AULA 3 Materiais de ConstruçãoII II Aços para Construção Introdução ao estudo do Aço: Definição; Diagrama de Equilíbrio Ferro-Carbono Produção do Aço: Tratamento do minério; Redução do minério; Obtenção do aço; Tratamentos do aço. Definição: Chama-se aço a liga de ferro com outros metais designadamente: manganês, silício, molibdénio, crómio, níquel, etc., sendo essencialmente, uma liga de ferro com 0,2% de carbono. Diagrama de Equilíbrio Ferro-Carbono O processo mais simples de obtenção de ligas é o de fusão. Consiste em misturar os componentes fundidos numa proporção desejada. Pode também ser a mistura de um metal infusível, pulverizado, com outro metal no estado de fusão. A medida que se vai aquecendo um metal, vai aumentando a sua actividade orbital, até que chega a um ponto em que começa a fusão. Enquanto toda a massa não está fundida, a temperatura permanece constante e, depois da fusão total, a temperatura começa a ascensão. O mesmo processo ocorre quando há esfriamento, a temperatura permanece constante até a solidificação, normalmente abaixo da temperatura de fusão.
Fig. 1. Patamares de transformação de estado Os patamares do diagrama de esfriamento e aquecimento correspondem a momentos em que há formação de tipos diferentes de cristais. Se se representar no eixo vertical a temperatura e no horizontal a percentagem de um dos metais componentes da liga, ter-se-á o diagrama de equilíbrio (ou de estado metaestável). Dificilmente se consegue o ferro puro. Apenas pela electrólise se consegue ferro com pureza, e mesmo assim a 99,80%. O ferro sempre tem carbono junto e, conforme este carbono é distribuído, variam as qualidades da liga. Aços com mesmo teor de carbono podem ter propriedades bastante diferentes. Além do carbono, outras substâncias incluem a liga Ferro-Carbono na fabricação e não se conseguindo eliminá-las, dão determinadas e variadas propriedades a liga. O diagrama de equilíbrio das ligas Ferro-Carbono, representa no eixo horizontal, as diversas percentagens de carbono e, no vertical, as temperaturas de fusão. Ele monstra, consequentemente, as transformações que sofrem os cristais nas diversas temperaturas e dosagens.
Fig. 2. Diagrama Ferro-Carbono Entre estes cristais encontram-se os de ferro puro (α, β, γ, δ), grafite, cementite, perlite, austenite, esferoidite, martensite, ledeburite, etc.. A forma alotrópica α é chamada ferrite. Os átomos têm distribuição cúbica magnética, existente no ferro entre 0 a 770oC. Entre 770 e 910oC forma-se o ferro β, também cúbico centrado mas não magnético. Entre 910 e 1390 oc aparece forma cúbica com cristais centrados nas faces forma γ. Entre 1390 e 1538 oc aparece a forma δ idêntica a anterior. Em 1538 oc o metal funde. À medida que se vai adicionando carbono, o quadro se modifica. O carbono na forma pura cristalizada - grafite, não fica livre no interior do metal, combinando-se durante a solidificação formando o carboneto de ferro ou Cementite, Fe3C. Continuando-se a carbonetação, mas sem ir ainda a altas temperaturas, verifica-se que cada grão de ferrite só aceita 0,80% de carbono associado, apresentando propriedades particulares denominando-se perlite.
Ultrapassando o teor de 0,80% de carbono total, a cementite não encontra mais cristais de ferro para se associar. Permanece livre e vai depositar-se no contorno intercristalino, formando o cristal ledeburite. Até 1,7% de carbono forma-se somente ledeburite e quando este limite é ultrapassado, o carbono começa a aparecer puro, na forma de cristais de grafite misturados com ledeburite e perlite. Neste ponto se deixa de ter aço para se ter ferro fundido, sendo este o limite até a qual é possível esmagar o aço, por forjamento. Acima de 1,7%, as propriedades só podem ser alteradas por processos químicos, ou seja, por alteração da constituição. Finalmente, o ponto de 6,67% de carbono demarca a máxima carbonetação das ligas de ferro, porque então os pesos atómicos servem para demonstrar que se tem novo composto, o carboneto de ferro Fe3C, e não mais liga. Isto tudo ocorre enquanto a liga não é levada acima de 727oC. Quando isto acontece, a cementite dissolve-se no ferro circunvizinho, formando um novo tipo de cristal, a austenite. Por exemplo, num aço com 0,65 de carbono a 800oC aparece a austenite ainda líquida. Se deixado esfriar naturalmente a 648 oc, forma-se a perlite. Se e passar rapidamente de 800oC até 315 oc forma-se um novo cristal, a bainite. E se for feita baixar bruscamente até 125 oc, aparece a martensite. Estes novos cristais vão ter dimensões e disposições que dependem daquelas que tinha a austenite. Nota: a austenite uma vez transformada em perlite, bainite ou martensite, não se reconstrói, sendo que, sempre é preciso ir a austenite para se obterem outros cristais. Razão pela qual se chama a temperatura de 727 oc por temperatura crítica. No entanto, os diagramas de equilíbrio facilitam a correcta escolha das ligas para determinado trabalho tecnológico e permitem a caracterização das suas propriedades físicas e mecânicas, com isso, também, é possível alterar fundamentalmente as propriedades iniciais de um metal. Denomina-se em geral por tratamento a quente dos aços. As ligas que cristalizam a uma dada temperatura para um dado sistema, chamam-se Eutécticas e as que se encontram à esquerda e direita dessa, chamam-se Hipoeutécticase Hipereutécticas, respectivamente. Liquidus - é uma curva acima da qual todas as ligas se encontram no estado líquido. Solidus - linha abaixo da qual todas as ligas se encontram no estado sólido. Entre o líquido e sólido a liga consta de duas fases: a fase líquida e os cristais da liga.
Produção do Aço A produção do aço é feita a partir da transformação dos minérios de ferro (existentes em cerca de 5% na natureza) e compreende 4 fases: 1ª) Tratamento do Minério A extracção é geralmente feita ao céu aberto e a concentração inicia-se com uma passagem por britadeira, seguida por classificação por tamanho. O mineral é lavado com jacto de água fria para eliminar argila, solos, etc. Os pedaços pequenos são aglutinados devendo a granulometria estar entre 12 e 25 mm para entrada no alto forno. Nesta fase procura-se enriquecer o teor de ferro no minério (até mais de 60%) e aglomerá-lo, tendo como objectivo a redução de impurezas. Os minérios de ferro apresentam-se sob a forma de carbonatos (siderita CO3Fe com 30 a 42% de ferro), óxidos (magnetita ou imã natural Fe3O4 com 45 a 70% de ferro, hematita ou oca vermelha Fe2O3 com 50 a 60% de ferro, limonita ou hematita parda 2Fe2O3.3H2O com 20 a 60% de ferro) e sulfatos (piritas SFeem que o ferro é subproduto em cerca de 40%). A ganga normal é a sílica. 2ª) Redução do Minério Tratado Tem por fim retirar o oxigénio (O2) do ferro e separar a ganga, o que resulta da combustão do carbono do coque com o oxigénio. Além disso, a combustão do coque com o oxigénio do ar fornece o calor necessário a fundição do metal e da ganga (C+O2 2CO). O processo realiza-se num alto-forno com dois processos de redução que são: a) Redução indirecta: Fe2O3 + CO 2FeO + CO2 b) Redução directa: FeO + CO Fe + CO2 No fundo do alto-forno (cadinho) extraí-se periodicamente o metal puro (ferro) e a escória, dum lado e doutro, respectivamente.
O ferro assim obtido é o ferro gusa, impuro, com alto teor de carbono. Ë deixado solidificar em moldes (leitos de areia) ou conduzido directamente para a aciaria. Por causa de certas impurezas sobrantes (silício, fósforo, níquel, crómio, etc.), depois são refundidos em fornos menores (chamados Cubilot), refinando-se mais. Fig. 3. Esquema simplificado dum alto-forno Conforme o teor de carbono e a velocidade de resfriamento, ao solidificar-se pode ser: As escórias podem ser usadas como material de construção: fabrico de cimento, inertes, pavimentação de estradas, etc..
3ª) Obtenção do Aço A gusa contém habitualmente 3 a 6% de carbono, enquanto o aço só admite até 2,0%, então faz-se a obtenção que consiste na redução dos teores de carbono, fósforo, silício, manganês, etc., por aumento da temperatura da gusa até 1300 a 1600 oc. A eliminação dos elementos referidos faz-se por oxidação recorrendo-se a 4 métodos diferentes, dada a maneira de adição de oxigénio e aumento da temperatura, os quais: 1º Processo de Siemens-Martin (SM) - Usam-se queimadores à gás ou fuel, sendo relativamente caro. O processo permite o uso de sucata que contém oxigénio. É um processo demorado e de elevada capacidade (80 a 100 tonelada por hora); 2º Processo Linz-Donnawitz (LD) - O oxigénio é adicionado sob forma gasosa. É vantajoso porque não há contacto do ferro com o ar mas apenas com o oxigénio. A ligação dos elementos é exotérmica, o que favorece o ferro. Pode usar-se sucata. O tempo de ciclo do processo é de 40 minutos com capacidade de 400 toneladas. 3º Processo por Afinação (TB) Usam-se convertidores de Thomas-Bessemer. O processo é semelhante ao anterior com a diferença no revestimento dos convertidores. Neste caso, o revestimento é feito por elementos ácidos (argila e quartzo) usados em minérios básicos com baixo teor em fósforo, enquanto que, no anterior o revestimento é em básicos (tijolo de dolomite MgO) e usados em minérios ácidos. O oxigénio é fornecido pelo fundo do convertidor. 4º Processo de Fundição no Forno Eléctrico (FE) Usa-se para aços nobres ou com baixo teor de carbono. Os materiais resultantes deste processo podem ser o aço não ligado, aço ligado e aço carbono. 4ª) Enobrecimento do Aço Nesta fase os aços são tratados com o fim de melhorar as suas propriedades mecânicas. Dada a gama apreciada de tratamentos, podemos dividi-los nos seguintes grupos: Tratamentos térmicos são processos térmicos de arrefecimento e aquecimento a que os aços se submetem com o fim de modificar a sua estrutura para melhorar as suas características sem alterar contudo as suas composições químicas.
Tratamentos mecânicos são processos de deformação (a quente ou a frio) do aço com o fim de melhorar as suas propriedades mecânicas. Tratamentos Químicos consistem em modificar a composição química de uma película superficial da peça. Tratamentos superficiais têm por finalidade melhorar as qualidades das superfícies das peças. Trata-se de um depósito na superfície da peça a tratar sem alterar a composição química. Existem também os tratamentos termomecânicos e termoquímicos, que são combinações feitas em determinada fase de produção. a) Tratamentos Térmicos O aço pode existir numa larga variedade de condições, desde o bem macio ao bem duro, e pode ser mudado de uma maneira para outra através do tratamento térmico. As propriedades do aço não são determinadas apenas pela proporção entre os constituintes (essencialmente Ferro e Carbono), mas, pela forma como se combinaram. É o tratamento a quente que pode alterar essa distribuição. Os principais tratamentos térmicos são: Normalização Serve para eliminar as tensões internas que aparecem naturalmente na laminação ou outras formas de moldagem. Resulta um aço mais macio, menos quebradiço. Leva-se o aço à temperatura acima da crítica, espera-se a transformação total em austenita e deixa-se esfriar lentamente ao ar livre. Recozimento consiste no reaquecimento do metal até uma determinada temperatura, na permanência desta temperatura durante algum tempo e no subsequente resfriamento lento. Resulta a eliminação das tensões que se originam na fundição e a elevação dos índices tecnológicos do metal. As temperaturas adoptadas ficam próximas à crítica. Têmpera consiste no aquecimento do metal até a temperatura de formação da austenita, na permanência nessa temperatura durante algum tempo e no subsequente resfriamento brusco (usa-se azeite ou água, etc.). O esfriamento pode dar origem a diferentes tipos de cristais e dependa da velocidade com que se procede. Resulta no aumento da dureza, o limite de elasticidade, a resistência à tracção e, diminui o alongamento e a tenacidade.
Revenimento é semelhante ao recozimento, porém é feito à temperaturas abaixo da linha crítica e tem a finalidade de corrigir defeitos aparecidos durante uma têmpera. Esses defeitos podem ser: excesso de dureza ou tensões internas. Beneficiamento consiste em proceder em simultâneo a têmpera e o revenimento com o fim de atingir alta tenacidade. b) Tratamentos Mecânicos O metal é sólido com cristais de tamanho uniforme. Quando submetido a esforços que tendem a deformá-lo a frio, os grãos tendem a orientar-se no sentido da deformação (é o encruamento) O encruamento altera as propriedades mecânicas: aumenta a resistência a tracção e a dureza, diminui a ductilidade e o alongamento. Os tratamentos mecânicos comuns são: Laminagem é a deformação longitudinal permanente devido a compressão transversal. Existe laminagem a quente e a frio. Estiragem é a deformação longitudinal permanente devido a tracção nas extremidades das barras ou fios. É inconveniente por provocar ramificações nas secções por falta de homogeneidade. Trefilagem é a estiragem através de fieiras, reduzindo o inconveniente anterior. Recorrese antes a palentagem que garante a uniformidade e lubrificação com solução de Bórax. Torção é o tratamento que resulta na melhoria da aderência (ao betão) quando a face é nervurada em secção circular. c) Tratamentos Químicos Têm por finalidade enriquecer a camada superficial do aço com uma capa protectora onde apareçam outros elementos. Conforme a substância empregada, ter-se-á a resistência ao desgaste, à abrasão, à corrosão ou outras. São eles: Cementação (com carbono); Nitretação (com o nitrogénio); Cianetação (com carbono e nitrogénio); Aluminização (com alumínio); Cromagem (com cromo); etc..
2. Classificação dos Aços Os aços podem ser classificados segundo: A sua composição química a) Aços sem liga nestes podem surgir outros elementos que não são, no entanto, considerados elementos de liga. O seu teor depende do processo do fabrico e da sua matériaprima. Tais elementos não podem atingir os seguintes valores: Si 0,5%, Mn 1,5%, Al 0,1%, Tt 0,05% e Cu 0,35%. b) Aços com liga são aqueles em que os elementos anteriormente considerados surgem com teores superiores aos indicados ou surgem outros elementos de liga tais como: Cr, Ni, Mo e W, intencionalmente adicionados. c) Aços de pouca liga o teor dos elementos de liga é inferior a 5% e nos de muita liga o contrário. Teor de carbono a) Aços Eutectóides têm o teor de carbono correspondente a 0,8%, representado no diagrama de equilíbrio. b) Aços Hipoeutectóides e Hipereutectóides com teores de carbono inferior e superior a 0,8%, respectivamente. Grau de desoxidação a) Aços Calmados (R) são aqueles que já sofreram completa desoxidação. b) Aços Efervescentes (U) - são aqueles em que a desoxidação foi incompleta havendo desprendimento durante a sua solidificação com formação de vazios e segregação do núcleo. Modo de produção a) Aços TB (Thomas-Bessemer) b) Aços LD (Linz-Donnawitz) c) Aços SM (Siemens-Martin) d) Aços FE (Forno Eléctrico) e) Aços TL (Cadinho - são aços especiais)
Aplicação Os aços podem ser usados na construção para ferramentas, perfis metálicos, armaduras para betão armado e pré-esforçado, em casos especiais, etc.. 3. Nomenclatura Sistemática dos Aços (1) Aços sem liga - Nas Normas Portuguesa (NP), a nomenclatura baseia-se no valor da tensão de cedência; - Nas Normas Alemãs (DIN), a nomenclatura baseia-se no valor da tensão de rotura mínima. (2) Aços com liga A designação técnica compreende: - O valor característico de carbono; - Os elementos de liga; - Os valores característicos dos elementos de liga. Ex.1: Faça a designação de um aço com a seguinte composição: C=0,34% e Cr=1,2%. Então (0,34 x 100). Cr (1,2 x 4) 34.Cr.4,8 Ex.2: Faça a designação de um aço com a seguinte composição: C=0,18%, Cr=2,0% e Ni=2,0%. Então (0,18 x 100).Cr.Ni. (2,0 x 4). (2,0 x 4) 18.Cr.Ni.8.8 ou mesmo 18.Cr.Ni.8 Nos aços de alta liga, evitam-se em geral os multiplicadores dos elementos acompanhantes. Ex.3: Faça a designação do seguinte aço de alta liga: C=0,12%, cr=18% e Ni=8%. Então X (0,12 x 100).Cr.Ni.18.8 X12.Cr.Ni.18.8 Muitas vezes há interesse em designar a forma de fabrico, neste caso a primeira letra indica: M aço produzido em Siemens-Martin
T - aço produzido em Thomas-bessemer Y aço produzido em Linz-Donnawitz E - aço produzido em Forno Eléctrico É habitual colocar-se uma segunda letra que nos dá indicação sobre comportamento: A resistente ao endurecimento S soldável por fusão Após a composição podem-se acrescentar letras, com o seguinte significado relativo ao tratamento térmico: N Normalizado; G Recozido; A Revenido; H temperado; V Beneficiado; U Não tratado; K Encruado (conformado à frio). Ex. 4: E.42.Cr.Mo.4.V É um aço de liga produzido em forno eléctrico, com 0,42% de carbono, 1,0% de Crómio e 0,4% de Molibdénio, beneficiado. Ex. 5: X12.Cr.Ni.17.7.U É um aço de alta liga com 0,12% de carbono, 17,0% de Crómio e 7,0% de Niquel, não tratado.