R. Colaço, Aços, Cap. 3, pp Materiais de Construção Guia de Utilização, Editores: Mª. Clara Gonçalves, F. Margarido e R.

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1 R. Colaço, Aços, Cap. 3, pp Materiais de Construção Guia de Utilização, Editores: Mª. Clara Gonçalves, F. Margarido e R. Colaço, Loja da Imagem Mkt, ISBN: X, 2005

2 048 3_AÇOS Rogério Colaço é licenciado em Engenharia Metalúrgica e de Materiais, pelo Instituto Superior Técnico e doutorado em Engenharia de Materiais pela Universidade Técnica de Lisboa. É autor ou co-autor de mais de 50 publicações em revistas científicas e anais de congressos internacionais, parte significativa das quais respeitantes a trabalhos de investigação desenvolvidos sobre o tema processamento/microestrutura/propriedades de aços. É professor do IST desde É membro da Ordem dos Engenheiros, da Sociedade Portuguesa de Materiais e do The Institute of Materials. DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Av. Rovisco Pais, Lisboa Portugal Tel.: Fax: rogerio.colaco@ist.utl.pt

3 MATERIAISDECONSTRUÇÃO GUIA DE UTILIZAÇÃO 049 A introdução do aço na construção civil, há cerca de século e meio, resultou numa profunda alteração de métodos e práticas de engenharia civil e numa quase revolução da paisagem construída. Pretende-se com o texto que se segue descrever, de forma resumida, as principais características deste conjunto de materiais extraordinariamente diversificado que designamos genericamente por aços. Para tal, ao invés de listar exaustivamente propriedades e características de aços existentes no mercado, o que já é feito nas dezenas de catálogos e especificações técnicas de fabricantes e fornecedores, facilmente adquiríveis, opta-se por descrever resumidamente os fundamentos da tecnologia e da metalurgia física dos aços. Pretende-se que esta abordagem permita abrir novas perspectivas de utilização e novos critérios de selecção aos especialistas em projecto e selecção de materiais de construção. 1. INTRODUÇÃO 2. ESTRUTURA CRISTALINA DO FERRO 3. PROPRIEDADES MECÂNICAS 3.1. Deformação elástica 3.2. Deformação plástica 3.3. Tenacidade, fractura dúctil e fractura frágil 3.4. Efeito da temperatura 3.5. Dispersão de propriedades 4. EFEITO DOS ELEMENTOS DE LIGA 4.1. Carbono 4.2. Outros elementos de liga 5. MICROESTRUTURA 6. OPTIMIZAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS 6.1. Encruamento 6.2. Tratamentos térmicos 7. CONSTRUÇÃO SOLDADA 8. PRINCIPAIS TIPOS DE AÇOS UTILIZADOS EM CONSTRUÇÃO: CAMPOS DE APLICAÇÃO E PROPRIEDADES 8.1 Aços estruturais Fe-C 8.2 Aços microligados de elevada resistência 8.3 Aços de liga de temperados e revenidos 8.4 Aços inoxidáveis 9. CONCLUSÃO 10. BIBLIOGRAFIA

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5 MATERIAISDECONSTRUÇÃO GUIA DE UTILIZAÇÃO INTRODUÇÃO O começo da utilização do aço na construção civil, no primeiro quartel do Séc. XIX, foi uma consequência natural do desenvolvimento de tecnologias para a produção industrial de grandes quantidades de aço de forma economicamente viável. Inicialmente, a necessidade de construção de extensas linhas de caminho de ferro, utilizando componentes em aço com geometrias e dimensões padronizadas, resultou no desenvolvimento de soluções de engenharia que abriram caminho para a utilização do aço como material estrutural. A utilização do aço viria a dar origem a novos conceitos de construção que tiravam partido da possibilidade de construir estruturas por blocos, utilizando pré-formas em aço que eram produzidos em série. Estavam assim criadas as condições para a utilização extensiva do aço na construção: um material barato, com excelentes propriedades mecânicas que podia ser levado para o local da construção, na forma de componentes pré-fabricados passíveis de serem rapidamente montados. Mais tarde, o aço viria também a ser utilizado como material de reforço em estruturas de betão, na forma de fio, vigas, varão ou rede (cf. cap. I), elevando a resistência a esforços de tracção para valores que o frágil cimento Portland por si só não permitia. Pela primeira vez os engenheiros e arquitectos tinham à sua disposição um material que reunia simultaneamente propriedades como a elevada resistência à tracção e compressão, a enformabilidade por deformação plástica, a soldabilidade, a capacidade de absorção de energia sem entrar em rotura. Além disso, os aços apresentavam um espectro de propriedades relativamente largo, o que possibilitava a selecção e adequação ao uso aumentando, naturalmente, a liberdade de concepção do projectista. Desse modo, a utilização do aço veio permitir uma flexibilidade na forma e dimensões das estruturas que até aí não existia, resultando num novo paradigma de construção arquitectónica: a concepção do edifício ou da estrutura não como uma forma mas como um processo. Por outro lado a introdução do aço na construção civil conduziu a uma alteração profunda dos limites de projecto e, consequentemente, dos limites volumétricos e espaciais dos edifícios. Para um leigo, a primeira grande diferença que distingue as grandes construções do séc. XX das grandes construções de qualquer outra época é a volumetria. As primeiras são maiores, são mais altas, os arcos são mais compridos, os vãos são mais longos. Esta alteração radical da volumetria da ocupação espacial das construções é consequência da introdução do aço na construção. Importa no entanto começar por dizer que o termo aço não designa um material em particular. Designa antes um conjunto de materiais extraordinariamente diversificado (algumas centenas de ligas metálicas diferentes são designadas por aço ), em termos de composição química, microestrutura, propriedades e, naturalmente, aplicabilidade. Em comum todos os diferentes materiais que designamos por aço têm o facto do seu principal constituinte ser o ferro, ou seja os aços são ligas metálicas à base de ferro. Neste capítulo tentar-se-á descrever sucintamente as principais características destas ligas, em particular dos tipos de aços com maior aplicabilidade em construção civil.

6 052 3_AÇOS 2. ESTRUTURA CRISTALINA DO FERRO Um conjunto de factores parece confluir para explicar o sucesso dos aços. O primeiro deles será seguramente o facto do ferro, seu principal constituinte, ser um metal extraordinariamente abundante na crosta terrestre e por isso as suas ligas serem (ou poderem ser) relativamente baratas quando comparadas com outras ligas metálicas à base de elementos menos abundantes (titânio, cobalto, níquel, etc.). O ferro é um metal, sólido à temperatura ambiente. Quer isto dizer que num pedaço de ferro os átomos estão ligados entre si por uma ligação química forte, que se designa por ligação metálica. Este tipo de ligação, comum a todos os compostos que designamos por metais e que facilmente reconhecemos (pelo brilho, sensação de frio ao toque, ductilidade, etc.), tem a particularidade de todos os átomos partilharem entre si os seus electrões mais externos, formando uma banda de electrões livres (banda de valência) que mantêm a coesão do conjunto. É à existência desta banda de electrões livres (livres no sentido que se podem mover livremente, uma vez que não pertencem a nenhum átomo em particular) que se deve uma das peculiaridades mais características dos metais: o facto de serem condutores de electricidade. No entanto o ferro ocorre na natureza ligado ao oxigénio, ou seja na forma de óxidos de ferro. Esses óxidos de ferro (os mais comuns designam-se por hematite e magnetite) têm o aspecto de areias avermelhadas ou amareladas, que muitas vezes observamos em afloramentos rochosos, em taludes ou cortes junto à orla costeira. Em termos de propriedades, estes óxidos de ferro pouco ou nada têm em comum com o ferro metálico e menos ainda com o aço. Para termos aço é preciso retirar o oxigénio do ferro, aquilo a que se chama reduzir o óxido a ferro metálico. Não se sabe como foi conseguida pela primeira vez a redução do óxido de ferro, mas sabe-se que o carbono tem uma afinidade maior para o oxigénio que o ferro. Assim, o oxigénio tem tendência para passar do ferro para o carbono, se a temperatura for suficientemente elevada para que esta reacção possa ocorrer. Desse modo, supõese (especula-se) que o ferro metálico foi obtido pela primeira vez ao fazer fogueiras sobre areias ricas em óxidos de ferro utilizando madeira ou carvão como combustível: o carbono (proveniente da madeira ou do carvão) teria retirado o oxigénio ao ferro e, sob as cinzas da fogueira, terá ficado um material dúctil, com brilho acinzentado, que teria atraído os nossos antepassados. Esse material era ferro metálico. Contudo ao aquecer o óxido de ferro na fogueira, não só o óxido teria sido reduzido como também algum carbono terá migrado para dentro do ferro. E é esta junção entre carbono e ferro, ocorrida pela primeira vez há alguns milhares de anos, que vem a originar o aço. No ponto 4 deste capítulo explicar-se-á mais detalhadamente o efeito do teor em carbono nas propriedades mecânicas dos aços. A ligação metálica mantém os átomos de ferro dispostos de uma forma organizada no espaço. Esta organização espacial dos átomos de ferro designa-se por estrutura cristalina. Espacialmente, os átomos de ferro estão dispostos segundo uma geometria cúbica. Fila após fila os cubos formam um plano, e plano após plano todo o espaço é ocupado por estes cubos. Tomando um desses cubos, à temperatura ambiente, veríamos oito átomos de ferro ocupando os vértices do cubo e um ocupando o centro do cubo. Essa disposição arrumada dos átomos de ferro designa-se por estrutura cúbica de corpo centrado (CCC). Temos assim os átomos de ferro sólido, à temperatura ambiente, formando um cristal com uma estrutura cúbica de corpo centrado (figura 1.a). Este tipo de ferro esta fase designa-se por ferrite e pode conter átomos de outras espécies nela dissolvidos, conforme se verá um pouco mais adiante. O ferro funde a 1539ºC. No entanto, desde a temperatura ambiente até 1539 ºC outras transformações ocorrem antes da fusão. A 912 ºC os átomos de ferro alteram a geometria da sua arrumação: oito átomos de ferro continuam a ocupar os vértices do cubo, mas agora deixa de existir o átomo central passando a haver seis novos átomos no centro de cada uma das faces do cubo. Ou seja, ao ultrapassar 912 ºC a estrutura cristalina do ferro altera-se: deixa de ser cúbica de corpo centrado e passa a ser cúbica de faces centradas, CFC (figura 1.b). Esta fase é designada por austenite e é uma fase com maior compacidade e mais densa do que a ferrite. Por isso a transformação ferrite austenite, no aquecimento, implica uma contracção do ferro, que pode ter algumas implicações tecnológicas importantes (acumulação de tensões internas, distorções, fissuração).

7 MATERIAISDECONSTRUÇÃO GUIA DE UTILIZAÇÃO 053 Figura 1. a) Célula estrutural cúbica de corpo centrado (Tamb< T <912 ºC); b) Célula estrutural cúbica de faces centradas (912 ºC < T < 1394 ºC). À medida que se aumenta a temperatura, os átomos de ferro ainda se rearranjam uma vez mais antes da fusão ocorrer: a 1394 ºC reagrupam-se novamente numa estrutura cristalina CCC. Estas alterações da estrutura cristalina do ferro durante o aquecimento até à fusão, que são designadas por transformações alotrópicas, tem implicações dramáticas sobre as propriedades dos aços, conforme será discutido nos pontos seguintes. 3. PROPRIEDADES MECÂNICAS Conforme já mencionado, em geral os aços de construção (e as restantes ligas metálicas) são dúcteis, ou seja sofrem uma deformação plástica considerável antes de ocorrer fractura. Neste ponto serão considerados alguns aspectos particulares relacionados com este tipo de comportamento. Uma curva tensão/extensão (ou força/alongamento) obtida num ensaio de tracção uniaxial de uma aço tem o andamento típico exibido na figura 2. Esta curva permite evidenciar um conjunto de características e definir um conjunto de parâmetros fundamentais à caracterização das propriedades mecânicas dos aços, que apresentaremos em seguida. 3.1 Deformação elástica A primeira parte da curva, em que a tensão varia linearmente com a Figura 2. Curva de tracção uniaxial típica de um material metálico. extensão corresponde à deformação elástica do material. O regime de deformação elástica do material caracteriza-se pela total reversibilidade da deformação, ou seja, após ser descarregado o material recupera a sua forma original. O declive desta curva é o módulo de Young, E, que tem um valor aproximadamente constante para todos os aços: cerca de 200 GPa. O valor de E é uma medida da rigidez do material: um material com maior módulo de Young deformará menos, em regime elástico, quando submetido a uma determinada tensão. A área abaixo da curva de tensão/extensão tem unidades de energia por unidade de volume. No domínio elástico esta área corresponde à energia que o material pode absorver reversivelmente, e designa-se por resiliência (ver fig. 4). A tensão máxima a que o material pode ser submetido em regime elástico designa-se por tensão de cedência, σ ced. Este é talvez o parâmetro mais importante para o projectista uma vez que, em serviço, o material nunca poderá ser submetido a solicitações que resultem em tensões superiores a este valor. Tal implicaria a deformação permanente do componente e a consequente perda da sua funcionalidade. Na maioria dos materiais não existe uma descontinuidade da derivada da curva tensão/extensão (como existe no esquema da figura 2),

8 054 3_AÇOS o que dificulta a determinação do valor exacto da tensão de cedência. Nesses casos utilizam-se alguns critérios (mais ou menos arbitrários) para a determinação da tensão de cedência. Um dos critérios mais comuns é o recurso à chamada tensão de offset a 0.2%, em que se traça uma linha paralela à curva de tracção desviada 0.2%, determinandose o ponto de intersecção dessa linha com a curva de tracção (figura 3.a). O ponto de intersecção é a tensão de cedência a 0.2%. Esta tensão naturalmente, corresponde a uma sobre-estimativa da tensão de cedência, sobre-estimativa essa que terá de ser compensada em projecto com um coeficiente de segurança adequado. Nos aços macios (tipicamente aços com teores de carbono inferiores a 0.05%) recozidos, a cedência é descontínua, ou seja, existe um patamar na transição do regime de deformação elástica para o regime de deformação plástica, que se ilustra na figura 3.b. 3.2 Deformação plástica. Uma vez ultrapassada a tensão de cedência o material entra no regime de deformação plástica, ou seja, num regime em que ocorre deformação permanente. A secção da curva de tracção correspondente à deformação plástica caracteriza-se por uma variação não linear da tensão com a extensão (ou da força com o alongamento) o que permite diferenciar com alguma facilidade os dois regimes de defomação. Num ensaio de tracção uniaxial, se a tensão de cedência for ultrapassada, após descarregar o material apenas a componente de deformação elástica é recuperada (figura 3.c), podendo-se verificar que ocorreu um aumento do comprimento de prova e uma redução permanente da área perpendicular ao eixo de tracção. Figura 3.a) Determinação da tensão de offset a 0.2%; b) Cedência descontínua num aço-carbono macio; c) Ciclo carga descarga em que a tensãode cedência é ultrapassada. Apesar da variação ser não linear, verifica-se que, em geral, nas ligas metálicas à temperatura ambiente, o aumento da deformação plástica implica um aumento da tensão aplicada (ao contrário, por exemplo, da plasticina que continua a sua deformação permanente quando a tensão aplicada é constante, dizendo-se por isso que flui). Assim, a variação da tensão com a extensão das ligas metálicas no domínio plástico, é aproximada por uma lei de potência do tipo: tensão=k.(extensão) n

9 MATERIAISDECONSTRUÇÃO GUIA DE UTILIZAÇÃO 055 A curva carga vs. alongamento ou tensão nominal vs. extensão nominal (ver definições, por ex., em G. E. Dieter, Mechanical Metallurgy, 3rd edition, McGraw-Hill Book Company, 1988) de um metal em tracção uniaxial, apresenta um máximo no domínio de deformação plástica. Esse máximo corresponde ao início do processo de rotura, que culmina na fractura do material. Até esse máximo ser atingido a deformação plástica do provete é uniforme, designando-se por isso a tensão correspondente ao máximo por tensão máxima uniforme (σ mu ). A partir de σ mu começam a aparecer microfissuras no interior do material que se vão propagando até à fractura e a deformação deixa de ser uniforme: a velocidade de deformação na região onde aparecem as fissuras é superior à velocidade de deformação nas restantes porções do provete devido à concentração de tensões na vizinhança dessas fissuras. Daí resulta uma deformação localizada. Essa zona de deformação localizada, num ensaio de tracção uniaxial designa-se por zona de estricção, sendo nessa zona que ocorre a fractura do material. Figura 4. Estimativa da resiliência e tenacidade do material a partir da curva de tracção uniaxial. em que K e n são constantes, características de cada material. Este aumento continuo da tensão necessário para que o metal continue a deformar plasticamente designa-se por encruamento. Voltarse-á a falar do encruamento no ponto 6, em particular como poderemos tirar partido desta característica para aumentar a resistência mecânica do aço*. O valor da tensão máxima uniforme impõe um limite máximo à deformação plástica a que o material pode ser submetido antes de ser colocado em serviço. Por exemplo suponha-se que um painel de aço é submetido a uma quinagem (dobragem), sendo em seguida colocado em determinada aplicação estrutural. Se durante a quinagem σ mu foi ultrapassada em determinada região do painel então nessa região iniciou-se o processo de rotura, com formação de pequenas microfissuras no interior do material. Apesar de essas microfissuras poderem não ser detectáveis por observação (macroscópica ou microscópica) são locais de concentração de tensões, podendose propagar gradualmente quando o painel é colocado em serviço, mesmo se este estiver submetido a tensões inferiores à sua tensão de cedência tabelada. Daí poderá resultar uma fractura extemporânea do componente, de difícil previsão na fase de projecto. A área abaixo da curva tensão vs. extensão é a energia (por unidade de volume) absorvida pelo material desde o início da deformação até à fractura (ver fig. 4). É uma medida da tenacidade do material. No ponto seguinte serão referidas algumas particularidades desta importante característica mecânica dos materiais. 3.3 Tenacidade, fractura dúctil e fractura frágil. Conforme referido anteriormente, a tenacidade é a energia que o material absorve (ou dissipa) por deformação plástica até à fractura. A tenacidade normalmente não é considerada directamente no projecto de construção. No entanto é uma propriedade importante, sobretudo na selecção de aços estruturais que serão utilizados em condições que possam resultar no perigo de fractura frágil (por fractura frágil entende-se, neste contexto, uma fractura que ocorra com um mínimo de deformação plástica do material). A tenacidade do material pode ser estimada sobretudo de duas formas: Pela área abaixo da curva de tracção (como referido anteriormente). Este método é pouco adequado, porque é pouco representativo da resposta do material em condições de impactos súbitos, ou

10 056 3_AÇOS seja um aço que apresente uma tenacidade relativamente elevada para velocidades de deformação baixas, poderá ter um comportamento frágil se a velocidade de impacto for elevada. Recorrendo a ensaios de impacto normalizados (ensaios Charpy ou Izod). Nestes ensaios um pêndulo em movimento é feito colidir com um provete de geometria e dimensões normalizadas, medindo-se a energia dissipada no impacto. Na prática, os ensaios de impacto são o método mais usado para determinar a tenacidade do material. Em particular estes ensaios são utilizados para determinar a temperatura de transição dúctil-frágil do material (TT dúctil/frágil ). A transição dúctil-frágil é uma transição que alguns aços apresentam em que o comportamento mecânico do material deixa de ser de carácter essencialmente dúctil para passar a frágil, quando a temperatura é inferior a um determinado valor crítico: (TT dúctil/frágil ). Deverá, como tal, ser considerada com algum cuidado na fase de selecção de materiais, em particular se a estrutura estiver submetida a condições ambientais que envolvam diminuições acentuadas de temperatura. Alguns tipos de aços, como os aços inoxidáveis austeníticos (ver ponto 8.4), não apresentam esta transição enquanto que alguns aços-carbono poderão apresentar transição dúctil frágil para temperaturas próximas de 0º C. Em termos de projecto, a fractura do material sob tensões inferiores às suas tensões críticas tabeladas deverá ser considerada sobretudo quando a estrutura tem concentradores de tensões (furos, chanfros agudos, etc). Um projecto cuidadoso poderá minimizar os efeitos de concentração de tensões associados a descontinuidades da estrutura, ângulos fechados e furações. Por outro lado importa ter em conta que, em geral, a tenacidade à fractura do aço é superior em aços com teores de carbono mais reduzidos, grão mais refinado (ver ponto 5). O recozimento de alívio de tensões (aquecimento e estágio do aço a temperaturas sensivelmente entre 250 e 400 ºC, seguida de arrefecimento lento) também poderá resultar num aumento da tenacidade do aço. A análise de uma superfície de fractura de um aço permite determinar com alguma facilidade o tipo de fractura. Uma superfície de fractura fibrosa com evidência de extensa deformação plástica está Figure 5. Superfícies típicas de fractura obtidas num ensaio Charpy: (a) fractura frágil; (b) fractura mista (dúctil/frágil) (c) fractura dúctil. associada a uma fractura dúctil, enquanto uma superficie de fractura mais lisa e clivada está associada a uma fractura frágil (ver figura 5). 3.4 Efeito da temperatura As propriedades mecânicas dos aços são muito afectadas por temperaturas elevadas. Temperaturas superiores a 500 ºC podem resultar em alterações da microestrutura (ver ponto seguinte) e/ou em deformação irreversível quando o material é submetido a esforços relativamente pequenos, uma vez que a tensão de cedência pode diminuir abruptamente (ver figura 6). Por outro lado, a exposição do aço a temperaturas elevadas pode originar corrosão ou erosão severa da superfície, da qual poderá resultar a perda de funcionalidade do componente. O módulo de Young dos aços, que é sensivelmente

11 MATERIAISDECONSTRUÇÃO GUIA DE UTILIZAÇÃO 057 Figura 7. Distribuição de propriedades mecânicas numa chapa de aço ASTM A285. Os dados referem-se a 224 chapas de aço com esta especificação compradas a 6 fornecedores durante um período de oito anos (fonte: Metals Handbook (9th ed.). Vol. 1 Properties and Selection: Irons, Steels, and High-Performance Alloys, ASM International, 1990, p. 195). Os aços são, porventura, dos materiais de construção com maior uniformidade de propriedades. No entanto, algumas variações nas propriedades mecânicas de um determinado aço podem ocorrer em diferentes locais de um mesmo componente ou então em diferentes componentes. O problema da variabilidade das propriedades mecânicas deve-se sobretudo a pequenas diferenças na composição química do aço, ou a pequenas diferenças no seu historial térmico e mecânico durante o processo de manufactura. Figura 6. Variação de tensão de cedência de um aço-carbono de construção com a temperatura. 200 GPa à temperatura ambiente, decresce para 170 GPa a 480 ºC, diminuindo abruptamente a partir dessa temperatura, daí resultando a perda da rigidez da estrutura. Destas alterações das propriedades do aço com a temperatura, resulta que a exposição prolongada ao fogo de uma estrutura de aço pode originar perda de capacidade de sustentação da estrutura e/ ou danos irreversíveis na sua funcionalidade. 3.5 Variabilidade das propriedades mecânicas A título de exemplo apresenta-se na figura 7 a distribuição de propriedades do aço de construção ASTM A285. Naturalmente que, apesar do espectro de variação ser relativamente estreito, este tipo de variabilidade deverá ser levada em consideração, quer por fornecedores, quer por utilizadores, acautelando o controlo de qualidade da matéria prima e as especificações de projecto. 4. EFEITO DOS ELEMENTOS DE LIGA 4.1 O carbono O ferro puro é pouco interessante do ponto de vista das suas propriedades mecânicas: é excessivamente macio, dúctil e com baixa resistência a esforços. Contudo, a adição de pequenas proporções de carbono altera radicalmente as propriedades mecânicas do ferro. O teor de carbono nos aços não ultrapassa nunca 2% em massa, sendo que nos aços estruturais em geral, o teor de carbono não ultrapassa 0.3%. As ligas de ferro com teores de carbono superiores a 2% designam-se por ferros-fundidos e, apesar de representarem um conjunto relativamente importante de materiais de construção

12 058 3_AÇOS Figura 8. Esquema do movimento de uma deslocação (cunha) numa rede cristalina. (sobretudo na construção do sec. XIX e da primeira metade do sec. XX), não serão tratados neste capítulo. O átomo de carbono tem uma massa quatro vezes e meia inferior à massa do ferro e um volume vinte e sete vezes inferior. Em termos dimensionais, a diferença entre os átomos de carbono e de ferro pode ser comparada à diferença entre uma bola de ténis e uma bola de futebol. Como compreender então que adições de quantidades tão pequenas, de um átomo tão aparentemente insignificante como o carbono, conduzam a alterações tão grandes nas propriedades do ferro? A primeira resposta a esta pergunta está precisamente no facto do átomo de carbono ser muito mais leve do que o átomo de ferro. Isto implica que a proporcionalidade atómica é maior do que a proporcionalidade mássica. Por exemplo um aço com 0.2% em percentagem mássica de carbono tem 1% em percentagem atómica. No entanto isto não basta para explicar o acentuado efeito da adição de carbono ao ferro. Considere-se um pedaço de arame (praticamente ferro puro já que o teor de carbono não excederá no arame 0.05%) inicialmente direito e que o dobramos até que o limite elástico do material seja ultrapassado. Podemos fazê-lo facilmente e, ao fazê-lo, alteramos de forma permanente a geometria do arame, que passou a estar dobrado. O que é que aconteceu aos átomos de ferro (que anteriormente se arrumavam formando um pedaço de arame direito) quando dobrámos o arame? A resposta está, mais uma vez, na ligação metálica e na estrutura cristalina das fases que constituem o material. Por um lado, como anteriormente referido, a ligação metálica baseia-se na partilha de electrões livres por todos os átomos, o que permite que os átomos de ferro - arrumados em planos atómicos na estrutura cristalina - sob o efeito da força, escorreguem uns sobre os outros, sem que exista necessariamente rotura do material. Por outro lado as estruturas cristalinas não são perfeitas, tendo vários tipos de defeitos (lacunas, interstícios, limites de grão, etc.). De entre os defeitos que naturalmente existem na rede cristalina de uma fase metálica, existe um tipo que tem uma influência dramática sorbre as propriedades mecânicas do material: são as deslocações, que se ilustram na figura 8. De uma forma simples, as deslocações facilitam o escor-

13 MATERIAISDECONSTRUÇÃO GUIA DE UTILIZAÇÃO 059 regamento dos átomos uns sobre os outros durante a deformação plástica. Desse modo, é o movimento e a geração de deslocações que, genericamente, controlam a cedência do material (a passagem do regime de deformação elástica para o regime de deformação plástica), os mecanismos de deformação plástica, e o comportamento do material em deformação plástica. A passagem do regime de deformação elástica (deformação reversível) para o regime de deformação plástica (irreversível) é uma consequência do início do movimento das deslocações e da criação de novas deslocações, quando é ultrapassada a tensão de cedência. Quanto mais difícil for a activação destes mecanismos, maior será a tensão de cedência do material, e maior será a sua resistência mecânica. Considere-se agora a adição de carbono ao ferro. Sendo os átomos de ferro muito maiores do que os átomos de carbono, este últimos podem ocupar os interstícios entre os átomos de ferro. Esses átomos de carbono são agora obstáculos ao movimento das deslocações: quanto mais átomos de carbono ocuparem os interstícios na estrutura cristalina do ferro, mais difícil será a mobilidade das deslocações, e maior será a tensão de cedência (a resistência mecânica ) do aço. Consequentemente, e voltando ao exemplo do arame, se aumentássemos o seu teor em carbono maior seria a força que teríamos de fazer para o dobrar. Este mecanismo é designado por endurecimento por solução sólida. A estrutura CCC do ferro, a ferrite, estável até cerca de 911ºC, devido à sua configuração espacial, só consegue dissolver no máximo 0,025% de carbono. Se for introduzida uma proporção de carbono superior a esta no ferro acontecerá o mesmo que quando colocamos muito açúcar num copo de água: este precipita. No caso do aço o excesso de carbono precipita formando um carboneto de ferro: o Fe 3 C, designado por cementite. Este carboneto é duro e frágil e a sua precipitação no interior da matriz de ferrite aumenta ainda mais a resistência mecânica do material. O mecanismo de aumento da resistência mecânica decorrente da precipitação de uma segunda fase designa-se, naturalmente, por endurecimento por precipitação. Quanto mais carbono, maior a proporção do cementite, maior resistência mecânica e maior dificuldade em deformar plasticamente o aço. Estas fases, uma macia (a ferrite, rica em ferro) e outra dura e frágil (a cementite, mais rica em carbono) podem ser facilmente observadas num microscópio óptico e constituem aquilo que se designa por microestrutura do aço (ver ponto 5 deste capítulo). Esta microestrutura bifásica, formada por ferrite e cementite, actua de forma que pode ser (embora grosseiramente) comparável à de um material compósito (por exemplo uma raqueta de ténis formada por uma matriz polimérica reforçada por fibras de vidro). 4.2 Outros elementos de liga Para além do carbono outros elementos de liga podem ser adicionados, contribuindo também para alterar propriedades do aço ou para lhe conferir determinados atributos. Apesar do elevado número de elementos de liga que podem entrar na composição química de um aço, o princípio de design de um aço é relativamente simples: existe uma matriz rica em ferro, que confere tenacidade ao material, que é reforçada por uma dispersão de carbonetos mais duros e frágeis. Assim, os elementos que entram na constituição dos aços podem ser divididos em dois conjuntos: os elementos formadores da matriz e elementos que, conjuntamente com o carbono, formam carbonetos de reforço. Conforme anteriormente referido, o principal constituinte da matriz de um aço é o ferro. No entanto, no caso de alguns aços verificou-se que a adição de cobre (Cu), níquel (Ni) ou cobalto (Co), que entram na constituição da matriz, pode melhorar determinadas propriedades específicas. A adição de teores de Cu até 0.8% a aços de construção resulta num aumento da resistência à corrosão do material e numa alteração da tonalidade da superfície (que passa a acastanhada após ser colocada em uso), alteração essa que pode ser esteticamente aproveitada. O Co aumenta a temperatura de início de fusão do aço, tornando-o mais refractário (mais resistente à temperatura). No entanto, a adição de Co tende a reduzir a tenacidade da matriz e, geralmente, as adições de Co em aços refractários não deve ultrapassar 5%, não sendo frequente encontrar na composição de aços de construção comerciais teores significativos de Co. O Ni expande o domínio austenítico o que é extremamente importante no aços inoxidáveis de construção soldada (ver ponto 7).

14 060 3_AÇOS Outros elementos de liga, como o manganês (Mn), o azoto (N), o silício (Si), poderão também ser dissolvidos em pequenas quantidades pela matriz ferrítica do aço, contribuindo para o seu endurecimento por solução sólida. O endurecimento que resulta da adição de elementos de liga depende essencialmente da diferença entre a dimensão e estrutura electrónica dos átomos de soluto e dos átomos de solvente, que no caso dos aços são os átomos de ferro. Em soluções sólidas diluídas o endurecimento causado pelos átomos de soluto é aproximadamente proporcional à concentração. Conforme anteriormente referido, os átomos de soluto distribuídos de forma aleatória pela rede cristalina da solução sólida dificultam o movimento das deslocações, o que resulta num aumento da tensão de cedência do aço. Contudo se os átomos de soluto se concentrarem preferencialmente em torno das deslocações exercem um efeito mais pronunciado na sua estabilização, daí resultando um aumento substancial na tensão necessária para que o movimento das deslocações se inicie. Durante a década de 50 os metalurgistas Gladman e Pickering desenvolveram equações semi-empíricas que permitem estimar algumas propriedades mecânicas de aços, em particular a tensão de cedência, a tensão máxima uniforme e a temperatura de transição dúctil-frágil (TT dúctil/frágil ), com base na composição química. Para aços-carbono estruturais (ver ponto 8) essas equações assumem a seguinte forma: σ ced (MPa) = %Mn+83.2%Si+354%N+17.4d -1/2 σ mu (MPa) = %Mn+83.2%Si+3.85%(perlite)+17.4d -1/2 TT dúctil/frágil (ºC) = %Si+100(%N)1/2+2.2%(perlite)-11.5%d -1/2 em que d é o tamanho de grão em mm e N o teor de azoto no aço. A perlite será definida no ponto 5. A quantidade e tipo dos carbonetos de reforço presentes no aço é, naturalmente, função do teor de carbono do aço mas também do tipo e teor dos elementos de liga que a ele se ligam para formar carbonetos. Para além do ferro que forma a cementite (Fe 3 C), como anteriormente foi referido, os elementos carburígenos (W, Mo, V, Nb e Cr) têm características diferentes e podem ser divididos em dois grupos: os elementos formadores de carbonetos duros (W/Mo e V/ Nb) e o Cr. O tungsténio (W) e o molibdénio (Mo) têm funções similares, sendo a opção por um ou por outro tomada essencialmente com base em critério de ordem económica. Estes elementos formam o carboneto η ( M 6 C) cuja composição varia entre Fe 3 W 3 C e Fe 4 W 2 C, no caso dos aços só com W, ou no caso mais geral (Fe, Mo, W)6C. O carboneto η é pouco solúvel na matriz austenítica e, como tal, o W e o Mo contribuem pouco para a temperabilidade do aço. A adição de vanádio (V) ou nióbio (Nb) aos aços, visa essencialmente produzir o carboneto MC (M para o elemento metálico, por ex., NbC). As partículas de MC são normalmente angulares, apresentando uma dureza extremamente elevada, aumentando significativamente a resistência à abrasão dos aços. Por outro lado o carboneto MC precipita nos limites de grão impedindo a coalescência de grão durante a austenitização (aumento do tamanho de grão), possibilitando a obtenção de aços com tamanho de grão mais fino, o que contribui para aumentar simultâneamente a tensão de cedência, a tenacidade e a soldabilidade (ver ponto 7 deste capitulo) do aço. A adição de crómio (Cr) aos aços tem com função promover a formação de carbonetos, aumentar a temperabilidade (ver ponto 6.2), aumentar a resistência à corrosão e retardar o envelhecimento durante o revenido (ver ponto 6.2). No dos aços de construção o teor de crómio normalmente não ultrapassa 1%. Este cenário altera-se quando se pretende aços com elevadas resistências à corrosão, os designados aços inoxidáveis (ver pontos 7 e 8). Aí o teor de crómio TABELA 1 Elementos de liga e funções típicas nos aços. Elemento Funções típicas C, Ni, Co, Mn, Si, Cu, Cr Formação de uma solução sólida (em que o solvente é o ferro) de onde resulta um aumento resistência mecânica (C,Ni, Mn, Si, Cu) ou da resistência à corrosão (Cr) C, V, Mo, Nb, W Formação de carbonetos (compostos estequeométricos formados por carbono e um elemento metálico) que contribuem para aumentar a dureza do aço e a sua resistência ao amaciamento quando exposto a temperaturas mais elevadas. Pb, S, P Formação de uma segunda fase que promove a maquinabilidade do aço

15 MATERIAISDECONSTRUÇÃO GUIA DE UTILIZAÇÃO 061 deverá ser superior a 12% de forma a passivar o aço, impedindo a sua corrosão quando exposto à atmosfera. Um conjunto relativamente vasto de outros elementos podem aparecer na composição de uma aço, quer em consequência do próprio processo de fabrico e refinamento do aço (como é o caso do fósforo (P) ou do Mn), quer sendo adicionados propositadamente em pequenas quantidades visando obter determinados benefícios (como por exemplo o Si). Por outro lado, dependendo dos teores de cada elemento estes também podem desempenhar funções diferentes no aço, o que de facto conduz a um espectro de propriedades extraordinariamente diversificado. De um modo resumido, a Tabela 1 apresenta um conjunto de elementos e repectivas funções genéricas, que podem fazer parte de um aço de contrução. 5. MICROESTRUTURA Consoante a composição química e a temperatura a que está submetido, o aço pode apresentar diferentes microestruturas, a que correspondem diferentes propriedades mecânicas. Os metalurgistas e engenheiros de materiais sistematizam esta informação em diagramas, que designam por diagramas de fases. A figura 9 mostra o diagrama de fases ferro - carbono. Foi anteriormente referido que a 912 ºC ocorre uma transformação alotrópica em que o ferro passa de uma estrutura CCC para uma estrutura CFC, a austenite. A austenite pode dissolver 2% de carbono, quase 100 vezes mais do que a ferrite. Desse modo, num aço que tenha, por exemplo, um teor de carbono de 0.5% (ver linha vertical na figura 9) e que seja aquecido até 1000ºC, todo o carboneto desaparecerá da microestrutura porque o carbono será dissolvido pela fase rica em ferro (aquecendo a água com açúcar precipitado no fundo este também desaparecerá). Considere-se agora que se procede ao arrefecimento deste aço, lentamente, seguindo o material as transformações previstas no diagrama termodinâmico de equilíbrio de fases, da figura 9. A cerca de 750 ºC entrar-se-á no domínio bifásico austenito-ferrítico, o que corresponderá ao aparecimento da ferrite (dado que a austenite já existia anteriormente). A 727 ºC a austenite ainda existente desaparecerá, transformando-se em ferrite e cementite (Fe 3 C). Esta transformação no arrefecimento da austenite Figura 9. Diagrama de equilíbrio de fases Fe-C. Figura 10. Microestrutura de um aço Fe-0.5%C arrefecido lentamente desde o domínio austenítico ( x).

16 062 3_AÇOS em ferrite e cementinte, designa-se por transformação eutectóide, e origina uma microestrutura bastante característica que se apresenta na figura 10. Esta microestrutura é formada por lamelas de ferrite e cementite, sendo normalmente designada por perlite. Nos aços com teores de carbono até 0.8% (como é o caso da mioria dos aços de construção) arrefecidos lentamente, a proporção de perlite aumenta linearmente com o aumento do teor de carbono, o que corresponde a uma tendência para o aumento da tensão de cedência do aço. 6. OPTIMIZAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS A utilização do aço como material estrutural assenta, como foi antes referido, sobretudo na sua resistência e ductilidade. Estas propriedades dependem essencialmente da composição química (anteriormente mencionada) e da história mecânica e térmica do aço. Estes dois últimos aspectos serão abordados de modo sucinto neste ponto. 6.1 Encruamento Uma vez ultrapassada a tensão de cedência de uma liga metálica inicia-se o escorregamento dos átomos uns sobre os outros à custa do movimento e criação de deslocações, o que resulta na deformação permanente do material a que chamamos deformação plástica. Assim, à medida que a deformação plástica continua, a densidade de deslocações aumenta e uma rede cada vez mais complexa de deslocações surge na rede cristalina do material. O aumento da densidade de deslocações vai tornando cada vez mais difícil o movimento das próprias deslocações, uma vez que estas começam a interagir umas com as outras. Daí resulta que a deformação plástica dos aços (e das ligas metálicas em geral) à temperatura ambiente não ocorra a tensão constante, conforme foi mencionado no ponto 3.2, ou seja, o aço sofre encruamento. O encruamento das ligas metálicas, e dos aços em particular, tem uma consequência importante: é que a resistência mecânica pode ser aumentada fazendo uma pré-deformação acima do limiar de cedência (cf. fig. 3.c). Ao fazê-lo a tensão de cedência do material deixa de ser a original, passando a ser a tensão máxima atingida na deformação anterior. Este tratamento mecânico, utilizado frequentemente em aços de construção é por vezes designado por pré-deformação ou pré-esforço e dele resulta um aumento da tensão de cedência do material. Relativamente aos aços pré-deformados é importante ter em consideração dois aspectos. Por um lado, a pré-deformação resulta também numa diminuição da tenacidade do aço, ou seja da capacidade de absorção de energia do material quando submetido a impactos violentos. Por outro lado um aço pré-deformado quando submetido a uma temperatura da ordem de algumas centenas de graus (tipicamente entre 300 e 600 ºC) recristaliza, ou seja, de uma forma simples, a rede de deslocações criada durante a deformação plástica a que o material foi submetido é eliminada. Em consequência a tensão de cedência do material regressa ao seu valor original: o material amacia. Desse modo os aços pré-esforçados são de difícil soldabilidade, uma vez que na vizinhança da soldadura, ocorre amaciamento e uma diminuição das propriedades mecânicas do material. 6.2 Tratamentos térmicos Os tratamentos térmicos dos aços podem ser definidos como um conjunto de operações envolvendo o aquecimento e arrefecimento do material, em estado sólido, visando obter uma determinada microestrutura que resulta na alteração de determinado conjunto de propriedades (mecânicas ou outras) do material. Os aços-carbono estruturais em geral são utilizados no estado recozido ou normalizado, ou seja a sua microestrutura corresponde, grosso modo, à microestrutura de equilíbrio, descrita no ponto 5. No entanto, para obter determinado conjunto de propriedades poderá ser necessário submeter o aço a um tratamento térmico de têmpera e revenido. No caso dos aços de construção, isto é válido sobretudo para os aços ligados descritos no ponto 8.3. Como tal, torna-se pertinente descrever de modo sucinto estes tratamentos térmicos. Se a partir da temperatura em que o aço é formado apenas por austenite, que depende da sua composição química mas tipicamente ronda os 1000ºC (ver diagrama da figura 8), o aço for arrefecido

17 MATERIAISDECONSTRUÇÃO GUIA DE UTILIZAÇÃO 063 Assim, se após a austenitização, a taxa de arrefecimento for superior a uma determinada taxa crítica (dependente da composição do material) forma-se martensite Essa taxa crítica (a rapidez do arrefecimento a que o aço tem de ser submetido para impedir a difusão do carbono e dos outros elementos de liga resultando na solução sólida sobressaturada que designamos por martensite) depende da composição química do aço. Os engenheiros metalúrgicos colectam essa informação em diagramas semelhantes ao da figura 11, que designam por diagramas TTT (tempo, temperatura e transformação). Estes diagramas são, de um modo simples, constituidos por duas curvas em C e por duas linhas horizontais. As curvas em C representam o início e o fim das transformações difusivas (que originam as fases de equilíbrio: ferrite e carbonetos) enquanto que as linhas horizontais definem as temperaturas de início e fim da transformação martensítica (designadas por temperaturas Ms e Mf, respectivamente). Se pretendermos temperar o aço a velocidade de arrefecimento tem de ser tal que as curvas em C não sejam interceptadas pela curva de arrefecimento (ver figura 11). Desse modo quanto mais para a direita estiverem as curvas em C do aço mais fácil é a sua têmpera, e por isso diz-que que o aço tem maior temperabilidade. Figura 11. Diagrama TTT de um aço Fe-0.8%C rapidamente até à temperatura ambiente, o carbono não terá tempo de precipitar e ficará aprisionado na rede cristalina do ferro, distorcendo-a. Esta fase, com a estrutura cristalina distorcida é a martensite. O tratamento térmico que consiste em elevar a temperatura do aço até à temperatura de austenitização, seguindo-se o arrefecimento rápido até a temperatura ambiente (por exemplo mergulhando a peça em água, óleo ou num banho de sais) designase por têmpera. É por terem sido submetidas a este tratamento que não conseguimos dobrar sem partir as lâminas de aço das facas da cozinha: são duras para poderem resistir ao desgaste na zona de corte mas também são frágeis: a sua microestrutura é martensítica. O aparecimento da martensite origina um aumento da dureza e da tensão de cedência do aço, mas torna-o frágil. Os elementos de liga podem-se dividir entre alfagénios e gamagénios, consoante expandem o domínio ferrítico ou o domínio austenítico, respectivamente. Todos os elementos carburígenos são alfagénios, à excepção do Mn, enquanto que o carbono e todos os elementos formadores da matriz são gamagénios. É o balanço entre elementos alfagénios e gamagénios e o teor de elementos de liga que controlam as temperaturas Ms e Mf, a temperabilidade e a quantidade e tipo de carbonetos (que surgem quer durante a solidificação e arrefecimento, quer em tratamentos térmicos como o recozimento ou revenido). De um modo geral, todos os elementos de liga à excepção do Co, aumentam a temperabilidade do aço, desviando para a direita as curvas em C. O poder de cada elemento na promoção da temperabilidade varia. A seriação que se segue apresenta por ordem decrescente o efeito dos elementos de liga na temperabilidade do aço: C > V > Mo > Cr > Mn > Si > Cu > Ni. Por outro lado a quantidade de martensite obtida após têmpera depende também da temperatura Ms característica do aço, sendo que todos os elementos de liga baixam a temperatura Ms.

18 064 3_AÇOS 7. CONSTRUÇÃO SOLDADA A construção soldada é um dos principais métodos à disposição de engenheiros civis para unir componentes de aço originando estruturas de apoio e/ou suporte. O princípio da soldadura é relativamente simples: os componentes são unidos e, na zona de união, são fundidos. A solidificação posterior origina a eliminação da descontinuidade das duas superfícies, daí resultando a união efectiva dos componentes. Figura 12. a) Martensite de baixo teor de carbono martensite em ripas; b) Martensite de alto teor de carbono martensite acicular ( x). A dureza da martensite é tanto maior quanto maior é o teor em carbono. A morfologia da martensite também é dependente do teor de carbono, designando-se por martensite em ripas a martensite de baixo teor em carbono (tipicamente C > 0.5%) e martensite acicular a martensite de médio/alto teor em carbono (ver fig. 12). O revenido do aço é um tratamento térmico, que consiste num aquecimento a temperaturas entre 300 e 550ºC (dependendo da composição do aço), efectuado posteriormente ao tratamento de têmpera. Este tratamento permite eliminar a austenite residual, que surge no caso de Mf ser inferior à temperatura ambiente, e optimizar o compromisso entre a dureza e a tenacidade do material. Durante o revenido, os elementos de liga particionam-se novamente conduzindo à precipitação de carbonetos de liga extremamente finos na martensite, o que normalmente conduz a uma diminuição da dureza do material e a um aumento da sua tenacidade, já que a martensite é uma fase relativamente frágil. No caso dos aços com teores de Cr superiores a 8% verifica-se que a dureza do material não baixa significativamente quando revenido a temperaturas até 500ºC. Esta resistência ao revenido é causada pela precipitação do carboneto Cr 7 C 3. As adições de V e Mo permitem aumentar a resistência ao revenido do aço. Este tipo de aços resistentes ao revenido são particularmente úteis am aplicações onde exista uma probabilidade elevada de se atingirem temperaturas relativamente elevadas em serviço. Os métodos mais comuns de soldadura de aços para estruturas de construção civil são a soldadura por arco eléctrico ou pela imposição de um potencial eléctrico entre dois polos (pinças) colocados entre os componentes a unir (soldadura por resistência). Em ambos os processos dissipação da energia eléctrica, resulta no aumento da sua temperatura, ocorrendo uma fusão localizada na zona da passagem da corrente. Os processos de soldadura, em particular os processos de soldadura por arco eléctrico, podem ocorrer com adição de uma terceira liga metálica. A adição deste terceiro material tem, normalmente, por objectivo alterar localmente as propriedades do cordão de soldadura, aumentando a soldabilidade do par. Durante a soldadura a fusão é localizada estabelecendo-se sempre um gradiente térmico entre a zona fundida (banho fundido), cuja temperatura é superior à temperatura de fusão, e as zonas do componente mais afastadas do banho, que estarão a temperaturas inferiores. Por outro lado, em geral, o volume do banho de fusão é pequeno comparado com o volume dos componentes a soldar, e que estes, sendo metais, possuem uma condutividade térmica elevada, a massa dos componentes funciona como escoadouro de calor. Dos dois factos anteriores resulta que as taxas de arrefecimento em soldadura de aços são bastante elevadas (tipicamente entre 10 2 e 10 5 ºC/s). Temperaturas superiores à temperatura de fusão, gradientes térmicos e taxas de arrefecimento elevadas resultam inevitavelmente na alteração das características microestruturais do aço (e consequentemente das suas propriedades) na vizinhança do cordão de soldadura. Estas alterações são condicionadas essencialmente pela composição do aço, pela sua história térmica e mecânica e pelo processo e

19 MATERIAISDECONSTRUÇÃO GUIA DE UTILIZAÇÃO 065 A observação em corte transversal de uma junta soldada de aço (figura 13) permite identificar de uma forma geral três zonas distintas: o material base (MB), a zona termicamente afectada, onde apenas ocorreram reacções no estado sólido (ZTA), ou seja onde a temperatura variou entre a temperatura ambiente e a temperatura de fusão do aço, e a zona fundida onde foi excedida a temperatura de fusão do aço (ZF). Na ZTA, mesmo que no processo de soldadura seja utilizado um metal de adição, a composição do material não é alterada. No entanto podem ocorrer diversas alterações microestruturais. Em particular três delas deverão ser levadas em consideração na selecção do aço para soldadura: a precipitação de compostos intermetálicos (normalmente carbonetos) e consequente redução nesta zona do teor de elementos de liga em solução sólida na matriz. No caso dos aços inoxidáveis austeníticos este problema pode ser minimizado reduzindo o teor de carbono, por exemplo recorrendo aos designados aços ELC (extra low carbon); Figura 13. Representação esqemática de um cordão de soldadura em corte transversal, mostrando a zona fundida (ZF), a zona termicamente afectada (ZTA) e o material base (MB) parâmetros de soldadura utilizados (que condicionam as condições térmicas de soldadura: temperaturas máximas, gradientes e taxas de arrefecimento). Por outro lado, os ciclos de aquecimento e arrefecimento durante a soldadura resultam em contracções e dilatações do componente, originadas pela variação térmica e pelas transformações de fase que o aço pode sofrer entre a temperatura ambiente e a temperatura de fusão (ver ponto 3), daí podendo decorrer empenos da estrutura, fragilização ou fissuração da junta. Importa dizer, no entanto, que, se for feita criteriosamente, a soldadura é um método de união simples, pouco oneroso e tão ou mais fiável que qualquer outro processo, em particular quando comparado com a construção rebitada. Tentar-se-á referir em seguida os principais parâmetros a considerar na soldadura de aços de construção. coalescência de grão/ recristalização. O aumento do tamanho de grão implica sempre uma redução da tenacidade do material, que poderá resultar em fractura frágil sob variações súbitas das condições de carga (impactos) ou térmicas (ver ponto 3). A adição de pequenas quantidades de titânio, nióbio ou vanádio permitem estabilizar o tamanho de grão melhorando a soldabilidade do material. Essa é uma das vantagens da utilização de aços microligados com estes elementos para contrução de estruturas de apoio ou de suporte soldadas; o aquecimento acima da temperatura de austenitização seguindo-se uma taxa rápida de arrefecimento poderá, como já referimos antes, resultar na formação de martensite. Sendo a martensite uma fase dura mas frágil, a sua formação na ZTA conduzirá inevitavelmente à fragilização do componente junto à soldadura e poderá conduzir à fissuração da junta nesta zona (normalmente designada por fissuração a frio). A formação de martensite poderá ser minimizada seleccionando um aço com um teor de carbono inferior a cerca de 0.25% (ver adiante a definição de carbono equivalente), ou então submetendo o componente a soldar a um pré- ou pós-aquecimento, de modo a reduzir as taxas de arrefecimento durante a soldadura, evitando-se assim a formação de martensite.

20 066 3_AÇOS Sobre a ZF importa ainda referir um aspecto importante: dado que a solidificação se inicia sobre o material sólido da ZTA (mais frio) terminando próximo do plano central da junta onde as duas frentes de solidificação se encontram, é nesta região que se tendem a concentrar elementos com temperaturas de fusão mais baixas que eventualmente façam parte da composição do aço, em particular o enxofre e o fósforo. Desse modo, a presença destes elementos reduz consideravelmente a soldabilidade dos aços, uma vez que podem originar a formação de filmes frágeis de sulfuretos ou fosforetos que podem conduzir à fissuração da junta soldada (normalmente designada por fissuração a quente). Figura 14. Diagrama de Schaefler. A microestrutura da ZF depende do material e das condições de processamento. É normalmente uma microestrutura formada por grãos finos e alongados, designada por estrutura colunar-dendrítica ou colunar-celular. As fases presentes nesta zona não são necessariamente as mesmas que o material apresentava antes do processo de soldadura, uma vez que as condições de solidificação são relativamente drásticas. A previsão das fases presentes na junta soldada, que naturalmente têm implicações sobre as propriedades da junta, pode ser feita recorrendo ao diagrama de Scheffler (figura 14). Neste diagrama a composição do aço é transformada em equivalentes de níquel e em equivalentes de crómio (ver figura 14), que permitem definir um ponto no diagrama ao qual corresponde um determinado tipo de estrutura. Normalmente evita-se a formação de estruturas martensíticas ou ferríticas, que podem conduzir à fragilização da junta. A maior ou menor facilidade com que se consegue soldar um determinado aço designa-se em geral por soldabilidade. A soldabilidade é um conceito difuso, de difícil quantificação, que envolve os diferentes aspectos anteriormente mencionados (bem como outros que não foram aqui referidos, como a alteração da resistência à corrosão, fragilização pelo hidrogénio, etc), no entanto de uma forma geral pode-se dizer que a soldabilidade de um aço diminui à medida que o teor de carbono do aço aumenta. Uma forma simples e frequente de estimar a soldabilidade de uma aço e, em particular, a influência dos elementos de liga nesta propriedade, é recorrendo ao conceito de carbono equivalente (CE), definido como: CE = %C + (1/6)(%Mn) + (1/5)(%Cr + %Mo + %V) + (1/15)(%Cu + %Ni) Para um aço ser soldável, ou pelo menos soldável em obra sem o recurso a métodos ou precauções especiais, o valor de CE não deverá exceder 0.25%. Se for superior a este valor as condições de arrefecimento deverão ser controladas, bem como o metal de adição e o método de soldadura, que deverão ser criteriosamente seleccionados de modo a evitar riscos de fissuração ou fragilização da estrutura. Finalmente, deverá ser referido que a soldadura poderá também ter influência na resistência à fadiga do componente, devido à eventual formação de microfissuras, porosidades ou microinclusões de escória no cordão de soldadura. Como tal é indispensável que elementos estruturais soldados sejam submetidos a um rigoroso controlo de qualidade das juntas. Para além da inspecção macroscópica, eventualmente com recurso a ensaios de líquidos penetrantes, o facto dos defeitos de soldadura poderem ser subsuperficiais obriga ao recurso a ensaios de ultrassons e de radiografia às juntas soldadas.