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 CO2), 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.

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.

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).

2 Desenvolvimento dos altos-fornosComeçou-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 siderúrgicaAs matérias-primas básicas da indústria siderúrgica são as seguintes:

- Minério de ferro

- Carvão

- Calcário

3.1 Minério de ferroÉ 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%

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 CarvãoO 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

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 FundenteA 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 siderúrgicaEntre 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-fornoO 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.

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

Figura 3 – Seção transversal de um alto-forno moderno.

4.1 Operação do alto-fornoNum 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 3MgCO3 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 5Fe3O4 + 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:

Mn3O4 + C 3MnO + CO Reação 8

MnO + C Mn + CO Reação 9SiO2 + 2C Si + 2CO Reação 10P2O5 + 5C 2P + 5CO Reação 11FeS + CaO + C CaS + Fe + CO Reação 12

Finalmente, as últimas reações fundamentais são representadas pelas equações:

3Fe + C Fe3C Reação 133Fe + 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-fornoO 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%

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 açoO 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 pneumáticosOs 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.

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 152FeO + Si SiO2 + 2Fe Reação 16FeO + 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 19FeS + Mn MnS + Fe Reação 20

ou

3FeO + 2Al Al2O3 + 3Fe Reação 21

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 elétricosNos 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

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 diretaO princípio da “redução direta” consiste em tratar-se óxidos de ferro praticamente puros

(Fe2O3 ou Fe3O4) a temperaturas usualmente entre 950 e 1050oC, 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.

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 açosApós 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...

8 Algumas heterogeneidades dos açosO 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 defeitosNão 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.

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.

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 ??????

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.

Estruturas cristalinas

9 Alotropia do ferro puroFerro metal alotrópico apresenta mais de uma estrutura cristalina de acordo com a

temperatura.

Solidificação: 1538oC estrutura cristalina cúbica de corpo centrado ferro- ou fase- (ferrita-

).

1394oC mudança de fase átomos de Fe sofrem um rearranjo para uma estrutura cúbica de face

centrada ferro- ou fase- (austenita).

912oC volta a ccc (cúbica de corpo centrado) ferro- ou fase- (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.

10 Reticulado cristalinoReticulado 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 , ,

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 cristalinaNada 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).

Tabela 1 - Classificação das estruturas cristalinas dentro dos sistemas cristalinos.

Sistema cristalino

Parâmetro de rede e ângulo entre os eixos

Estrutura cristalina

Cúbico Três eixos iguais em ângulo reto Cúbica simplesa=b=c, ===90 Cúbica de corpo centrado

Cúbica de faces centradasTetragonal Três eixos em ângulo reto, dois iguais Tetragonal simples

a=bc, ===90 Tetragonal de corpo centradoOrtorrômbico Três eixos desiguais em ângulo reto Ortorrômbico simples

abc, ===90 Ortorrômbico de corpo centradoOrtorrômbico de bases centradasOrtorrômbico de faces centradas

Romboédrico Três eixos iguais, ângulos iguais Romboédrico simplesa=b=c, ==90

Hexagonal Dois eixos iguais a 120, terceiro eixo a 90

Hexagonal simples

a=bc, ==90, =90Monoclínico Três eixos desiguais, um ângulo

diferenteMonoclínico simples

abc, ==90, 90 Monoclínico de bases centradas

Triclínico Três eixos desiguais, ângulos desiguais

Triclínico simples

abc, 90

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 = = =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.

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 InterstíciosO 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.

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 atômicosExistem 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.

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.

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).

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 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 (n) deformação lateral/deformação direta

Figura 16 – Deformação elástica de uma célula unitária.

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.

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 sR=10.500MPa .

Aço de altíssima resistência mecânica sR=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

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).

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.

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.

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).

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 dureza14.1 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 dinâmicaUma 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.

14.3 Dureza à penetraçãoPara 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).

; onde:

F = Carga aplicada e AC = área da calota esférica

AC = Dp; onde p = profundidade da calota.

Fazendo-se as devidas substituições:

Contudo, p não é muito fácil de ser determinado. Então, faz-se uma relação entre p e d, resultando

em:

Assim, a dureza é expressa em unidades de Kgf/mm2 (1Kgf/mm210N/mm210MPa).

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:

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.

Fator de carga=

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:

ou

- Baixo custo de equipamento

Desvantagens do método Brinell:

- 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).

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.

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.

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

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.

Tensão

Deformação é a deformação linear média

Deformação

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.

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)

sUTS=

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 =0,002

Tensão de escoamento= Limite de escoamento convencional.

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

b. Redução de área na fratura estricção

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.

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.

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.

Fadiga dos metais

16 FadigaFadiga 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).

16.1 Parâmetros de fadiga e as curvas S-NPrimeiramente, apresentaremos os parâmetros de fadiga que estão apresentados na Figura 2.

Figura 28 – Parâmetros de fadiga.

Intervalo da tensão cíclica: s = smax-smin

Amplitude da tensão cíclica: sa = (smax-smin)/2

Tensão média: sm = (smax+smin)/2

Razão de tensão: R = smin/smax,

onde smax e smin 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 s-

N) (ver Figura 3), onde S (ou s) 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.

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 fadigaTradicionalmente, 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 fadigaAs 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

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.

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).

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 materiaisMuitos 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.

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 fadigaEntre 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.

Figura 34 – Representação esquemática da superfície de fratura em um aço.

Figura 35 – Parâmetros de fadiga.

Intervalo da tensão cíclica: s = smax-smin

Amplitude da tensão cíclica: sa = (smax-smin)/2

Tensão média: sm = (smax+smin)/2

Razão de tensão: R = smin/smax,

Figura 36 – Curvas S-N ou curvas de Wöhler.

Figura 37 – Nucleação de trinca por fadiga nas bandas de escorregamento.

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.

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.

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.

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.

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).

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

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 ()

versus (t), como a apresentada na Figura 2.

Figura 44 – Esboço representativo de uma curva de fluência típica.

Estágios de fluênciaExiste 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.

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.

Ensaio de Impacto Charpy

17 FraturaPodemos 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

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.

Figura 50 – Latão. Fratura e mecanismo de fratura frágeis.

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

Figura 52 – Tipos de corpos de prova Charpy.

Figura 53 – Equipamento utilizado para a realização do ensaio de Charpy.

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 EstampabilidadeDurante 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...).

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 estiramentoOs 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

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.