dentes de en- grenagens.
  12. 12. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I e a 9 2.3 ´ PROPRIEDADES TERMICAS Propriedades t´rmicas est˜o vinculadas `s caracter´ e a a ısticas dos materiais quando submetidos ` a varia¸˜es de temperatura. Dentre estas propriedades destacam-se: co Condutividade t´rmica: S˜o propriedades que possuem certos corpos de transmitir mais ou e a menos calor. Neste caso, materiais bons condutores de calor, na ordem decrescente de condutibilidade: Ag, Cu, Al, lat˜o, Zn, A¸o e Pb. Corpos maus condutores de calor, na a c ordem decrescente de condutibilidade: pedra, vidro, madeira, papel, etc. Dilata¸˜o: Propriedade pela qual um corpo aumenta quando submetido ` a¸˜o do calor. A ca a ca capacidade de dilata¸˜o de um material est´ relacionada ao chamado coeficiente de di- ca a lata¸˜o t´rmica, que pode ser: linear, superficial e volum´trico. Esta caracter´ ca e e ıstica dos materiais deve ser considerada quando o mesmo ´ submetido a varia¸˜es consider´veis de e co a temperatura. 2.4 ´ PROPRIEDADES ELETRICAS A mais conhecida propriedade el´trica de um material ´ a condutividade el´trica. A condu- e e e tividade el´trica ´ a propriedade que possuem certos materiais de permitir maior ou menor e e capacidade de transporte de cargas el´tricas. Os corpos que permitem a eletricidade passar s˜o e a chamados condutores, sendo uma caracter´ ıstica dos materiais met´licos. J´ os que n˜o permitem a a a tal fenˆmeno s˜o os chamados materiais isolantes. O cobre e suas ligas e o alum´ o a ınio conduzem bem a eletricidade, sendo empregados na fabrica¸˜o de linhas el´tricas e aparelhagens; as ligas ca e Cr-Ni, Fe-Ni conduzem mal, servido para constru¸˜o de resistˆncias el´tricas, como reostatos, ca e e etc. Dentre os materiais isolantes destacam-se: madeira seca, baquelite, ebonite,etc. 2.5 ´ PROPRIEDADES ELETROMAGNETICAS A caracter´ ıstica mais comumente associada `s propriedades eletromagn´ticas ´: a e e ´ Suscetibilidade magn´tica: E a propriedade que caracteriza a maior ou menor facilidade com e que os metais re´nem ou dispersam as linhas de for¸a de um campo magn´tico. Os metais u c e que re´nem de modo acentuado as linhas de for¸a de um campo magn´tico se denominam u c e ”ferromagn´ticos”. Exemplo: Fe, Ni e Co. e Os metais que re´nem debilmente as linhas de for¸a de um campo magn´tico s˜o denomi- u c e a nados ”paramagn´ticos”. A maioria dos metais ´ paramagn´tico. Os metais que dispersam e e e as linhas de for¸a de um campo magn´tico s˜o denominados ”diamagn´ticos”. c e a e 2.6 PROPRIEDADES F´ ISICAS Dentre o conjunto de propriedades f´ ısicas destacam-se: ´ Densidade: E a rela¸˜o entre o peso de certo volume de um corpo e o peso de igual volume de ca a ´ um n´mero abstrato. Exemplo: Pb = 11,4 Cu = 8,9 Al = 2,7 Mg = 1,7 ´gua. E u Peso espec´ ´ ıfico: E o peso da unidade de volume do corpo. Por exemplo: o peso espec´ ıfico do a¸o ´ 7,8 kg/dm3. c e
  13. 13. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I e a 10 2.7 PROPRIEDADES QU´ IMICAS Resistˆncia ` corros˜o: Quase todos os materiais usados pelos projetistas s˜o suscet´ e a a a ıveis de corros˜o por ataque qu´ a ımico. Para alguns materiais, a solubiliza¸˜o ´ importante. Em ca e outros casos, o efeito da oxida¸˜o direta de um metal ou de um material orgˆnico como a ca a borracha ´ o mais importante. Al´m disso, a resistˆncia do material ` corros˜o qu´ e e e a a ımica, devido ao meio ambiente, ´ da maior importˆncia. A aten¸˜o que damos aos nossos au- e a ca tom´veis ´ um exemplo ´bvio da nossa preocupa¸˜o com a corros˜o. Desde que freq¨ente- o e o ca a u mente, o ataque pela corros˜o ´ irregular, ´ muito dif´ medi-la. A unidade mais comum a e e ıcil para a corros˜o ´ polegadas de superf´ perdida por ano. a e ıcie 2.8 ´ PROPRIEDADES OPTICAS Embora entre as propriedades ´pticas importantes para a engenharia incluem-se o ´ o ındice de refra¸˜o, a absor¸˜o e a emissividade, apenas a primeira delas ser´ discutida aqui, porque as ca ca a outras duas j´ s˜o mais especializadas. O ´ a a ındice de refra¸˜o n ´ a raz˜o entre a velocidade da ca e a luz no v´cuo c e a velocidade da luz no material, Vm: a c η= (2.1) Vm O´ ındice tamb´m pode ser expresso em termos do ˆngulo de incidˆncia i e do ˆngulo de refra¸˜o e a e a ca r: sin i η= (2.2) sin r
  14. 14. Cap´ ıtulo 3 ESTRUTURA DOS MATERIAIS A mat´ria apresenta um aspecto descont´ e ınuo desde o momento em que se acha constitu´ por ıda part´ıculas elementares, ´tomos e mol´culas. Quando se consideram as caracter´ a e ısticas de uma substˆncia n˜o se leva somente em considera¸˜o o comportamento dos ´tomos isolados, mas a a ca a tamb´m do conjunto de tudo aquilo que interv´m em sua forma¸˜o. e e ca Segundo o estado f´ ısico da substˆncia, esses agrupamentos atˆmicos se apresentam com carac- a o ter´ ısticas distintas; assim, como nos estados gasoso e l´ ıquido os ´tomos tˆm grande mobilidade a e que permite adaptar-se a qualquer conforma¸˜o externa que o contenha. No estado s´lido os ca o a ´tomos apresentam certa permanˆncia em suas posi¸˜es o que confere ao material um certo grau e co de indeformabilidade, caracter´ ıstico do estado s´lido. o Os materiais encontrados na natureza, ou mesmo fabricados podem ser classificados segundo regularidade em que ´tomos ou ions est˜o arranjados com respeitos a outros. a a Assim, pode-se encontrar: • Materiais Cristalinos; Um material cristalino apresenta uma ordem de ´tomos que se repete periodicamente at´ a e grandes distˆncias atˆmicos . Esta ordem de ´tomos se forma durante a solidifica¸˜o do a o a ca material, em trˆs dimens˜es, e cada ´tomo ´ vinculado com ´tomos vizinhos. e o a e a Dentre os materiais cristalinos podemos destacar: – todos os metais; – muitos materiais cerˆmicos; a – alguns pol´ ımeros. • Materiais amorfos (n˜o-cristalinos) a Dentre os materiais amorfos (materiais literalmente ”sem-forma”) incluem os gases, os l´ ıquidos e os vidros. Os dois primeiros s˜o fluidos e s˜o de maior importˆncia em engen- a a a haria, j´ que incluem muitos dos nossos combust´ a ıveis e o ar necess´rio ` combust˜o, como a a a tamb´m a ´gua. O vidro, o ultimo dos trˆs materiais amorfos, ´ considerado um ;l´ e a ´ e e ıquido r´ ıgido; entretanto, quando considerarmos a sua estrutura, vemos que ele ´ mais do que e apenas um l´ ıquido super-resfriado. 3.1 ESTRUTURA CRISTALINA Uma mol´cula tem uma regularidade estrutural, porque as liga¸˜es covalentes determinam um e co n´mero espec´ u ıfico de vizinhos para cada ´tomo e a orienta¸˜o no espa¸o dos mesmos. A maioria a ca c dos materiais de interesse para a engenharia tem arranjos atˆmicos, que tamb´m s˜o repeti¸˜es, o e a co nas trˆs dimens˜es, de uma unidade b´sica. Tais estruturas s˜o denominadas cristais. Um e o a a 11
  15. 15. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I e a 12 Figura 3.1: Estrutura cristalina do cloreto de s´dio. o exemplo desta regularidade estrutural pode ser observada no NaCl, conforme apresentado na Figura 3.1. 3.2 SISTEMAS CRISTALINOS Define-se um sistema cristalino como a forma do arranjo da estrutura atˆmica. A sua repre- o senta¸˜o consiste em substituir ´tomos e rede espacial por conjunto de pontos. ca a Chama-se c´lula unit´ria a menor por¸˜o constituinte de um reticulado cristalino, conforme e a ca apresentado na Figura 3.3. A ordem tridimensional dos ´tomos (arranjo das c´lulas unit´rias) se repete simetricamente a e a at´ os contornos dos cristais (tamb´m chamados contornos de gr˜os). e e a Na natureza ´ observado que os ´tomos, de forma geral, se arranjam de sete maneiras e a poss´ ıveis, conforme notado na figura abaixo. 3.3 ESTRUTURA CRISTALINA DOS PRINCIPAIS METAIS Os principais metais apresentam estruturas conforme apresentado abaixo. • CCC Ba, Cr, Cs, Feα, Feδ, K, Li, Mo, Na, Nb, Ta, Ti b, V, W, Zrβ • CFC Ag, Al, Au, Ca, Co b, Cu, Fe g, Ni, Pb, Pt, Rh, Sr • HC Be, Cd, Co a, Hf a, Mg, Os, Re, Ru, Ti a, Y, Zn, Zrα Estas estruturas cristalinas podem ser melhores observadas na Figura abaixo, Figura 3.6.
  16. 16. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I e a 13 Figura 3.2: Representa¸˜o esquem´tica de um reticulado cristalino. ca a Figura 3.3: Representa¸˜o esquem´tica de uma c´lula unit´ria. ca a e a Figura 3.4: contorno de gr˜os a
  17. 17. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I e a 14 Figura 3.5: Sistemas cristalinos. Figura 3.6: Estruturas cristalinas mais comuns. 3.4 ALOTROPIA OU POLIMORFISMO ´ E a propriedade que possui um corpo de apresentar-se em dois ou mais estados cristalinos difer- entes, seja pela simetria, seja pela estrutura reticular, de acordo com a mudan¸a de temperatura. c Assim, o ferro apresenta-se em trˆs estados alotr´picos, conforme a temperatura em que ´ con- e o e siderado. Essas trˆs formas alotr´picas s˜o definidas como: e o a Ferro a (CCC) ` Ferro g (CFC) ` Ferro d (CCC) a a Em temperatura ambiente, a forma alotr´pica do ferro caracteriza-se pela estrutura CCC, o sendo este conhecido ferro-a. Quando este ´ aquecido ` 910o C, observa-se uma mudan¸a radical e a c na estrutura cristalina do ferro, passando ent˜o a estrutura CFC, sendo denominado ent˜o ferro- a a g. Caso o material seja aquecido at´ 1400o C, a estrutura volta a ser CCC. Neste caso o ferro e passa ser chamado de ferro-d.
  18. 18. Cap´ ıtulo 4 ´ MATERIAIS METALICOS S˜o substˆncias simples que apresentam 1 a 3 el´trons no n´ a a e ıvel mais externo e que, nas com- bina¸˜es qu´ co ımicas, cedem el´trons perif´ricos transformando-se em cations. e e Apresentam, em linhas gerais as seguintes propriedades: • Cor e brilho: os metais, com exce¸˜o do ouro (amarelo) e cobre (vermelho) apresentam colora¸˜o que ca ca varia do branco ao cinzento. • Densidade: Os metais, quanto a densidade, se classificam em leves (densidade menor que 6 - alcalinos, alcalinos terrosos, Mg, Be, Al); e pesados (densidade superior a 6). • Estrutura cristalina: Caracter´ ıstica observada em todos os metais. • Classifica¸˜o: ca Os materiais met´licos s˜o classificados em: Met´licos ferrosos e Met´licos n˜o-ferrosos. a a a a a 4.1 METAIS FERROSOS O ferro ´ um metal cuja utiliza¸˜o pelo homem ´ muito antiga. As civiliza¸˜es antigas de Ass´ e ca e co ıria, e ´ Babilˆnia, Egito, P´rsia, China, India e, mais tarde, da Gr´cia e de Roma j´ fabricavam, por o e a processos primitivos, armas e in´meros utens´ u ılios de ferro e a¸o. c A importˆncia do ferro como metal ´ tal que fundamenta a classifica¸˜o dos materiais met´licos, a e ca a al´m de possuir um ramo da ciˆncia dos materiais espec´ e e ıfico para seu estudo. Portanto, siderurgia, ´ a ciˆncia que estuda a metalurgia do ferro (Fe), enquanto que metalurgia e e ´ a ciˆncia que estuda a extra¸˜o dos metais, seus minerais e suas ligas. e e ca Os produtos sider´rgicos comuns s˜o ligas ferro-carbono com teor de carbono compreendido u a entre 0 e 6,7%, sendo que industrialmente, essa faixa de teor de carbono varia somente entre 0 e 4,5%. Os materiais met´licos ferrosos s˜o, portanto, produtos sider´rgicos que se classificam exclusi- a a u vamente em fun¸˜o do teor de carbono encontrado na liga. Desta forma, os materiais met´licos ca a ferrosos s˜o classificados como: a A¸os: Liga Fe-C cujo teor de carbono varia de 0 a 2,1%C; c Ferros fundidos: Liga Fe-C com o teor de carbono situando-se entre 2,1 e 6,7%C. 15
  19. 19. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I e a 16 A produ¸˜o dos a¸os e dos ferros fundidos pode ser definida segundo dois padr˜es mundiais, ca c o cujas estruturas diferem significativamente. Tem-se, portanto, dois modelos de usinas sider´rgicas: u • Usinas integradas • Usinas mini-mills 4.1.1 USINAS INTEGRADAS As usinas integradas abrangem todas as etapas necess´rias para, a partir das mat´rias-primas, a e produzir-se ferro e a¸o. O processo cl´ssico e mais usado para a redu¸˜o do min´rio de ferro c a ca e utiliza o equipamento denominado alto forno, cujo produto consiste numa liga ferro-carbono de alto teor de carbono, denominado ferro gusa, o qual, ainda no estado l´ıquido, ´ encaminhado ` e a aciaria, onde, em fornos adequados, ´ transformado em a¸o. Este ´ vazado na forma de lingotes, e c e os quais, por sua vez, s˜o submetidos ` transforma¸˜o mecˆnica, por interm´dio de laminadores, a a ca a e resultando blocos, tarugos e placas. Estes, finalmente, ainda por interm´dio de laminadores, e s˜o transformados em formas estruturais com perfis em ”T”, ”I”, cantoneiras, trilhos, chapas, a tarugos, etc. O fluxograma apresentado na Figura 4.1, representa esquematicamente, as principais etapas para a fabrica¸˜o do a¸o a partir do modelo de processos adotado pelas usinas integradas. ca c 4.1.1.1 ´ MATERIA-PRIMA As mat´rias-primas b´sicas da usinas integradas s˜o: e a a • min´rio de ferro; e • carv˜o; a • calc´rio. a 4.1.1.1.1 Min´rio de ferro O min´rio de ferro constitui a mat´ria-prima essencial para a e e e manufatura dos processos sider´rgicos. u Os minerais que contˆm ferro em quantidade apreci´vel s˜o os ´xidos, carbonatos, sulfetos e e a a o silicatos. Os primeiros s˜o os mais importantes sob a ´tica dos processos sider´rgicos. Os a o u principais ´xidos encontrados na natureza s˜o: o a • Magnetita (´xido ferroso-f´rrico) de f´rmula F e3 O4 , contendo 72,4% Fe. o e o • Hematita (´xido f´rrico), de f´rmula F e3 O3 , contendo 69,9% Fe o e o • Limonita (´xido hidratado de ferro), de formula 2F e2 O3 3H2 O, contendo, em m´dia, o e 48,3% Fe. A magnetita ´ encontrada principalmente na Su´cia, ao passo que a hematita ´ o min´rio mais co- e e e e mum, sendo encontrado, entre outros pa´ c u ´ ıses, na Fran¸a, EUA, R´ssia, India, Austr´lia, Canada a e Brasil. O min´rio de ferro antes de ser inserido no alto-forno sofre um processo de beneficiamento, e que compreende uma s´rie de opera¸˜es a que os min´rios de ferro de v´rias qualidades podem e co e a ser submetidos, com o objetivo de alterar seus caracter´ ısticos f´ ısicos ou qu´ımicos e torn´-los a mais adequados para a utiliza¸˜o nos alto-fornos. Essas opera¸˜es s˜o, geralmente: britamento, ca co a peneiramento, mistura, moagem, classifica¸˜o e aglomera¸˜o. ca ca Os processos de aglomera¸˜o visam melhorar a permeabilidade da carga do alto-forno, reduzir ca
  20. 20. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I e a 17 Figura 4.1: Fluxograma representativo do processo utilizado pelas usinas integradas para produ¸˜o do a¸o. ca c
  21. 21. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I e a 18 Figura 4.2: Esquema representativo do alto-forno. o consumo de carv˜o e acelerar o processo de redu¸˜o. Dentre o processos de aglomera¸˜o os a ca ca mais importantes s˜o: sinteriza¸˜o e pelotiza¸˜o. a ca ca b) Carv˜o a O carv˜o, utilizado nos alto-fornos, pode ser tanto de origem mineral quanto de origem vegetal. a Tˆm v´rias fun¸˜es dentro do processo que s˜o: e a co a • atuar como combust´ gerando calor para as rea¸˜es. ıvel co • atuar como redutor do min´rio, que ´ basicamente constitu´ de ´xidos de ferro e e ıdo o • atuar como fornecedor de carbono, que ´ o principal elemento de liga dos produtos sider´rgicos e u Da mesma forma que o min´rio, o carv˜o tamb´m sofre um pr´-processamento antes de ser e a e e introduzido no alto-forno. Esta opera¸˜o consiste no processo de coqueifica¸˜o, que por sua vez ca ca consiste no aquecimento a altas temperaturas, geralmente em cˆmaras hermeticamente fechadas, a portanto com ausˆncia total de ar, exceto na sa´ dos produtos vol´teis, do carv˜o mineral. e ıda a a c) Calc´rio a O calc´rio atua como fundente, ou seja, reage, pela sua natureza b´sica, com substˆncias estran- a a a has ou impurezas contidas no min´rio e no carv˜o (geralmente de natureza ´cida) diminuindo e a a seu ponto de fus˜o e formando a esc´ria, subproduto, por assim dizer, do processo cl´ssico do a o a alto-forno. 4.1.1.2 Opera¸˜es sider´ rgicas co u a) Opera¸˜o do alto-forno (produ¸˜o do ferro gusa) ca ca O alto-forno constitui ainda o principal equipamento utilizado na metalurgia do ferro. A par- tir dos primeiros fornos, dos tipos rudimentares, em que os gases eram perdidos na atmosfera, constantes aperfei¸oamentos t´cnicos foram introduzidos e a capacidade di´ria paulatinamente c e a elevada, aproximando-se, nos dias atuais, de 10.000 toneladas de ferro gusa por dia.
  22. 22. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I e a 19 Figura 4.3: Alto-forno e suas partes. O alto-forno ´ uma estrutura cil´ e ındrica, revestida internamente por tijolos refrat´rios, de a grande altura, constitu´ por trˆs partes fundamentais: o fundo, chamado de cadinho, a parte ıda e mediana, conhecida como rampa, e a parte superior denominada cuba. O cadinho, ´ o lugar onde o gusa l´ e ıquido ´ depositado. A esc´ria (conjunto de impurezas que e o devem ser separadas do gusa), que se forma durante o processo, flutua sobre o ferro que ´ mais e pesado. No cadinho h´ dois furos: o furo de corrida, aberto de tempos em tempos para que o a ferro l´ ıquido escoe, e o furo para o escoamento da esc´ria. Como a esc´ria flutua, o furo para o o seu escoamento fica acima do furo de corrida. Assim, sobra espa¸o para que uma quantidade c razo´vel de ferro seja acumulada entre as corridas. a Na rampa, acontecem a combust˜o e a fus˜o. Para facilitar esses processos, entre o cadinho a a e a rampa ficam as ventaneiras, que s˜o furos distribu´ a ıdos uniformemente por onde o ar pr´- e aquecido ´ soprado sob press˜o. e a ´ A cuba ocupa dois ter¸os da altura total do alto-forno. E nela que ;e colocada, alternadamente c e em camadas sucessivas, a carga, compostos de min´rio de ferro, carv˜o e os fundentes (cal e e a calc´rio). a Na opera¸˜o do alto forno s˜o inseridos, em sua parte superior, o carv˜o (na forma de coque ca a a
  23. 23. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I e a 20 ou carv˜o vegetal), o min´rio de ferro (s´ a e ınter ou pelotas) e os fundentes. A redu¸˜o dos ´xidos de ferro acontece ` medida que o min´rio, o agente redutor (coque ou ca o a e carv˜o vegetal) e os fundentes descem em contra-corrente, em rela¸˜o aos gases. Esses gases a ca s˜o o resultado da queima do coque (CO) com o oxigˆnio do ar quente (em torno de 1000o C) a e soprado pelas ventaneiras, e que escapam da zona de combust˜o. Este processo ocorre na rampa a do alto-forno. Conforme o coque vai se queimando, a carga vai descendo para ocupar os peda¸os vazios. Esse c movimento de descida vai se espalhando lateralmente pela carga, at´ atingir toda a largura da e cuba. As rea¸˜es de redu¸˜o, carboneta¸˜o e fus˜o geram dois produtos l´ co ca ca a ıquidos: esc´ria e o o ferro gusa. Ambos s˜o empurrados para os lados, pelos gases que est˜o subindo e escorrem para a a o cadinho, de onde saem pelos furos de corrida da esc´ria e do gusa respectivamente. o O ferro gusa, tamb´m conhecido como ”ferro fundido de primeira fus˜o”, ´ uma liga ferro-carbono e a e com elevados teores de carbono (3,4 a 4,5% C) que ´ vendido em blocos como mat´ria-prima e e para a produ¸˜o de a¸os e ferros fundidos (fofos). O ferro gusa ´ extremamente fr´gil devido a ca c e a significativa quantidade de impurezas presentes na liga (f´sforo, sil´ o ıcio, enxofre, etc). Por esse motivo, ele tem praticamente nenhuma aplica¸˜o na ind´stria. Basicamente, o uso do ferro gusa ca u se resume, al´m de servir de mat´ria-prima para a produ¸˜o de outros produtos sider´rgicos, e e ca u a uso em contra-pesos de guindastes e na fabrica¸˜o de pouqu´ ca ıssimas pe¸as fundidas de pouca c responsabilidade. Este material quando refundido, num forno como o cubilˆ, junto com sucatas de ferro fundido o e a¸o, d´ origem ao ”ferro fundido de segunda fus˜o”ou ferro fundido propriamente dito. Por c a a outro lado, ele tamb´m pode ser encaminhado `s aciarias onde se d´ a produ¸˜o do a¸o. e a a ca c b)Fabrica¸˜o do a¸o ca c Sendo o ferro gusa uma liga ferro-carbono em que o carbono e as impurezas normais - Sil´ ıcio (Si), Manganˆs (Mn), F´sforo (P) e Enxofre (S) - se encontram em teores elevados, a sua e o transforma¸˜o em a¸o, que ´ uma liga de mais baixos teores de Carbono (C), corresponde a um ca c e processo de oxida¸˜o, por interm´dio do qual a porcentagem daqueles elementos ´ reduzida at´ ca e e e aos valores desejados. A fabrica¸˜o do a¸o, na usina sider´rgica, ocorre dentro de um setor espec´ ca c u ıfico conhecido como aciaria. H´ diversos modelos de aciaria cada uma utilizando processos distintos para a produ¸˜o a ca do a¸o. O equipamento utilizado nas aciarias, conhecido como conversor, ´ o respons´vel pelo c e a m´todo de obten¸˜o, sendo os mais tradicionais: e ca • conversor Bessemer/Thomas sopro pelo fundo; • conversor Tropenas sopro lateral; • conversor L-D (Linz-Donawitz) sopro superior. Dentre os modelos apresentados, o mais utilizado no Brasil ´ o Linz-Donawitz. O conversor e L-D, tamb´m conhecido como BOP(”basic oxygen process”). e Este tipo de conversor ´ constitu´ de uma carca¸a cil´ e ıdo c ındrica de a¸o resistente ao calor, revestido c internamente por materiais refrat´rios de dolomita ou magnesita, conforme indica a Figura. a Neste processo, introduz-se oxigˆnio, praticamente puro, atrav´s de uma lan¸a posicionada e e c pouco acima da superf´ do gusa l´ ıcie ıquido, que o sopra provocando um impacto na superf´ ıcie l´ ıquida. Este sopro de oxigˆnio promove uma rea¸˜o de oxida¸˜o eliminando o carbono e outras e ca ca impurezas: sil´ (Si), f´sforo(P) e enxofre(S). ıcio o O carbono eliminado da liga F´-C forma com o oxigˆnio, o CO e o CO2 . O sil´ oxidado, forma e e ıcio SiO2 . O f´sforo ´ eliminado antes do carbono pela a¸˜o da cal, que introduzida no conversor o e ca ap´s a introdu¸˜o do oxigˆnio pela lan¸a. Forma-se uma esc´ria que garante a fixa¸˜o do P2 O5 o ca e c o ca
  24. 24. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I e a 21 Figura 4.4: Tipos de conversores. Figura 4.5: Conversor L-D (Linz-Donawitz)
  25. 25. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I e a 22 resultante da oxida¸˜o. O enxofre ´ facilmente eliminado, devido ` forte agita¸˜o do banho e ca e a ca pelo fato da esc´ria apresentar-se mais quente e mais fluida. o O fim do sopro ´ determinado atrav´s de c´lculos que indicam o teor de carbono a ser atingido. e e a A lan¸a ´ ent˜o retirada sendo, em seguida, o forno basculado para a posi¸˜o horizontal de modo c e a ca a proceder-se ao vazamento do a¸o. c c)Fabrica¸˜o do Ferro Fundido ca O ferro fundido ´ obtido no forno cubilˆ usando como mat´ria-prima o ferro gusa e sucatas e o e c ´ de a¸o e ferros fundidos (fofos). E um forno vertical cil´ ındrico revestido de tijolos refrat´rios e a equipado com ventaneiras na parte inferior. A carga, que ´ feita por uma abertura lateral, na parte superior e consiste de ferro gusa, sucatas e de ferro fundido e a¸o, carv˜o coque e calc´rio. Essas mat´rias-primas s˜o depositadas em c a a e a camadas alternadas. O metal fundido se re´ne no fundo do forno, de onde ´ escoado pela bica a u e determinados intervalos de tempos. A esc´ria ´ previamente retirada por outro orif´ situado o e ıcio em um n´ mais alto. O fundo do forno cubilˆ tamb´m pode ser removido para a limpeza e ıvel o e repara¸˜o da sola. ca Figura 4.6: Forno cubilˆ o
  26. 26. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I e a 23 4.1.2 USINAS MINI-MILLS 4.1.2.1 ´ MATERIA-PRIMA Este tipo de processo utiliza basicamente sucata (de a¸o ou ferro fundido) e cal. Pode-se tamb´m, c e a partir da aquisi¸˜o do gusa, proveniente das usinas integradas, trabalhar com este material. ca 4.1.2.2 ¸˜ ´ OPERACOES SIDERURGICAS O conceito de fabrica¸˜o do a¸o, observado nas usinas mini-mills, parte do princ´ ca c ıpio que n˜o a ´ necess´rio incorporar ao processo as opera¸˜es realizadas no alto-forno. Pode-se, portanto, e a co segundo este conceito americano, trabalhar-se com sucata promovendo a fus˜o deste metal e a adicionando os elementos de liga necess´rios ` fabrica¸˜o de um a¸o novo. a a ca c Desta forma, usinas tipo mini-mills iniciam seu processo a partir do que se identifica como as opera¸˜es da aciaria observadas nas usinas integradas. co O princ´ıpio ´ transformar a energia el´trica em energia t´rmica, por meio da qual, promove-se e e e a fus˜o do gusa e/ou da sucata, onde as condi¸˜es de temperatura e oxida¸˜o do metal l´ a co ca ıquido s˜o severamente controladas. a Os fornos el´tricos s˜o basicamente de dois tipos: a arco el´trico e de indu¸˜o. e a e ca a. Fornos de arco el´trico Em geral estes fornos s˜o basculantes e tˆm o aspecto conforme e a e apresentado na Figura 4.7. Figura 4.7: Forno de arco el´trico e
  27. 27. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I e a 24 Os fornos a arco el´trico s˜o constitu´ e a ıdos de uma carca¸a de a¸o feita de chapas grossas de c c a¸o soldadas e rebitadas, de modo a formar um recipiente cil´ c ındrico com fundo abaulado. Essa carca¸a ´ revestida na parte inferior (chamada soleira)por materiais refrat´rios. c e a A carga ´ feita por uma porta diametralmente oposta ` bica por onde ´ vazado o metal. O e a e calor ´ fornecido pelo arco el´trico que se forma entre os trˆs eletrodos verticais e o banho. e e e A esc´ria pode ser removida e substitu´ atrav´s da porta de carga. o ıda e O tamanho dos fornos el´tricos variam muito, havendo instala¸˜es capazes de produzir e co desde 500 kg at´ 100 toneladas de a¸o em cada corrida. A dura¸˜o de cada corrida de 60 e c ca toneladas ´ de cerca de 8 horas. e Durante o processo, ocorre a oxida¸˜o das impurezas e do carbono e rea¸˜es de desox- ca co ida¸˜o, ou retirada dos ´xidos com a ajuda de agentes desoxidantes, e a dessulfura¸˜o, ca o ca ´ quando o enxofre ´ retirado. E um processo que permite o controle preciso das quanti- e dades de carbono presentes no a¸o. c Os fornos el´tricos contam com os ´xidos de ferro (ferrugem) presentes nas sucatas de a¸o e o c e de ferro fundido para promover a oxida¸˜o das impurezas contidas na mat´ria-prima. ca e Essas impurezas s˜o eliminadas, posteriormente, junto com a esc´ria. a o b. Fornos de indu¸˜o. ca O conjunto que comp˜e esse forno ´ formado de um gerador com motor de acionamento, o e uma bateria de condensadores e uma cˆmara de aquecimento. Essa cˆmara ´ basculante a a e e tem, na parte externa, a bobina de indu¸˜o, conforme indicado na Figura 4.8. ca Figura 4.8: Forno de indu¸˜o. ca O cadinho ´ feito de massa refrat´ria socada dentro dessa cˆmara, onde a sucata se funde e a a por meio de calor produzido dentro da pr´pria carga. o O fenˆmeno qu´ o ımico observado nos fornos de indu¸˜o ´ semelhante `quele existente nos ca e a fornos de arco el´trico. e
  28. 28. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I e a 25 4.1.3 ´ PRODUTOS SIDERURGICOS Os produtos da ind´stria sider´rgica s˜o classificados, conforme mencionado anteriormente, em u u a fun¸˜o do teor de carbono encontrado na liga Fe-C. ca O teor de carbono, como elemento de liga principal, exerce influˆncia significativa sobre as pro- e priedades dos materiais. Tal influˆncia se explica pelos diferentes n´ e ıveis de solubilidade do ferro em fun¸˜o da temperatura, que altera a sua forma alotr´pica, e modifica a capacidade de formar ca o solu¸˜o com o carbono. ca Pode-se compreender melhor este fenˆmeno a partir de uma an´lise do diagrama de fases Fe-C, o a apresentado na Figura 4.9 As principais considera¸˜es a serem feitas a respeito do diagrama bin´rio Fe-C, com rela¸˜o co a ca a `s rea¸˜es que ocorrem em equil´ co ıbrio e das estruturas resultantes, s˜o as seguintes: a • o ponto A corresponde ao ponto de fus˜o do ferro puro - 1538o C e o ponto D, impreciso, a ao ponto de fus˜o do F e3 C; a • na parte superior esquerda do diagrama, numa faixa estreita, ocorre uma rea¸˜o especial ca chamada ”perit´tica”, na passagem do estado l´ e ıquido ao s´lido, em torno de 1495o C. a o qual, contudo, n˜o apresenta importˆncia sob o ponto de vista pr´tico. Nesse trecho, ao a a a solidificar, o ferro adquire a estrutura c´bica centrada - chamada, nesse caso, de d (delta), u passando, entretanto, quase a seguir, ` estrutura c´bica de face centrada gama (g), que a u caracteriza o ferro a alta temperatura. A 912o C, h´ a passagem da forma c´bica de face a u centrada para cubo centrado at´ a temperatura ambiente, na forma alotr´pica alfa (a); e o • na faixa de temperaturas em que o ferro est´ na forma alotr´pica gama, ele tem capacidade a o de dissolver o carbono presente; • entretanto, essa solubilidade do carbono do ferro gama n˜o ´ ilimitada: ela ´ m´xima a a e e a 1.148 C e corresponde a um teor de carbono de 2,11%. A ` medida que cai a temperatura, a solubilidade do carbono no ferro gama decresce; assim, a 727o C, a m´xima quantidade a de carbono que pode ser mantido em solu¸˜o s´lida no ferro gama ´ 0,77%; esses fatos ca o e s˜o indicados no diagrama pelas linhas JE e Acm, esta ultima representando, portanto, a a ´ m´xima solubilidade do carbono ou do Fe3C no ferro gama, nas condi¸˜es de equil´ a co ıbrio; • as linhas JE e ECF correspondem ` linha ”solidus”do diagrama; a • o carbono afeta, por outro lado, a temperatura de transforma¸˜o alotr´pica gama-alfa: a ca o partir de 0% de carbono, essa temperatura de transforma¸˜o decresce paulatinamente, at´ ca e que para 0,77% ela se situa a 727o C. Abaixo de 727o C n˜o poder´ existir, em nenhuma a a hip´tese, nas condi¸˜es de equil´ o co ıbrio, ou seja, esfriamento muito lento, ferro na forma alotr´pica gama; tal fato ´ indicado pela linha PSK ou A1; o e • o ponto C, conforme estudado anteriormente, ´ o conhecido ponto eut´tico do diagrama e e Fe-C. Observa-se que o ponto S assemelha-se ao C sendo chamado de ponto eutet´ide. o • entre teores de carbono 0 e 0,77% ocorre n˜o apenas o abaixamento da temperatura de a transforma¸˜o alotr´pica gama-alfa, esta transforma¸˜o ´ paulatina ou se d´ em duas ca o ca e a etapas: come¸a na linha GS ou A3 e termina na linha PS ou A1. Somente a 727o C ela ´ c e instantˆnea; a • a solubilidade do carbono no ferro alfa n˜o ´, de fato, nula: cerca de 0,008% de carbono a e dissolvem-se ` temperatura ambiente, e a 727o C, a solubilidade aumenta para 0.02%; de a 727o C para cima, decresce novamente a solubilidade do carbono at´ 912o C torna-se nula. e
  29. 29. Curso T´cnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I e a 26 Figura 4.9: Diagrama de equil´ ıbrio Fe-C.

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