Tec mat 1

FUNDAÇÃO DE APOIO À ESCOLA TÉCNICA
Centro de Ensino Técnico e Profissionalizante
Quintino
ESCOLA TÉCNICA ESTADUAL REPÚBLICA
DEPARTAMENTO DE MECÂNICA

Tecnologia dos Materiais I

Prof.: Antonio José R S Cruz e Hélio França Jr.

Sum´rio
a

1 INTRODUCAO¸˜ 1
´
1.1 PERSPECTIVA HISTORICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
ˆ
1.2 IMPORTANCIA DO ESTUDO DOS MATERIAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
ˆ
1.3 CIENCIA DOS MATERIAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
¸˜
1.4 CLASSIFICACAO DOS MATERIAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 5
ˆ
2.1 PROPRIEDADES MECANICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
´
2.2 PROPRIEDADES TECNOLOGICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
´
2.3 PROPRIEDADES TERMICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
´
2.4 PROPRIEDADES ELETRICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.5 PROPRIEDADES ELETROMAGNETICAS ´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.6 PROPRIEDADES F´ISICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.7 PROPRIEDADES QU´ IMICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
´
2.8 PROPRIEDADES OPTICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3 ESTRUTURA DOS MATERIAIS 11
3.1 ESTRUTURA CRISTALINA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2 SISTEMAS CRISTALINOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.3 ESTRUTURA CRISTALINA DOS PRINCIPAIS METAIS . . . . . . . . . . . . 12
3.4 ALOTROPIA OU POLIMORFISMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

4 MATERIAIS METALICOS ´ 15
4.1 METAIS FERROSOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.1.1 USINAS INTEGRADAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
´
4.1.1.1 MATERIA-PRIMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.1.1.1.1 Min´rio de ferro . . . .
e . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.1.1.2 Opera¸˜es sider´rgicas . . . . .
co u . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4.1.2 USINAS MINI-MILLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
´
4.1.2.1 MATERIA-PRIMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
¸˜
4.1.2.2 OPERACOES SIDERURGICAS ´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
´
4.1.3 PRODUTOS SIDERURGICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.1.3.1 ACOS . . . . . . . . . . . . . . .
¸ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.1.3.2 FERROS FUNDIDOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
˜
4.2 METAIS NAO-FERROSOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2.1 ALUM´ INIO E SUA LIGAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2.2 COBRE E SUA LIGAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2.3 N´IQUEL E SUAS LIGAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
´
4.2.4 MAGNESIO E SUAS LIGAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2.5 CHUMBO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

i

4.2.6 ˆ
TITANIO E SUAS LIGAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2.7 ZINCO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2.8 ESTANHO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

´
5 MATERIAIS POLIMERICOS 50
´
5.1 PLASTICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
ˆ
5.2 ELASTOMEROS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

ˆ
6 MATERIAIS CERAMICOS 57

´
7 MATERIAIS COMPOSITOS 58

ii

Cap´
ıtulo 1

¸˜
INTRODUCAO

1.1 ´
PERSPECTIVA HISTORICA
Os materiais estõ tõ profundamente enraizados em nossa cultura que a maioria de n´s nem
a a o
percebe sua presen¸a. Nos transportes, nas casas, nas roupas, nos meios de comunica¸õ, na
c ca
recrea¸õ, e at´ na produ¸õ de alimentos - inevitavelmente todos segmentos de nossas vidas sõ
ca e ca a
influenciados de uma maneira ou de outra pelos materiais. Historicamente, o desenvolvimento e
o avan¸o das sociedades tem sido intimamente ligado ` habilidade dos membros para produzir
c a
e manipular os materiais para satisfazer suas necessidades. De fato, as primeiras civiliza¸˜esco
foram designadas pelo n´ do desenvolvimento de seus materiais (isto ´, Idade da Pedra, Idade
ıvel e
do Bronze, etc.).
No in´ ıcio da civiliza¸õ, os homens tinham acesso a um n´mero muito limitado de materiais,
ca u
todos retirados diretamente da natureza. Descobriram tćnicas para produ¸õ de materiais
e ca
com propriedades superiores aos naturais, alterando-as atrav´s de tratamentos t´rmicos ou pela
e e
adi¸õ de outras substˆncias. Nesses novos materiais incluem-se a cerˆmica e v´rios metais.
ca a a a
Neste ponto, os materiais eram escolhidos atrav´s de um processo de sele¸õ, ou seja, eram
e ca
selecionados dentre um n´mero restrito de materiais, os que possu´
u ıam as melhores propriedades
para determinada aplica¸õ. Somente em tempos recentes os cientistas vieram a entender as
ca
rela¸˜es entre as estruturas dos materiais e suas propriedades. Esse conhecimento, adquirido nos
co
ultimos 60 anos, nos permitiu dar um grande passo no entendimento das suas caracter´
´ ısticas.
Assim, dezenas de milhares de materiais diferentes evolu´ ıram com caracter´
ısticas bastante es-
pec´ıficas que satisfazem `s necessidades de nossa sociedade moderna e complexa, tais como,
a
metais, pl´sticos, vidros, etc.
a
O desenvolvimento de tecnologias que propiciam maior conforto estõ intimamente associadas ao
a
acesso ` materiais adequados. Um avan¸o na compreensõ de um tipo de material ´ muitas vezes
a c a e
o precursor de um grande desenvolvimento tecnol´gico. Por exemplo, os autom´veis nõ teriam
o o a
sido poss´ ıveis sem a disponibilidade de a¸o barato ou algum outro substituto adequado. Em
c
nossos dias, sofisticados equipamentos eletrˆnicos utilizam componentes fabricados com certos
o
materiais chamados semicondutores, surgidos ap´s a IIa Guerra Mundial.
o

1.2 ˆ
IMPORTANCIA DO ESTUDO DOS MATERIAIS
Todo projetista, seja ele cientista, engenheiro ou mesmo designer , estar´ exposto a problemas de
a
projeto que envolvem materiais. Como exemplo, podemos mencionar uma engrenagem de trans-
missõ, a superestrutura dos arranha-cús, um componente de uma refinaria de petr´leo, ou um
a e o
circuito integrado de um ”chip”. E os cientistas e engenheiros de materiais sõ os profissionais
a
que estõ totalmente envolvidos na investiga¸õ e desenvolvimento dos materiais utilizados em
a ca
todos esses projetos. Muitas vezes, o problema relacionado com materiais ´ selecionar correta-
e

1

Curso Tćnico de Mecˆnica - Tecnologia dos Materiais I
e a 2

mente apenas um dentre os milhares dispon´ ıveis. H´ v´rios crit´rios em que a decisõ final ´
a a e a e
normalmente baseada. Em primeiro lugar, deve-se analisar as condi¸˜es de trabalho para de-
co
terminar a ordem das propriedades que o material deve possuir. Muito raramente o material
possui a combina¸õ das propriedades ideais exigidas. Assim, pode ser necess´rio optar por uma
ca a
caracter´
ıstica ou outra. O exemplo cl´ssico envolve a dureza e a ductilidade; normalmente, um
a
material de alta dureza possui baixa ductilidade. Em certos casos, ´ necess´rio que duas ou
e a
mais propriedades estejam de acordo para seu aproveitamento. Em segundo lugar, est´ a dete-
a
riora¸õ a qual o material sofrer´ durante sua opera¸õ de servi¸o. Por exemplo, um material
ca a ca c
pode sofrer uma significante redu¸õ na sua resistˆncia mecˆnica se for exposto a temperat-
ca e a
uras elevadas ou ambientes corrosivos. Finalmente, a viabilidade econˆmica. Da´ surge a t´
o ı ıpica
pergunta: Quanto custar´ o produto final? Um material que possuir as qualidades ideais para
a
o uso, poder´ tornar-se invi´vel devido ao seu elevado custo. Novamente aqui, ´ inevit´vel a
a a e a
necessidade da combina¸õ de fatores na escolha. O pre¸o final de uma pe¸a acabada inclui
ca c c
qualquer despesa necess´ria para poder dar-lhe a forma desejada. Assim, com o estudo apro-
a
fundado dos materiais, pode-se escolher prudentemente os que mais se adaptam a sua realidade
seguindo estes crit´rios.
e

1.3 ˆ
CIENCIA DOS MATERIAIS
A Ciˆncia dos Materiais envolve a investiga¸õ da rela¸õ existente entre estrutura e propriedades
e ca ca
dos materiais. Assim, com base nessa correla¸õ entre estrutura e propriedades, desenvolve ou
ca
cria a estrutura de um material para produzir um conjunto de pr´-determinadas propriedades.
e
”Estrutura”de um material diz respeito ao arranjo de seus componentes internos. A estrutura
subatˆmica envolve os el´trons dentro dos ´tomos e a intera¸õ com seus nćleos. Em um n´
o e a ca u ıvel
atˆmico, estrutura diz respeito ` organiza¸õ dos ´tomos ou molćulas uns em rela¸õ aos outros.
o a ca a e ca
Seguindo essa ordem, o pr´ximo tipo de estrutura ´ formada por um grande n´mero de ´tomos
o e u a
ou molćulas que formam grandes aglomerados poss´
e ıveis de serem observados atrav´s de um
e
microsc´pio. Estas estruturas sõ denominadas ”microsc´picas”. Finalmente, a estrutura que
o a o
pode ser observada diretamente com os olhos, sem nenhum equipamento especial, ´ chamada de e
estrutura ”macrosc´pica”.
o
A no¸õ de ”propriedade”tamb´m merece um esclarecimento. Durante o uso, todos os materi-
ca e
ais sõ expostos a est´
a ımulos externos que provocam algum tipo de resposta. Por exemplo, um
espćime submetido a uma for¸a sofrer´ uma deforma¸õ; ou a superf´ de um metal quando
e c a ca ıcie
polido refletir´ a luz. Portanto, propriedade ´ uma caracter´
a e ıstica dos materiais em termos do
tipo e magnitude da resposta para cada est´ ımulo espec´ ıfico. Geralmente, defini¸˜es de pro-
co
priedades sõ criadas independentemente da forma e do tamanho do material.
a
Inevitavelmente as propriedades mais importantes dos materiais s´lidos podem ser agrupadas
o
em seis categorias: mecˆnicas, eletro-magn´ticas , qu´
a e ımicas, ´pticas e tecnol´gicas.
o o
Para cada propriedade, h´ um tipo de est´
a ımulo que provoca uma resposta diferente. A pro-
priedade mecˆnica relaciona deforma¸õ do material a uma for¸a aplicada sobre ou por ele.
a ca c
Neste caso, estõ descritos os m´dulos de elasticidade e for¸a. Para as propriedades el´tricas,
a o c e
como a condu¸õ e constante diel´trica, o est´
ca e ımulo ´ o campo el´trico. O comportamento t´rmico
e e e
dos s´lidos pode ser representado em termos de capacidade calor´
o ıfica e condutibilidade t´rmica.
e
As propriedades magn´ticas demonstram a resposta de um material a aplica¸õ de um campo
e ca
magn´tico. Para as propriedades ´pticas, os est´
e o ımulos podem ser uma radia¸õ eletromagn´tica
ca e
ou luminosa e o ´ ındice de refra¸õ e reflexõ, representam as propriedades em si. As propriedades
ca a
qu´ımicas estõ muitas vezes relacionadas a reatividade qu´
a ımica dos materiais. Finalmente, as
propriedades tecnol´gicas estõ relacionadas a adeqäbilidade do material diante dos processos
o a u
de fabrica¸õ aos quais ´ submetido.
ca e

e a 3

1.4 ¸˜
CLASSIFICACAO DOS MATERIAIS
Os materiais s´lidos sõ geralmente classificados em trˆs grupos b´sicos: metais, pol´
o a e a ımeros e
cerˆmicas. Este esquema ´ baseado principalmente em sua composi¸õ qu´
a e ca ımica e estrutura
atˆmica, e os materiais entram em um grupo distinto ou outro, embora haja alguns inter-
o
medi´rios. Al´m destes, h´ mais outros trˆs grupos importantes para a Engenharia de Materiais,
a e a e
sõ eles: os comp´sitos, biomateriais e os semicondutores.
a o

Metais - Metais sõ elementos qu´
a ımicos s´lidos ` temperatura ambiente (exceto o merc´rio),
o a u
opacos, lustrosos, e quando polidos refletem a luz, al´m de serem bons condutores de
e
eletricidade e calor. A maioria dos metais ´ forte, dćtil e male´vel, e, em geral, de alta
e u a
densidade. Possuem um grande n´mero de el´trons livres; ou seja, estes el´trons nõ
u e e a
sõ ligados a nenhum ´tomo em particular. Muitas das propriedades dos metais estõ
a a a
diretamente ligados a estes el´trons. Metais sõ os materiais estruturais prim´rios de toda
e a a
a tecnologia e inclui um grande n´mero de ligas ferrosas (por exemplo, ferro-fundido, a¸o
u c
carbono, ligas de a¸os, etc.).
c

Pol´
ımeros - Dentre os pol´ ımeros incluem-se borrachas, pl´sticos, e muitos outros tipos de ade-
a
sivos. Sõ produzidos a partir da cria¸õ de grandes estruturas moleculares provenientes
a ca
de molćulas orgˆnicas em um processo conhecido como polimeriza¸õ. Os pol´
e a ca ımeros tˆm
e
baixa condutividade t´rmica e el´trica, tem baixa resistˆncia mecˆnica comparado a outros
e e e a
materiais utilizados em Engenharia, e nõ sõ adequados para utiliza¸õ em altas tem-
a a ca
peraturas. Pol´ ımeros termopl´sticos, nos quais as longas cadeias de molćulas nõ sõ
a e a a
rigidamente conectadas, tem boa ductilidade e formabilidade. Pol´ ımeros termofixos sõ a
normalmente mais resistentes, por´m, podem apresentar-se quebradi¸os pela sua cadeia
e c
molecular ser de forte conexõ. Os materiais polim´ricos sõ utilizados em in´meras
a e a u
aplica¸oes: embalagens, componentes de eletrodom´sticos, brinquedos, pe¸as tćnicas e
c˜ e c e
etc.

Cerˆmicos - Esta classe pode ser definida como qualquer material s´lido inorgˆnico, nõ-
a o a a
met´lico, usado ou processado em temperaturas altas. Quando falamos em cerˆmica, ime-
a a
diatamente nos vem a mente coisas tais como lou¸as sanit´rias, pisos, azulejos, porcelana
c a
de mesa, etc. Freqëntemente esquece-se das aplica¸˜es tecnol´gicas mais avan¸adas de
u co o c
o
´xidos, carbonetos e nitretos. Muitos destes sõ de grande interesse industrial. Cerˆmicas
a a
tamb´m incluem materiais como vidro, grafite, cimento (concreto), etc.
e

Comp´sitos - Comp´sitos consistem na combina¸õ de dois ou mais materiais diferentes.
o o ca
O Fiberglass ´ um exemplo bem familiar, onde as fibras de vidro sõ adicionadas a um
e a
material polim´rico. Um comp´sito ´ desenvolvido para combinar as melhores propriedades
e o e
dos materiais que o constituem. O Fiberglass, por exemplo, adquire a dureza do vidro e
a flexibilidade do pol´
ımero. Muitos dos recentes materiais desenvolvidos atualmente sõ
a
comp´sitos.
o

Semicondutores - Semicondutores podem ser definidos como materiais que conduzem cor-
rente el´trica melhor que os isolantes mas nõ melhor que os metais. Um grande n´mero
e a u
de materiais satisfaz a estas condi¸˜es. Em temperatura ambiente, a condutividade car-
co
acter´
ıstica dos metais ´ da ordem de 104 ` 106 ohm-1 cm-1, enquanto nos isolantes ´
e a e
da ordem de 10-25 ` 10-9 ohm-1 cm-1. Os materiais classificados como semicondutores
a
possuem condutividade entre 10-9 e 104 ohm-1 cm-1. Normalmente a condutividade dos
metais diminui com o aumento da temperatura. Com os semicondutores ocorre o contr´rio,
a
a condutividade aumenta com o aumento da temperatura. Nos semicondutores o processo
de condu¸õ pode ocorrer de modo nõ iˆnico onde h´ o transporte de carga ou de massa
ca a o a

e a 4

(de el´trons). As propriedades unicas dos semicondutores dependem, acima de tudo, do
e ´
n´mero de portadores de corrente el´trica. Estes portadores podem ser de dois tipos:
u e
el´trons ou ”buracos”. O n´mero de portadores pode variar dependendo da temperatura,
e u
luminosidade, part´
ıculas nucleares, campos el´tricos, ou imperfei¸˜es no cristal na forma
e co
de ´tomos de impurezas ou do sistema cristalino.
a

Biomateriais - Biomateriais sõ materiais empregados em componentes destinados ao im-
a
plante no corpo humano, substituindo partes doentes ou danificadas. Esses materiais nõa
devem produzir substancias t´xicas e deve ser compat´ com os tecidos do corpo, isto ´,
o ıvel e
nõ deve produzir rea¸˜es biol´gicas adversas. Todas as classes de materiais podem ser
a co o
utilizadas como biomateriais - metais, cerˆmicos, pol´
a ımeros, semicondutores, comp´sitos -
o
desde que sejam cuidadosamente selecionados.

Cap´
ıtulo 2

PROPRIEDADES DOS
MATERIAIS

Todo projetista est´ vitalmente interessado nos materiais que lhe sõ dispon´
a a ıveis. Quer seu
produto seja uma ponte, um computador, um ve´ ıculo espacial ou um autom´vel, deve ter um
o
profundo conhecimento das propriedades caracter´ ısticas e do comportamento dos materiais que
pode usar. Considere-se, por exemplo, a variedade de materiais usados na manufatura de um
autom´vel: ferro, a¸o, vidro, pl´sticos, borracha, apenas para citar alguns. E, somente para
o c a
o a¸o, h´ cerca de 3000 tipos ou modifica¸˜es. Com que crit´rio ´ feita a escolha do material
c a co e e
adequado para uma determinada pe¸a? c
Ao fazer a sua escolha, o projetista deve levar em conta propriedades tais como resistˆncia e
mecˆnica, condutividade el´trica e/ou t´rmica, densidade e outras. Al´m disso, deve considerar
a e e e
o comportamento do material durante o processamento e o uso, onde plasticidade, usinabilidade,
estabilidade el´trica, durabilidade qu´
e ımica, deve ser utilizada. Muitos projetos avan¸ados em
c
engenharia dependem do desenvolvimento de materiais completamente novos. Por exemplo, o
transistor nunca poderia ter sido constru´ com os materiais dispon´
ıdo ıveis h´ 40 anos atr´s; o
a a
desenvolvimento da bateria solar requereu um novo tipo de semicondutor; e, embora os projetos
de turbinas ` g´s estejam muito avan¸ados, ainda se necessita de um material barato e que
a a c
resista a altas temperaturas, para as p´s da turbina.
a
Desde que, obviamente, ´ imposs´
e ıvel para o projetista ter um conhecimento detalhado dos
milhares de materiais agora dispon´ıveis, assim como manter-se a par dos novos desenvolvimentos,
ele deve ter um conhecimento adequado dos princ´ ıpios gerais que governam as propriedades de
todos os materiais. Dentre estas propriedades, pode-se destacar:

2.1 ˆ
PROPRIEDADES MECANICAS
Sõ `quelas que definem o comportamento do material segundo um determinado esfor¸o a que
a a c
ele pode ser submetido. O conjunto de propriedades mecˆnicas ´ baseado nas seguintes carac-
a e
ter´
ısticas do material:

e a ´
Resistˆncia mecˆnica: E a propriedade apresentada pelo material em resistir a esfor¸os exter-
c
nos, est´ticos ou lentos. Tais esfor¸os podem ser de natureza diversa, como sejam: tra¸õ,
a c ca
compressõ, flexõ, tor¸õ, cisalhamento.
a a ca
Assim, os esquemas abaixo representam os esfor¸os referidos:
c

Elasticidade: Propriedade apresentada pelos materiais em recuperar a forma primitiva tõ a
depressa cesse o esfor¸o que tenha provocado a deforma¸õ.
c ca
A deforma¸õ el´stica ´ revers´
ca a e ıvel e desaparece quando a tensõ aplicada ´ removida.
a e

5

e a 6

Figura 2.1: Esfor¸os mecˆnicos aos quais os corpos estõ sujeitos.
c a a

Uma caracter´ ıstica da deforma¸õ el´stica ´ que esta ´ praticamente proporcional ` tensõ
ca a e e a a
aplicada.
O m´dulo de elasticidade (m´dulo de Young) ´ quociente entre a tensõ aplicada e a
o o e a
deforma¸õ el´stica resultante. Ele est´ relacionado com a rigidez do material. O m´dulo
ca a a o
de elasticidade resultante de tra¸õ ou compressõ ´ expresso em unidade de tensõ (psi
ca a e a
ou kgf/mm2 ). O valor deste m´dulo ´ primordialmente determinado pela composi¸õ do
o e ca
material e ´ apenas indiretamente relacionado com as demais propriedades mecˆnicas. O
e a
m´dulo de Young ´ determinado a partir do ensaio de tra¸õ.
o e ca
´
Plasticidade: E a propriedade que apresentam certos materiais de se deixarem deformar per-
manentemente assumindo diferentes tamanhos ou formas sem sofrerem rupturas, rachaduras
ou fortes altera¸˜es de estrutura quando submetidos a press˜es ou choques compat´
co o ıveis com
as suas propriedades mecˆnicas. A plasticidade ´ influenciada pelo calor (o a¸o ao rubro
a e c
torna-se bastante pl´stico).
a
O inverso da plasticidade ´ a fragilidade ou quebrabilidade; assim, um material ´ dito fr´gil
e e a
ou quebradi¸o quando o mesmo ao romper-se apresenta uma pequena deforma¸õ.
c ca
A plasticidade pode ser subdividida em:
´
• Maleabilidade: E a maior ou menor facilidade apresentada pelo material em se defor-
mar sob a¸õ de uma pressõ ou choque, compat´ com a sua resistˆncia mecˆnica.
ca a ıvel e a
Um material ´ male´vel quando sob a¸õ do laminador ou do martelo da forja, nõ
e a ca a
sofre rupturas ou fortes altera¸˜es na estrutura (endurecimento inadmiss´
co ıvel).
A maleabilidade pode ser a quente ou a frio. Se a maleabilidade a frio ´ muito grande
e
o material ´ chamado pl´stico.
e a
´
• Ductilidade: E a capacidade que os materiais possuem de se deformar plasticamente
at´ a ruptura. Deforma¸õ pl´stica ´ aquela que imp˜e ao material uma deforma¸õ
e ca a e o ca
permanente.
Assim sendo, o seu valor pode ser expresso como alongamento e nas mesmas unidades
de deforma¸õ. Um comprimento comum (embora nõ universal) para a medida do
ca a
alongamento ´ 50mm. Como mostrado na Figura a seguir, o comprimento considerado
e
´ importante pois a deforma¸õ pl´stica normalmente ´ localizada.
e ca a e

Uma segunda medida da ductilidade ´ a estriçõ que ´ a redu¸õ na ´rea de se¸õ reta
e ca e ca a ca
do corpo, imediatamente antes da ruptura. Os materiais altamente dćteis sofrem grande
u
redu¸õ de ´rea da se¸õ reta antes de romper, Este ´
ca a ca ındice ´ sempre expresso em porcent-
e
agem e ´ calculado como se segue:
e

e a 7

Figura 2.2: Corpo de prova sujeito ao alongamento.

´
Dureza: E definida pela resistˆncia da superf´ do material ` penetra¸õ, ao desgaste, e ao
e ıcie a ca
atrito, embora a primeira defini¸õ seja a mais comumente aceita. Como se pode esperar, a
ca
dureza e a resistˆncia ` tra¸õ estõ intimamente relacionadas. A determina¸õ da dureza
e a ca a ca
´ obtida a partir de uma s´rie de ensaios destinados especificamente para tal intento.
e e

Fluˆncia (creep): Fenˆmeno de alongamento cont´
e o ınuo e que pode conduzir ` ruptura ´ de-
a e
nominado fluˆncia. Esta caracter´
e ıstica ´ t´
e ıpica de materiais ferrosos quando submetidos
a cargas de tra¸õ constantes por longo tempo a elevadas temperaturas. Deformam-se
ca
continuamente mesmo quando a solicita¸õ ´ menor do que a tensõ de escoamento do
ca e a
material naquela temperatura. A fluˆncia ocorre mesmo quando o material ´ solicitado
e e
na temperatura ambiente, mas nessa temperatura a fluˆncia ´ praticamente desprez´
e e ıvel
comparada com a que ocorre em temperaturas elevadas.
o e a ´
O fenˆmeno da fluˆncia ocorre nos instrumentos de corda, violõ, por exemplo. E impor-
tante frisar que certas pe¸as ficam inutilizadas se alongarem apenas 0,01%.
c

e ´
Resiliˆncia: E a maior ou menor rea¸õ do material `s solicita¸˜es dinˆmicas, isto ´, a pro-
ca a co a e
priedade do material resistir a esfor¸os externos dinˆmicos (choques, pancadas, etc.)
c a
sem sofrer deforma¸õ permanente. Como exemplo citamos as pe¸as de um britador de
ca c
mand´ıbulas, uma matriz para forjamento, uma ferramenta de corte, molas, etc. Assim, as
molas sõ feitas de materiais de elevada resiliˆncia.
a e
´
Tenacidade: E dada pela energia consumida para fratur´-lo . Em outras palavras, tenacidade
a
mede a capacidade que o material tem de absorver de energia at´ fraturar-se incluindo a
e
deforma¸õ el´stica e pl´stica quando essa energia ´ absorvida progressivamente.
ca a a e
A tenacidade ´, pois, medida pela ´rea total do diagrama tensõ-deforma¸õ.
e a a ca
Em geral diz-se que um material ´ tanto tenaz quanto maior ´ a sua resistˆncia ` ruptura
e e e a
por tra¸õ ou distensõ; isto nem sempre ´ verdadeiro, pois alguns a¸os doces, por exemplo,
ca a e c
sõ mais tenazes que os a¸os duros, isto porque os a¸os duros apresentam, na ruptura um
a c c
pouqu´ıssima deforma¸õ.
ca
A tenacidade tem alguma rela¸õ com a resistˆncia ao choque, por´m os valores da energia
ca e e
medidos para ambos os casos nõ concordam para todos os materiais ou condi¸˜es de
a co
ensaio.

e a 8

2.2 ´
PROPRIEDADES TECNOLOGICAS
Sõ as que conferem ao material uma maior ou menor facilidade de se deixar trabalhar pelos
a
processos de fabrica¸õ usuais. As propriedades tecnol´gicas sõ:
ca o a
´
Fusibilidade: E a propriedade que o material possui de passar do estado s´lido para o l´
o ıquido
sob a¸õ do calor. Todo metal ´ fus´
ca e ıvel, mas, para ser industrialmente fus´
ıvel, ´ preciso
e
que tenha um ponto de fusõ relativamente baixo e que nõ sofra, durante o processo
a a
de fusõ, oxida¸˜es profundas, nem altera¸˜es na sua estrutura e homogeneidade. Em
a co co
se tratando de metais conv´m conhecer as temperaturas correspondentes ` coloca¸õ que
e a ca
tomam quando aquecidas:
Principais temperaturas de fusõ.
a
Alum´ ınio 650o C
Ferro puro 1530o C
A¸os
c 1300o C a 1500o C
Zinco 420o C
Gusa e fofo 1150o C a 1300o C
Chumbo 330o C
Cobre 1080o C
Estanho 235o C
´
Soldabilidade: E a propriedade que certos metais possuem de se unirem, ap´s aquecidos e su-
o
ficientemente comprimidos. A soldabilidade depende do tempo em que o metal permanece
num estado s´lido-pl´stico, sob o efeito do calor produzido pela a¸õ soldante. O metal
o a ca
ou liga que passar instantaneamente do estado s´lido para o l´
o ıquido ´ dificilmente sold´vel
e a
(ferro fundido, por exemplo).

Temperabilidade: Propriedade que possuem alguns metais e ligas de modificarem a sua estru-
tura cristalina (endurecimento) ap´s um aquecimento prolongado seguido de resfriamento
o
brusco.
Tal propriedade caracteriza o a¸o com certo teor de carbono, assim, como determinadas
c
ligas de alum´ ınio, transformando a estrutura cristalogr´fica do material que, em con-
a
seq¨ˆncia, altera todas as propriedades mecˆnicas.
ue a
´
Usinabilidade (ou maquinabilidade): E a propriedade de que se relaciona com a resistˆnciae
oferecida ao corte e ´ medida pela energia necess´ria para usinar o material no torno, sob
e a
condi¸˜es padr˜es.
co o
A usinabilidade de um material ´ obtida comparando-se com a de um material padrõ cuja
e a
usinabilidade ´ convencionada igual a 100.(a¸o B1112). O conhecimento da usinabilidade
e c
de um material permite calcular os tempos necess´rios `s opera¸˜es de usinagem que ´,
a a co e
portanto, indispens´vel na programa¸õ de uma fabrica¸õ.
a ca ca
A usinabilidade ´ um fator que influi bastante na escolha de um material que deve ser
e
usinado; assim, as m´quinas autom´ticas dõ grande produ¸õ quando usinam os chama-
a a a ca
dos a¸os de corte fćil (free cutting steels) tamb´m chamados de usinagem fćil, que sõ
c a e a a
materiais com alta percentagem de enxofre, f´sforo ou chumbo.
o

Fadiga: Fadiga nõ chega a ser uma propriedade do material mais sim, um problema carac-
a
ter´
ıstico de materiais sujeitos a esfor¸os c´
c ıclicos. Quando um material ´ sujeito a esfor¸os
e c
dinˆmicos, durante longo tempo, ´ observado um ”enfraquecimento”das propriedades
a e
mecˆnicas ocasionando a ruptura. A fadiga pode ser tamb´m superficial, ocasionando
a e
desgaste de pe¸as sujeitas a esfor¸os c´
c c ıclicos, como comumente ocorre em dentes de en-
grenagens.

e a 9

2.3 ´
PROPRIEDADES TERMICAS
Propriedades t´rmicas estõ vinculadas `s caracter´
e a a ısticas dos materiais quando submetidos `
a
varia¸˜es de temperatura. Dentre estas propriedades destacam-se:
co

Condutividade t´rmica: Sõ propriedades que possuem certos corpos de transmitir mais ou
e a
menos calor. Neste caso, materiais bons condutores de calor, na ordem decrescente de
condutibilidade: Ag, Cu, Al, latõ, Zn, A¸o e Pb. Corpos maus condutores de calor, na
a c
ordem decrescente de condutibilidade: pedra, vidro, madeira, papel, etc.

Dilata¸õ: Propriedade pela qual um corpo aumenta quando submetido ` a¸õ do calor. A
ca a ca
capacidade de dilata¸õ de um material est´ relacionada ao chamado coeficiente de di-
ca a
lata¸õ t´rmica, que pode ser: linear, superficial e volum´trico. Esta caracter´
ca e e ıstica dos
materiais deve ser considerada quando o mesmo ´ submetido a varia¸˜es consider´veis de
e co a
temperatura.

2.4 ´
PROPRIEDADES ELETRICAS
A mais conhecida propriedade el´trica de um material ´ a condutividade el´trica. A condu-
e e e
tividade el´trica ´ a propriedade que possuem certos materiais de permitir maior ou menor
e e
capacidade de transporte de cargas el´tricas. Os corpos que permitem a eletricidade passar sõ
e a
chamados condutores, sendo uma caracter´ ıstica dos materiais met´licos. J´ os que nõ permitem
a a a
tal fenˆmeno sõ os chamados materiais isolantes. O cobre e suas ligas e o alum´
o a ınio conduzem
bem a eletricidade, sendo empregados na fabrica¸õ de linhas el´tricas e aparelhagens; as ligas
ca e
Cr-Ni, Fe-Ni conduzem mal, servido para constru¸õ de resistˆncias el´tricas, como reostatos,
ca e e
etc. Dentre os materiais isolantes destacam-se: madeira seca, baquelite, ebonite,etc.

2.5 ´
PROPRIEDADES ELETROMAGNETICAS
A caracter´
ıstica mais comumente associada `s propriedades eletromagn´ticas ´:
a e e
´
Suscetibilidade magn´tica: E a propriedade que caracteriza a maior ou menor facilidade com
e
que os metais reńem ou dispersam as linhas de for¸a de um campo magn´tico. Os metais
u c e
que reńem de modo acentuado as linhas de for¸a de um campo magn´tico se denominam
u c e
”ferromagn´ticos”. Exemplo: Fe, Ni e Co.
e
Os metais que reńem debilmente as linhas de for¸a de um campo magn´tico sõ denomi-
u c e a
nados ”paramagn´ticos”. A maioria dos metais ´ paramagn´tico. Os metais que dispersam
e e e
as linhas de for¸a de um campo magn´tico sõ denominados ”diamagn´ticos”.
c e a e

2.6 PROPRIEDADES F´
ISICAS
Dentre o conjunto de propriedades f´
ısicas destacam-se:

´
Densidade: E a rela¸õ entre o peso de certo volume de um corpo e o peso de igual volume de
ca
a ´ um n´mero abstrato. Exemplo: Pb = 11,4 Cu = 8,9 Al = 2,7 Mg = 1,7
´gua. E u

Peso espec´ ´
ıfico: E o peso da unidade de volume do corpo. Por exemplo: o peso espec´
ıfico do
a¸o ´ 7,8 kg/dm3.
c e

e a 10

2.7 PROPRIEDADES QU´
IMICAS
Resistˆncia ` corrosõ: Quase todos os materiais usados pelos projetistas sõ suscet´
e a a a ıveis de
corrosõ por ataque qu´
a ımico. Para alguns materiais, a solubiliza¸õ ´ importante. Em
ca e
outros casos, o efeito da oxida¸õ direta de um metal ou de um material orgˆnico como a
ca a
borracha ´ o mais importante. Al´m disso, a resistˆncia do material ` corrosõ qu´
e e e a a ımica,
devido ao meio ambiente, ´ da maior importˆncia. A aten¸õ que damos aos nossos au-
e a ca
tom´veis ´ um exemplo ´bvio da nossa preocupa¸õ com a corrosõ. Desde que freqënte-
o e o ca a u
mente, o ataque pela corrosõ ´ irregular, ´ muito dif´ medi-la. A unidade mais comum
a e e ıcil
para a corrosõ ´ polegadas de superf´ perdida por ano.
a e ıcie

2.8 ´
PROPRIEDADES OPTICAS
Embora entre as propriedades ´pticas importantes para a engenharia incluem-se o ´
o ındice de
refra¸õ, a absor¸õ e a emissividade, apenas a primeira delas ser´ discutida aqui, porque as
ca ca a
outras duas j´ sõ mais especializadas. O ´
a a ındice de refra¸õ n ´ a razõ entre a velocidade da
ca e a
luz no vćuo c e a velocidade da luz no material, Vm:
a
c
η= (2.1)
Vm
O´ ındice tamb´m pode ser expresso em termos do ˆngulo de incidˆncia i e do ˆngulo de refra¸õ
e a e a ca
r:

sin i
η= (2.2)
sin r

Cap´
ıtulo 3

ESTRUTURA DOS MATERIAIS

A mat´ria apresenta um aspecto descont´
e ınuo desde o momento em que se acha constitu´ por
ıda
part´ıculas elementares, ´tomos e molćulas. Quando se consideram as caracter´
a e ısticas de uma
substˆncia nõ se leva somente em considera¸õ o comportamento dos ´tomos isolados, mas
a a ca a
tamb´m do conjunto de tudo aquilo que interv´m em sua forma¸õ.
e e ca
Segundo o estado f´ ısico da substˆncia, esses agrupamentos atˆmicos se apresentam com carac-
a o
ter´
ısticas distintas; assim, como nos estados gasoso e l´ ıquido os ´tomos tˆm grande mobilidade
a e
que permite adaptar-se a qualquer conforma¸õ externa que o contenha. No estado s´lido os
ca o
a
´tomos apresentam certa permanˆncia em suas posi¸˜es o que confere ao material um certo grau
e co
de indeformabilidade, caracter´ ıstico do estado s´lido.
o
Os materiais encontrados na natureza, ou mesmo fabricados podem ser classificados segundo
regularidade em que ´tomos ou ions estõ arranjados com respeitos a outros.
a a
Assim, pode-se encontrar:

• Materiais Cristalinos;
Um material cristalino apresenta uma ordem de ´tomos que se repete periodicamente at´
a e
grandes distˆncias atˆmicos . Esta ordem de ´tomos se forma durante a solidifica¸õ do
a o a ca
material, em trˆs dimens˜es, e cada ´tomo ´ vinculado com ´tomos vizinhos.
e o a e a
Dentre os materiais cristalinos podemos destacar:

– todos os metais;
– muitos materiais cerˆmicos;
a
– alguns pol´
ımeros.

• Materiais amorfos (nõ-cristalinos)
a
Dentre os materiais amorfos (materiais literalmente ”sem-forma”) incluem os gases, os
l´
ıquidos e os vidros. Os dois primeiros sõ fluidos e sõ de maior importˆncia em engen-
a a a
haria, j´ que incluem muitos dos nossos combust´
a ıveis e o ar necess´rio ` combustõ, como
a a a
tamb´m a ´gua. O vidro, o ultimo dos trˆs materiais amorfos, ´ considerado um ;l´
e a ´ e e ıquido
r´
ıgido; entretanto, quando considerarmos a sua estrutura, vemos que ele ´ mais do que
e
apenas um l´ ıquido super-resfriado.

3.1 ESTRUTURA CRISTALINA
Uma molćula tem uma regularidade estrutural, porque as liga¸˜es covalentes determinam um
e co
n´mero espec´
u ıfico de vizinhos para cada ´tomo e a orienta¸õ no espa¸o dos mesmos. A maioria
a ca c
dos materiais de interesse para a engenharia tem arranjos atˆmicos, que tamb´m sõ repeti¸˜es,
o e a co
nas trˆs dimens˜es, de uma unidade b´sica. Tais estruturas sõ denominadas cristais. Um
e o a a

11

e a 12

Figura 3.1: Estrutura cristalina do cloreto de s´dio.
o

exemplo desta regularidade estrutural pode ser observada no NaCl, conforme apresentado na
Figura 3.1.

3.2 SISTEMAS CRISTALINOS
Define-se um sistema cristalino como a forma do arranjo da estrutura atˆmica. A sua repre-
o
senta¸õ consiste em substituir ´tomos e rede espacial por conjunto de pontos.
ca a
Chama-se c´lula unit´ria a menor por¸õ constituinte de um reticulado cristalino, conforme
e a ca
apresentado na Figura 3.3.
A ordem tridimensional dos ´tomos (arranjo das c´lulas unit´rias) se repete simetricamente
a e a
at´ os contornos dos cristais (tamb´m chamados contornos de grõs).
e e a
Na natureza ´ observado que os ´tomos, de forma geral, se arranjam de sete maneiras
e a
poss´
ıveis, conforme notado na figura abaixo.

3.3 ESTRUTURA CRISTALINA DOS PRINCIPAIS METAIS
Os principais metais apresentam estruturas conforme apresentado abaixo.

• CCC
Ba, Cr, Cs, Feα, Feδ, K, Li, Mo, Na, Nb, Ta, Ti b, V, W, Zrβ

• CFC
Ag, Al, Au, Ca, Co b, Cu, Fe g, Ni, Pb, Pt, Rh, Sr

• HC
Be, Cd, Co a, Hf a, Mg, Os, Re, Ru, Ti a, Y, Zn, Zrα

Estas estruturas cristalinas podem ser melhores observadas na Figura abaixo, Figura 3.6.

e a 13

Figura 3.2: Representa¸õ esquem´tica de um reticulado cristalino.
ca a

Figura 3.3: Representa¸õ esquem´tica de uma c´lula unit´ria.
ca a e a

Figura 3.4: contorno de grõs
a

e a 14

Figura 3.5: Sistemas cristalinos.

Figura 3.6: Estruturas cristalinas mais comuns.

3.4 ALOTROPIA OU POLIMORFISMO
´
E a propriedade que possui um corpo de apresentar-se em dois ou mais estados cristalinos difer-
entes, seja pela simetria, seja pela estrutura reticular, de acordo com a mudan¸a de temperatura.
c
Assim, o ferro apresenta-se em trˆs estados alotr´picos, conforme a temperatura em que ´ con-
e o e
siderado. Essas trˆs formas alotr´picas sõ definidas como:
e o a
Ferro a (CCC) ` Ferro g (CFC) ` Ferro d (CCC)
a a
Em temperatura ambiente, a forma alotr´pica do ferro caracteriza-se pela estrutura CCC,
o
sendo este conhecido ferro-a. Quando este ´ aquecido ` 910o C, observa-se uma mudan¸a radical
e a c
na estrutura cristalina do ferro, passando entõ a estrutura CFC, sendo denominado entõ ferro-
a a
g. Caso o material seja aquecido at´ 1400o C, a estrutura volta a ser CCC. Neste caso o ferro
e
passa ser chamado de ferro-d.

Cap´
ıtulo 4

´
MATERIAIS METALICOS

Sõ substˆncias simples que apresentam 1 a 3 el´trons no n´
a a e ıvel mais externo e que, nas com-
bina¸˜es qu´
co ımicas, cedem el´trons perif´ricos transformando-se em cations.
e e
Apresentam, em linhas gerais as seguintes propriedades:

• Cor e brilho:
os metais, com exce¸õ do ouro (amarelo) e cobre (vermelho) apresentam colora¸õ que
ca ca
varia do branco ao cinzento.

• Densidade:
Os metais, quanto a densidade, se classificam em leves (densidade menor que 6 - alcalinos,
alcalinos terrosos, Mg, Be, Al); e pesados (densidade superior a 6).

• Estrutura cristalina:
Caracter´
ıstica observada em todos os metais.

• Classifica¸õ:
ca
Os materiais met´licos sõ classificados em: Met´licos ferrosos e Met´licos nõ-ferrosos.
a a a a a

4.1 METAIS FERROSOS
O ferro ´ um metal cuja utiliza¸õ pelo homem ´ muito antiga. As civiliza¸˜es antigas de Ass´
e ca e co ıria,
e ´
Babilˆnia, Egito, P´rsia, China, India e, mais tarde, da Grćia e de Roma j´ fabricavam, por
o e a
processos primitivos, armas e in´meros utens´
u ılios de ferro e a¸o.
c
A importˆncia do ferro como metal ´ tal que fundamenta a classifica¸õ dos materiais met´licos,
a e ca a
al´m de possuir um ramo da ciˆncia dos materiais espec´
e e ıfico para seu estudo.
Portanto, siderurgia, ´ a ciˆncia que estuda a metalurgia do ferro (Fe), enquanto que metalurgia
e e
´ a ciˆncia que estuda a extra¸õ dos metais, seus minerais e suas ligas.
e e ca
Os produtos sider´rgicos comuns sõ ligas ferro-carbono com teor de carbono compreendido
u a
entre 0 e 6,7%, sendo que industrialmente, essa faixa de teor de carbono varia somente entre 0
e 4,5%.
Os materiais met´licos ferrosos sõ, portanto, produtos sider´rgicos que se classificam exclusi-
a a u
vamente em fun¸õ do teor de carbono encontrado na liga. Desta forma, os materiais met´licos
ca a
ferrosos sõ classificados como:
a

A¸os: Liga Fe-C cujo teor de carbono varia de 0 a 2,1%C;
c

Ferros fundidos: Liga Fe-C com o teor de carbono situando-se entre 2,1 e 6,7%C.

15

e a 16

A produ¸õ dos a¸os e dos ferros fundidos pode ser definida segundo dois padr˜es mundiais,
ca c o
cujas estruturas diferem significativamente.
Tem-se, portanto, dois modelos de usinas sider´rgicas:
u

• Usinas integradas

• Usinas mini-mills

4.1.1 USINAS INTEGRADAS
As usinas integradas abrangem todas as etapas necess´rias para, a partir das mat´rias-primas,
a e
produzir-se ferro e a¸o. O processo cl´ssico e mais usado para a redu¸õ do min´rio de ferro
c a ca e
utiliza o equipamento denominado alto forno, cujo produto consiste numa liga ferro-carbono de
alto teor de carbono, denominado ferro gusa, o qual, ainda no estado l´ıquido, ´ encaminhado `
e a
aciaria, onde, em fornos adequados, ´ transformado em a¸o. Este ´ vazado na forma de lingotes,
e c e
os quais, por sua vez, sõ submetidos ` transforma¸õ mecˆnica, por interm´dio de laminadores,
a a ca a e
resultando blocos, tarugos e placas. Estes, finalmente, ainda por interm´dio de laminadores,
e
sõ transformados em formas estruturais com perfis em ”T”, ”I”, cantoneiras, trilhos, chapas,
a
tarugos, etc.
O fluxograma apresentado na Figura 4.1, representa esquematicamente, as principais etapas
para a fabrica¸õ do a¸o a partir do modelo de processos adotado pelas usinas integradas.
ca c

4.1.1.1 ´
MATERIA-PRIMA
As mat´rias-primas b´sicas da usinas integradas sõ:
e a a

• min´rio de ferro;
e

• carvõ;
a

• calc´rio.
a

4.1.1.1.1 Min´rio de ferro O min´rio de ferro constitui a mat´ria-prima essencial para a
e e e
manufatura dos processos sider´rgicos.
u
Os minerais que contˆm ferro em quantidade apreci´vel sõ os ´xidos, carbonatos, sulfetos e
e a a o
silicatos. Os primeiros sõ os mais importantes sob a ´tica dos processos sider´rgicos. Os
a o u
principais ´xidos encontrados na natureza sõ:
o a

• Magnetita (´xido ferroso-f´rrico) de f´rmula F e3 O4 , contendo 72,4% Fe.
o e o

• Hematita (´xido f´rrico), de f´rmula F e3 O3 , contendo 69,9% Fe
o e o

• Limonita (´xido hidratado de ferro), de formula 2F e2 O3 3H2 O, contendo, em m´dia,
o e
48,3% Fe.

A magnetita ´ encontrada principalmente na Sućia, ao passo que a hematita ´ o min´rio mais co-
e e e e
mum, sendo encontrado, entre outros pa´ c u ´
ıses, na Fran¸a, EUA, R´ssia, India, Austr´lia, Canada
a
e Brasil.
O min´rio de ferro antes de ser inserido no alto-forno sofre um processo de beneficiamento,
e
que compreende uma s´rie de opera¸˜es a que os min´rios de ferro de v´rias qualidades podem
e co e a
ser submetidos, com o objetivo de alterar seus caracter´ ısticos f´
ısicos ou qu´ımicos e torn´-los
a
mais adequados para a utiliza¸õ nos alto-fornos. Essas opera¸˜es sõ, geralmente: britamento,
ca co a
peneiramento, mistura, moagem, classifica¸õ e aglomera¸õ.
ca ca
Os processos de aglomera¸õ visam melhorar a permeabilidade da carga do alto-forno, reduzir
ca

e a 17

Figura 4.1: Fluxograma representativo do processo utilizado pelas usinas integradas para
produ¸˜o do a¸o.
ca c

e a 18

Figura 4.2: Esquema representativo do alto-forno.

o consumo de carvõ e acelerar o processo de redu¸õ. Dentre o processos de aglomera¸õ os
a ca ca
mais importantes sõ: sinteriza¸õ e pelotiza¸õ.
a ca ca

b) Carvõ
a
O carvõ, utilizado nos alto-fornos, pode ser tanto de origem mineral quanto de origem vegetal.
a
Tˆm v´rias fun¸˜es dentro do processo que sõ:
e a co a

• atuar como combust´ gerando calor para as rea¸˜es.
ıvel co

• atuar como redutor do min´rio, que ´ basicamente constitu´ de ´xidos de ferro
e e ıdo o

• atuar como fornecedor de carbono, que ´ o principal elemento de liga dos produtos sider´rgicos
e u

Da mesma forma que o min´rio, o carvõ tamb´m sofre um pr´-processamento antes de ser
e a e e
introduzido no alto-forno. Esta opera¸õ consiste no processo de coqueifica¸õ, que por sua vez
ca ca
consiste no aquecimento a altas temperaturas, geralmente em cˆmaras hermeticamente fechadas,
a
portanto com ausˆncia total de ar, exceto na sa´ dos produtos vol´teis, do carvõ mineral.
e ıda a a

c) Calc´rio
a
O calc´rio atua como fundente, ou seja, reage, pela sua natureza b´sica, com substˆncias estran-
a a a
has ou impurezas contidas no min´rio e no carvõ (geralmente de natureza ćida) diminuindo
e a a
seu ponto de fusõ e formando a esc´ria, subproduto, por assim dizer, do processo cl´ssico do
a o a
alto-forno.

4.1.1.2 Opera¸˜es sider´ rgicas
co u
a) Opera¸õ do alto-forno (produ¸õ do ferro gusa)
ca ca

O alto-forno constitui ainda o principal equipamento utilizado na metalurgia do ferro. A par-
tir dos primeiros fornos, dos tipos rudimentares, em que os gases eram perdidos na atmosfera,
constantes aperfei¸oamentos tćnicos foram introduzidos e a capacidade di´ria paulatinamente
c e a
elevada, aproximando-se, nos dias atuais, de 10.000 toneladas de ferro gusa por dia.

e a 19

Figura 4.3: Alto-forno e suas partes.

O alto-forno ´ uma estrutura cil´
e ındrica, revestida internamente por tijolos refrat´rios, de
a
grande altura, constitu´ por trˆs partes fundamentais: o fundo, chamado de cadinho, a parte
ıda e
mediana, conhecida como rampa, e a parte superior denominada cuba.
O cadinho, ´ o lugar onde o gusa l´
e ıquido ´ depositado. A esc´ria (conjunto de impurezas que
e o
devem ser separadas do gusa), que se forma durante o processo, flutua sobre o ferro que ´ mais
e
pesado. No cadinho h´ dois furos: o furo de corrida, aberto de tempos em tempos para que o
a
ferro l´
ıquido escoe, e o furo para o escoamento da esc´ria. Como a esc´ria flutua, o furo para
o o
seu escoamento fica acima do furo de corrida. Assim, sobra espa¸o para que uma quantidade
c
razo´vel de ferro seja acumulada entre as corridas.
a
Na rampa, acontecem a combustõ e a fusõ. Para facilitar esses processos, entre o cadinho
a a
e a rampa ficam as ventaneiras, que sõ furos distribu´
a ıdos uniformemente por onde o ar pr´-
e
aquecido ´ soprado sob pressõ.
e a
´
A cuba ocupa dois ter¸os da altura total do alto-forno. E nela que ;e colocada, alternadamente
c
e em camadas sucessivas, a carga, compostos de min´rio de ferro, carvõ e os fundentes (cal e
e a
calc´rio).
a
Na opera¸õ do alto forno sõ inseridos, em sua parte superior, o carvõ (na forma de coque
ca a a

e a 20

ou carvõ vegetal), o min´rio de ferro (s´
a e ınter ou pelotas) e os fundentes.
A redu¸õ dos ´xidos de ferro acontece ` medida que o min´rio, o agente redutor (coque ou
ca o a e
carvõ vegetal) e os fundentes descem em contra-corrente, em rela¸õ aos gases. Esses gases
a ca
sõ o resultado da queima do coque (CO) com o oxigˆnio do ar quente (em torno de 1000o C)
a e
soprado pelas ventaneiras, e que escapam da zona de combustõ. Este processo ocorre na rampa
a
do alto-forno.
Conforme o coque vai se queimando, a carga vai descendo para ocupar os peda¸os vazios. Esse
c
movimento de descida vai se espalhando lateralmente pela carga, at´ atingir toda a largura da
e
cuba. As rea¸˜es de redu¸õ, carboneta¸õ e fusõ geram dois produtos l´
co ca ca a ıquidos: esc´ria e o
o
ferro gusa. Ambos sõ empurrados para os lados, pelos gases que estõ subindo e escorrem para
a a
o cadinho, de onde saem pelos furos de corrida da esc´ria e do gusa respectivamente.
o
O ferro gusa, tamb´m conhecido como ”ferro fundido de primeira fusõ”, ´ uma liga ferro-carbono
e a e
com elevados teores de carbono (3,4 a 4,5% C) que ´ vendido em blocos como mat´ria-prima
e e
para a produ¸õ de a¸os e ferros fundidos (fofos). O ferro gusa ´ extremamente fr´gil devido a
ca c e a
significativa quantidade de impurezas presentes na liga (f´sforo, sil´
o ıcio, enxofre, etc). Por esse
motivo, ele tem praticamente nenhuma aplica¸õ na ind´stria. Basicamente, o uso do ferro gusa
ca u
se resume, al´m de servir de mat´ria-prima para a produ¸õ de outros produtos sider´rgicos,
e e ca u
a uso em contra-pesos de guindastes e na fabrica¸õ de pouqu´
ca ıssimas pe¸as fundidas de pouca
c
responsabilidade.
Este material quando refundido, num forno como o cubilˆ, junto com sucatas de ferro fundido
o
e a¸o, d´ origem ao ”ferro fundido de segunda fusõ”ou ferro fundido propriamente dito. Por
c a a
outro lado, ele tamb´m pode ser encaminhado `s aciarias onde se d´ a produ¸õ do a¸o.
e a a ca c

b)Fabrica¸õ do a¸o
ca c
Sendo o ferro gusa uma liga ferro-carbono em que o carbono e as impurezas normais - Sil´ ıcio
(Si), Manganˆs (Mn), F´sforo (P) e Enxofre (S) - se encontram em teores elevados, a sua
e o
transforma¸õ em a¸o, que ´ uma liga de mais baixos teores de Carbono (C), corresponde a um
ca c e
processo de oxida¸õ, por interm´dio do qual a porcentagem daqueles elementos ´ reduzida at´
ca e e e
aos valores desejados.
A fabrica¸õ do a¸o, na usina sider´rgica, ocorre dentro de um setor espec´
ca c u ıfico conhecido como
aciaria. H´ diversos modelos de aciaria cada uma utilizando processos distintos para a produ¸õ
a ca
do a¸o. O equipamento utilizado nas aciarias, conhecido como conversor, ´ o respons´vel pelo
c e a
m´todo de obten¸õ, sendo os mais tradicionais:
e ca

• conversor Bessemer/Thomas sopro pelo fundo;

• conversor Tropenas sopro lateral;

• conversor L-D (Linz-Donawitz) sopro superior.

Dentre os modelos apresentados, o mais utilizado no Brasil ´ o Linz-Donawitz. O conversor
e
L-D, tamb´m conhecido como BOP(”basic oxygen process”).
e
Este tipo de conversor ´ constitu´ de uma carca¸a cil´
e ıdo c ındrica de a¸o resistente ao calor, revestido
c
internamente por materiais refrat´rios de dolomita ou magnesita, conforme indica a Figura.
a

Neste processo, introduz-se oxigˆnio, praticamente puro, atrav´s de uma lan¸a posicionada
e e c
pouco acima da superf´ do gusa l´
ıcie ıquido, que o sopra provocando um impacto na superf´ ıcie
l´
ıquida. Este sopro de oxigˆnio promove uma rea¸õ de oxida¸õ eliminando o carbono e outras
e ca ca
impurezas: sil´ (Si), f´sforo(P) e enxofre(S).
ıcio o
O carbono eliminado da liga F´-C forma com o oxigˆnio, o CO e o CO2 . O sil´ oxidado, forma
e e ıcio
SiO2 . O f´sforo ´ eliminado antes do carbono pela a¸õ da cal, que introduzida no conversor
o e ca
ap´s a introdu¸õ do oxigˆnio pela lan¸a. Forma-se uma esc´ria que garante a fixa¸õ do P2 O5
o ca e c o ca

e a 21

Figura 4.4: Tipos de conversores.

Figura 4.5: Conversor L-D (Linz-Donawitz)

e a 22

resultante da oxida¸õ. O enxofre ´ facilmente eliminado, devido ` forte agita¸õ do banho e
ca e a ca
pelo fato da esc´ria apresentar-se mais quente e mais fluida.
o
O fim do sopro ´ determinado atrav´s de c´lculos que indicam o teor de carbono a ser atingido.
e e a
A lan¸a ´ entõ retirada sendo, em seguida, o forno basculado para a posi¸õ horizontal de modo
c e a ca
a proceder-se ao vazamento do a¸o.
c

c)Fabrica¸õ do Ferro Fundido
ca

O ferro fundido ´ obtido no forno cubilˆ usando como mat´ria-prima o ferro gusa e sucatas
e o e
c ´
de a¸o e ferros fundidos (fofos). E um forno vertical cil´
ındrico revestido de tijolos refrat´rios e
a
equipado com ventaneiras na parte inferior.
A carga, que ´ feita por uma abertura lateral, na parte superior e consiste de ferro gusa, sucatas
e
de ferro fundido e a¸o, carvõ coque e calc´rio. Essas mat´rias-primas sõ depositadas em
c a a e a
camadas alternadas. O metal fundido se reńe no fundo do forno, de onde ´ escoado pela bica a
u e
determinados intervalos de tempos. A esc´ria ´ previamente retirada por outro orif´ situado
o e ıcio
em um n´ mais alto. O fundo do forno cubilˆ tamb´m pode ser removido para a limpeza e
ıvel o e
repara¸õ da sola.
ca

Figura 4.6: Forno cubilˆ
o

e a 23

4.1.2 USINAS MINI-MILLS
4.1.2.1 ´
MATERIA-PRIMA
Este tipo de processo utiliza basicamente sucata (de a¸o ou ferro fundido) e cal. Pode-se tamb´m,
c e
a partir da aquisi¸õ do gusa, proveniente das usinas integradas, trabalhar com este material.
ca

4.1.2.2 ¸˜ ´
OPERACOES SIDERURGICAS
O conceito de fabrica¸õ do a¸o, observado nas usinas mini-mills, parte do princ´
ca c ıpio que nõ
a
´ necess´rio incorporar ao processo as opera¸˜es realizadas no alto-forno. Pode-se, portanto,
e a co
segundo este conceito americano, trabalhar-se com sucata promovendo a fusõ deste metal e
a
adicionando os elementos de liga necess´rios ` fabrica¸õ de um a¸o novo.
a a ca c
Desta forma, usinas tipo mini-mills iniciam seu processo a partir do que se identifica como as
opera¸˜es da aciaria observadas nas usinas integradas.
co
O princ´ıpio ´ transformar a energia el´trica em energia t´rmica, por meio da qual, promove-se
e e e
a fusõ do gusa e/ou da sucata, onde as condi¸˜es de temperatura e oxida¸õ do metal l´
a co ca ıquido
sõ severamente controladas.
a
Os fornos el´tricos sõ basicamente de dois tipos: a arco el´trico e de indu¸õ.
e a e ca

a. Fornos de arco el´trico Em geral estes fornos sõ basculantes e tˆm o aspecto conforme
e a e
apresentado na Figura 4.7.

Figura 4.7: Forno de arco el´trico
e

e a 24

Os fornos a arco el´trico sõ constitu´
e a ıdos de uma carca¸a de a¸o feita de chapas grossas de
c c
a¸o soldadas e rebitadas, de modo a formar um recipiente cil´
c ındrico com fundo abaulado.
Essa carca¸a ´ revestida na parte inferior (chamada soleira)por materiais refrat´rios.
c e a

A carga ´ feita por uma porta diametralmente oposta ` bica por onde ´ vazado o metal. O
e a e
calor ´ fornecido pelo arco el´trico que se forma entre os trˆs eletrodos verticais e o banho.
e e e
A esc´ria pode ser removida e substitu´ atrav´s da porta de carga.
o ıda e
O tamanho dos fornos el´tricos variam muito, havendo instala¸˜es capazes de produzir
e co
desde 500 kg at´ 100 toneladas de a¸o em cada corrida. A dura¸õ de cada corrida de 60
e c ca
toneladas ´ de cerca de 8 horas.
e
Durante o processo, ocorre a oxida¸õ das impurezas e do carbono e rea¸˜es de desox-
ca co
ida¸õ, ou retirada dos ´xidos com a ajuda de agentes desoxidantes, e a dessulfura¸õ,
ca o ca
´
quando o enxofre ´ retirado. E um processo que permite o controle preciso das quanti-
e
dades de carbono presentes no a¸o. c
Os fornos el´tricos contam com os ´xidos de ferro (ferrugem) presentes nas sucatas de a¸o
e o c
e de ferro fundido para promover a oxida¸õ das impurezas contidas na mat´ria-prima.
ca e
Essas impurezas sõ eliminadas, posteriormente, junto com a esc´ria.
a o

b. Fornos de indu¸õ.
ca
O conjunto que comp˜e esse forno ´ formado de um gerador com motor de acionamento,
o e
uma bateria de condensadores e uma cˆmara de aquecimento. Essa cˆmara ´ basculante
a a e
e tem, na parte externa, a bobina de indu¸õ, conforme indicado na Figura 4.8.
ca

Figura 4.8: Forno de indu¸õ.
ca

O cadinho ´ feito de massa refrat´ria socada dentro dessa cˆmara, onde a sucata se funde
e a a
por meio de calor produzido dentro da pr´pria carga.
o
O fenˆmeno qu´
o ımico observado nos fornos de indu¸õ ´ semelhante `quele existente nos
ca e a
fornos de arco el´trico.
e

e a 25

4.1.3 ´
PRODUTOS SIDERURGICOS
Os produtos da ind´stria sider´rgica sõ classificados, conforme mencionado anteriormente, em
u u a
fun¸õ do teor de carbono encontrado na liga Fe-C.
ca
O teor de carbono, como elemento de liga principal, exerce influˆncia significativa sobre as pro-
e
priedades dos materiais. Tal influˆncia se explica pelos diferentes n´
e ıveis de solubilidade do ferro
em fun¸õ da temperatura, que altera a sua forma alotr´pica, e modifica a capacidade de formar
ca o
solu¸õ com o carbono.
ca
Pode-se compreender melhor este fenˆmeno a partir de uma an´lise do diagrama de fases Fe-C,
o a
apresentado na Figura 4.9

As principais considera¸˜es a serem feitas a respeito do diagrama bin´rio Fe-C, com rela¸õ
co a ca
a
`s rea¸˜es que ocorrem em equil´
co ıbrio e das estruturas resultantes, sõ as seguintes:
a

• o ponto A corresponde ao ponto de fusõ do ferro puro - 1538o C e o ponto D, impreciso,
a
ao ponto de fusõ do F e3 C;
a

• na parte superior esquerda do diagrama, numa faixa estreita, ocorre uma rea¸õ especial
ca
chamada ”perit´tica”, na passagem do estado l´
e ıquido ao s´lido, em torno de 1495o C. a
o
qual, contudo, nõ apresenta importˆncia sob o ponto de vista pr´tico. Nesse trecho, ao
a a a
solidificar, o ferro adquire a estrutura c´bica centrada - chamada, nesse caso, de d (delta),
u
passando, entretanto, quase a seguir, ` estrutura c´bica de face centrada gama (g), que
a u
caracteriza o ferro a alta temperatura. A 912o C, h´ a passagem da forma c´bica de face
a u
centrada para cubo centrado at´ a temperatura ambiente, na forma alotr´pica alfa (a);
e o

• na faixa de temperaturas em que o ferro est´ na forma alotr´pica gama, ele tem capacidade
a o
de dissolver o carbono presente;

• entretanto, essa solubilidade do carbono do ferro gama nõ ´ ilimitada: ela ´ m´xima a
a e e a
1.148 C e corresponde a um teor de carbono de 2,11%. A ` medida que cai a temperatura,
a solubilidade do carbono no ferro gama decresce; assim, a 727o C, a m´xima quantidade
a
de carbono que pode ser mantido em solu¸õ s´lida no ferro gama ´ 0,77%; esses fatos
ca o e
sõ indicados no diagrama pelas linhas JE e Acm, esta ultima representando, portanto, a
a ´
m´xima solubilidade do carbono ou do Fe3C no ferro gama, nas condi¸˜es de equil´
a co ıbrio;

• as linhas JE e ECF correspondem ` linha ”solidus”do diagrama;
a

• o carbono afeta, por outro lado, a temperatura de transforma¸õ alotr´pica gama-alfa: a
ca o
partir de 0% de carbono, essa temperatura de transforma¸õ decresce paulatinamente, at´
ca e
que para 0,77% ela se situa a 727o C. Abaixo de 727o C nõ poder´ existir, em nenhuma
a a
hip´tese, nas condi¸˜es de equil´
o co ıbrio, ou seja, esfriamento muito lento, ferro na forma
alotr´pica gama; tal fato ´ indicado pela linha PSK ou A1;
o e

• o ponto C, conforme estudado anteriormente, ´ o conhecido ponto eut´tico do diagrama
e e
Fe-C. Observa-se que o ponto S assemelha-se ao C sendo chamado de ponto eutetíde.
o

• entre teores de carbono 0 e 0,77% ocorre nõ apenas o abaixamento da temperatura de
a
transforma¸õ alotr´pica gama-alfa, esta transforma¸õ ´ paulatina ou se d´ em duas
ca o ca e a
etapas: come¸a na linha GS ou A3 e termina na linha PS ou A1. Somente a 727o C ela ´
c e
instantˆnea;
a

• a solubilidade do carbono no ferro alfa nõ ´, de fato, nula: cerca de 0,008% de carbono
a e
dissolvem-se ` temperatura ambiente, e a 727o C, a solubilidade aumenta para 0.02%; de
a
727o C para cima, decresce novamente a solubilidade do carbono at´ 912o C torna-se nula.
e

e a 26

Figura 4.9: Diagrama de equil´
ıbrio Fe-C.

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