Introdução à Metalurgia: conceitos e processos

GAMA – Escola Técnica e Profissionalizante
INTRODUÇÃ À METALURGIA
Jadir Cruz Revisão: 3 - Março de 2014
INTRODUÇÃO
À
METALURGIA
Jadir Cruz
Março 2014 - Revisão 3

CONCEITOS IMPORTANTES
METALURGIA:
É o estudo das técnicas de extração e transformação dos
metais.
SIDERURGIA :
É o ramo da metalurgia que se trata apenas do metal ferro.
É a metalurgia do ferro e do aço.
METAIS:
Compostos químicos sólidos, inorgânicos, que ocorrem
naturalmente na crosta terrestre. Tem composição química
definida (não fixa) e arranjo atômico altamente ordenado

MINERAIS:
Compostos químicos sólidos, inorgânicos, que ocorrem
naturalmente na crosta terrestre. Tem composição química
definida (não fixa) e arranjo atômico altamente ordenado
MINÉRIOS:
São minerais dos quais se pode extrair metais por processos
economicamente vantajosos.

ESTÉRIL:
É o corpo da rocha onde se encontra o mineral, porém não
pode ser aproveitado como minério. A existência de grandes
quantidades de estéril pode aumentar muito o custo da mina
ou até inviabilizá-la economicamente.
GANGA:
É o conjunto das impurezas contidas no minério e é
responsável pela perda da qualidade química do minério,
além de afetar as suas propriedades mecânicas.

DIVISÃO DA METALURGIA
Metalografia: é o estudo da estrutura dos metais
O estudo metalográfico permite determinar as diversas
características do material, inclusive as causas de fraturas,
desgastes prematuros e outros tipos de falhas.
1 - METALURGIA FÍSICA:
METALOGRAFIA
TRATAMENTOS TÉRMICOS

Tratamentos Térmicos:
São processos de aquecimento e resfriamento de
metais, com o objetivo de alterar a sua estrutura e
consequentemente as suas propriedades físicas e
químicas.
Os tratamentos térmicos podem ser usados como
procedimentos intermediários para melhorar as
propriedades do metal a ser trabalhado ou como
operação final para que o metal adquira
propriedades finais necessárias para a sua
utilização.

2 - METALURGIA DE
TRANSFORMAÇÃO
FUNDIÇÃO
SOLDAGEM
CONFORMAÇÃO MECÂNICA
FUNDIÇÃO: Processo utilizado para dar forma aos
materiais por meio da sua fusão, vazamento em moldes
adequados e posterior solidificação.

SOLDAGEM: Processo que visa a união localizada de
materiais, similares ou não, de forma permanente,
baseada no uso de aquecimento e fusão parcial das
partes a serem unidas.

CONFORMAÇÃO MECÂNICA:
São processos que alteram a forma do material através da
aplicação de forças por equipamento ou ferramentas
adequadas (prensas, matrizes, fieiras, cilindros, etc)
Em função da temperatura e do material utilizado a
conformação mecânica pode ser classificada como trabalho
a frio ou a quente.
Principais processos de
Conformação Mecânica:
FORJAMENTO
LAMINAÇÃO
EXTRUSÃO
TREFILAÇÃO

FORJAMENTO: Conformação por esforços de compressão,
fazendo com que o material assuma o contorno da matriz
que é a ferramenta usada na conformação.
FORJAMENTO EM MATRIZ ABERTA

FORJAMENTO EM MATRIZ FECHADA

LAMINAÇÃO: Conjunto de processos em que se faz o
material passar através da abertura entre cilindros que
giram, reduzindo a seção transversal.
Os produtos podem ser placas, chapas, barras de diferentes
seções, trilhos, tubos, perfis diversos.
Laminador duo não reversível
Laminador duo reversível

Laminador Universal
LAMINAÇÃO:
Laminador trio

EXTRUSÃO: Processo em que a peça é “empurrada” e
forçada a passar com alta pressão, contra uma matriz, com
redução da sua seção transversal.
Parâmetros de controle da extrusão: Velocidade, Pressão e
Temperatura. Estes parâmetros influenciam nas propriedades
dos produtos obtidos.
TREFILAÇÃO: Processo em que a peça é puxada (força de
tração) através de uma matriz chamada fieira ou trefila,
provocando a redução da seção transversal e o respectivo
aumento no comprimento do material.
Produtos: barras, fios, vergalhões e arames.

Processos de trefilação a frio – para
pequenas deformações.
Processos de trefilação a quente – para
grandes deformações.
Perfil: Normalmente circular (não é pré
requisito).
Fieira ou trefila – É uma uma carcaça de
aço e um núcleo de material duro,
geralmente feito de Carbeto de Tungstênio
(WC) – Tem elevada resistência ao
desgaste por abrasão e corrosão
F0 - Extrusão
F1 - Trefilação

Trefilação típica de
barras
Trefilação típica de
arame

3 - METALURGIA DO PÓ
É o ramo da metalurgia que trata da obtenção dos
pós metálicos e na sua transformação em peças de
alta precisão, através da aplicação de pressão sobre
eles.
A aplicação de calor durante ou após a compactação
é utilizada para aumentar a ligação entre as
partículas.
Este processo de aquecimento abaixo do ponto de
fusão é conhecido por sinterização.

Os pós metálicos ou não metálicos são comprimidos
no interior de um molde com o formato desejado,
formando um “compactado verde”, que será
posteriormente sinterizado para adquirir resistência
mecânica.
SINTERIZAÇÃO: O processo de sinterização na
metalurgia do pó consiste em aquecer o material a
temperaturas abaixo do ponto de fusão fazendo com
que as partículas se unam pelas zonas de contato.

EXEMPLOS DE MATERIAIS PRODUZIDOS ATRAVÉS DA METALURGIA DO PÓ
EXEMPLOS DE MATERIAIS PRODUZIDOS
ATRAVÉS DA METALURGIA DO PÓ
COMPONENTES AUTOMOTIVOS

EXEMPLOS DE MATERIAIS PRODUZIDOS
ATRAVÉS DA METALURGIA DO PÓ
MATERIAIS POROSOS -
FILTROS
CONTATOS ELÉTRICOS
METAL DURO –
FERRAMENTAS DE
CORTE

CARACTERÍSTICAS DOS PRODUTOS
SINTERIZADOS:
Têm elevada porosidade, o que pode ser controlado
através da pressão de compactação, tempo e
temperatura de sinterização e do tamanho e forma das
partículas do pó.

4 - METALURGIA DOS METAIS NÃO FERROSOS
Denomina-se metalurgia dos metais não ferrosos, o
estudo da extração, fabricação e transformação dos
metais em que não haja ferro ou em que o ferro
esteja presente, mas em pequenas quantidades
(apenas como elemento de liga).
Os metais não ferrosos, quando comparados com os
aços carbono, são normalmente mais caros,
apresentam maior resistência à corrosão e melhor
resistência mecânica em temperaturas baixas, porém
a resistência mecânica é menor em temperaturas
elevadas.

Os processos de obtenção dos não ferrosos, exigem os
conhecimentos em pirometalurgia, hidrometalurgia e
eletrometalurgia
Pirometalurgia: É o ramo da metalurgia baseado na
obtenção e refinação dos metais utilizando o calor.
Quase todos os metais são obtidos do mineral ou de
seu concentrado por processos pirometarlúgicos.
É um dos mais antigos e importantes dos métodos
extrativos de metais utilizados pelo homem.

Hidrometalurgia: O termo Hidrometalurgia designa
processos de extração de metais nos quais a
principal etapa de separação metal-ganga envolve
reações de dissolução do mineral que contém o
metal de interesse em meio aquoso.

Fluxograma genérico de processo hidrometalúrgico

Eletrometalurgia: É a parte da metalurgia que engloba
os processos de obtenção de metais através da
eletrolise.
Eletrólise: e um processo que separa os elementos
químicos de um composto através do uso da
corrente elétrica.

Principais metais não ferrosos utilizados nos processos
industriais
• Cobre e suas ligas
• Alumínio e sua ligas;
• Níquel e suas ligas;
• Zinco e suas ligas;
• Estanho e suas ligas;
• Chumbo e suas ligas;
• Titânio e suas ligas;
• Platina e suas ligas;
• Magnésio e suas ligas.

5 – SIDERURGIA
É o ramo da metalurgia que estuda apenas o metal ferro.
É a metalurgia do ferro e do aço.
AÇO
É um material metálico constituído essencialmente de
ferro e com carbono até aproximadamente 2%
(comercialmente até 1%), contendo, ainda, outros
elementos.
NOTA: Teor de carbono no aço 0,008 a 2,11%

FERRO FUNDIDO
É um material metálico constituído essencialmente de
ferro, carbono e silício, com teores de carbono acima
de 2%.
FERRO-GUSA
É o produto dos processos de redução (alto-forno e
corex) e é constituído de ferro, carbono (~4%), silício,
manganês, fósforo e enxofre. Ele é um ferro fundido!

CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Metais
Cerâmicos
Polímeros
METAIS:
São compostos químicos sólidos, que ocorrem
naturalmente na crosta terrestre, tem composição
química definida e arranjo atômico ordenado.
Os metais se caracterizam por sua boa condutividade
térmica e elétrica e normalmente têm outras
características como:

Ductilidade: Capacidade de ser transformada em fios.
Maleabilidade: Capacidade de ser transformada em lâminas.
Elasticidade: Propriedade que um metal tem de se deformar,
quando um esforço é aplicado sobre ele, e de voltar a forma
anterior, quando o esforço deixar de ser aplicado.
Plasticidade: Propriedade que um metal tem de manter uma
determinada deformação, se um esforço for aplicado sobre
ele, e permanecer deformado quando o esforço parar de
existir.
Tenacidade: Capacidade de resistir à tração. Diz respeito à
forma ou facilidade com que um corpo se quebra ou se dobra.

São materiais inorgânicos, não-metálicos, que são
submetidos a altas temperaturas durante processo de
manufatura ou uso.
MATERIAIS CERÂMICOS:
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS CERÂMICOS
• Vidros
• Produtos à base de argila
• Refratários;
• Cimentos

São compostos químicos produzidos através da combinação
química de um grande número de moléculas menores que se
repetem.
Estas unidades pequenas que se repetem são chamadas
monômeros.
Fazem parte do grupo dos polímeros: os plásticos, as
borrachas e as fibras sintéticas.
Polietileno = Poli + etileno (C2H4)
Poliuretano = Poli + etano (C2H6)
POLÍMEROS:

CLASSIFICAÇÃO DOS METAIS
• Ligas Ferrosas
• Ligas Não Ferrosas
Ligas Ferrosas: São aquelas onde o ferro é o constituinte
principal. São extremamente versáteis, porque podem ser
adaptadas para atender uma ampla variedade de
propriedades físicas e mecânicas. A desvantagem dessas
ligas é que elas são suscetíveis à corrosão.
Exemplos de ligas ferrosas: os aços e os ferros fundidos.

Ligas Não Ferrosas: São ligas que não possuem o ferro
como constituinte principal.
Exemplos:
Ligas de cobre: Latão: Cobre + Zinco
Bronze: Cobre + Estanho (mais outros
elementos como silício, alumínio e
níquel).
Ligas de alumínio,
Liga de magnésio e outras.

Aços: São ligas de ferro-carbono, com baixo teor de
carbono (entre 0,008 a 2,11%) e que podem
conter outros elementos de liga.
As propriedades mecânicas variam em função
do teor de carbono, que na prática é inferior a
1% e dependem também dos elementos de
liga.
Os aços distinguem-se dos ferros fundidos
que também são ligas de ferro e carbono,
mas com teor de carbono entre 2,11 e 6,67%
(na prática em torno de 4,5%)

Classificação dos Aços:
São classificados com base em vários critérios, porém
existe uma relação entre estes critérios, visto que o
processamento e a composição química determinam a
microestrutura, a microestrutura determina as propriedades
e as propriedades vão determinar a aplicação.

CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS POR DESIGNAÇÃO
NORMATIVA:
Várias são as instituições normativas (nacionais e
internacionais), que estabelecem critérios para classificação
dos diversos tipos de aço utilizados na indústria.
Dentre as mais importantes podemos citar:
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas (Brasileira);
AISI – American Iron and Steel Institute (Americana) – Instituto
Americano do ferro e aço;
SAE – Society of Automotive Engineers (Americana) = Sociedade
de engenheiros automotivos);

DIN – Deutsches Institut für Normung (Alemã) = Instituto Alemão
para Normatização).
ASTM - American Society for Testing and Materials (Americana) =
Sociedade Americana de Testes e Materiais.
JIS – Japanese Industrial Standards (Japonesa) = Padrões da
Indústria Japonesa.

CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS CONFORME ABNT; SAE; AISI
São as mais utilizadas em todo o mundo para aços carbono e
os aços de baixa liga.
É baseada na composição química do aço e corresponde a
uma numeração de 4 ou 5 dígitos. Os dois dígitos finais XX
significam a % de carbono do material (multiplicada por 100),
podendo variar de 05 (que corresponde a 0,05% C até 95 que
corresponde a 0,95% C). Se a % de carbono atingir ou
ultrapassar 1%, o final passará a ter 3 dígitos (XXX) e a
classificação passará a ter um total de 5 dígitos.

RESUMO:
SAE 1XXX – aço-Carbono
SAE 10XX – aço-carbono simples
SAE 11XX – aço-carbono com S
SAE 12XX – aço-Carbono com S e P
SAE 13XX – aço-Manganês (com Mn abaixo de 1%)
SAE 14XX – aço-Carbono com Nb (Nióbio)
SAE 15XX – aço-manganês (com Mn acima de 1%)
(Esta classificação considera a presença somente de carbono e das
impurezas normais como Si, Mn, P e S).
SAE 2XXX – aço-Níquel
SAE 23XX e SAE 25XX

SAE 4XXX – aço-Molibdênio
SAE 40XX (Mo) – SAE 41XX (Cr-Mo) – SAE 43XX (Ni-Cr-Mo) –
SAE 46XX (Ni-Mo) - SAE 47XX (Ni-Cr-Mo) e SAE 48XX (Ni-Mo)
SAE 5XXX – aço-Cromo SAE 51XX
SAE 6XXX – aço-Cromo-Vanádio SAE 61XX
SAE 7XXX – aço-Cromo-Tungstênio
SAE 8XXX – aço-Níquel-Cromo-Molibdênio
SAE 81XX – SAE 86XX – SAE 87XX
SAE 3XXX – aço-Níquel-Cromo
SAE 31XX – SAE 32XX – SAE 33XX – SAE 34XX

O 2º algarismo de cada classe muda de acordo com a
variação dos teores dos elementos de liga.
Qualidades equivalentes:
ABNT 1020 = AISI 1020 = SAE 1020 = DIN C20,
SAE 92XX – aço-Silício-Manganês
SAE 93XX, 94XX, 97XX e 98XX – aço-Níquel-Cromo-
Molibdênio

CLASSIFICAÇÃO CONFORME NORMA DIN
a) AÇOS CARBONO:
São indicados com a letra C, seguido do teor de carbono
multiplicado por 100.
Exemplo: Aço C20: Aço carbono com 0,20% C
Aço C45: Aço carbono com 0,45% C
b) AÇOS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA:
São classificados pelo seu limite de resistência à tração
(Kgf/mm²), precedido de St (stahl) que significa aço em
alemão.

Exemplos:
• St 42 significa um aço com limite de resistência a tração
entre 42 e 50 Kgf/mm².
• St 60 significa um aço com limite de resistência a tração
entre 60 e 72 Kgf/mm².
c) AÇOS DE BAIXA LIGA:
Exemplo: 20 Cr Mo 9 15 – Aço ao cromo e
molibdênio
20 = teor de C multiplicado por 100
Cr ; Mo = elementos de liga
9 15 = Teores dos elementos de liga multiplicado
por um fator K.

Outro exemplo: 10 Cr Mo 9 10
carbono = 0,1%; (10/100 => 0,1%)
cromo = 2,25%; (9 / 4 => 2,25%)
molibdênio =1,0% (10/10 = 1,0%)
Veja os elementos de liga, com seus respectivos
fatores de multiplicação:
ELEMENTOS DE LIGA
FATOR
MULTIPLICADOR
Cr, Co, Mn, Ni, Si, W 4
Al, Cu, Mo, Ti, V 10
C, P, S, W 100

d) AÇOS DE MÉDIA E ALTA LIGA:
Aços de média liga: A quantidade de elementos de liga está
entre 5 e 10% (∑ E. L > 5% < 10%)
Aços de alta liga: A quantidade dos elementos de liga é
superior a 10 %. (∑ E. L > 10%).
A designação para estes tipos de aço é formada pela letra
“X”, seguida pela quantidade de carbono multiplicada por
100, seguida dos elementos químicos existentes, seguido de
números que representam o teor desses elementos de liga.
Exemplo: X 10 Cr Ni Ti 18 9 2
X = aço de média ou alta liga;
10 = % de carbonono vezes 100
Cr, Ni, Ti = elementos de liga

CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS DE ACORDO COM A
QUANTIDADE DE CARBONO:
Aços com baixo teor de carbono: C < 0,25% (ductilidade elevada)
Aços com médio teor de carbono: C entre 0,26 e 0,60%
Aços com alto teor de carbono: C > 0,61% (limite de
escoamento baixo = ductilidade baixa)
Ductilidade é a capacidade de um metal ser transformado em
fios. Material dúctil é aquele que suporta grande deformação no
ensaio de tração.
Logo podemos também afirmar que ductilidade é a propriedade
que representa o grau de deformação que um material suporta
até o momento de sua fratura.
O oposto de dúctil é fragil (o material se rompe sem sofrer
grande deformação).

Escoamento: É uma deformação permanente que ocorre
durante o ensaio de tração, no início da fase plástica e sem
que haja aumento da carga.
Estricção (%)

A estricção é a redução da seção transversal do
corpo na região onde ocorrerá a ruptura. Ela ocorre
depois de atingida a carga máxima.
A estricção é usada como medida da ductilidade, ou
seja, quanto maior a estricção, mais dúctil é o
material.

Existe outra classificação dos aços em função do
teor de carbono:
Aço extra doce: Carbono < 0,15%;
Aço meio doce: Carbono de 0,15% até 0,30%;
Aço meio duro: Carbono de 0,30% até 0,60%;
Aço duro: Carbono de 0,60% até 0,70%
Aço extra duro: Carbono de 0,70 até 2,00%.
NOTA: O aumento do teor de carbono do aço, aumenta a sua
dureza e a sua resistência a abrasão, mas diminui a
sua ductilidade.

CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS DE ACORDO COM A
MICROESTRUTURA:
Antes de falar das microestruturas, é importante
descrever as estruturas cristalinas dos metais:
Cúbica de faces centradas - CFC
Cúbica de corpo centrado - CCC
Hexagonal compacta - HC
O ferro metálico cristaliza-se sob duas dessas três
estruturas, que são conhecidas também como
formas alotrópicas do ferro:

Estrutura cúbica de corpo centrado: Ferrita ou ferro
alfa (α), que é estável abaixo de 910ºC;
Estrutura cúbica de face centrada: Austenita ou ferro
gama (γ), que é estável entre 910 e 1400ºC;
Estrutura cúbica de corpo centrado: Ferrita ou ferro
delta (δ), que é estável acima de 1400ºC, até a
fusão (1535ºC)

Acima de 1536ºC, o ferro está líquido e não tem ordenação cristalina
(estrutura amorfa).

Sistema Cúbico de Corpo Centrado
CCC

Sistema Cúbico de Faces Centradas
CFC

Os processamentos que visam alterar a estrutura dos metais
são os tratamentos térmicos como recozimento,
normalização, recristalização, coalescimento, têmpera e
revenimento.
Os tratamentos térmicos são os processamentos utilizados
para alterar a estrutura dos metais, alterando também as
suas propriedades.
São aplicados para toda a classe dos produtos metálicos:
laminados, extrudados, forjados, trefilados, estampados,
fundidos ou sinterizados (metalurgia do pó).

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