1) O documento descreve três formas de ferro - ferro pludado, ferro fundido e aço - e como o carbono é o principal fator que diferencia entre elas. 2) Explica como os fornos primitivos produziam ferro pludado devido à baixa temperatura, enquanto maiores temperaturas produziam ferro fundido. 3) Detalha como o alto-forno moderno usa carvão, calcário e minério de ferro para produzir ferro fundido através de reações químicas entre os gases e a carga sólida que desce pelo for

1. Ferro e aço medievais: Simplificado
Três formas do Ferro:
Ferro Pludado (wrought iron): também conhecido como ferro batido ou forjado. Ferro com muito pouco
carbono (<0,025%). Este ferro recebe este nome por poder ser facilmente trabalhado (batido) quando está rubro
(~700oC). Ex.: Ferradura. Contudo, é muito macio e não consegue segurar o fio de uma navalha, por exemplo.
A outra forma do ferro é o ferro fundido (cast iron). Recebe este nome porque este material funde dentro
do forno e pode ser vazado em moldes, como ouro e prata. Entretanto, é muito frágil e não pode ser trabalhado a
quente uma vez solidificado (trinca).
O aço é o ferro com pequena quantidade de carbono dissolvido e combina o melhor dos dois mundos. Este
pode ser vazado em moldes, pode ser trabalhado a quente e segura o fio, mesmo para severas condições de
trabalho. O aço é considerado o príncipe das ligas ferrosas, mas não é muito fácil de ser produzido.
O carbono é a grande variável que diferencia entre ferro pludado, ferro fundido e aço. Muito pouco deste
elemento forma o ferro pludado, muito forma o ferro fundido e somente na exata quantidade (0,025-1%) forma o
aço. Então porque todo mundo não fazia o aço? Porque não é possível controlar a quantidade de carbono num
forno primitivo.
O que acontece então no forno. O ferro está presente na forma de óxido, por exemplo. A função do forno é
quebrar as ligações químicas que existem entre o ferro e o oxigênio, permitindo então que o ferro sem oxigênio
seja produzido (processo de redução). O forno então usa duas ferramentas para fazer a redução, isto é, carbono e
calor. A geração de calor ocorre através da combustão do carbono. Mas a combustão nunca é completa e gases
quentes ricos em carbono são produzidos (CO e CO 2), os quais são quimicamente ativos. O carbono quente tem
uma grande afinidade pelo oxigênio, fazendo com que os átomos de oxigênio sejam literalmente arrancados do
ferro (redução), deixando os átomos de ferro livres que se ligam entre si formando, através de ligações metálicas,
uma massa de ferro praticamente pura.
A temperatura é uma variável importante neste processo. Os fornos primitivos, raramente, ultrapassavam a
temperatura de 700oC. Ferro puro tem um alto ponto de fusão (1530oC), de forma que a massa de ferro reduzida
fica na forma de uma pasta, que é então batida para eliminar as impurezas, produzindo-se assim o ferro pludado,
que pode ser mais tarde reaquecido, para produzir uma serie de utensílios. Na temperatura de 700oC, o ferro não
pode dissolver carbono. Mas o que aconteceria se a temperatura fosse elevada continuamente numa atmosfera
rica em carbono. Espera-se que a temperatura suba até atingir os 1530oC, para haver então a fusão do ferro?????
Este não é o caso.
Na verdade, o que acontece é que o ferro funde numa temperatura bem menor (1150oC). Este é um grande
truque da física, o ponto eutético. Quando a temperatura vai subindo, o ferro começa a dissolver mais carbono,
até que com 4,3%C e a 1150oC, o ferro funde, formando então o ferro fundido.

2. Assim, o que se retira do forno depende da quantidade de calor introduzido. Com pouco calor, pouco
carbono é dissolvido e a massa nunca funde, formando o ferro pludado. Com mais calor, ocorre a absorção de
mais carbono e este funde, formando o ferro fundido.
Para fazer o aço, tudo depende do material utilizado como matéria-prima. Se for o ferro pludado, deve-se
de alguma forma introduzir carbono no material. Se for ferro fundido, deve-se eliminar parte do carbono. Os
dois métodos são de difícil controle. Na Europa ocidental, usava-se o ferro pludado para fazer pequenas
quantidades de aço. Muitas vezes, finas laminas de aço eram soldadas a uma peça de ferro pludado para fazer
uma arma ou ferramenta.
Já os Chineses usavam um outro processo, isto é, a descarbonetação do ferro fundido.
Contudo, com o uso da roda da’água e o aperfeiçoamento dos fornos, maiores temperaturas puderam ser
alcançadas, fazendo com que os Europeus começassem a produzir ferro fundido também. Então no século 14, os
Europeus começaram a produzir canhões e balas de canhões de ferro fundido, mas o mercado absorvia mesmo o
ferro pludado e menores quantidades de aço produzidas a partir do ferro fundido. Foi somente no século 19
(1853), que Sir Bessemer desenvolveu uma forma de produzir aço em grandes quantidades que pudesse competir
com o ferro pludado.
Produção de ferro e aço:
História da utilização:
Cometas – Grandes concentrações de minério de ferro.
Povos antigos – Babilônia, Egito, Pérsia, China, Índia e depois Gregos e Romanos
fabricavam armas e inúmeros utensílios de ferro e aço.
1 Fornos Primitivos
- Tipo poço fechado
- Tipo de forja catalã → Ambos usando carvão vegetal como combustível.

3. Figura 1 – Fornos primitivos usados na redução do minério de ferro, pelo emprego de carvão
vegetal como combustível.
Estes dois tipos de fornos usavam o processo de redução direta (ferro não era obtido no
estado líquido):
C + O2 → CO2 CO2 + C → CO
CO + FeXOY → Fe + CO2
Obs.: O ferro era obtido no estado pastoso (líquido de alta viscosidade), misturado com
as impurezas do minério.
O ferro assim obtido apresentava-se em geral relativamente dúctil, mole, maleável e
podia ser trabalhado por martelamento a temperaturas relativamente elevadas. Após ser
retirado do forno (uma bola de ferro), o ferro era martelado para a remoção das impurezas. O
resultado final era uma barra ou “lupa”, posteriormente reaquecida e trabalhada por
martelamento (ferro pudlado).
Fornos primitivos → Possibilitavam a absorção de uma certa quantidade de carbono (até
1%), o que por rápido resfriamento poderia elevar drasticamente a dureza do material
(têmpera).

4. 2 Desenvolvimento dos altos-fornos
Começou-se a aumentar, paulatinamente, a altura dos fornos primitivos. (fornos de cuba
ou fornos chaminé).
Fornos chaminé: Carga → introduzida pelo topo
Ar → soprado pela parte inferior
1500 → Inglaterra → Alto-forno mais próximo aos modernos
1619 → Inglaterra → Introdução do coque
1800 → Inglaterra → Aquecimento do ar
3 Matérias-primas da indústria siderúrgica
As matérias-primas básicas da indústria siderúrgica são as seguintes:
- Minério de ferro
- Carvão
- Calcário
3.1 Minério de ferro
É a principal matéria-prima do alto-forno, pois é dele que se extrai o ferro. Os minerais
que contêm ferro em quantidade apreciável são os óxidos, carbonatos, sulfetos e silicatos.
Os mais importantes para a indústria siderúrgica são os óxidos, sendo eles:
- Magnetita (óxido ferroso-férrico) → Fe3O4 (72,4% Fe).
- Hematita (óxido férrico) → Fe2O3 (69,9% Fe).
- Limonita (óxido hidratado de ferro) → 2FeO3.3H2O (48,3% Fe).
Obs.: O Brasil possui grandes reservas de minério de ferro de alta qualidade (alto teor de
ferro).
O minério de ferro é composto por três partes a saber:
- Útil → parte que contém o ferro
- Ganga → impurezas sem valor direto
- Estéril → rocha onde o minério
O minério de ferro pode ser classificado como:
- Rico → 60 a 70% de Fe
- Médio → 50-60% de Fe
- Pobre → <50%

5. 3.1.1 Beneficiamento do minério de ferro
O termo genérico “beneficiamento” compreende uma série de operações que têm como
objetivo tornar o minério mais adequado para a utilização nos altos-fornos. Estas operações
são britamento, peneiramento, mistura, moagem, concentração, classificação e aglomeração
(principal). A aglomeração visa melhorar a permeabilidade da carga do alto-forno, reduzir o
consumo de carvão e acelerar o processo de redução. Os processos mais importantes de
aglomeração são a sinterização e a pelotização.
Sinterização:
Consiste em aglomerar-se finos de minério de ferro numa mistura com aproximadamente
5% de um carvão finamente dividido ou coque. A carga é aquecida por intermédio de
queimadores e com o auxílio de fluxo de ar. A temperatura que se desenvolve durante o
processo atinge 1.300 a 1500oC, suficiente para promover a ligação das partículas finas do
minério, resultando num produto uniforme e poroso chamado sínter.
Pelotização:
Este é o mais novo processo de aglomeração e talvez o de maior êxito. Neste processo,
produzem-se inicialmente “bolas” ou “pelotas” cruas de finos de minério de alto teor ou de
minério concentrado. Adiciona-se cerca de 10% de água e, geralmente, um aglomerante de
natureza inorgânica. Uma vez obtidas as pelotas cruas, estas são secas, pré-aquecidas e
então queimadas.
3.2 Carvão
O combustível utilizado no alto-forno é o carvão, coque ou de madeira, cuja ação se faz
sentir em três sentidos:
- fornecedor de calor para a combustão;
- fornecedor do carbono para a redução de óxido de ferro;
- indiretamente, fornecedor de carbono como principal elemento de liga do ferro gusa.
Carvão coque:
O coque é obtido pelo processo de “coqueificação”, que consiste, em princípio, no
aquecimento a altas temperaturas, em câmaras hermeticamente (exceto para saída de
gases) fechadas, do carvão mineral. No aquecimento às temperaturas de coqueificação e na
ausência de ar, as moléculas orgânicas complexas que constituem o carvão mineral se
dividem, produzindo gases e compostos orgânicos sólidos e líquidos de baixo peso molecular
e um resíduo carbonáceo relativamente não volátil. Este resíduo resultante é o “coque”, que

6. se apresenta como uma substância porosa, celular, heterogênea, sob os pontos de vista
químico e físico. A qualidade do coque depende muito do carvão mineral do qual se origina,
principalmente do seu teor de impurezas.
Carvão vegetal:
O carvão vegetal ou de “madeira” é fabricado mediante pirólise da madeira, isto é,
quebra das moléculas complexas que constituem a madeira, em moléculas mais simples,
mediante calor. O aquecimento para a carbonização da madeira é feito em fornos de certo
modo rudimentares e pouco eficientes, sobretudo no Brasil, pois os subprodutos gasosos e
líquidos são perdidos durante o processo. O calor é aplicado à madeira, com ausência de
oxigênio, resultando em gases (CO2, CO, H2, etc...), líquidos (alcatrões, ácido acético, álcool
metílico) e o resíduo sólido que é o carvão vegetal.
3.3 Fundente
A função do fundente é combinar-se com as impurezas (ganga) do minério e com as
cinzas do carvão, formando as chamadas “escórias”. O principal fundente é o calcário, de
fórmula CaCo3.
3.4 Outras matérias-primas da indústria siderúrgica
Entre elas, a mais importante é o minério de manganês. Outras matérias-primas incluem
as “ferro-ligas” de silício, cromo, vanádio, molibdênio, níquel, tungstênio, titânio,
etc...Finalmente, deve-se ainda mencionar como importante matéria-prima a sucata de aço,
ou seja, subprodutos da fabricação de aço e itens ou componentes de aço desgastados,
quebrados ou descartados.
4 Produção do ferro Gusa: Alto-forno
O alto-forno constitui ainda o principal aparelho utilizado na metalurgia do ferro. A
metalurgia do ferro consiste, essencialmente, na redução dos óxidos dos minérios de ferro,
mediante o emprego de um redutor, que é um material a base de carbono (carvão). A Figura
2 mostra a seção transversal de uma instalação de alto-forno, incluindo todo o equipamento
acessório e auxiliar. Como se vê, trata-se de uma estrutura cilíndrica, de grande altura, que
compreende essencialmente uma fundação e o forno propriamente dito. Este, por sua vez, é
constituído de três partes essenciais, isto é, cadinho, rampa e cuba (ver Figura 3).
O equipamento acessório e auxiliar do tem como objetivo limpar os gases que saem do
alto-forno, bem como pré-aquecer o ar que é introduzido no forno através das ventaneiras.

7. Figura 2 – Seção transversal de uma instalação de alto-forno, incluindo o equipamento auxiliar
principal.
Figura 3 – Seção transversal de um alto-forno moderno.

8. 4.1 Operação do alto-forno
Num alto-forno, existem duas correntes de materiais responsáveis pelas reações que se
verificam, isto é, uma corrente sólida, representada pela carga que desce paulatinamente e
uma corrente gasosa que se origina pela reação do carbono do carvão com o oxigênio do ar
soprado pelas ventaneiras, que sobe em contracorrente.
Reações químicas:
As temperaturas mais elevadas ocorrem nas proximidades das ventaneiras: da ordem de
1.800 a 2000oC. Nesta região, verifica-se a reação:
C + O2 → CO2 Reação 1
Originando-se grande quantidade de calor.
Este CO2, ao entrar em contato com o coque incandescente, decompõe-se:
CO2 + C → 2CO Reação 2
O CO originado é o agente redutor.
A carga introduzida pelo topo, ao entrar em contato com a corrente gasosa ascendente
sofre uma secagem.
A decomposição dos carbonatos, contidos no calcário dá-se a aproximadamente 800oC,
conforme as seguintes reações:
CaCO3 → CaO + CO2 Reação 3
MgCO3 → MgO + CO2 Reação 4
Além do CO como agente redutor, o próprio carbono do carvão atua nesse sentido.
Reações químicas de redução do minério de ferro:
3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2 Reação 5
Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2 Reação 6
ou
Fe2O3 + 3C → 2Fe + 3CO Reação 7
Na região que corresponde ao topo da rampa (região acima do cadinho onde o ferro
líquido e a escória são depositados), inicia-se a formação da escória, pela combinação da cal
(CaO) com a ganga (impurezas do minério de ferro) e uma certa quantidade de óxido de
ferro e manganês. Essa escória formada, juntamente com o ferro, começa a gotejar através
dos interstícios (espaços vazios) da carga ainda sólida, para depositar-se no cadinho.
Outras reações:

9. Mn3O4 + C → 3MnO + CO Reação 8
MnO + C → Mn + CO Reação 9
SiO2 + 2C → Si + 2CO Reação 10
P2O5 + 5C → 2P + 5CO Reação 11
FeS + CaO + C → CaS + Fe + CO Reação 12
Finalmente, as últimas reações fundamentais são representadas pelas equações:
3Fe + C → Fe3C Reação 13
3Fe + 2CO → Fe3C + CO2 Reação 14
Todas estas reações produzem, então, o ferro gusa, que além de ferro e carbono
também incorpora os elementos manganês (Mn), silício (Si), fósforo (P) e enxofre (S).
A formação da escória compreende reações bem mais complexas. Essa escória resulta
da combinação do CaO e do MgO do calcário (fundente) com a ganga (impurezas) do
minério e as cinzas do carvão. A escória caracteriza-se por sua grande fluidez e seu baixo
peso específico. Assim, no cadinho (reservatório), a escória e o gusa líquido separam-se por
gravidade, formando duas camadas, isto é, a inferior (metálica) e a superior (escória),
facilitando o vazamento de ambos os produtos.
4.2 Produtos do alto-forno
O principal produto do alto-forno é o ferro gusa. O ferro gusa é uma liga ferro-carbono de
alto teor de carbono e teores variáveis de silício, manganês, fósforo e enxofre. De um modo
geral, a maioria dos ferro gusas possíveis de serem obtidos em alto-forno está compreendida
na seguinte faixa de composições:
Carbono - 3 a 4,4%
Silício - 0,5 a 4,0%
Manganês - 0,5 a 2,5%
Fósforo - 0,05 a 2,0%
Enxofre - 0,20% máx.
Um outro produto do alto-forno é a escória, cuja composição varia igualmente dentro de
largos limites, isto é:
SiO2 - 29 a 38%
Al2O3 - 10 a 22%
CaO + MgO - 44 a 48%
FeO + MnO - 1 a 3%

10. CaS - 3 a 4%
Este material depois de solidificado pode ser utilizado como lastro de ferrovias, material
isolante etc... Sua mais importante aplicação dá-se na fabircação do chamado “cimento
metalúrgico”.
Finalmente, o gás de alto-forno é um subproduto muito importante devido ao seu alto
poder calorífico. Sua composição é a seguinte:
CO2 - 13%
CO - 27%
H2 - 3%
N2 - 57%
Este gás é utilizado na própria usina siderúrgica nos regeneradores, fornos diversos de
aquecimento, caldeiras etc...
5 Fabricação do aço
O ferro gusa é uma liga Fe-C com outro elementos resultantes do processo de
fabricação. Estes outros elementos são o Si, Mn, P e S. Para a fabricação do aço, estes
outros elementos, inclusive o carbono, devem ter seus teores reduzidos. Esta redução da
concentração destes elementos químicos ocorre por oxidação.
Os “agentes oxidantes”, isto é, aqueles que iram oxidar o ferro gusa para baixar o teor
dos elementos químicos, podem ser de natureza gasosa ( ar ou oxigênio) ou sólida (minério
de ferro).
- Processos pneumáticos → agente oxidante → ar ou oxigênio
- Processo Siemens-Martin ou elétrico → agente oxidante → substâncias sólidas
contendo óxidos (minério de ferro por exemplo).
5.1 Processos pneumáticos
Os vários tipos estão representados na Figura 4. Como se vê na figura, o princípio básico
de qualquer dos processos é introduzir ar ou oxigênio, pelo fundo, lateralmente ou pelo topo,
através de uma “lança”. Estes diferentes tipos de equipamentos são chamados de
conversores pneumáticos. Sendo as reações de oxidação dos elementos contidos no ferro
gusa líquido fortemente exotérmicas, principalmente a do silício, não há necessidade de
aquecimento da carga metálica do conversor, eliminando-se, assim, a utilização de qualquer
combustível.

11. Figura 4 – Processos pneumáticos para produção de aço, a partir de ferro gusa.
Reações químicas de oxidação do ferro gusa:
As primeiras reações de oxidação do gusa são as seguintes:
2Fe + O2 → 2FeO Reação 15
2FeO + Si → SiO2 + 2Fe Reação 16
FeO + Mn → MnO + Fe Reação 17
O resultado da oxidação é a formação de sílica SiO2, que, juntamente com os óxidos de
ferro e manganês que igualmente se formam durante o “sopro”, originam uma escória de
baixo ponto de fusão, a base de silicatos de Fe e Mn.
A medida que o sopro continua, inicia-se a oxidação do carbono:
FeO + C → Fe + CO Reação 18
Após este primeiro estágio de oxidação, o metal está pronto para ser vazado na panela
onde são, então, adicionadas as “ligas” Fe-Mn ou alumínio para desoxidar e dessulfurar o
metal, segundo as seguintes reações:
FeO + Mn → MnO + Fe Reação 19
FeS + Mn → MnS + Fe Reação 20
ou
3FeO + 2Al → Al2O3 + 3Fe Reação 21

12. Existem alguns problemas operacionais no processo de oxidação do ferro gusa. Os mais
importantes são de controle do final da oxidação, da temperatura e da composição química
do banho metálico. Os conversores mais conhecidos são o Bressemer, Thomas, de sopro
lateral e de sopro pelo topo (conversor L-D).
5.2 Processos elétricos
Nos fornos pneumáticos, o ferro gusa era transportado ainda líquido para dentro dos
conversores e, o próprio calor gerado pela oxidação dos elementos químicos era suficiente
para manter a temperatura do forno, sem precisar-se de nenhuma fonte auxiliar de energia.
Os fornos pneumáticos era utilizados, basicamente, em usinas integradas (nestas usinas, a
redução do minério de ferro, bem como a fabricação do aço são realizados no mesmo local),
de forma que o ferro gusa pode ser transportado ainda líquido do alto-forno para os
conversores.
Na maioria dos casos, contudo, as empresas compram o gusa sólido e, juntamente com
sucata de aço, forma-se a carga para alimentar os fornos elétricos de produção de aço.
Neste fornos, a fusão da mistura de sucata de aço e ferro gusa ocorre devido ao calor gerado
por um arco voltaico que se forma entre três eletrodos de grafite e a carga metálica. Após a
fusão da carga, oxigênio é injetado por uma lança diretamente no banho líquido. A redução
dos teores dos elementos de liga ocorre, então, por oxidação, sendo que as reações são as
mesma já descritas para os fornos pneumáticos. A fabricação do aço também conhecido
como refino do aço incorpora duas etapas a saber, isto é, o refino primário e o refino
secundário. No refino primário, são reduzidos os teores os teores de carbono, manganês,
silício e fósforo. O calor liberado pela oxidação destes elementos químicos reduz o consumo
de energia elétrica do forno. Durante o processo de oxidação, a composição química do
banho líquido é monitorada por coleta de amostras e análise por espectrometria de emissão
ótica. Quando o banho líquido atinge a composição química ideal, este é transportado para
um outro forno, o a composição química final do aço é acertada (refino secundário). Neste
segundo forno (forno panela), as “ferro-ligas” (Fe-Mn ou Fe-Si) são adicionadas. Estas ligas
funcionam como dessulfurantes e desoxidantes, isto é, reduzem os teores de enxofre e
oxigênio do aço. A dessulfurização é realizada de acordo com a seguinte reação:
Mn + S → MnS Reação 22

13. O enxofre é então reduzido pela formação do sulfeto de manganês (MnS) que vai para a
escória. Já quanto à desoxidação, é inevitável que parte do ferro, durante o refino primário,
sofra oxidação, de acordo com a seguinte reação:
Fe + O → FeO Reação 23
Então, na desoxidação, ocorre a seguinte reação e o óxido de manganês vai compor a
escória.
FeO + Mn → Fe + MnO Reação 24
Contudo, é interessante comentar que nem todo o sulfeto de manganês (MnS) e o MnO
vão para a escória. Parte destes compostos, bem como o próprio FeO permanecerão no aço
como impurezas, chamadas de inclusões não metálicas, as quais devem ser criteriosamente
controladas pois afetam diretamente as propriedades dos aços produzidos.
6 Processos de redução direta
O princípio da “redução direta” consiste em tratar-se óxidos de ferro praticamente puros
(Fe2O3 ou Fe3O4) a temperaturas usualmente entre 950 e 1050 oC, na presença de uma
substância redutora, resultando, freqüentemente uma massa escura e porosa, conhecida
como “ferro esponja”.
A redução é realizada no estado sólido e os processos correspondentes têm por objetivo
eliminar o alto-forno, produzindo-se o aço diretamente do minério ou produzindo-se um
material intermediário, a ser empregado como “sucata sintética” nos fornos de aço.
Os processos de redução direta seriam aconselhados, pelo menos teoricamente, para
países que não dispõem do melhor carvão de pedra coqueificável ou que não possuam
minérios de alto teor em ferro.
Basicamente, todos os processos de redução direta podem ser agrupados em duas
classes:
- processos que utilizam redutores sólidos
- processos que utilizam redutores gasosos
A Figura 5 representa, esquematicamente, o processo conhecido pelo nome de SL/RN. A
carga consiste de concentrados de minério de ferro, na forma moída ou na forma de
“pelotas”, coque e calcário moídos.

14. Figura 5 – Representação esquemática do processo SL/RN de redução direta.
A carga é levada a um forno rotativo, onde a temperatura é mantida na faixa de 1000 a 1076oC. O
produto sólido resultante é resfriado e o ferro é separado mediante separador magnético. O coque não
utilizado é removido e reutilizado. O processo permite produzir material contendo enxofre entre 0,02 e
0,05% apenas, o que o torna adequado para a utilização em fornos de aço.
7 Solidificação dos aços
Após a etapa de refino, o aço está pronto para ser “vazado” e solidificado. Esta etapa de
solidificação chama-se lingotamento, o qual pode ser convencional ou contínuo. No lingotamento
convencional, moldes metálicos (“lingoteiras”), feitos normalmente de ferro fundido, são utilizados na
solidificação do aço, que após completamente solidificado recebe o nome de lingote. Já no
lingotamento contínuo, o aço líquido é vazado em um grande reservatório chamado distribuidor. Do
distribuidor, o aço líquido segue por dois moldes metálicos de cobre na forma de tubos que são
refrigerados com água. Quando saem destes moldes, o aço já solidificado recebe “sprays” de água para
completar o resfriamento. Durante o resfriamento, o aço é cortado com dimensões padronizadas por
tesouras, recebendo o nome de tarugo.
Tanto o lingote quanto
o tarugo são, então, levados para a etapa de laminação, onde serão transformados em uma série de
produtos, tais como barras, perfis, chapas, fio máquina etc...

15. 8 Algumas heterogeneidades dos aços
O aço líquido é homogêneo, mas durante a solidificação surgem defeitos que tornam o material
sólido heterogêneo.
Alguns defeitos → eliminados durante a fabricação do produto final (acabado).
Outros defeitos → tornam-se até mais evidentes no produto final.
8.1 Tipos de defeitos
Não esgotando-se as possibilidades de defeitos durante a solidificação dos aços, os defeitos
apresentados abaixo são os mais comuns.
8.1.1 Vazio (“chupagem” ou “rechupe”)
Início da solidificação → Paredes do molde
→ Parte superior do molde que está em contato com o ar
Sólido na periferia (Figura 16). Líquido preso.
Contração de volume → parte oca (vazio).
Rechupe → parte central superior do lingote (última a solidificar).
Rechupe → uma ou várias cavidades → cone com vértice voltado para baixo (Figura 17).
Vazio → eliminado quando ao rubro
Mal eliminado → restos de vazios (Figuras 75 a 80).
Atenuar o corte → massalote (Figura 19). Prolongamento sobreposto à lingoteira. Existe também a
“cabeça quente” (material exotérmico e isolante).
Fundição de peças moldadas → necessidade de canais de alimentação para atrair os defeitos para si
(Figura 20).
Porosidade → pequenos vazios ou rechupes formados durante o resfriamento devido a falta de
material (Figura 21).
Lingotes → parte oca não tiver contato com o ar → esta parte terá atmosfera redutora (CO) →
impede a oxidação das paredes do vazio. Laminação a quente → soldagem destas paredes → atenuando
o inconveniente.
Vazio em contato com o ar → oxidação das paredes → oxidação → fendas → perigo de trincas e
falha por fadiga.
8.1.2 Segregação
Aço → liga Fe-C com impurezas (principalmente o P e o S).
Metal líquido → impurezas dissolvidas uniformemente.

16. Solidificação → menor solubilidade no metal sólido do que no líquido.
Solidificação → fora para dentro → acúmulo de impurezas no centro.
Centro → último a solidificar → resfriamento mais lento e porque as impurezas (principalmente o
fósforo) baixam o ponto de solidificação.
Acúmulo de impurezas = segregação
Segregação → resultado → gradiente de composição química → principalmente de fósforo e
enxofre.
Variação de composição química → variação de propriedades mecânicas.
↑ P ou S → propriedades mecânicas inferiores (mais duro e quebradiço).
Impurezas → pequena movimentação → permanecem no produto acabado (Figura 23).
Segregação → maior dureza e posição central → menor deformação do que a periferia → durante
laminação ou forjamento (Figura 87).
Lingote grande → segregação mais intensa → mais tempo para a separação (difusão).
8.1.3 Estrutura dendrítica
Solidificação de metais → formação de cristais ou núcleos ou centro de cristalização →
desenvolvimento a partir de eixos de cristalização (três eixos ortogonais entre si).
Cada eixo → certo tamanho → emite novos eixos até a massa inteira de solidificar (Figura 24).
Cada eixo principal + eixos secundários = dendrita – ramificação de árvores (dendron).
Dendrita → crescimento limitado → vizinha
Solidificação completa → cada dendrita = cristal de contornos irregulares.
Dendrita = grão primário em formação.
Metais → após solidificação → formado por muitos grãos fortemente unidos → com orientação
cristalográfica independente dos demais.
Falar sobre a segregação interdendrítica.
Dendritas formadas no centro do lingote → grãos mais ou menos equiaxiais.
Dendritas formadas perto das paredes do lingote → grãos alongados e perpendiculares às paredes
da lingoteira, isto é, são grãos colunares (Figuras 26 e 27).
Dendritas grandes → grãos grandes → maior quantidade de impurezas nos contornos de grão →
propriedades mecânicas inferiores. Peças fundidas X peças conformadas.
Figura 28 → interessante → segregação entre os grãos colunares formam linhas ou planos mais
fracos.

17. Figura 29 → cantos vivos devem ser eliminados!!! Notar a geometria da lingoteira.
Tamanho das dendritas → função da velocidade de resfriamento →→→→→→→→→→→ -
Temperatura de vazamento
- Tamanho do molde
- Condutibilidade térmica
- Espessura e forma das paredes
- Aço acalmado
Rápido resfriamento → numerosos núcleos de solidificação → dendritas de pequenas dimensões
→ segregação dendrítica menos intensa → melhor dividida → aço menos heterogêneo.
Bolhas
Pequenas cavidades cheias de gases, principalmente CO. Podem também conter impurezas de
baixo ponto de fusão.
Fontes dos gases: - Aprisionamento de gases mecanicamente arrastados durante o vazamento no
lingote.
- Gases dissolvidos no material em fusão.
- Gases que se formam devido a reações químicas antes da solidificação do
lingote.
Aço líquido → dissolve grandes quantidades de H2, N2 e O2
Aço em solidificação → menor solubilidade para estes gases → estes gases se desprendem para a
atmosfera, enquanto a viscosidade da massa permitir.
Casca superior solidificada → aprisiona os gases na forma de bolhas (perto da cabeça).
Laminação ou forjamento → paredes das bolhas não oxidadas (gases redutores) → soldam-se →
sem problemas nas propriedades mecânicas.
Bolhas → impurezas → não ocorre o caldeamento → formação de “fissuras” → influência sobre,
principalmente, resistência à fadiga.
Forma de atenuar a sua formação → adição de desoxidantes → ferros-ligas (Fe-Mn, Fe-Si ou Al).
Conseqüência → reduzem o teor de O2 → formação de escória → não reage com o carbono do aço
durante a solidificação → não forma CO ou CO2.
Figura 33 – Distribuição de bolhas no lingote de acordo com o grau de desoxidação.
Aço efervescente → ??????

18. 8.1.4 Trincas
Trincas → fissuras que podem ser superficiais, profundas ou internas.
Fontes → - choques térmicos durante resfriamento ou aquecimento acelerados.
- durante laminação ou forjamento
Trincas superficiais → removidas por esmeril etc...
8.1.5 Gotas frias
Vazamento na lingoteira → pequenas gotas respingam contra as paredes da lingoteira, resfriando-
se e oxidando-se.
Gotas frias → - presas a parede → não aderem muito bem ao lingote e são um defeito.
- caem na massa líquida → fundem → sem problemas.
Importante
1. Heterogeneidades → afetam as propriedades dos aços → um aço não é igual ao outro.
↑ heterogeneidades → ↑ problemas de propriedades.
2. Para evitar → ↑ custo → assim → depende da responsabilidade do componente.

20. Estruturas cristalinas
9 Alotropia do ferro puro
Ferro → metal alotrópico → apresenta mais de uma estrutura cristalina de acordo com a
temperatura.
Solidificação: 1538oC → estrutura cristalina cúbica de corpo centrado → ferro-δ ou fase-δ (ferrita-
δ).
1394oC → mudança de fase → átomos de Fe sofrem um rearranjo para uma estrutura cúbica de
face centrada → ferro-γ ou fase-γ (austenita).
912oC → volta a ccc (cúbica de corpo centrado) → ferro-α ou fase-α (ferrita). Abaixo de 786oC
(ponto Curie) → comportamento magnético.
Estas diversas transformações fazem com que os aços apresentem-se com uma classe de materiais
extremamente versáteis atendendo a um grande espectro de propriedades mecânicas.

21. 10 Reticulado cristalino
Reticulado cristalino é uma rede de pontos que se prolonga infinitamente nas três direções do
espaço (ver Figura 1).
Figura 6 - Representação de uma rede de pontos que serve de base para o estudo das
estruturas cristalinas.
Geometria da rede espacial pode ser caracterizada por três vetores.
Comprimento dos vetores → a, b, c
Ângulo entre vetores → α, β, γ
O comprimento e o ângulo entre os vetores representam as constantes de rede, as quais nos
permitem definir exatamente como os pontos se distribuem no espaço.
11 Estrutura cristalina
Nada mais é do que uma rede de pontos regularmente espaçados com uma distribuição regular dos
átomos.
Materiais cristalinos são aqueles que possuem uma distribuição característica e regular dos seus
átomos. Devido a esta regularidade, a estrutura cristalina de um material não precisa ser representada
por todos os seus átomos, mas por apenas um conjunto de átomos que possam definir a sua distribuição
no espaço. A esta pequena porção do reticulado cristalino que tem a propriedade de representar todo o
cristal chamamos de célula unitária.
Célula unitária → associada a uma figura geométrica e a distribuição característica dos átomos.
Existem apenas sete figuras geométricas → representam sete sistemas cristalinos, que por sua vez
irão formar quatorze distribuições características dos átomos, produzindo quatorze estruturas cristalinas
(ver Tabela 1).

22. Tabela 1 - Classificação das estruturas cristalinas dentro dos sistemas cristalinos.
Sistema Parâmetro de rede e ângulo entre os Estrutura cristalina
cristalino eixos
Cúbico Três eixos iguais em ângulo reto Cúbica simples
a=b=c, α=β=γ=90° Cúbica de corpo centrado
Cúbica de faces centradas
Tetragonal Três eixos em ângulo reto, dois iguais Tetragonal simples
a=b≠c, α=β=γ=90° Tetragonal de corpo centrado
Ortorrômbico Três eixos desiguais em ângulo reto Ortorrômbico simples
a≠b≠c, α=β=γ=90° Ortorrômbico de corpo
centrado
Ortorrômbico de bases
centradas
Ortorrômbico de faces
centradas
Romboédrico Três eixos iguais, ângulos iguais Romboédrico simples
a=b=c, α=β=γ≠90°
Hexagonal Dois eixos iguais a 120°, terceiro eixo Hexagonal simples
a 90°
a=b≠c, α=β=90°, γ=90°
Monoclínico Três eixos desiguais, um ângulo Monoclínico simples
diferente
a≠b≠c, α=β=90°, γ≠90 Monoclínico de bases
centradas
Triclínico Três eixos desiguais, ângulos Triclínico simples
desiguais
a≠b≠c, α≠β≠γ≠90

23. Figura 7 – Estruturas cristalinas.
Sistemas cristalinos mais importantes → Sistema cúbico e tetragonal.
Estruturas cristalinas mais importantes → cúbica de corpo centrado, cúbico de face centrada
e tetragonal de corpo centrado (ver Figura 3).
Sistema cristalino → cúbico
Estrutura cristalina → cúbica de corpo centrado (ccc) e cúbica de face centrada (cfc).
Sistema cristalino → tetragonal
Estrutura cristalina → tetragonal de corpo centrado
Figura 8 - Representação esquemática das células unitárias das estruturas cúbica de corpo
centrado, cúbica de faces centradas e tetragonal de corpo centrado.
11.1 Parâmetros característicos
- Medidas características dos vetores → parâmetros de rede
- Número de átomos por célula unitária
- Número de vizinhos que cada átomo possui → número de coordenação
- Relação entre o volume ocupado pelos átomos e o volume da célula unitária → fator de
empacotamento
11.1.1 Estrutura cúbica de corpo centrado (ccc)
a = b = c e α = β =γ =90o → parâmetros geométricos
Célula unitária → caracterizada pela figura de um cubo
Os átomos estão localizados nos vértices e no centro da célula (ver Figura 4).
Figura 9 - Representação do modelo de esferas das estruturas cúbica de corpo centrado e
cúbica de faces centradas.

24. Átomos nos vértices → existe apenas 1/8 do seu volume ocupando espaço na célula unitária.
Parâmetro de rede → lado do cubo = (4R/31/2); onde R = raio atômico.
Número de átomos por célula unitária = 2
Número de coordenação = 8
Fator de empacotamento = 0,68
11.1.2 Estrutura cúbica de faces centradas (cfc)
Possui os mesmos parâmetros geométricos da ccc, porém a distribuição dos átomos é um pouco
diferente (ver Figura 4).
Os átomos estão localizados nos vértices e no centro das faces da célula.
Átomos nas faces ocupam apenas metade do seu volume dentro da célula.
Parâmetro de rede → lado do cubo = (4R/21/2)
Número de átomos = 4
Número de coordenação = 12
Fator de empacotamento = 0,74
A estrutura cfc é mais compacta do que a estrutura ccc, isto é, os seus átomos ocupam o espaço da
célula de uma maneira mais eficiente.
12 Interstícios
O fator de empacotamento é sempre menor do que um (1). Isto quer dizer que os átomos não
ocupam todo o espaço da célula.
Espaços vazios entre os átomos da estrutura → interstícios
↓ Fator de empacotamento → ↑ volume destinado aos interstícios
Tamanha dos interstícios → depende → raios atômico e estrutura cristalina.
cfc → ↑ interstícios do que ccc, embora o fator de empacotamento seja maior (ver figura 5 e 6).
Figura 10 - Interstícios octaédricos (a) e insterstícios tetraédricos (b) em uma estrutura cúbica
de corpo centrado.

25. Figura 11 - Interstícios octaédricos (a) e insterstícios tetraédricos (b) em uma estrutura de
faces centradas.
Conseqüência → átomos de soluto se colocam em posições intersticiais, como é o caso de uma liga
Fe-C.
↑ Interstícios → ↑ Solubilidade para o soluto!
Interstícios tetraédricos e octaédricos → um interstício é sempre denominado pela figura poliédrica
formada pelos átomos que estão em volta do espaço vazio.
13 Direções e planos atômicos
Existem planos e direções características para cada estrutura. Estes influem no comportamento do
material → deformação.
Deformação → ocorre segundo determinadas direções e planos particulares para cada estrutura.
Existe uma maior densidade de átomos em determinadas direções, gerando planos de escorregamento
capazes de serem acionados durante o processo de deformação plástica. Para a determinação exata das
direções e planos, foi criada uma notação apropriada que é chamada de Índices de Miller. Nas figuras
7 e 8, são mostradas direções e planos característicos para as estrutura cristalina cúbia.. Os índices de
uma direção estão relacionados com as coordenadas de um ponto com relação à origem do sistema de
eixos. Assim, a direção [100] corresponde a um vetor paralelo ao eixo x, enquanto que a direção [010]
corresponde a um vetor paralelo ao eixo y. No caso dos planos, os índices correspondem ao inverso do
valor das interseções do plano com os eixos. Deste modo um plano (100) corresponde a um plano
paralelo aos eixos y e z enquanto que um plano (010) corresponde a um plano paralelo aos eixos x e z.
Figura 12 – Direções cristalinas em uma estrutura cristalina cúbia.

26. Figura 13 – Planos cristalinos em uma estrutura cristalina cúbica.
13.1 Defeitos na estrutura cristalina
Todos os materiais cristalinos possuem um certo número de defeitos, os quais podem influir
decisivamente em suas propriedades.
13.1.1 Defeitos pontuais
- Lacunas → Ausência de um átomo em uma posição que deveria ser ocupada na estrutura
cristalina. Este defeito gera uma deficiência de ligações entre os átomos fazendo com que os
mesmos tendam a se aproximar, o que provoca uma distorção na rede e produz acúmulo de
energia naquele ponto (Figura 9).
- Intersticiais → Caracteriza-se pela presença de um átomo em um interstício da estrutura
cristalina.
• Auto-intersticial → próprio elemento que forma a estrutura (ver Figura 9)
• Impureza intersticial → átomo estranho ao reticulado cristalino (ver Figura 9).
obs.: Interstícios → são pequenos em relação aos átomos que abrigam. Ocorre, então, a distorção
da rede cristalina e um acúmulo de energia muito maior do que em uma lacuna.
Figura 14 - Representação dos defeitos de lacuna, defeito auto-intersticial e defeito de
impureza intersticial.

27. 13.1.2 Defeitos em linha ou planares
- Discordância → é um defeito planar que envolve o posicionamento de uma série de átomos.
Mais comum é a discordância em cunha (ver Figura 10).
Figura 15 – Representação esquemática de uma discordância em cunha.
Esta discordância pode ser entendida como um plano extra de átomos, produzindo um efeito de
cunha no reticulado. Existe então, um acúmulo muito maior de energia do que em um defeito de lacuna
ou intersticial.
Discordâncias → grande influência → deformação plástica → estes defeitos cristalinos são os
responsáveis pela deformação plástica ou permanente. Se estes não existissem, a deformação dos
metais seria tremendamente mais difícil.
13.1.3 Defeitos de fronteira
Os contornos de grão representam a transição entre duas orientações de empilhamento dos
átomos. Portanto, nesta regiões de contorno, os átomos não possuem uma organização definida, sendo
que também são áreas de acúmulo de energia. Estes defeitos de fronteira são importantes nas
transformações de fase (maior energia favorece a nucleação) e na deformação plástica (restringir o
movimento de discordâncias).

28. Deformação dos metais
Processos de conformação → importância na indústria.
Deformações elásticas X deformações plásticas.
Tração → elongação
Compressão → contração
*Comportamento elástico:
Tensão → causa → deformação (esta deformação é linearmente proporcional à tensão aplicada).
Módulo de elasticidade ou módulo de Young (E) → tensão/deformação
- E =σ /ε σ =F/A
E → é uma característica intrínseca do metal e quanto mais intensas forem as forças de atração
entre os átomos, maior é o módulo de elasticidade. Está associado ao ponto de fusão do material.
- Coeficiente de Poisson (ν) → deformação lateral/deformação direta
Figura 16 – Deformação elástica de uma célula unitária.
εX
ν =−
εY
Até agora se falou de tensões de tração e compressão. Contudo, as tensões de cisalhamento
também solicitam as estruturas cristalinas. Estas produzem o deslocamento de um plano de átomos em
relação ao plano adjacente.
Figura 17 – Tensão de cisalhamento elástica.

29. Módulo de elasticidade X temperatura → este cai com o aumento da temperatura. Já que o
módulo de elasticidade está ligado à força de ligação entre os átomos, quanto maior a temperatura
menor é esta força.
*Comportamento plástico:
Os materiais podem ser solicitados por tensões de tração, compressão ou cisalhamento.
Tração e compressão → podem ser decompostos em componentes de cisalhamento.
Obs.: É muito mais fácil cisalhar os metais do que separar os seus átomos (tração) ou comprimi-
los (compressão).
Conclusão → os metais se deformam por cisalhamento ou escorregamento de um plano cristalino
sobre os demais.
Obs.: Se tivéssemos que deformar os metais por tração ou compressão puros, as forças que
deveriam ser aplicadas seriam muito maiores!
Escorregamento → deslocamento permanente → a retirada da tensão não implica no retorno dos
planos cristalinos as suas posições originais ou de repouso.
Considerações:
- Materiais dúcteis (aços comuns) → sempre antes da ruptura ocorrerá escorregamento.
- Materiais frágeis (cerâmicos de engenharia) → pode ocorrer ruptura puramente por tração.
Escorregamento → ocorre mais facilmente ao longo de certas direções e planos atômicos.
03 planos {100}; 06 planos {110} e 04 planos {111}.
Obs.: O número de planos através dos quais pode ocorrer escorregamento varia com a estrutura
cristalina. Apenas um plano permite o escorregamento em materiais com estrutura hexagonal compacta
(HC). Por outro lado, muitos planos permitem o escorregamento nos metais cúbicos. Contudo, a
estrutura CFC apresentam mais planos possíveis de escorregamento do que a estrutura CCC.
Mecanismo de escorregamento:
Até agora, imaginou-se um mecanismo de escorregamento simplificado.
Contudo → cálculos teóricos com base neste mecanismo → obtém-se valores de resistência à
tração (limite de resistência) muito maiores do que aqueles encontrados na prática!
Cálculos → E/20, E (aço)=210.000MPa → σR=10.500MPa .
Aço de altíssima resistência mecânica → σR=2.100MPa → fator de 5 vezes maior.
Conclusão → os aços não são tão resistentes assim, de forma que deve existir um outro
mecanismo de escorregamento.
Evidências experimentais → indicam → movimento de discordâncias

30. A tensão de cisalhamento requerida para este tipo de deformação (envolvendo o movimento de
discordâncias) é apenas uma fração do valor de E/20. Além disso, os resultados experimentais reforçam
esta teoria, já que são da mesma ordem de grandeza que os previstos no modelo das discordâncias.
Comentar que o movimento de discordâncias em um metal com solução sólida é prejudicado pela
presença dos átomos estranhos. Estes restringem o movimento das discordâncias. Daí resulta que as
soluções sólidas de metais são sempre mais resistentes que os metais puros correspondentes.
Deformação plástica nos metais policristalinos:
Tudo o que foi visto até agora foi para os monocristais → um grão
Metais policristalinos → muitos grãos e contornos de grãos.
Os contornos de grão interferem com o escorregamento, pois interrompem os planos cristalinos
nos quais as discordâncias se movem.
Ductilidade e resistência → função direta da área de contorno de grão e o efeito que o contorno
tem sobre o escorregamento.
Propriedades dos metais deformados plasticamente:
Deformação plástica → altera a estrutura interna → espera-se → mudança nas propriedades do
metal. Por exemplo, a deformação plástica aumenta a resistividade de um meta.
Deseja-se quantificar esta deformação para relacionar a deformação como a mudança nas
propriedades.
Quantificação da deformação → % deformação a frio.
% deformação a frio (%DF) → é a intensidade de deformação resultante de uma redução na área
da seção transversal reta durante a deformação plástica (trefilação, por exemplo).
 A − AF 
% DF =  0  x100
 A0 
Endurecimento por deformação a frio (encruamento):
Movimento de discordâncias → gera novas discordâncias → o que torna desordenada a estrutura
cristalina regular → dificultando o escorregamento ulterior → aumentando a dureza do material (Figura
3).
Sem movimento de discordâncias → situação aproxima-se do caso hipotético onde altas tensões
de cisalhamento são necessárias.

31. Figura 18 – Trabalho a frio versus propriedades mecânicas.
Aumento de dureza → endurecimento por deformação a frio ou encruamento.
Encruamento → maior dureza, maior resistência e menor ductilidade (elongação consumida
durante a deformação a frio). Fio máquina trefilado (encruado) → prego.
Recristalização:
Cristais deformados (plástica) → mais energia porque estão cheios de discordâncias e outras
imperfeições.
Oportunidade → átomos se organizarão → arranjo perfeito e não deformado.
Oportunidade → altas temperaturas.
A agitação térmica mais elevada do reticulado em temperaturas altas permite o rearranjo dos
átomos em grãos menos deformados → processo conhecido como recozimento.
As coisas na natureza tendem a ocupar posições de menor energia (exemplo → energia
potencial).
Contudo existe uma barreira energética → superada por energia fornecida ao sistema.
Reorganização → precisa de movimentação atômica (difusão atômica) → precisa de energia para
se movimentar → alta temperatura.

32. Reorganização → novos cristais organizados → novos grãos → crescimento dos grãos. Falar
então da mudança das propriedades mecânicas.
Obs.: crescimento de grão exagerado → prejuízo às propriedades mecânicas!
Temperaturas de recristalização:
Como detectar ou acompanhar o processo de recristalização??? Dureza!!!!!
A temperatura na qual há uma marcada diminuição na dureza é denominada de temperatura de
recristalização.
Gráfico → material mais deformado →mais instável → “amolece em temperaturas mais baixas”.
Assim → força motriz para a recristalização → quantidade de deformação a frio ou encruamento.
Qual é então a temperatura de recristalização???????
Temperatura de fusão → depende da força que mantém dos átomos unidos.
Temperatura de recristalização também!! Assim, espera-se que existe relação entre as
temperaturas de recristalização e fusão.
Está entre um terço (1/3) e metade da temperatura absoluta de fusão.
Deformação a quente X deformação a frio:
Deformação a quente → acima da temperatura de recristalização.
Deformação a frio →abaixo.
Obs.: A deformação a frio do cobre pode ser superior à deformação a quente do chumbo.
A distinção acima tem importância tecnológica!!!!
Deformação a frio → metal fica duro e menos dúctil → necessita-se mais energia para continuar a
deformação → maior a chance do aparecimento de trincas.
Deformação a quente → o material sofre recristalização durante a deformação → permanece
macio e dúctil.
Significado da deformação a frio e do recozimento para o engenheiro:
Deformação a frio → permite que se use componentes menores e mais resistentes.
Não usar em alta temperatura → recozimento (recristalização).

33. Figura 19 – Ciclos de deformação a frio e recozimento (cápsula para cartuchos).
Ensaio de dureza
Para mecânica → resistência à penetração de um material duro em outro.
Para usinagem → é a resistência ao corte de um metal.
Para mineralogistas → é a resistência ao risco de um material.
Para metalurgia → dureza → resistência à deformação plástica.
Assim → material com grande resistência à deformação permanente também terá alta resistência
ao desgaste, alta resistência ao corte e será difícil de ser riscado → será duro!!!!
14 Tipos de dureza
14.1 Dureza ao risco
Vários materiais podem ser organizados de acordo com a capacidade de riscarem uns aos outros
→ escala de Mohs (1822) → 10 minerais agrupados da ordem da capacidade de serem riscados.
- mais macio → mineral talco → dureza ao risco 1
- mais duro → diamante → dureza ao risco 10
Esta escala não é conveniente para os metais!!!!!
14.2 Dureza dinâmica
Uma esfera é lançada contra uma superfície e a dureza é expressa como energia de
impacto.Medidor de dureza Shore mede a dureza dinâmica em função da altura do rebote da bilha.

34. 14.3 Dureza à penetração
Para os metais, é uma medida da resistência à deformação plástica ou permanente.
14.3.1 Dureza Brinell
Em 1900 → J.A. Brinell → O ensaio foi muito aceito, porque permite relacionar o valor de
dureza com a resistência à tração.
Ensaio → ver Figura 1!
Figura 20 – Desenho esquemático da dureza Brinell.
Ensaio → comprimir uma esfera de aço (diâmetro D) duro contra a superfície plana e limpa de
um metal com uma carga F, durante um tempo t, produzindo uma calota esférica de diâmetro d.
Dureza Brinell – Representada pelas letras HB (hardness Brinell).
F
HB = ; onde:
AC
F = Carga aplicada e AC = área da calota esférica
AC = πDp; onde p = profundidade da calota.
Fazendo-se as devidas substituições:
F
HB =
πDp
Contudo, p não é muito fácil de ser determinado. Então, faz-se uma relação entre p e d, resultando
em:
2F
HB =
(
πD D − D 2 − d 2 )
Assim, a dureza é expressa em unidades de Kgf/mm2 (1Kgf/mm2≅10N/mm2≅10MPa).
Contudo, usa-se somente o número e HB. Ex.: 100HB.
Os cálculos são dispensados no dia a dia, através do uso de uma tabela, onde estão dispostos os
valores de d e da dureza HB.
Brinell padrão:

35. Carga=3000Kg e D=10mm
Método de ensaio:
Aplica-se a carga por um tempo padrão (normalmente por 30 segundos) e o diâmetro da
impressão é medido por um microscópio de baixa ampliação. Deve-se fazer duas leituras de d
perpendiculares entre si. A superfície deve ser relativamente lisa e isenta de sujidades e película de
óxidos. Contudo, para metais muito macios, a carga de 3000Kg seria muito alta. Para diminuir a carga,
devemos também mudar o diâmetro do indentador para que se produza indentações geometricamente
similares.
Carga → deve ser tal que 0,25<d<0,5 do D. Impressão ideal se d=0,375D!
Na prática, deve se usar o fator de carga.
F
Fator de carga=
D2
Exemplo: fator de carga igual a 30, para aços e ferros fundidos, com dureza na faixa de 90 a
415HB. O fatores de carga para alguns materiais de engenharia estão apresentados na Tabela 1.
Tabela 2 – Fatores de carga de alguns materiais metálicos de engenharia.
Observação: O D é função da espessura do corpo de prova ensaiado. Espessura mínima igual a 17
vezes a profundidade da calota.
Vantagens do Método Brinell:
- Adequado (produz grandes calotas na peça, quando D=10mm) para materiais compostos por
mais de uma fase (valores de dureza discrepantes), como os ferros fundidos.
- Existe a possibilidade de se estimar a resistência à tração a partir da dureza Brinell, aplicando-
se a seguinte equação:
σ UTS = 3,6 × HB ( MPa) ou σ UTS = 0,36 × HB ( Kgf / mm 2 )
- Baixo custo de equipamento
Desvantagens do método Brinell:

36. - Só é possível se medir a dureza de materiais de média dureza, isto é, até no máximo 500Hb,
caso contrário a esfera pode sofrer deformação plástica.
- Existe a necessidade de um acabamento superficial mínimo.
- É sujeito a erros de medição.
- A impressão sendo muito grande pode inutilizar a peça.
- Não se presta para materiais que sofreram algum tipo de tratamento de superfície.
14.3.2 Dureza Rockwell
Início do século XX → muitos progressos na determinação da dureza.
1922 → Rockwell → ensaio de dureza com pré-carga.
Progressos → possibilidade de avaliar a dureza de metais diversos, desde os mais macios até os
mais duros. Contudo, também apresenta limitações.
Dureza Rockwell → a mais utilizada no mundo, pelas seguintes razões:
- rapidez
- facilidade de execução
- isenção de erros humanos
- pequeno tamanho de impressão
Indentadores utilizados → esférico (aço com elevada dureza) ou cônico (com e de diamante com
120o de conicidade).

37. Figura 21 – Esquema representando o ensaio de dureza Rockwell.
Leitura do valor de dureza Rockwell → diretamente em um registrador.
Indentador cônico → leitura na escala externa (preta).
Indentador esférico → leitura na escala interna (vermelha).
Obs.: O valor indicado na escala do mostrador (dureza Rockwell) corresponde à profundidade
alcançada pelo penetrador, de forma que uma impressão profunda corresponde a um valor baixo na
escala e uma impressão rasa corresponde a um valor alto na escala.
Obs.: O número de dureza Rockwell, ao contrário das dureza Brinell e Vickers, que têm unidades
de Kgf/mm2, é puramente arbitrário.
A dureza Rockwell é dependente da carga e do penetrador, de forma que se torna necessário
especificar a combinação que é usada. Isto é feito com uma letra indicativa. A pré-carga é de 10Kgf e
as cargas possíveis são de 60, 100 e 150Kgf.
Obs.: As escalas não têm relação entre si, de forma que não faz sentido comparar a dureza de
materiais submetidos a ensaios de dureza Rockwell, utilizando-se escalas diferentes. O quadro da
Tabela 2 mostras as principais escalas do método Rockwell.
A profundidade que o penetrador vai atingir é importante para se definir a espessura mínima do
corpo de prova, sendo que esta deve ser 17 vezes a profundidade atingida pelo penetrador.
A profundidade do penetrador (P em mm) não é possível ser medida, mas se pode estimar através
das seguintes relações:
P= 0,002 x (100-HR) → diamante
P= 0,002 x (130-HR) → esférico
Desvantagens:
- Não é uma escala contínua de dureza. Funciona para faixas de dureza.
- O valor de HR não tem relação com a resistência à tração dos materiais ensaiados.
Tabela 3 Diferentes escalas de dureza Rockwell.

38. 14.3.3 Dureza Vickers
Ensaio de dureza Vickers → resistência à penetração de uma pirâmide de base quadrada e ângulo
entre faces de 136o (ver Figura 3), sob uma determinada carga.
Tempo de aplicação de carga de 30 segundos.
HV → Kgf/mm2
Assim, pode-se também estimar a resistência à tração do material, usando-se a mesma relação
apresentada na dureza Brinell.
Cargas → podem ser de qualquer valor. Valor de dureza é independente da carga usada!!
Cargas de 1 a 120Kg são usadas, sendo que a carga ideal é função da dureza do material.

39. Figura 22 – Indentador de dureza Vickers.
Valores de Hv de 5 a 1500 podem ser obtidos.
Vantagens:
- Escala contínua de dureza
- Impressões de dureza extremamente pequenas
- Deformação nula do indentador
- Aplicação para qualquer espessura
- Relação com a resistência à tração
Desvantagens
- Necessidade de preparação cuidadosa da superfície
- Processo lento
- Sujeito a erros do operador
Ensaio de Tração
15 Curva tensão-deformação de engenharia
- Resistência dos materiais
- Controle de especificações
Teste → CP é submetido a uma força trativa uniaxial continuamente crescente, enquanto que são
feitas observações simultâneas da elongação.
Curva tensão-deformação de engenharia ou convencional → Figura 1

40. Figura 23 – Curva tensão-deformação de engenharia ou convencional.
Tensão → é a tensão longitudinal média do CP, obtida dividindo-se a carga pela área inicial da
secção reta do CP.
c arg a
Tensão → σ =
área(inicial )
Deformação → é a deformação linear média
l − lo
Deformação → ε =
lo
Obs.: Nesta situação, a curva tensão-deformação terá a mesma forma que a curva carga-
elongação.
Parâmetros para descrever a curva tensão-deformação:
1. Resistência à tração
2. Limite de escoamento
3. Elongação
4. Redução de área
As duas primeiras são parâmetros de resistência e as duas últimas são parâmetros de ductilidade.
Observações a respeito da curva:
1. Região elástica → tensão linearmente proporcional à deformação.
2. Limite de escoamento → Limite entre deformação elástica e plástica.
3. A tensão para produzir mais deformação cresce com o aumento da deformação, devido ao
encruamento.
4. O volume permanece constante durante a deformação plástica → A.l=A0l0. Alongamento
seguido pela diminuição da área da secção reta transversal.

41. 5. Na deformação uniforme, o encruamento compensa a diminuição da área da secção reta
transversal. Depois, atinge-se um ponto onde a diminuição da área da secção reta transversal é
maior do que o aumento da carga para a deformação proveniente do encruamento. Isto ocorre
em um ponto mais fraco e toda deformação plástica posterior ocorre neste ponto, ocorrendo a
formação do pescoço. Daí em diante, a tensão diminuirá continuamente até atingir a fratura.
Propriedades:
Resistência à tração → tensão máxima (ultimate tensile strength – UTS)
C arg a
σUTS=
Área _ Inicial
obs.: muita citada apesar de pouca importância prática.
Por muito tempo, foi costume basear a resistência de peças na resistência à tração,
adequadamente reduzida por um fator de segurança.
Para materiais dúcteis → projetos devem ser baseados na tensão limite de escoamento.
Contudo, por ser de fácil obtenção e muito reprodutível, é ainda usada para fins de especificações
e para controle de qualidade.
Para materiais frágeis → critério válido para projetos.
Tensão limite de escoamento → escoamento depende da sensibilidade das medidas de
deformação.
Muitos metais apresentam uma transição gradual do comportamento elástico para o plástico
ficando difícil a determinação.
Critérios para definir o escoamento → existem vários → mais usado → limite de escoamento →
tensão necessária para produzir uma pequena quantidade específica de deformação plástica.
Critério→ deformação específica → 0,2% ou ε=0,002
C arg a _ ε 0, 2%
Tensão de escoamento= Limite de escoamento convencional.
A0
Medidas de ductilidade:
Estas medidas podem interessar de três formas:
1. Indicar a extensão de deformação sem fraturar em operações de conformação mecânica.
2. Capacidade de escoamento plástico antes da fratura.
3. Avaliar a qualidade do produto.
Medidas obtidas:
a. Deformação de engenharia na fratura → elongação

42. b. Redução de área na fratura → estricção
l f − l0
Elongação =
l0
A0 − A f
Estricção =
Ao
Expressas em porcentagem!
Módulo de elasticidade ou módulo de Young (E):
É a inclinação da curva tensão-deformação na região não linear. É uma medida da rigidez do
material (componentes de aço precisam ser rígidos para ficarem dentro do apertado dimensional).
Maior o valor de E → menor é a deformação elástica.
Importância → é necessário para o cálculo de deflexão de vigas e outros componentes.
O módulo de elasticidade é uma das propriedades mecânicas mais insensíveis à microestrutura.
Existe uma pequena alteração com a adição de elementos de liga, tratamentos térmicos e deformação a
frio.
Resiliência:
É a capacidade de um material absorver energia quando deformado elasticamente e liberá-la
quando descarregado.
Tenacidade:
Capacidade de absorver energia na região plástica. A capacidade de suportar tensões acima da
tensão de escoamento sem fraturar é, particularmente, desejável em peças como engate de vagões de
carga, engrenagens, correntes e ganchos de guindastes.
É difícil de ser definido → talvez → área abaixo da curva tensão-deformação. Área representa a
quantidade de trabalho por unidade de volume que pode ser imposto no material sem causar fratura. A
Figura 2 apresenta as curvas tensão-deformação para materiais de alta e baixa tenacidade.

43. Figura 24 – Curvas tensão-deformação para materiais com alta e baixa tenacidade.
Aço mola → tem maior tensão de escoamento e resistência à tração.
Aço estrutural → maior ductilidade e grande elongação, fazendo com que apresente uma maior
tenacidade (maior área sob a curva). Assim, a tenacidade é um parâmetro que compreende tanto a
resistência como a ductilidade.
As regiões marcadas representam a resiliência. O aço mola com maior resistência tem maior
resiliência.
Curva tensão-deformação verdadeira:
As dimensões originais do CP mudam continuamente durante o ensaio, de forma que a curva
tensão-deformação de engenharia não dá uma indicação verdadeira das características de deformação
de um metal.
Engenharia → A carga aumenta com o encruamento e depois começa a cair até a fratura devido à
formação do pescoço. A tensão acompanha a carga.
Verdadeira → O encruamento ocorre até a fratura, mesmo com a formação do pescoço. Acontece
que a área diminui constantemente e a tensão aumenta até a fratura. A Figura 3 mostra as curvas
tensão-deformação de engenharia e verdadeira.

44. Figura 25 – Curvas tensão-deformação de engenharia e verdadeira.
Efeito da temperatura nas propriedades de escoamento:
Em geral, a resistência diminui e a ductilidade aumenta com o aumento da temperatura. Diminui
também o módulo de elasticidade (ver Figura 4).
Figura 26 – Variação das propriedades mecânicas com o aumento da temperatura.

45. Fadiga dos metais
16 Fadiga
Fadiga mecânica é a degradação das propriedades mecânicas levando à falha do material ou de
um componente sob carregamento cíclico.
No geral, fadiga é um problema que afeta qualquer componente estrutural ou parte que move.
Exemplos: automóveis nas ruas, aviões (principalmente nas asas) no ar, navios em alto mar,
constantemente em choque com as ondas, reatores nucleares etc....(perceba então a importância do
fenômeno de fadiga). Pode-se afirmar que 90% das falhas em serviço de componentes metálicos que
experimentam movimento de um jeito ou de outro é devido à fadiga. Freqüentemente, a superfície de
fratura por fadiga irá mostrar algumas características macroscópicas de fácil identificação e associação
ao fenômeno da fadiga, tais como as marcas de praia (ver Figura 1).
Figura 27 – Representação esquemática da superfície de fratura em um aço.
A Figura 1 mostra um esquema da superfície de fratura de um aço que falhou por fadiga. As
principais características a serem observadas neste tipo de falha são um ponto ou sítio de iniciação da
trinca (geralmente na superfície); uma região de propagação de trinca mostrando as marcas de praia e
uma região de fratura rápida, onde o comprimento de trinca excede um valor crítico. Tipicamente, a
falha sob carregamento cíclico ocorre a níveis de tensões muito mais baixos do que sobre
carregamento monotônico (ensaio de tração).

46. 16.1 Parâmetros de fadiga e as curvas S-N
Primeiramente, apresentaremos os parâmetros de fadiga que estão apresentados na Figura 2.
Figura 28 – Parâmetros de fadiga.
Intervalo da tensão cíclica: ∆σ = σmax-σmin
Amplitude da tensão cíclica: σa = (σmax-σmin)/2
Tensão média: σm = (σmax+σmin)/2
Razão de tensão: R = σmin/σmax,
onde σmax e σmin são os máximos e mínimos níveis de tensões, respectivamente.
A tensão estática aplicada eqüivale à tensão média e é a amplitude da tensão cíclica que provoca a
ruptura por fadiga.
Tradicionalmente, o comportamento de um material sobre fadiga é descrito por curvas S-N (ou σ-
N) (ver Figura 3), onde S (ou σ) é a tensão e N é o número de ciclos para a falha. Estas curvas são
muitas vezes chamadas de Curvas de Wöhler.
Figura 29 – Curvas S-N ou curvas de Wöhler.

47. Para aços, em geral, observa-se um limite de fadiga (curva A na Figura 3), o qual representa um
nível de tensão abaixo do qual o material não falha e pode ser carregado ciclicamente indefinidamente.
Este limite de fadiga não existe para materiais não-ferrosos (curva B na figura).
16.2 Resistência à fadiga ou vida em fadiga
Tradicionalmente, a vida em fadiga tem sido apresentada na forma de uma curva S-N (Figura 3).
De acordo com esta medida, resistência à fadiga refere-se à capacidade de um material resistir a
condições de carregamento cíclico. Contudo, na presença de deformação plástica medível, os
materiais respondem diferentemente à deformação cíclica do que à tensão cíclica. Assim, espera-se que
a resposta em fratura de um material sobre condições cíclicas irá mostrar uma similar diferença. Pode-
se então dizer que o mecanismo de fadiga ocorre por efeitos de deformação plástica no material. O
carregamento cíclico irá produzir tensões cíclicas que, por sua vez, irão produzir deformações cíclicas.
Estas deformações cíclicas são elásticas a um primeiro instante. Contudo, com o tempo, pequenas
deformações plásticas surgem a partir de defeitos microestruturais ou descontinuidades geométricas.
Estas deformações plásticas são deformações permanentes e crescem com o tempo. Portanto, para que
ocorra uma falha por fadiga é necessário que três fatores sejam aplicados simultaneamente no material,
isto é, solicitações dinâmicas (cargas cíclicas), solicitações de tração e deformação plástica.
16.3 Etapas do processo de fadiga
As rupturas promovidas por processos de fadiga distinguem-se por apresentarem três estágios
conhecidos. O primeiro estágio é o que abrange o período de nucleação da falha, onde a iniciação
ocorre devido à máxima tensão principal de cisalhamento a 45o com a tensão principal de tração
aplicada. O segundo estágio compreende a propagação de uma trinca, na direção ortogonal à tensão de
tração. Finalmente, ocorre a ruptura catastrófica, que é o terceiro estágio, no momento em que a seção
resistente diminui o suficiente para que não mais suporte um ciclo de carga e rompa por sobrecarga.
16.3.1 Nucleação da trinca em fadiga
Trincas de fadiga nucleiam em singularidades ou descontinuidades na maioria dos materiais.
Descontinuidades podem estar na superfície ou no interior do material. As singularidades podem ser
estruturais (tais como inclusões ou partículas de segunda fase) ou geométricas (tais como riscos). Uma
explicação para a nucleação preferencial de trincas de fadiga na superfície pode ser devido ao fato que
a deformação plástica é mais fácil na superfície e que os degraus de escorregamento ocorrem também
na superfície, além do fato que a máxima tensão estará sempre posicionada em algum ponto da
superfície. Contudo, trincas de fadiga também podem iniciar no interior do corpo de prova (em
descontinuidades ou defeitos internos). Degraus de escorregamento sozinhos podem ser responsáveis

48. pela nucleação de trincas ou estes podem interagir com defeitos estruturais ou geométricos para formar
as trincas. Singularidades superficiais podem estar presentes desde o começo ou podem se desenvolver
durante a deformação cíclica, com por exemplo, a formação de intrusões e extrusões, as quais são
chamadas de bandas de escorregamento persistentes em metais.
Estas intrusões e extrusões são sítios ou locais preferenciais de nucleação de trincas por fadiga.
Um modelo de formação destas imperfeições é apresentado na Figura 4. A Figura 5 apresenta uma foto
real destas imperfeições.
Figura 30 – Nucleação de trinca por fadiga nas bandas de escorregamento.
Figura 31 - Extrusões e intrusões em uma chapa de cobre
Estes defeitos ocorrem durante carregamento cíclico e podem crescer e formar uma trinca através
de contínua deformação plástica.
Desde que a maioria das falhas por fadiga ocorrem na superfície de um material, a condição da
superfície é muito importante. Justamente, o polimento da superfície pode aumentar significativamente
a vida em fadiga de um material.

49. 16.3.2 Propagação da trinca em fadiga
A propagação corresponde ao crescimento da trinca num plano perpendicular à direção da tensão
normal principal (plano de carregamento). Este segundo estágio é o mais característico da fadiga. É
sempre visível a olho nú e pode corresponder a uma grande parte da seção resistente. A superfície de
fratura tem uma textura lisa e avança de forma semicircular (formação das estrias de fadiga).
Para grandes amplitudes de tensão, uma fração muito grande da vida em fadiga (por volta de
90%) ocorre no estágio de crescimento ou propagação da trinca. Para um componente que possui um
entalhe, esta parcela torna-se ainda maior. Visto que, intrinsecamente os processos de fabricação
formarão trincas ou defeitos nos materiais, a parte de propagação pode ser uma das etapas mais
importantes no processo de fadiga.
Algumas trincas nuclearão na superfície e propagarão de acordo com direções preferenciais
(estágio I. Não confundir com o estágio I de nucleação de trinca) nos planos orientados,
aproximadamente, a 45o do plano de carregamento (ver Figura 6).
Figura 32 – Estágios I, II e III da propagação de trinca em fadiga.
Durante este estágio, a propagação de trinca é da ordem de poucos micrometros ou menos por
ciclo . Após estes estágio, uma trinca dominante de poucas dezenas de milímetros começa a propagar
numa direção perpendicular ao plano de carregamento. Este é chamado de estágio II e a superfície de
fratura apresenta marcas de estrias ou estriações. Freqüentemente, cada estria representa um ciclo de
carregamento (ver Figura 7).

50. Figura 33 – Estrias de fadiga em uma liga de alumínio.
Existe uma outra importante característica no estágio II de fadiga, isto é, as chamadas “marcas de
praia”. Assim como as estrias, as marcas de praia também são semicirculares mas são, entretanto,
visíveis a olho nú. As marcas de praia podem ser originadas através dos diferentes graus de oxidação
produzidos nas sucessivas paradas para repouso do equipamento ou pela variação nas condições de
carregamento. Estas marcas representam milhares ou mesmo milhões de ciclos e elas apontam para o
local de início de propagação de trinca (ver Figura 1). A proporção entre a etapa de propagação e a
ruptura final indicam o grau de sobrecarga da peça ou o coeficiente de segurança aplicado.
A partir de um certo tamanho de trinca, todo o sistema torna-se instável e a seção remanescente
do componente não consegue suportar mais a carga aplicada e o material entra em fratura catastrófica
(estágio III).
16.4 Fatores que afetam a vida em fadiga dos materiais
Muitos são os fatores que afetam a vida em fadiga dos materiais. Podem ser considerados os
expostos a seguir:
- Efeitos superficiais
- Tamanho da peça
- Temperatura
- Concentração de tensões
- Fatores microestruturais
Acabamento superficial: Quanto melhor for o acabamento superficial ou melhor quanto mais
liso estiver o componente, maior é a resistência à fadiga.

51. Tamanho da peça: Quanto maior é o componente, menor é a sua resistência à fadiga. De uma
maneira mais simples, pode-se associar a influência do tamanho da peça na vida em fadiga,
simplesmente, considerando o efeito do acabamento superficial. Assim, é possível imaginar a
diminuição da resistência à fadiga com o aumento da dimensão do componente.
Temperatura: Considerando temperaturas abaixo da ambiente, tem sido observado que os
metais apresentam um aumento na sua resistência à fadiga com o decréscimo da temperatura. Para
mais altas temperaturas, a deformação plástica que é um fator extremamente importante em fadiga,
torna-se mais intensa, diminuindo a vida em fadiga.
Concentração de tensões: Todas as descontinuidades tais como entalhes, furos e ranhuras
modificam a distribuição de tensões, acarretando em um aumento de tensões localizadas. Com este
aumento de tensão localizado, o carregamento torna-se mais severo, diminuindo a vida em fadiga do
material.
Efeitos microestruturais: O comportamento em fadiga dos aços é uma função da
microestrutura apresentada, bem como do nível de inclusões não metálicas presentes. Um material
temperado e revenido tem melhores características quanto à fadiga, que no seu estado normalizado ou
recozido. Estes efeitos observados são diretamente relacionados ao aumento no limite de escoamento
do material, uma vez que a iniciação de trincas por fadiga envolve deformação plástica localizada.
Variações metalúrgicas que dificultem a deformação plástica levam a um aumento na resistência à
fadiga. Maiores quantidades de inclusões diminuem a resistência à fadiga dos materiais.
16.5 Testes de fadiga
Entre muitas razões para se realizarem testes de fadiga, pode-se citar a necessidade de se
desenvolver um melhor entendimento do comportamento em fadiga de um material e a necessidade de
se obter mais informações práticas da resposta em fadiga de um componente ou estrutura.
16.5.1 Teste de fadiga convencional
Convencionalmente, testes de fadiga tem sido realizados através da aplicação de uma faixa de
tensão cíclica (intervalo) em um dado material e se observar o número de ciclos para a falha. Os
resultados são apresentados na forma de curvas S-N (ver Figura 3). Existem dois tipos principais de
carregamento: testes de fleção-rotação (mais popular) e testes de tensões diretas.

52. Figura 34 – Representação esquemática da superfície de fratura em um aço.
Figura 35 – Parâmetros de fadiga.
Intervalo da tensão cíclica: ∆σ = σmax-σmin
Amplitude da tensão cíclica: σa = (σmax-σmin)/2
Tensão média: σm = (σmax+σmin)/2
Razão de tensão: R = σmin/σmax,
Figura 36 – Curvas S-N ou curvas de Wöhler.
Figura 37 – Nucleação de trinca por fadiga nas bandas de escorregamento.

53. Figura 38 - Extrusões e intrusões em uma chapa de cobre
Figura 39 – Estágios I, II e III da propagação de trinca em fadiga.
Figura 40 – Estrias de fadiga em uma liga de alumínio.

57. Ensaio de Compressão
Não é muito usado para os metais, porque a determinação das propriedades mecânicas é
dificultada devido:
- Existência de atrito entre o corpo de prova e as placas da máquina (formação de um barril).
- Possibilidade de flambagem.
- Dificuldade de medida dos valores numéricos do ensaio.
Resposta dos diferentes materiais:
- Dúcteis → somente é possível se determinar as propriedades referentes à zona elástica, sendo
impossível medir a carga máxima ou de ruptura. Isto ocorre porque, com a deformação de um
metal dúctil, a seção transversal aumenta continuamente, aumentando a resistência do material
(contrário do ensaio de tração). Assim, o metal não rompe, ficando cada vez mais achatado até se
transformar em um disco (ver Figura 1). Ex.: Cobre.
Figura 41 – Ensaio de compressão em um metal dúctil. Deformação sem ruptura.
- Frágeis → Não tem deformação lateral apreciável e a ruptura ocorre por cisalhamento e
escorregamento, ao longo de um plano inclinado de, aproximadamente, 45o (ver Figura 2). Ex.: Ferro
fundido cinzento.

58. Figura 42 – Ensaio de compressão em um metal frágil. Ruptura sem deformação lateral.
Contudo, neste caso, pode-se determinar algumas propriedades da zona plástica, tal como a
resistência e a tensão de ruptura, que para este caso coincidem. Uma outra vantagem seria a
possibilidade de prever o comportamento do material em compressão, como no caso de operações de
forjamento. Além disso, os corpos de prova são de geometria simples e com pequeno volume de
material.
Cuidados:
A manutenção da completa axialidade da carga é fundamental. Se a amostra é muito alta em
relação ao seu diâmetro, isto pode representar uma grande dificuldade. Cargas não axiais induzem uma
força de flexão na amostra, que potencialmente causará a flambagem. O alinhamento das placas de
carregamento para impor carregamento uniaxial é fácil se a área de contato for grande. Contudo, outros
problemas surgem. A força de fricção entre a amostra e a placa tende a restringir a deformação, o que
implica na formação do “barril”. O efeito disso é que na meia altura da amostra, teremos deformação
plástica enquanto que, junto às placas, a deformação será elástica. Esta relação de deformação elástica/
plástica aumenta com o decréscimo de altura. Para tanto, escolhe-se uma relação de 3 por 1 de altura e
diâmetro para minimizar este efeito.
Traça-se a curva tensão-deformação, bem como todos os cálculos como no ensaio de tração.
Compressão em metais dúcteis:
Como no ensaio de tração, pode-se determinar, no ensaio de compressão, as propriedades
referentes à zona elástica, sendo as mais medidas, o limite de escoamento (ou 0,2%) e o módulo de
elasticidade. O comprimento útil para a medida da deformação deve estar localizado relativamente
longe, cerca de 1 diâmetro de corpo de prova, do contato das placas da máquina. Para regiões próximas
às placas, a deformação não é uniforme e o escoamento é então falso.

59. O corpo de prova usualmente adotado tem a forma cilíndrica com a relação
comprimento/diâmetro variando de 3 até no máximo 8. Em todo o caso, o comprimento não deve ser
muito grande para evitar a flambagem, nem muito curto para que não haja muito atrito com as placas
da máquina.
Na fase plástica, pelo aumento da seção transversal, a curva real de compressão fica abaixo da
curva convencional (já no ensaio de tração ocorre o oposto).
Compressão de metais frágeis:
O ensaio de compressão é mais utilizado para o caso de metais ou outros materiais frágeis (como
rochas e concreto). As dimensões do corpo de prova influem no tipo de fratura. No caso do ferro
fundido, usa-se geralmente corpos de prova cilíndricos, com um comprimento igual a duas ou três
vezes o diâmetro, relação esta que deve ser citada com os resultados dos ensaios.
Para ferros fundidos, onde a ductilidade é muito pequena, a propriedade mais importante é o
limite de resistência à compressão, que difere em valor do limite de resistência à tração, sendo
geralmente maior que esse. O limite de resistência à compressão é calculado pela carga máxima
dividida pela seção original do corpo de prova. Para materiais frágeis, o ensaio de compressão pode ser
realizado na própria peça acabada, obtendo-se assim apenas a carga de ruptura.

60. Fluência
A resistência dos metais diminui com o aumento da temperatura. Inclusive, a alta temperatura,
maior é a mobilidade das discordâncias. Visto que o mecanismo de deformação plástica dos metais
envolve o movimento de discordâncias (lembrar da aula de deformação dos metais), maior será a
deformação dos metais a alta temperatura. Além disso, outros mecanismos de deformação podem ser
acionados a alta temperatura. Portanto, todos estes aspectos indicam que a deformação plástica dos
metais é facilitada em altas temperaturas!
Se pensarmos em equipamentos ou estruturas que operam a alta temperatura, torna-se claro que
esta deformação irreversível contínua ou quase contínua que ocorre a uma carga constante a elevada
temperatura, conhecido como fluência, pode levar a falhas catastróficas, sendo então de grande
importância tecnológica. Exemplos que podem ser citados são caldeiras, vasos de pressão e tubulações
de vapor, em plantas geradoras de eletricidade, bem como em refinarias de petróleo e indústrias
petroquímicas. Nestes casos, a temperatura raramente ultrapassa os 600oC. Contudo, com a criação de
turbinas a gás, foguetes e mísseis, a temperatura de trabalho pode chegar a 1100oC.
Com tudo isso, existe um crescente interesse no desenvolvimento de novos materiais resistentes a
alta temperatura. Na verdade, os materiais disponíveis no mercado limitam o rápido avanço tecnológico
nesta área.
Os ensaios mecânicos usuais são realizados à temperatura ambiente e o fator tempo não precisa
ser considerado. Na temperatura ambiente, se fizermos o ensaio de tração em 2 horas ou 2 minutos.
Entretanto, a elevada temperatura, a resistência mecânica se torna dependente da taxa de carregamento
e do tempo de exposição. Assim, pode-se dizer que materiais diferentes se comportam distintamente a
alta temperatura. Agora, alta temperatura para um metal pode não ser para outro. Resolve-se o
problema através da utilização da temperatura homóloga. Temperatura homóloga é expressa pela razão
entre a temperatura de teste e o ponto de fusão na escala absoluta de temperatura (Kelvin).
TTESTE
THOMÓLOGA =
TFUSÂO (K )
Para aplicações de engenharia, o fenômeno de fluência se torna importante para temperaturas
homólogas maiores do que 0,5.
Portanto, para avaliar a resistência dos materiais a elevada temperatura e descobrir se um
específico design irá resistir dentro da vida útil desejada, é necessário que se façam testes de fluência.
Estes devem ser realizados em função do tempo de vida útil esperado do material. Os testes de fluência

61. podem, de uma maneira geral, ser divididos em dois grandes grupos, isto é, os testes de fluência
propriamente ditos e os testes de ruptura em fluência.
Nos testes de fluência, baixas tensões são empregadas, visto que não de deseja fraturar o corpo de
prova. A ênfase é dada na exata determinação da deformação ao longo do tempo, particularmente na
taxa mínima de fluência (será explicado a seguir). Os testes são conduzidos por longos períodos de
tempo (entre 2.000 e 10.000 horas, alguns testes podem chegara a 10 anos) e as deformações medidas
são bastante baixas (<0,5%). A Figura 1 apresenta uma configuração que pode ser usada para a
realização de um ensaio de fluência.
Figura 43 – Esboço de um aparelho utilizado para o ensaio de fluência.
O ensaio de fluência é executado pela aplicação de uma carga uniaxial (carga de tração pura)
constante a um corpo de prova (CP) de mesma geometria daqueles utilizados no ensaio de tração, a
uma temperatura elevada e constante. Como já comentado, o tempo de aplicação da carga é,
principalmente, função da vida útil esperada do componente, que será fabricado com o material
submetido ao ensaio. As deformações que ocorrem no CP são medidas em função do tempo de
realização do ensaio e indicadas na forma de uma curva de fluência ou uma curva deformação (ε)
versus (t), como a apresentada na Figura 2.

62. Figura 44 – Esboço representativo de uma curva de fluência típica.
Estágios de fluência
Existe uma deformação inicial praticamente instantânea composta (parte elástica e parte plástica),
decorrente da aplicação da carga a alta temperatura.
Na fluência primária ou estágio I, a taxa de fluência é decrescente. Neste estágio, a resistência à
fluência do material aumenta com a deformação, devido ao encruamento que o material experimenta ao
ser deformado plasticamente.
Na fluência secundária ou estágio II, a taxa ou velocidade de fluência é, praticamente, constante.
Este efeito é resultado de um balanço entre processos que competem (encruamento e recristalização).
Por esta razão que o estágio II é também conhecido como estado estacionário de fluência. O valor
médio da taxa de fluência durante o estágio II é chamado de taxa ou velocidade mínima de fluência.
Na fluência terciária, ocorre uma redução significativa da seção resistente devido ao efeito do
“empescoçamento” ou formação interna de vazios de fluência e ruptura final do material. A velocidade
de deformação aumenta, visto que ocorre um aumento da tensão pela diminuição da área resistente.
Para calcular a taxa ou velocidade de fluência, deve-se dividir a deformação que o material está
sofrendo pelo tempo para causar esta deformação. Em outras palavras, basta se obter a derivada de cada
ponto da curva de fluência da Figura 2, obtendo-se assim a curva da taxa ou velocidade de fluência em
função do tempo (ver Figura 3).
Figura 45 – Taxa ou velocidade de fluência em função do tempo.

63. O estágio II de fluência é o mais longo. Assim, determinando-se a taxa mínima de fluência, pode-
se fazer extrapolações para se estimar a vida em serviço de determinados componentes que operem em
condições de fluência.
Os fatores que afetam a fluência:
- A velocidade de fluência aumenta com a temperatura.
- A velocidade de fluência aumenta com a tensão aplicada.
- O tempo para ocorrer a ruptura diminui pelo aumento da temperatura.
Os mecanismos de fluência estão relacionados com o movimento de discordâncias no interior dos
grãos (deformação plástica). Em temperaturas baixas, a deformação é restringida, pois os movimentos
de discordâncias são interrompidos pelos contornos de grão ou pelas impurezas. Entretanto, em
temperaturas mais elevadas, os movimentos atômicos (maior mobilidade atômica) permitem que as
discordâncias “pulem” ou passem de um plano para outro dando continuidade à deformação plástica.
Com o aumento da temperatura, o papel do contorno de grão pode mudar. Ele deixa de resistir e passa a
auxiliar a deformação. A temperatura em que ocorre esta inversão é denominada de temperatura
equicoesiva. Assim, um material de tamanho de grão grosseiro pode ser mais resistente à fluência, se a
temperatura de operação for acima da temperatura equicoesiva. Assim, ligas metálicas resistentes à
fluência devem conter elementos de liga que “travam” o movimento de discordâncias, diminuindo a
deformação (fluência) ao longo do tempo.
Quanto aos testes de ruptura por fluência, nestes grandes deformações serão medidas (~50%),
sendo que, portanto, maiores tensões e temperaturas serão aplicadas. Nestes testes, os corpos de prova
são levados até a ruptura, sendo que tempos bem menores de ensaio são utilizados (<1.000 horas).
Visto que são testes mais rápidos e de mais fácil execução, estes têm se tornado mais populares,
principalmente para avaliar a resistência mecânica de novos materiais a alta temperatura. Ainda que a
deformação total possa ser medida, a informação mais desejada é o tempo necessário para causar a
fratura, uma dada tensão e temperatura. O tipo de resultado produzido pode ser observado na Figura 4.
Figura 46 – Curva log-log de um ensaio de ruptura em fluência.

64. Ensaio de Impacto Charpy
17 Fratura
Podemos ter dois tipos de fratura dos metais, isto é, a fratura dúctil, na qual a deformação plástica
continua até uma redução de 100% na área e a fratura frágil, na qual as partes adjacentes do metal são
separadas por tensões normais à superfície da fratura. Como a fratura frágil não produz deformação
plástica, ela requer menos energia que uma fratura dúctil, na qual se consome energia na formação de
discordâncias e outras imperfeições no interior dos cristais.
Um contraste esquemático entre a fratura frágil e a dúctil é de grande valia. A Figura 1 mostra as
tensões relativas necessárias para ambos os tipos de fratura. No caso (a), a fratura que se dá é dúctil,
pois a tensão necessária para a fratura frágil é maior que para a dúctil. É o caso dos metais CFC. No
caso (C), a fratura ocorre antes da deformação por cisalhamento, o que acontece para o vidro e o ferro
fundido cinzento. No caso (b), há uma superposição que é típica para muitos metais entre os quais o
ferro. A deformação plástica se inicia, mas o encruamento aumenta a tensão tolerável, até que a
resistência à ruptura seja ultrapassada. Consequentemente, é comum encontrar metais que sofram
alguma estricção antes de se romperem de forma frágil.
Figura 47 – Resistência à fratura e ao cisalhamento. (a) Fratura dúctil. (b) Fratura mista. (c)
Fratura frágil. A cruz indica o ponto de ruptura.
Por mais de um século, o teste de impacto Charpy tem sido empregado como um teste válido para
avaliar a tenacidade ao impacto de um material. Na configuração original, mede-se a energia
consumida para promover a fratura de um corpo de prova entalhado com uma seção transversal de
80mm2. Se a energia consumida for plotada contra a temperatura de ensaio, muitos aços apresentam
pequenos valores de energia a baixas temperaturas, as quais se elevam a medida que a temperatura
aumenta, em um regime de transição até atingir um “plateau” para altas temperaturas. Uma operação
segura de um componente ou estrutura somente é possível se a temperatura de operação está acima do
regime de transição. Portanto, define-se a temperatura de transição como sendo aquela em que o

65. material passa de um comportamento dúctil (fratura dúctil) para um comportamento frágil (fratura
frágil). Assim como existem os tipos de fratura, existem os mecanismos de fratura, isto é, dúctil e
frágil, de forma que o mecanismo de fratura dúctil consome uma grande quantidade de energia (ver
Figuras 2 e 3), enquanto que o mecanismo frágil consome uma pequena quantidade de energia (ver
Figuras 4 e 5).
Figura 48 – Cobre comercialmente puro. Fratura e mecanismo de fratura dúcteis.
Figura 49 – Aço baixo carbono na temperatura ambiente. Fratura e mecanismo de fratura
dúcteis.

66. Figura 50 – Latão. Fratura e mecanismo de fratura frágeis.
Figura 51 – Aço baixo carbono a –190oC. Fratura e mecanismo de fratura frágeis.

67. Figura 52 – Tipos de corpos de prova Charpy.
Figura 53 – Equipamento utilizado para a realização do ensaio de Charpy.

68. A Figura 8 apresenta o resultado dos ensaios de impacto Charpy em vários aços ao carbono com
diferentes quantidades deste elemento.
Figura 54 – Energia consumida em função da temperatura para vários aços ao carbono.
Ensaio de Embutimento
18 Ensaios de Estampabilidade
Durante uma seqüência de estamparia complexa de chapas finas podem coexistir várias
operações, que são denominadas genericamente de conformação de chapas. Entre essas operações,
destacam-se o estiramento, ou repuxamento, e a estampagem. Os ensaios mais utilizados para se
determinar as características de estampabilidade são ensaios que simulam estas duas operações.
Existem inúmeros ensaios de estampabilidade, dos quais os mais empregados são os ensaios de
embutimento Erichsen, o ensaio Olsen e o ensaio de Nakazima, em que predomina a operação de
estiramento, e o ensaio Swift, em que predomina a operação de estampagem.
O processo de estiramento consiste em afinar a espessura de uma chapa por meio de um punção,
prendendo-se a chapa numa matriz, de modo a impedir que o material deslize para dentro da matriz. No
caso do processo de estampagem, por outro lado, a chapa não é presa, sendo então arrastada para dentro
da matriz durante a operação. Dificilmente, em um processo de conformação de chapas, ter-se-á
estiramento ou estampagem puros. Sempre existirá uma combinação destas duas operações com outras
(dobramento, corte, etc...).

69. O ensaio Erichsen é padronizado por normas internacionais, sendo freqüentemente realizado para
comparação de materiais e para se verificar se a chapa possui a ductilidade desejada.
18.1 Ensaios de estiramento
Os ensaios de estiramento são realizados em máquinas apropriadas, onde se coloca a chapa entre
uma matriz e um anel de fixação, sendo presa por uma carga de compressão. O punção aplica uma
carga que força a chapa a se abaular, formando um copo (ver Figura 1). Esses ensaios avaliam a
profundidade do copo no momento da estricção ou no momento em que ocorra a ruptura do copo. O
punção tem cabeça esférica, com 20mm de diâmetro, sendo que utiliza-se graxa grafitada no punção
como lubrificante. No ensaio Erichsen, o resultado final é a medida da altura do copo (em milímetros)
no momento em que se dá a fratura no topo do copo. A altura do copo após o ensaio é o índice Erichsen
de embutimento (IE). Existem várias especificações de chapas na ABNT que exigem um valor mínimo
para o índice de Erichsen para cada espessura de chapa, ou tipo de estampagem para qual a chapa foi
fabricada (média, profunda ou extraprfunda).
Figura 55 – Ensaio de embutimento Erichsen.
Algumas máquinas são equipadas com dinamômetros, que medem a força aplicada pelo punção
durante o ensaio. Assim, pode-se tomar a queda brusca da carga, no momento da ruptura do corpo de
prova, como o fim do ensaio. A importância de se registrar a carga de fratura se justifica pelo fato de
que duas chapas supostamente semelhantes, quando ensaiadas nas mesmas condições, podem
apresentar a mesma altura do copo (mesma ductilidade), porém uma das chapas pode precisar de uma
carga muito maior do que a outra. Assim, a chapa que rompeu com a carga menor seria a chapa

70. preferida, visto que numa operação de estiramento da chapa mais resistente, ocorreria muito mais
deformação da prensa, o que poderia acarretar danos do equipamento, caso a operação tivesse sido feita
próximo da sua capacidade máxima.
Apesar de muito simples e muito utilizado, o ensaio Erichsen apresenta como maior desvantagem
uma má reprodutibilidade, como conseqüência do emprego de pressões diferentes para a fixação da
chapa na matriz, a diferenças de rugosidades nas matrizes e nos punções das diversas máquinas
existentes e, principalmente, devido à qualidade diversificada do lubrificante utilizado e à velocidade
do ensaio.