mci - metais_2010[1]

Materiais de Construo

METAIS

srie MATERIAIS

joo guerra martins alberto marinho pereira

5. edio / 2010

Apresentao Este texto resulta inicialmente do trabalho de aplicao realizado pelos alunos da disciplina de Materiais de Construo I do curso de Engenharia Civil, sendo baseado no esforo daqueles que frequentaram a disciplina no ano lectivo de 1999/2000, vindo a ser anualmente melhorado e actualizado pelos cursos seguintes, no tendo qualquer outro objectivo para alm do restritamente acadmico, sendo excluda, liminarmente, qualquer futura utilizao para fins comerciais. No final do processo de pesquisa e compilao, o presente documento acaba por ser, genericamente, o repositrio da Monografia do Eng. Alberto Pereira que, partindo do trabalho acima identificado, o reviu totalmente, reorganizando, contraindo e aumentando em funo dos muitos acertos que o mesmo carecia. Pretende, contudo, o seu teor evoluir permanentemente, no sentido de responder quer especificidade dos cursos da UFP, como contrair-se ainda mais ao que se julga pertinente e alargarse ao que se pensa omitido. Esta sebenta insere-se num conjunto que perfaz o total do programa da disciplina, existindo uma por cada um dos temas base do mesmo, ou seja:

I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. X. XI. XII. XIII.

Metais Pedras naturais Ligantes Argamassas Betes Aglomerados Produtos cermicos Madeiras Derivados de Madeira Vidros Plsticos Tintas, ceras e vernizes Colas e mastiques

Embora o texto tenha sido revisto, esta verso no considerada definitiva, sendo de supor a existncia de erros e imprecises. Conta-se no s com uma crtica atenta, como com todos os contributos tcnicos que possam ser endereados. Ambos se aceitam e agradecem. Joo Guerra Martins

Os Metais na Construo Civil

NDICE GERALNDICE GERAL ................................................................................................................................................... 2 NDICE DE FIGURAS ......................................................................................................................................... 4 NDICE DE TABELAS ........................................................................................................................................ 6 INTRODUO ..................................................................................................................................................... 7 1. PROPRIEDADES ............................................................................................................................................. 9 1.1. PROPRIEDADES GERAIS................................................................................................................................. 9 1.2. PROPRIEDADES MECNICAS ....................................................................................................................... 10 1.2.1. Tenso ............................................................................................................................................... 11 1.2.2. Deformao ....................................................................................................................................... 11 1.2.3. Falha de um material ......................................................................................................................... 11 1.2.4. Fractura .............................................................................................................................................. 11 1.2.5. Resistncia esttica ............................................................................................................................ 12 1.2.6. Resistncia traco .......................................................................................................................... 12 1.2.7. Resistncia compresso .................................................................................................................. 12 1.2.8. Resistncia flexo, toro e outros esforos isolados ou combinados ............................................ 12 1.2.9. Mdulo de elasticidade ...................................................................................................................... 13 1.2.10. Deformao plstica ........................................................................................................................ 13 1.2.11. Tenacidade....................................................................................................................................... 13 1.2.12. Flexibilidade .................................................................................................................................... 14 1.2.13. Elasticidade...................................................................................................................................... 14 1.2.14. Plasticidade ...................................................................................................................................... 14 1.2.15. Ductilidade ...................................................................................................................................... 14 1.2.16. Maleabilidade .................................................................................................................................. 15 1.2.17. Friabilidade ...................................................................................................................................... 15 1.2.18. Fusibilidade ..................................................................................................................................... 15 1.2.19. Resistncia fadiga ......................................................................................................................... 16 1.2.20. Dureza ............................................................................................................................................. 16 1.2.21. Resistncia ao desgaste .................................................................................................................... 16 1.2.22. Resistncia a danos .......................................................................................................................... 16 1.2.23. Relaxao ........................................................................................................................................ 17 1.2.24. Fluncia ........................................................................................................................................... 17 1.2.25. Coeficiente de dilatao trmico ..................................................................................................... 17 1.3. PROPRIEDADES FSICAS E QUMICAS ........................................................................................................... 19 1.3.1. Aspecto/textura .................................................................................................................................. 19 1.3.2. Cor ..................................................................................................................................................... 19 1.3.3. Brilho ................................................................................................................................................. 19 1.3.4. Densidade .......................................................................................................................................... 19 1.3.5. Sensibilidade...................................................................................................................................... 20 1.3.6. Durabilidade ...................................................................................................................................... 20 1.3.7. Propriedades elctricas e magnticas ................................................................................................. 20 1.3.8. Propriedades trmicas ........................................................................................................................ 21 1.3.9. Propriedades acsticas ....................................................................................................................... 21 1.3.10. Propriedades qumicas ..................................................................................................................... 21 2. METAIS FERROSOS .................................................................................................................................... 23 2.1. O FERRO..................................................................................................................................................... 23 2.1.1. Propriedades Qumicas ...................................................................................................................... 25 2.1.2. Propriedades Fsicas .......................................................................................................................... 27 2.1.3. Usos e Aplicaes - Ferro .................................................................................................................. 28 2.2. O AO ........................................................................................................................................................ 29 2.2.1. Fabrico do ao ................................................................................................................................... 29 2.2.2. Tratamentos do Ao (trmicos, mecnicos e qumicos) .................................................................... 37 2.2.3. Tipos de Aos .................................................................................................................................... 44 2.2.4. Estudo das deformaes do ao ......................................................................................................... 46 2.2.5. Aos inoxidveis ............................................................................................................................... 65

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Os Metais na Construo Civil 2.2.6. Ao corten ou patinados ................................................................................................................. 70 2.2.7. Proteco dos aos contra a corroso ................................................................................................ 72 2.2.8. Proteco dos aos contra o fogo....................................................................................................... 84 2.2.9. Tipos de ligaes nas peas de ao .................................................................................................... 85 2.2.10. Sntese de avarias em ferro e aos ................................................................................................. 104 3. METAIS NO FERROSOS......................................................................................................................... 106 3.1. ALUMNIO ................................................................................................................................................ 106 3.1.1. Caractersticas.................................................................................................................................. 106 3.1.2. Tecnologia de fabrico ...................................................................................................................... 107 3.1.3. Tecnologia de transformao ........................................................................................................... 108 3.1.4. Tecnologia de tratamento ................................................................................................................ 109 3.1.5. Anodizao ...................................................................................................................................... 110 3.1.6. Controle e garantia........................................................................................................................... 111 3.1.7. Controlo de qualidade ...................................................................................................................... 111 3.1.8. Termolacagem ................................................................................................................................. 112 3.3. COBRE ...................................................................................................................................................... 115 3.4. ZINCO ....................................................................................................................................................... 116 3.5. CHUMBO .................................................................................................................................................. 117 3.6. ESTANHO.................................................................................................................................................. 118 3.7. CDMIO ................................................................................................................................................... 119 3.8. MERCRIO ............................................................................................................................................... 119 3.9. NQUEL .................................................................................................................................................... 120 3.9. COBALTO ................................................................................................................................................. 120 3.10. ANTIMNIO ............................................................................................................................................ 120 3.11. BISMUTO ................................................................................................................................................ 120 3.12. PRATA .................................................................................................................................................... 121 3.13. OURO ..................................................................................................................................................... 121 3.14. PLATINA ................................................................................................................................................. 121 3.15. IRDIO ..................................................................................................................................................... 122 3.16. RDIO .................................................................................................................................................... 122 3.17. RUTNIO ................................................................................................................................................ 122 3.18. SMIO .................................................................................................................................................... 122 3.19. PALDIO................................................................................................................................................. 122 3.20. MAGNSIO ............................................................................................................................................. 123 3.21. CRMIO .................................................................................................................................................. 123 3.22. MANGANS ............................................................................................................................................ 123 3.23. TUNGSTNIO .......................................................................................................................................... 123 3.24. MOLIBDNIO .......................................................................................................................................... 123 3.25. TNTALO ............................................................................................................................................... 124 3.26. TITNIO.................................................................................................................................................. 124 3.27. LIGAS METLICAS .................................................................................................................................. 124 3.27.1. Lato .............................................................................................................................................. 125 3.27.2. Bronze ........................................................................................................................................... 125 3.27.3. Alumnio ........................................................................................................................................ 126 BIBLIOGRAFIA............................................................................................................................................... 127 LXICO ............................................................................................................................................................. 129 ANEXO I - Vantagens do ao na Construo Civil ....................................................................................... 142 ANEXO II Algumas aplicaes dos aos na construo civil ..................................................................... 146 ANEXO III Algumas notas sobre METAIS NO FERROSOS ................................................................ 161 ALUMNIO ....................................................................................................................................................... 161 Alumnio anodizado .................................................................................................................................. 171 Alumnio lacado ........................................................................................................................................ 171 COBRE ............................................................................................................................................................ 172 O Cobre e suas Ligas ................................................................................................................................. 174 ZINCO ............................................................................................................................................................. 183

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NDICE DE FIGURASFigura 1 Ferro: Vista sobre chapas de amostra. ................................................................................................. 25 Figura 2 - Estrutura Cristalogrfica do Ferro: Cbico de corpo centrado. ........................................................... 28 Figura 3 - Produo de Ao. ................................................................................................................................. 36 Figura 4 Estiramento. ......................................................................................................................................... 42 Figura 5 Relao ente tenacidade e resilncia num ao macio e num de alta resistncia................................... 43 Figura 6 Relao ente tenso e deformao em funo da percentagem de carbono. ........................................ 45 Figura 7 Relao figurativa entre dimenses de uma pea e a sua esbelteza. .................................................... 47 Figura 8 Exemplo de um caso de perda de equilbrio por esforo axial de compresso. ................................... 47 Figura 9 Provete de ensaio mecnico de resistncia. ......................................................................................... 48 Figura 10 Provete preparado para ensaio de resistncia. .................................................................................... 48 Figura 11 Diagrama de foras/deslocamentos de um ao. ................................................................................. 49 Figura 12 Diagrama fora-deslocamento em fase elstica pura (Limite de Proporcionalidade). ....................... 50 Figura 13 Rotura do provete. ............................................................................................................................. 51 Figura 14 Diagrama tenses-deformaes. ........................................................................................................ 52 Figura 15 Colo de estrico................................................................................................................................ 52 Figura 16 - Oscilaes devidas a reaces da mquina mudana de comportamento do provete. ..................... 53 Figura 17 Significado grfico do Mdulo de Elasticidade. ................................................................................ 54 Figura 18 Configurao do troo CD (oscilaes devidas a reaces da mquina de ensaios).......................... 54 Figura 19 Diagrama tenses-deformaes de um ao macio. ............................................................................ 55 Figura 20 Relaes tenses-deformaes (-) para um ao duro. .................................................................... 58 Figura 21 Pontos notveis das relaes tenses-deformaes para um ao duro. .............................................. 59 Figura 22 Endurecimento. .................................................................................................................................. 60 Figura 23 Ensaios de dobragem. ........................................................................................................................ 61 Figura 24 Relaxao de tenses. ........................................................................................................................ 62 Figura 25 - St. Louis Arch Arq. Eero Saarinen. ................................................................................................ 66 Figura 25.A Perda de massa causada pela corroso em aos estruturais e patinados no pintados ................... 71 Figura 26 Ligao de peas metlicas por rebitagem. ........................................................................................ 85 Figura 27 Pormenor de ligao de pea metlica por rebitagem. ....................................................................... 86 Figura 28 Sequncia de ligao de pea metlica por rebitagem. ...................................................................... 87 Figura 29 Pormenor do remate de pea metlica por rebitagem. ....................................................................... 87 Figura 30 Cabos presos a rebites. ....................................................................................................................... 87 Figura 31 Ligao rebitada em estrutura metlica. ............................................................................................ 88 Figura 32 Ligao aparafusada de base de pilar................................................................................................. 89 Figura 33 Ligao aparafusada de guarda corpo. ............................................................................................... 89 Figura 34 Esquema da soldadura oxi-acetilnica ............................................................................................... 90 Figura 35 Aplicao de soldaduras por elctrodo revestido. .............................................................................. 90 Figura 36 Aparelhagem de soldar por elctrodos revestidos .............................................................................. 91 Figura 37 Soldadura TIG esquema de princpio ................................................................................................ 94 Figura 38 - Cordes com solda TIG ...................................................................................................................... 95

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Os Metais na Construo Civil Figura 39- Esquema de princpio soldadura MIG e MAG .................................................................................... 97 Figura 40 Estrutura soldada e pormenor de cordes de soldadura. .................................................................... 97 Figura 41 - Soldadura arco submerso.................................................................................................................... 98 Figura 42 - Pormenor de soldadura ....................................................................................................................... 99 Figura 43 - Soldadura por roletes esquema de principio .................................................................................... 101 Figura 44 - Soldadura por pontos esquema de princpio ..................................................................................... 101 Figura 45 - Operao de soldadura por pontos.................................................................................................... 103 Figura 46 - Perfil de alumnio para aplicao em Janelas ................................................................................... 106 Figura 47 - Billetes armazenados ........................................................................................................................ 108 Figura 48 - Perfis simples tubulares anodizados para andaimes em alumnio .................................................... 111 Figura 49 - Pormenor de um perfil de alumnio termolacado de uma persiana fixa ........................................... 112 Figura 50 - Seco de uma caixilharia em alumnio lacado ................................................................................ 114 Figura 51 - Chapa de ao zincada de perfil sinusoidal ........................................................................................ 117 Figura 52 - Museu Guggenheim em Bilbau. ....................................................................................................... 124 Figura 53 - Formas comuns de rebites ................................................................................................................ 147 Figura 54 - Exemplos de perfis em ao ............................................................................................................... 148 Figura 55 - Vigas de ao preparadas para montagem ......................................................................................... 149 Figura 56 - Cpula executada com combinao de perfis ................................................................................... 149 Figura 57 - Exemplo das possibilidades construtivas com perfis metlicas ........................................................ 149 Figura 58 - Pormenores de encaixe de perfis tubulares simples (sistema de andaimes) ..................................... 151 Figura 59 - Pormenores de encaixe de perfis tubulares simples (sistema de andaimes) ..................................... 151 Figura 60 - Configurao geomtrica da superfcie dos vares nervurados. ....................................................... 152 Figura 61 - Vares de ao para beto: diagramas tenses-deformaes ............................................................. 153 Figura 62 - Rolos de armaduras electro-soldadas ............................................................................................... 155 Figura 63 - Reforo de pavimento com armadura tipo Malhasol .................................................................... 156 Figura 64 - Deformao de uma viga para uma carga pontual centrada. ............................................................ 156 Figura 65 - Seco de um cabo de pr-esforo ................................................................................................... 157 Figura 66 - Diagrama de tenses-deformaes modificado para ao trefilado ................................................... 158 Figura 67 - Aplicaes de estruturas em ao....................................................................................................... 159

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NDICE DE TABELASTabela 1 Ferro / Qumica ................................................................................................................................... 26 Tabela 2 - Ferro / Fsica ........................................................................................................................................ 27 Tabela 3 - Ferro / Energias .................................................................................................................................... 27 Tabela 4 Aplicao dos Aos em funo do teor de Carbono ............................................................................ 45 Tabela 5 Comparao entre Aos Macios e Aos Duros ................................................................................... 59 Tabela 6 Comparao entre Ensaios Destrutivos e no Destrutivos .................................................................. 65 Tabela 8 Estruturas submersas e seus acabamentos ........................................................................................... 75 Tabela 9 Chapas de piso e seus acabamentos..................................................................................................... 76 Tabela 10 Resumo comparativo de processos de soldadura............................................................................. 102 Tabela 11 Tipos e causas de deteriorao em metais ....................................................................................... 105 Tabela 12 Caractersticas dos aos (tenses-deformaes) .............................................................................. 153

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INTRODUOA evoluo cientifico - metalrgica dos dias de hoje faz-nos deparar com metais cujas propriedades no se encaixam na classificao tradicional (dcteis, bons condutores e relativamente pesados), como o caso das ligas metlicas leves, dos metais orgnicos ou dos compsitos. No entanto, a consequncia do desenvolvimento da cincia e engenharia dos metais no apenas a sua simples implementao, mas tambm a introduo de novas tcnicas de aplicao e acrescidos resultados de explorao, tais como: alterao cirrgica das suas propriedades, como o caso da resistncia ao desgaste, corroso e oxidao mas no alterando significativamente o seu custo de fabrico. Muitos destes metais influenciaram tanto o modo de vida das populaes que se tornaram indispensveis ao funcionamento das sociedades modernas. H, porm, que ter em conta a seleco racional dos materiais e o modo de processamento tecnolgico que dever ser econmico quer em custos, quer em tempo, como na conscincia dos aspectos ambiental. Do ponto de vista organizacional, o texto est dividido em trs captulos fundamentais: O primeiro captulo dedicado, fundamentalmente, s caractersticas dos metais, fazendo referncia s propriedades gerais desses materiais, quer estas sejam mecnicas, fsicas ou qumicas; No segundo captulo so abordados os metais ferrosos, com natural destaque para uma abordagem sobre o Ferro e o Ao; No terceiro captulo so analisados um vasto leque de metais no ferrosos, como o alumnio e o cobre, entre outros. Na primeira parte, aps identificadas as principais propriedades genricas dos metais, procura-se percorrer os metais mais aplicados em construo civil, efectuando-se uma separao entre as duas principais famlias: metais ferrosos e no ferrosos. No primeiro grupo encontram-se os dois mais tradicionais e quase desde sempre aplicados nas construes e artefactos construdos pelo Homem: o ferro e o ao. Estudam-se as suas principais propriedades qumicas e fsicas, bem como as suas principais aplicaes. No caso 7


do ao, elemento actualmente preponderante, analisa-se ainda o seu processo de fabrico do ao, tipos de tratamento (trmicos, mecnicos e qumicos), as indicaes que se podem retirar do seu comportamento em deformao, as suas ligas (nas quais de destaca o ao inoxidvel), mtodos de proteco (contra a corroso e o fogo), tipos de ligaes nas peas mais correntes e mesmo uma pequena sntese das avarias mais habituais. No que trata dos metais no ferrosos mais aplicados, d-se particular nfase ao alumnio, dado ser o mais empregue na actualidade nas edificaes, no esquecendo outros igualmente importantes, isolados (como o cobre e o zinco) ou ligados (como o lato e o bronze). Em complemento, adiciona-se ainda um lxico bastante completo sobre esta temtica, bem como um anexo sobre as vantagens da adopo do ao na construo civil e outro sobre as suas aplicaes nesta actividade industrial Acredita-se que o trabalho desenvolvido contm informao actualizada, abarcando a os ttulos mais importantes do tema. Desta forma, este texto contribuir para a sensibilizao e esclarecimento de solues, quer na fase de concepo, como na imediata e posterior seleco de produtos aconselhveis para uma correcta utilizao dos metais.

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1. PROPRIEDADES1.1. Propriedades geraisOs metais so utilizados pela sua capacidade de executar determinadas funes. So largamente utilizados em edifcios como suporte estrutural, para conter e levar lquidos quentes e frios, conduzir electricidade, excluir o ambiente externo (e conter alguns ambientes internos) e para providenciar uma aparncia agradvel. Em princpio os metais j deviam ser disponveis na forma e acabamento desejado. Tambm no deviam apresentar problemas quando necessrio junt-los. Outros requisitos so o de serem capazes de resistir ao fogo e no serem prejudiciais sade. Uma importante diviso classificativa para os materiais mais correntes utilizados na construo civil entre o grupo dos dcteis e dos frgeis: Material dctil aquele que apresenta grandes deformaes antes da rotura (como o ao, o alumnio, o cobre, etc.). O diagrama tenso-deformao dos materiais dcteis caracteriza-se basicamente por inicialmente apresentar uma zona linear onde existe proporcionalidade entre a tenso e a deformao, sendo a deformao reversvel. Numa segunda fase verifica-se um grande aumento de deformao (geralmente muito superior verificada at ai) com uma variao relativamente pequena da tenso, onde a deformao no reversvel apresentando deformaes residuais permanentes. Os diagramas tenso-deformao dos materiais dcteis, obtidos em ensaios de traco e de compresso, apresentam as mesmas caractersticas, exibindo os mesmos valores das tenses limite de proporcionalidade e de cedncia;

Material Frgil Tenso Material Dctil

Zona recta (relao linear entre tenso e deformao)

Deformao9


Material frgil aquele que se deforma pouco antes da rotura (caso do ferro fundido, do beto, das pedras, do vidro, dos materiais cermicos, etc.), ou seja, um material que fractura praticamente sem previamente sofrer alteraes geomtricas e superficiais visveis, tendo como caracterstica o facto de a rotura em traco se dar com um valor de tenso mais baixo que na compresso. Alm disso, o diagrama tenso-deformao dos materiais frgeis caracteriza-se por apresentar uma zona linear menos definida, mais prxima de uma curvatura discreta que vai aumentando gradualmente at rotura (embora nem sempre assim seja, podendo surgir relaes lineares entre tenses e deformaes at muito prximo da rotura, mas sempre sem grandes deformaes totais). No apresenta deformaes residuais significativas, mesmo aps a rotura.

Material tenaz (tenacidade) aquele que apresenta admite deformaes em regime plstico (deformaes permanentes), absorvendo energia de deformao, permitindo dissipao e energia e redistribuio de tenses, pelo que se ope propagao de fissuras (como o ao, etc.);

Dado que uma rotura dctil pressupe significativas deformaes antes do colapso, essa antecipao pode servir como anncio do eventual futuro acidente, ou seja, um sintoma do estado deficiente da estrutura com eventual indicao da sua prxima fractura (como exemplos temos a fissurao de elemento estruturais ou alvenarias e rebocos; fendas em pavimentos ou flechas excessivas; empenos de caixilharias ou quebra de vidraas; etc.). J numa rotura frgil esse alerta no facilmente aparente, ou muitas vezes sequer minimamente perceptvel, conduzindo esta ausncia de sinais de alarme a uma situao sempre de temer, pois ocorre sem qualquer aviso. Esta diferena constitui-se numa das maiores vantagens dos materiais dcteis sobre os frgeis.

1.2. Propriedades mecnicasProcede-se apresentao das principais propriedades mecnicas dos metais, muito embora estas sejam abrangentes da generalidade dos materiais construtivos, com menor ou maior pertinncia, aplicam-se com toda a justeza aos agora em anlise. Diga-se que estamos a usar o termo propriedades no seu sentido mais lato, pois algumas das entidades apresentadas so, por norma, habitualmente definidas como grandezas e no 10


propriamente como propriedades. A nossa atitude visa a simplificao e a objectividade, sem a perda do rigor formal indispensvel. 1.2.1. Tenso grandeza mecnica ou energia que causa ou produz deformao ou fractura de um material d-se o nome de tenso (). Na realidade, a tenso refere-se s foras inter-atmicas que reagem a uma fora externa aplicada. 1.2.2. Deformao Todos os materiais, sem excepo, deformam-se quando sujeitos a cargas ou foras mecnicas. O valor dessa deformao depende, evidentemente, do tipo de material, das dimenses da pea e do valor das aces solicitantes. Existem dois tipos bsicos de deformao (): a deformao elstica, recupervel, e a deformao plstica, no recupervel ou permanente (ainda que parcialmente restaurvel se em fase elsto-plstica). 1.2.3. Falha de um material Existem trs condies diferentes sob as quais se pode considerar que um material falhou na sua misso: Por fractura, ou seja pela separao ou rotura do material; Por encurvadura ou colapso, como no caso de uma coluna ou pilar sujeita a cargas excessivas (superiores carga crtica); Por deformao plstica superior admissvel, mesmo nos casos em que uma determinada deformao plstica ainda aceitvel. 1.2.4. Fractura A situao final que resulta da aplicao de foras mecnicas e a separao completa ou fractura do material. A fractura pode ser descrita de formas diferentes. O termos dctil e frgil caracteriza o comportamento do material antes da ocorrncia da fractura, conceitos dos quais se falar frente no texto.

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1.2.5. Resistncia esttica a resistncia (Fd) que um material apresenta a um ou diversos tipos de esforos exercidos de forma esttica, ou seja, admitindo que a aco da carga aplicada no encerra componentes dinmicas nem de velocidade. No fundo, trata-se de reconhecer que as deformaes produzidas so pequenas, ficando a caracterizao da situao limitada admisso de pequenos deslocamentos. A resistncia como termo em si no caracterizadora de nenhuma qualidade especfica, ela tem que ser relacionada com a aco que a motiva, como uma traco, uma resistncia mxima flexo, etc. Em termos de elementos estruturais esta pode assumir designaes directa segundo os efeitos solicitantes, como resistncia ao vento, a movimentos trmicos ou a vibraes (sejam ssmicas, com origem em mquinas ou motivadas pelo trnsito). 1.2.6. Resistncia traco A resistncia traco (Ftd) de um material a oposio que este exerce a uma solicitao que o tende a deformar na direco em que aplicada e no sentido de lhe provocar uma deformao por alongamento. 1.2.7. Resistncia compresso A resistncia compresso (Fcd) de um material a oposio que este exerce a uma solicitao que o tende a deformar na direco em que aplicada e no sentido de lhe provocar uma deformao por encurtamento. A resistncia compresso de um metal normalmente semelhante resistncia traco, mas de sinal contrrio: primeiro ocorre uma deformao elstica qual se segue uma deformao plstica. Contudo, e dado que a compresso o tipo de esforo mais exigente para os materiais, podem-se colocar problemas de instabilidade por encurvadura de seces e elementos, dai que circunstncias h que nem o limite elstico do material chega a ser atingido, dado que a pea j, entretanto, instabilizou por no linearidade geomtrica (efeitos de segunda ordem do tipo P- ou N-). 1.2.8. Resistncia flexo, toro e outros esforos isolados ou combinados A resistncia flexo, toro e outros esforos, isolados ou combinados, pode sempre decompor-se nos dois elementares que atrs de definiram. Na verdade, os tipos de esforos 12


identificados no pargrafo anterior so mais caracterizadores de problemas mecnicos e estruturais do que do material no sentido restrito, propriamente dito. Todavia, podemos adiantar que, de uma forma genrica, seces, elementos e at estruturas metlicas (sobretudo de ao), so muito utilizados e tem bom desempenho no que resistncia a estas aces respeita. Designadamente o ao, isolado (nomeadamente em perfis metlicos), ou combinado (por exemplo com o beto), dos materiais estruturais mais utilizados na Construo Civil. 1.2.9. Mdulo de elasticidade O mdulo de elasticidade (E) serve de parmetro caracterstico do comportamento de um material na zona elstica, uma das propriedades mecnicas mais importantes dos materiais, representa a relao entre a tenso e a extenso no domnio elstico. Esta relao linear para a maioria dos materiais, mas outros, como o beto, o ferro fundido e alguns metais no ferrosos, exibem uma relao de proporcionalidade tenso-extenso que linear apenas numa curta gama de valores. Podemos, de uma forma simplificativa, instituir diferentes valores de E em funo da zona de relacionamento entre tenses e deformaes (-), em regime elstico temos a conhecida lei de Hook, em que: =E. 1.2.10. Deformao plstica O comportamento dos metais a temperaturas normais durante a deformao plstica pode ser medido. Esta avaliao usualmente feita em termos de percentagem de alongamento e reduo de rea, de um provete sujeito a um ensaio de traco ou pela capacidade do provete de suportar uma dobragem a frio. A deformao plstica vincula uma modificao permanente da pea, no recuperando mais esta a sua forma inicial, ou seja, o regresso forma anterior da existncia da aco que lhe provocou a alterao geomtrica, mesmo que esta solicitao seja completamente retirada. 1.2.11. Tenacidade A tenacidade exprime a aptido de um material absorver energia atravs de deformao plstica antes de se fracturar, pelo que est muito associado capacidade do material em resistir propagao de fendas.

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A resistncia, que mede a tenacidade, diminui em regra (para os aos) medida que a resistncia aumenta. Quer isto dizer que a partir de um certo valor da tenso instalada no material (limite elstico), este entra em cedncia, sendo necessrio um menor acrscimo de energia para provocar uma igual deformao. Por outras palavras, perde-se a linearidade (ou univocidade) entre tenses e deformaes, pelo que a uma mesmo aumento de unidade de tenso surge uma maior extenso do que em fase elstica, pelo que o material perde tenacidade. Os metais podem-se classificar, por ordem crescente de tenacidade, do seguinte modo: chumbo, estanho, zinco, ouro, prata, platina, cobre, ferro e ao. 1.2.12. Flexibilidade A flexibilidade a medida da capacidade do material de se submeter deformao (sobretudo elstica, mas tambm plstica) antes da fractura. 1.2.13. Elasticidade A elasticidade a propriedade que alguns metais possuem de adquirirem curvatura ou extenso sem se deformarem de modo permanente nem quebrarem, readquirindo a forma primitiva logo que cessa a aco que os curva ou distende. 1.2.14. Plasticidade Plasticidade ser o oposto da elasticidade, grosso modo. Portanto, poderemos dizer que ser a propriedade que alguns metais possuem de adquirirem curvatura ou extenso deformando-se de modo permanente (podendo, ou no, chegar rotura), no mais readquirindo a forma primitiva mesmo que cesse a aco que os curva ou distende. Normalmente este estado no atingido de forma directa desde o incio da aco que leva ao comportamento plstico, decorrendo primeira e inicialmente uma fase elstica at se atingir um certo valor de carga (limite elstico de carregamento). 1.2.15. Ductilidade A ductilidade pode ser vista segundo duas perspectivas: uma de comportamento do material em termos da sua capacidade de absoro de energia sem fractura, outra no que trata sua facilidade de se permitir moldar sem fracturar. 14


Se bem que estas duas pticas tenham conexo, podem ser vistas de forma independente, assim: 1) A capacidade de absoro de energia sem fractura, est intimamente ligada com a propriedade de um material se deixar deformar sem perda de resistncia significativa, o que pode ser importante para a dissipao de energia ssmica, por exemplo, em elementos estruturais sujeitos a esta aco em que as deformaes expressivas so inevitveis; 2) A facilidade de um material se permitir moldar sem fracturar, pode ser vista, sob o ponto de vista de fabrico, como a propriedade que os metais apresentam, em diverso grau, de se deixarem puxar fieira, formando fios ou arames finos. A ductilidade no est, porm, nica e directamente relacionada com a maleabilidade, porque tambm depende da tenacidade dos materiais. O chumbo, o estanho, o zinco, o cobre, o nquel, o ferro, a platina, a prata e o ouro so, por ordem crescente os que apresentam maior capacidade de ductilidade. 1.2.16. Maleabilidade A maleabilidade a propriedade que os metais possuem de se deixarem reduzir a formas diversas a temperaturas ambiente ou a estas prximas (como chapas ou lminas por meio de percusso ou por sua passagem por laminadores a frio). 1.2.17. Friabilidade A friabilidade a propriedade oposta maleabilidade, ou seja a dos metais serem quebradios. Os metais mais maleveis por ordem crescente so o nquel, o ferro, o zinco, o chumbo, a platina, o estanho, o cobre, a prata e o ouro. O bismuto e o antimnio so exemplos de metais friveis. 1.2.18. Fusibilidade A fusibilidade a propriedade que os metais possuem de se liquefazerem ou derreterem sob a aco do calor. Pode servir para a classificao dos metais em dois grupos: os que fundem abaixo do rubro e os que so fusveis acima do rubro. Entre estes, existem uns em que a fuso 15


se opera a temperaturas facilmente obtidas nos fornos metalrgicos, outros em que dificilmente se consegue fundi-los nesses fornos e ainda outros considerados infusveis (ou infundvel). Enumerando, por ordem crescente, os que fundem abaixo do rubro, eles so: o estanho, o bismuto, o chumbo, o zinco, o antimnio, o alumnio e a prata. Os outros so o cobre, o ouro, o ferro e o nquel, com temperaturas de fuso acima dos 1000C. Por ltimo, a platina que apenas se consegue fundir em fornos elctricos. 1.2.19. Resistncia fadiga Quando um material sujeito a cargas variveis ao longo do tempo, eventualmente de forma cclica, pode dar-se a rotura sem que as tenses tenham ultrapassado a tenso mxima ou mesmo da tenso limite de elasticidade, chamando-se a este fenmeno de fadiga. 1.2.20. Dureza Embora a dureza seja uma das propriedades mais usadas para distinguir entre si vrios materiais, no existe uma definio do processo de medida universal aplicvel para a sua determinao. Os mtodos mais utilizados para o fazer so baseados em ensaios de penetrao. Entre eles salientam-se os ensaios de Brinell, mais indicado para materiais pouco duros, os ensaios de dureza de Rockwell e os ensaios de dureza de Vickers. No fundo trata-se de aferir at que ponto um material de deixa deformar por aco mecnica, ou to s se permite ser superficialmente riscado por outro material. 1.2.21. Resistncia ao desgaste Esta propriedade pretende caracterizar a capacidade que um material tem de resistir aco de foras abrasivas aplicadas na sua superfcie. O desgaste manifestado pela perda de material, atravs do atrito ou do choque. 1.2.22. Resistncia a danos Esta propriedade, estando de algum modo relacionada com a fractura, desta autnoma, pois um dano no necessariamente a separao entre partes de uma pea, ou destaque de material. Efectivamente uma fissura, pequena que seja, um dano, podendo variar a sua severidade e importncia em funo da sua dimenso e da funo da pea (por exemplo e 16


respectivamente, se esta assume valores elevados passar a ser uma fenda, se a pea for um reservatrio qualquer abertura ser inaceitvel). Os danos podem ser acidentais ou deliberados, ou ser uma qualidade directa do metal trabalhado. Tambm se podem dever a propriedades do metal inadequadas ou m qualidade do material ou da mo-de-obra. Metais sujeitos a uma carga constante mostram uma tendncia para se deformar lentamente com a passagem do tempo. Falha de fadiga envolve o crescimento de uma fissura sob esforos repetidos, tais como vibraes reiteradas (como trnsito), movimentos trmicos diferenciais e efeitos vibratrios (com o vento ou mquinas). 1.2.23. Relaxao a diminuio das tenses instaladas no material sem variao da deformao, ou seja, a perda de tenso no tempo sob deformao constante. o caso de uma pea sujeita a uma fora que lhe provoca uma extenso, que se mantm por um perodo prolongado, e que v o valor da aco necessria para manter esse estiramento diminuir (com mais ou menos expresso dependendo do material). Isto sucede por rearranjo interno das partculas do material, que se acomodam a esta situao.

1.2.24. Fluncia Aumento da deformao com o tempo, sem que haja variao de carga. 1.2.25. Coeficiente de dilatao trmico a variao unitria de comprimento entre dois pontos situados num corpo submetido variao de temperatura de um grau centgrado.

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Resumo:Propriedades Mecnicas (que surgem em todos os Materiais de Construo): Tenso; Deformao; Falha (1 - Por fractura/rotura do material; 2 - Por encurvadura ou colapso; 3 Por deformao plstica excessiva); Resistncia mecnica; Ductilidade; Tenacidade; Fragilidade; Elasticidade; Deformao plstica; Flexibilidade/deformabilidade; Maleabilidade/trabalhabilidade oposto a friabilidade; Fusibilidade/soldabilidade; Fadiga; Relaxao; Fluncia; Dureza; Desgaste/abraso.

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1.3. Propriedades fsicas e qumicasOs metais tm determinadas caractersticas prprias que os caracterizam, sendo identificadas as mais significativas. 1.3.1. Aspecto/textura Componentes metais podem ser obtidos numa grande variedade de cores, naturais e aplicadas, e com texturas diferentes. A corroso responsvel por mudanas no aspecto da superfcie que so, na maioria dos casos, desagradveis vista. Uma excepo importante o cobre cujo produto de corroso, uma platina verde aderente, considerada possuir uma aparncia agradvel. 1.3.2. Cor A maior parte dos metais apresenta a cor branca mais ou menos pura. Porm, existem outros metais que tm cor caracterstica, como por exemplo o ouro e o cobre. A cor dos metais tambm alterada pela modificao que a sua superfcie sofre pela presena dos agentes atmosfricos, que, por vezes, provocam a sua oxidao superficial. 1.3.3. Brilho De uma maneira geral, todos os metais so susceptveis de receber polimento, tornando-se a sua superfcie brilhante, reflectindo a luz e as imagens dos objectos. Tal como na cor, o brilho pode ser tambm alterado pela aco dos agentes atmosfricos, tornando os metais baos, fazendo-lhes perder o brilho por completo. Contudo, nem s os agentes atmosfricos podem causar esses efeitos, casos como as de aces qumicas e trmicas podem motivar iguais alteraes tomando-os baos (caso de ciclos de aquecimento e arrefecimento mesmo em ao inoxidvel). 1.3.4. Densidade A densidade de um metal consiste na relao entre o peso da unidade de volume desse metal e o peso de igual volume de um outro corpo tomado como termo de comparao. O corpo que se toma para comparao gua destilada, temperatura de 4,1C e presso normal.

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Os pesos especficos, ou densidades relativas, dos metais mais usuais, por ordem crescente so o alumnio, o antimnio, o zinco, o estanho, o ferro, o nquel, o cobre, o bismuto, a prata, o chumbo, o mercrio, o ouro e a platina. 1.3.5. Sensibilidade A humidade exerce aco oxidante sobre a maioria dos metais, mas num grau muito varivel. a inimiga natural dos metais. Os aos comuns reagem com o meio ambiente, formando uma camada superficial de xido de ferro. Essa camada extremamente porosa e permite a contnua oxidao do ao, produzindo a corroso, popularmente conhecida como "ferrugem". Sobre o ferro a oxidao profunda, acompanhada de hidratao, enferrujando-o e acabando por destru-lo. Sobre muitos outros metais a oxidao superficial, cobrindo-os de uma tnue camada de xido, como acontece com o cobre, o chumbo e o zinco. Os metais preciosos como o ouro, a prata e a platina mantm-se inalterveis, enquanto o nquel pouco se altera. 1.3.6. Durabilidade Os metais utilizados na construo podem estar sujeitos a uma grande variedade de potenciais situaes de corroso incluindo: abastecimento domstico de gua, guas residuais, guas pluviais, atmosferas internas e externas, contacto com outros materiais de construo e exposio a vapores corrosivos. A corroso pode afectar o bom funcionamento da estrutura, permitir a entrada de gua num edifcio, levar distoro de outros materiais do edifcio e trazer consigo mudanas no aspecto. 1.3.7. Propriedades elctricas e magnticas Estas propriedades do uma indicao do comportamento dos materiais sob o efeito de correntes elctricas e campos magnticos. Uma das propriedades mais importantes a condutividade elctrica, sendo os materiais classificados em condutores, isoladores e semicondutores. Esta consiste na maior ou menor facilidade que os metais oferecem passagem da corrente elctrica ou propagao de calor. De uma maneira geral, todos os metais so bons condutores elctricos. 20


1.3.8. Propriedades trmicas A resistncia ao calor uma propriedade que d uma indicao da capacidade que um material tem de manter as suas caractersticas estveis quando a temperatura varia. As temperaturas para as quais se verificam importantes alteraes na estrutura a/ou comportamento de um material so chamadas nveis ou pontos de transio. Dentro das propriedades trmicas mais importantes a tomar em considerao, alm da resistncia ao calor, temos a condutibilidade e emissividade trmicas e a dilatao. As modificaes dimensionais trmicas podem criar tenses no interior dos materiais, designadas por tenses trmicas, que podem conduzir fractura. De uma maneira geral, todos os metais so bons condutores de calor, ficando ordenados por ordem decrescente da seguinte maneira: prata, cobre, ouro, zinco, estanho, ferro, chumbo, platina e bismuto. 1.3.9. Propriedades acsticas A facilidade de propagao de sons num meio depende em grau elevado da sua densidade. Ora, os metais so materiais densos, em geral, pelo que so bons condutores de ondas acsticas, seja por ondulao pura ou percusso. Se no seriam de adoptar no caso de isolamento acstico por choque (percusso), tambm no so bons isoladores a som areo, mesmo atendendo a que a massa tambm um factor importantes de isolamento acstico a sons deste tipo (at por razes econmicas). 1.3.10. Propriedades qumicas As propriedades qumicas de um material so muito importantes, particularmente no que diz respeito sua capacidade de resistncia corroso (que no apenas a derivada da presena do oxignio). Esta corroso no mais do que a reaco entre o material e o ambiente qumico em que est mergulhado e pode resultar em perda de material ou deteriorao, alm de modificar outras propriedades, tais como a resistncia ao desgaste e fadiga. Os agentes qumicos so sobretudo os cidos que atacam os metais. O cido clordrico ataca o ferro e o zinco a frio, enquanto o cido sulfrico decomposto por estes. O cido aztico ataca a maioria dos metais excepto o ouro e a platina. Apenas a gua-rgia (mistura de certas

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propores dos cidos aztico e clordrico) dissolve aqueles metais preciosos passando-os ao estado de cloretos.

Resumo:

Propriedades Fsicas/Qumicas: Aspecto/textura; Cor; Brilho; Densidade; Sensibilidade; Durabilidade. Propriedades elctricas. Propriedades magnticas. Propriedades trmicas. Propriedades acsticas. Propriedades de combinao (qumica) em ligas.

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2. METAIS FERROSOSOs metais dividem-se em dois grandes grupos, mais precisamente em: 1) Metais ferrosos; 2) Metais no-ferrosos. Do primeiro grupo fazem parte os ferros e os aos, enquanto que o segundo formado pelos restantes metais, como o cobre, o zinco, o alumnio e o chumbo, entre outros. Da unio de metais entre si, ou destes com outros elementos, obtm-se as ligas. Tambm elas podendo ser ferrosas ou no ferrosas, consoante a presena ou no de metais ferrosos nas suas composies. Entre os metais no ferrosos, os que mais se utilizam isolados e em ligas so: Cobre e ligas de cobre; Zinco e ligas de zinco; Nquel e ligas de nquel; Alumnio e ligas de alumnio; Magnsio e ligas de magnsio; Titnio e ligas de titnio. Os metais conhecidos sob as designaes de ferros e aos so produzidos a partir de minrios onde o elemento qumico ferro se encontra combinado especialmente com oxignio.

2.1. O FerroEste metal acompanha o homem desde os primrdios de sua existncia. No se sabe quando ou como o ferro foi descoberto. O seu emprego do ferro data dos mais antigos tempos da Histria do Mundo. Foi do Oriente, sem dvida, que o ferro se introduziu na Europa, pela Grcia e depois pelo vasto Imprio Romano. Para espalhar o seu emprego por todos os pases muito contriburam os Fencios e os Cartagineses. De facto, ferro j conhecido desde tempo muito remotos. A arqueologia revelou que este material era utilizado na Mesopotmia e Egipto. Nos primeiros tempos em que foi fabricado,

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o fabrico do ao variava de regio para regio. Pensa-se que o Homem o descobriu acidentalmente, proveniente dos meteoritos, que caam em determinada regio. Posteriormente reconheceu-se a possibilidade de laborao e utilizao dos minrios de ferro, encontrados superfcie da terra, na obteno do ao, tendo para isso comeado a fundi-los nas fogueiras Registros do uso do ferro datam de antes de 3000 anos a.C. Os Hititas, povo que habitou a sia Menor nos anos 1300/1200 a.C., j trabalhavam com o metal. Ferramentas de ao foram encontradas na Assria e datavam de 700 anos a.C. No sc. XVII, em Portugal foram estabelecidas as primeiras ferrarias que fabricavam principalmente canhes e cavilhas para navios. S no sculo XVIII foram construdos alguns fornos para a fabricao de ferro fundido, utilizado em canhes. At meados do sculo passado era utilizada para fabrico do ao a Forja Catal. Na forja catal o minrio era lanado para uma cuba que se encontrava dentro de um forno. Misturava-se combustvel com este minrio, a insuflao de ar era feita com um fole. Por este processo a elevao de temperatura no era muito grande e o ferro no chegava a fundir, ficando misturado com as escrias e com um aspecto pastoso. Desta maneira obtinha-se o ferro macio, que um ferro com uma percentagem de carbono inferior do ao, ou mesmo ao, conforme a descarbonatao fosse muito intensa ou pouco respectivamente. Na verdade, foi em 1786, Monge Vandermond e Bertholet estabeleceram, que a diferena entre ferro e ao era devido a quantidade de carbono. Em 1879, Sidney Gilchrist Thomas e Percy Lyle Gilchrist, descobriram um processo para remover o elemento fsforo (P) do ferro fundido (lingote). A partir do XIX ganha enorme importncia no contexto do fabrico de estruturas de Engenharia Civil, sendo o concorrente da pedra e da madeira na construo do esqueleto de edificaes, pontes e outras estruturas. Constitui aproximadamente 5% da crosta terrestre, sendo o quarto elemento mais abundante e o segundo metal mais profuso.

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Figura 1 Ferro: Vista sobre chapas de amostra.

A avaliao das reservas mundiais de minrio de ferro deve ser encarada com certa restrio, pois novas descobertas vo alterando o quadro destas reservas. As reservas de ferro esto espalhadas pelo mundo todo; na sia, Oriente Mdio, Amrica do Sul, Europa, Amrica do Norte, Antilhas, frica e Ocenia. um elemento relativamente abundante no universo, encontrado no Sol e noutras estrelas. Os minerais mais importantes so: Magnetite (Fe3O4): 72,4% de ferro Hematite (Fe2O3): 70% de ferro; Limonite (2Fe2O3.3H2O): 59,9% de ferro; Siderite (FeCO3): 48,3% de ferro. Como curiosidade e para fins de busca bibliogrfica cite-se as sua designao em vrias lnguas (cuja origem latina: "ferrum"): Alemo - eisen; Ingls - iron; Espanhol - hierro; Francs - fer; Italiano - ferro). No que se refere ao seu processo de fabrico, e dadas as relaes de familiaridade directa com o Ao (sendo este ltimo mais utilizado na construo civil que o Ferro, propriamente dito), este apresentado no sub-captulo que tratam deste metal e das suas ligas. 2.1.1. Propriedades Qumicas O ferro, quimicamente, um metal simples, malevel a quente, dctil, duro, tenaz e quando puro altamente reactivo (embora dificilmente se apresente na forma pura). Oxida-se rapidamente ao ar hmido, produzindo a ferrugem ou xido de ferro hidratado, Fe2O3.xH2O (ferrugem). um agente redutor e o nico metal que pode ser temperado. Dissolve-se facilmente em cidos minerais diludos, reage com cidos no oxidantes e em ausncia de ar, produzindo compostos de ferro. Responde, ainda, com cido ntrico (HNO3) a quente, em presena de ar. 25


um componente vital para animais e plantas e componente importante na hemoglobina. Pode ser classificado segundo o seu teor em carbono. Assim, o ferro macio aquele cujo teor em carbono no excede 0,0015 em peso, malevel e no adquire tmpera. O ferro forjado o ferro macio obtido sem ser por fuso. O ferro macio obtido por fuso chama-se ferro malevel e o seu teor em carbono fica compreendido entre 0,0015 e 0,003, que o teor de carbono presente no ao. O ferro muito magntico, atingindo a sua intensidade de magnetizao cerca de 1700 unidades C.G.S. A resistividade do ferro macio de 10 a 12 microhms, temperatura de 0C.Tabela 1 Ferro / Qumica

FERRO (Fe) Qumica Informaes gerais Smbolo Qumico Nmero Atmico Peso Atmico Grupo da Tabela: Configurao Electrnica Classificao Estado Fsico Cor: Fe 26 55,845 8 (VIIIB) [Ar].3d6.4s2 Metal de Transio Slido (T=298K) Cinza prateada ou azulado

A cor do ferro macio cinzenta-azulada. A densidade do ferro macio de 7,78 e a do ferro forjado 7,84. O ferro funde a 1500C, tomando a cor do rubro branco. Entre 1300 e 1400C, solda-se autogeneamente, podendo ser trabalhado com facilidade ao martelo, forjando-o. Os Ferros Fundidos so todas as ligas de ferro e carbono em que o teor deste ltimo se situa entre 2,5 e 3,5%. Distinguem-se os ferros fundidos cinzentos (carbono sob a forma de grafite) e os ferros fundidos brancos (grafite sob a forma de cementite), sendo a diferena visvel estabelecida pela cor da sua fractura. Tm, em geral, reduzida ductilidade e boa resistncia compresso. A soldabilidade fraca, usando-se normalmente apenas na recuperao de peas fendidas ou rachadas. Os ferros fundidos brancos no so soldveis. 26


2.1.2. Propriedades Fsicas O alongamento do Ferro sob esforos de traco pode ir at cerca de 15% do seu comprimento total, podendo sofrer a tenso mdia de 350 MPa (350x106 Pa = 350x106 N/m2 = 350 N/mm2 = 350/9,8 Kg/mm2 35 Kg/mm2) sem partirTabela 2 - Ferro / Fsica

FERRO (Fe) Fsica Informaes gerais Estado Fsico (temperatura ambiente) Densidade do slido (g/cm3) Ponto de Fuso (K) Ponto de Ebulio (K) Condutividade Trmica (W/m.k) Resistividade Elctrica (10-8.Ohm.m) Calor Especfico (J/g.K) Eletronegatividade (Pauling) Afinidade Eletrnica (kJ/mol) slido 7,874 1811,0 3134,0 80,0 9,7 0,44 1,9 15,7

O alongamento do Ferro sob esforos de traco pode ir at cerca de 15% do seu comprimento total, podendo sofrer a tenso mdia de 350 MPa (350x106 Pa = 350x106 N/m2 = 350 N/mm2 = 350/9,8 Kg/mm2 35 Kg/mm2) sem partir. As suas propriedades elsticas variam como seu teor em Carbono, sendo certo que quanto maior a percentagem deste elemento na sua composio, menor a sua elasticidade (e maior a sua fragilidade).Tabela 3 - Ferro / Energias

FERRO Energias Energias de Ionizao (kJ/mol) 1 762,5 2 3 4 5 6 7 12060,0 1561,9 2957,0 5290,0 7240,0 9560,0

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Figura 2 - Estrutura Cristalogrfica do Ferro: Cbico de corpo centrado.

2.1.3. Usos e Aplicaes - Ferro O ferro usado em vrios tipos de compostos e como ferro fundido. um metal muito fcil de trabalhar e o mais barato, pois um dos mais abundantes metais na terra (como se referiu, formando aproximadamente 5% da crosta terrestre). o componente principal em ligas de ao, o material base mais usado pela indstria moderna. Tendo uma muito boa relao resistncia/preo profusamente aplicado na indstria me geral.

O ferro fundido usado como material para: Caixilharias; Portes; Grades; Guardas; Postes de iluminao.

Em produtos de inmeras aplicaes: Ferramentas; Pregos; Parafusos; Roscas e afins.

No fabrico de equipamentos e mquinas, como: Recuperadores de Calor; Radiadores; Tornos mecnicos; Peas variadas; Mquinas e acessrios; Etc.

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Embora sem interesse, directo ou indirecto, no mbito deste trabalho, recorde-se o seu papel na indstria farmacutica e como metal essencial ao corpo humano, nomeadamente como elemento da hemoglobina do sangue, a qual transporta o oxignio (O2) dos pulmes para o resto do corpo.

2.2. O AoComo derivado/familiar do ferro, o ao , simplificadamente, um resultado de uma alterao (para menos) da percentagem em carbono no primeiro. Dai que a sua histria e origem se misture e acompanhe a deste. O ao tem possibilitado aos arquitectos, engenheiros e construtores solues arrojadas, eficientes e de alta qualidade, desde que se iniciou a utilizao de estruturas metlicas na construo civil, at os dias actuais.

A arquitectura em ao sempre esteve associada ideia de modernidade, inovao e vanguarda, traduzida em obras de grande expresso plstica. No entanto, as vantagens na utilizao de sistemas construtivos em ao vo muito alm da linguagem esttica de expresso marcante. A reduo do tempo de construo, a racionalizao no uso de materiais e da mo-de-obra, alm do aumento da produtividade, passou a ser factores chave para o sucesso de qualquer empreendimento. A multiplicidade da construo metlica possibilita a utilizao do ao em obras como: edifcios de escritrios e de apartamentos, residncias uni e multifamiliares, pontes, passadios, viadutos, grandes superfcies comerciais (como shopping centers e hipermercados), lojas, postos de gasolina, aeroportos, terminais rodovirios e ferrovirios, ginsios desportivos, torres de transmisso, etc. 2.2.1. Fabrico do ao 2.2.1.1. Generalidades As matrias-primas mais importantes no fabrico de ao so o minrio de ferro e o carvo. Este metal uma liga de ferro com certa percentagem de carbono, podendo conter outros 29


elementos que so considerados impurezas ou que se lhe adicionam como o objectivo de lhe conferir determinadas propriedades. A classificao dos ao feita tendo em conta, fundamentalmente, a sua percentagem em carbono, assim: O ao macio tem uma percentagem entre 0.2% e 0.3% de carbono; O ao duro at 1.5% de carbono; Para percentagens superiores encontramos o ferro fundido ou gusa. Muito embora as pequenas percentagens totais de carbono referidas, este elemento quem dita as principais propriedades e caractersticas do ao. 2.2.1.2. Sinterizao Na extraco, carregamento e crivagem dos minrios de ferro produzem-se percentagens considerveis de minrios de granulometria fina. Esse material no est indicado para a fundio no alto-forno, sendo necessrio sinteriz-lo, isto , aglutin-lo para conveniente utilizao. Para isto funciona, em ligao com o alto-forno, uma instalao de sinterizao, onde os minrios finos com granulometria at 10 mm, so triturados at cerca de 3 mm, aglutinados num tambor triturador com coque e eventualmente com castinas triturantes ou cal calcinada e com cinzas de pirite, procedendo-se em seguida sua humidificao em telas sinterizantes. A tela consiste numa grelha mecnica, que protegida previamente por uma camada de sinter, minrio e castinas com granulometria de 10 a 25 mm. O produto misturado deposita-se sobre esta camada protectora. A tela atravessa um forno de ignio, em que a superfcie do produto misturado se torna incandescente. Nesta altura aspirado ar pela parte inferior da tela, de forma a ficar incandescente todo o volume do sinter. Durante esta fase o coque queimado juntamente com certos componentes dos minrios. A superfcie dos grnulos de minrio aquece a 1100C e at 1300C, determinando a sua aglutinao. No fim, o sinter projectado para um esmagador dentado que o tritura em pedaos com um mximo de 20 cm. O material triturado conduzido atravs de crivos que seleccionam os grnulos no utilizveis (6 a 7 mm) para um arrefecedor de sinterizao. 30


O sinter a arrefecido, para temperaturas adequadas ao transporte sobre telas de borracha. Seguidamente existe outra classificao e so seleccionados os pedaos com dimenso de 25 a 100 mm, que so transportados para as tremonhas do alto-forno. 2.2.1.3. Castinas fundentes A fuso dos componentes terrosos dos minrios seria muito difcil se no fossem transformados, por meio de aditivos em ligas de mais fcil manipulao. As castinas, de granulometria inferior a 80 mm, so conduzidas para o alto-forno e sinterizao sendo as restantes enviadas para a instalao calcinadora. No apenas no alto-forno que se torna necessrio utilizar aditivos de cal, tambm a aciaria os requer. O fundente escolhido em face da anlise do minrio, principalmente da sua ganga. Se esta calcria o fundente dever ser de carcter silicioso, pelo contrrio, se a ganga siliciosa o fundente dever ser calcrio. O fundente reage com a ganga do minrio de acordo com a equao: CaCO3 = CaSi3 + CO2 2.2.1.3. Alto-forno O alto-forno consta essencialmente de dois troncos de cone unidos pela base. O superior, ou cuba, bastante mais alto que o inferior. A zona intermdia chamada ventre. Abaixo de todos ficam o laboratrio e o cadinho. A entrada do minrio feita pela parte superior, ou goela. A disposio da goela deve ser tal que no haja perda de gases quando h o carregamento. Na goela, tubos recolhem os gases, que so levados aos fornos recuperadores. Nos recuperadores, esses gases so aproveitados para aquecer as cmaras, que depois sero abastecidas de ar novo. Com isso o oxignio j entra no alto-forno (atravs de algaravizes) a temperatura elevada, o que representa economia de combustvel. As paredes da cuba so duplas: uma, interna, de tijolos refractrios, e outra, externa de tijolos comuns revestidos por chapa de ferro. O espao intermdio preenchido com areia, coque em p ou carvo vegetal pulverizado. As paredes do cone inferior so de rochas siliciosas apropriadas infusveis, mas, mesmo assim, no seu interior existem tubos onde circula gua para baixar a temperatura.

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A altura til (de goela soleira) varia entre 35 m (fornos de coque) e 20 m (fornos de carvo vegetal). O dimetro usual de 6 m. A produo pode alcanar 2000 toneladas de ferro por dia. O forno carregado pela goela e o produto extrado no cadinho. A escria, sendo mais leve, retirada por uma abertura superior do cadinho, sendo o ferro retirado por abertura inferior. A carga constituda de combustvel, de mineral e de fundentes, em propores que devem ser bem calculadas. Os fundentes so substncias que tm finalidade de tornar mais baixo o ponto de fuso do minrio, acelerar o processo e corrigir a salinidade que o resduo da reaco qumica daria se misturasse com o metal. 2.2.1.4. Extraco do ferro no alto-forno O ferro extrado dos seus minrios por meio de reaces de reduo, obtidas atravs da aco do carbono, sob a forma de carvo. O princpio qumico da extraco do ferro dos seus minrios muito simples e realiza-se em fornos especiais designados por altos-fornos. O minrio aquecido em presena de um agente redutor (o carvo) que se combina com o oxignio do minrio transformando-se em monxido e dixido de carbono, sob a forma gasosa, libertando o ferro metlico. No alto-forno colocam-se camadas alternadas de carvo, minrio e normalmente carbonato de clcio (calcrio). O calcrio destina-se a libertar o minrio da sua ganga, reagindo com os seus componentes principais, a slica e a alumnia, para formar a escria que tem larga aplicao na indstria do cimento. O oxignio do ar faz arder o carvo e esta reaco liberta monxido de carbono, que reduzem o xido de ferro. O ferro e a escria em fuso so separados no fundo do alto-forno: a escria sobrenada o ferro lquido, que saem pela base do alto-forno, enquanto os gases e as cinzas se escapam pela parte superior. No alto-forno o minrio de ferro , portanto, reduzido a ferro metlico, a ganga e as cinzas dos carves so transformadas em escrias, e alm disso, o ferro absorve metais, metalides e no metais, que lhe modificam as propriedades.

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Ao ferro que sai do alto-forno chama-se gusa, a qual inaplicvel ainda como material de construo. Efectivamente, a gusa que sai do alto-forno pode conter apenas de 90 a 95 % de ferro. Regulando a temperatura e as caractersticas da escria pode-se exercer um certo controlo sobre as impurezas. O carbono na gusa pode ir de 2 a 4%, variando esta percentagem com a quantidade das outras impurezas. Por exemplo, o silcio faz diminuir a quantidade de carbono, enquanto o magnsio a faz aumentar: As principais impurezas que a gusa contm so o silcio, enxofre, fsforo e mangansio. O aumento do teor em enxofre provoca a formao de carbono combinado com o ferro (cementite) o que faz aumentar a dureza. Para tornar a gusa um material de construo h que a purificar, o que se consegue pela oxidao da gusa em fuso, fazendo-a atravessar por ar ou oxignio que oxida todos os elementos existentes na gusa. uma operao que se realiza nos chamados convertidores. 2.2.1.5. Purificao da gusa O princpio bsico da purificao da gusa consiste no aproveitamento da fcil oxidao dos elementos que a gusa contm e que, por ordem de afinidade para o oxignio, so: o silcio, o magnsio e o carbono (o fsforo e o enxofre so as mais difceis de eliminar). Para a purificao a gusa em fuso atravessada por uma corrente de oxignio, que produz a oxidao destes elementos que se escapam para a atmosfera em xidos no estado gasoso ou permanecem no banho sob a forma de escrias separando-se do ao por diferena de densidade. A gusa em fuso proveniente do alto-forno limpa de alguma escria que ainda contenha, que sobrenada nos baldes. Depois de homogeneizar grandes fraces em misturadores, onde a temperatura elevada, lana-se no convertidor onde se lhe injecta oxignio. A temperatura aqui mantida em 1600 a 1700C. O banho , contudo, corrigido com sucata e cal, especialmente para se combinar com o fsforo depois da sua oxidao, silcio, magnsio, xido de ferro, etc., conforme a composio qumica da gusa e do ao que se pretende obter.

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Dos convertidores o ao em fuso moldado sob a forma de lingotes (prismas com seco de cerca de 60x60 cm e comprimento de 90 cm) ou sob a forma de filetes, num espcie de extruso que permite obter barras com comprimentos de alguns metros e pequena seco, que pode ir at 20x20 cm. A partir da gusa do alto-forno obtm-se trs tipos de materiais com base no ferro e na percentagem de carbono que contm: Ferro puro/ao muito macio (quando a percentagem de carbono inferior a 0,025%); Ao (quando a percentagem de carbono est compreendida entre 0,10 e 1,7%); Ferro (quando a percentagem de carbono est compreendida entre 1,7 e 5 ou 6%). 2.2.1.6. Sangrias O ferro acumulado no cadinho extrado pelo furo de sangria. O ferro bruto, temperatura de fuso 1350-1450C, conduzido atravs de calhas, a panelas com a capacidade de dezenas de toneladas e transportado ao misturador de ferro bruto na aciaria. O ferro assim obtido deitado para umas lingoteiras dando origem aos chamados lingotes, que podem ser de dois tipos: Lingotes brancos com menor percentagem de carbono e a partir dos quais fabricado o ao; Lingotes cinzentos, tm uma percentagem de carbono mais elevada e so utilizados no fabrico de gusas ou ferro fundido. A escria levada, atravs de calhas, para os carros de transporte das panelas de escrias. Posteriormente so aproveitadas e utilizam-se na construo segundo a sua composio, assim: As escrias cidas moldam-se em forma de ladrilhos e calcinam-se depois para vitrificarem; As escrias bsicas tm propriedades posolnicas e juntamente com a cal, areia e cimento portland utilizam-se para fabricar blocos, etc., e como cimentos resistentes aos sulfatos.

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O gs do alto-forno tambm ser aproveitado na sinterizao, na calcinao, na aciaria, na laminagem, no fornecimento de energia central trmica, etc. 2.2.1.7. Converso do ferro bruto em ao O ferro que sai do alto-forno contm vrias impurezas, algumas delas prejudiciais que necessrio extrair. Tais componentes so extrados na aciaria. A este processo chama-se afinao, podendo os aos podem ser obtidos por diversos processos, dos quais seguidamente se destacam os principais. Por afinao da gusa: Processo Bessemer (processo cido): O processo consiste em descarburar a gusa por meio duma forte corrente de ar. Quando a descarburao se supe suficiente adiciona-se uma certa percentagem de spiegeleisen (ferro fundido com uma certa percentagem de mangans) que evita a formao de carbono no estado livre. O revestimento interior do forno refractrio silicioso. Com a injeco de ar aquecido o oxignio queima o silcio, o carbono e o mangans, at a purificao desejada do metal, mas, atendendo ao tipo de revestimento interior do convertidor, este processo no resolve o problema das gusas fosforosas. Processo Thomas (processo bsico): uma variante do processo anterior em que se utiliza um convertidor no qual o revestimento interior constitudo por tijolo refractrio de dolomite. Este mtodo permite o tratamento de metais fosforados, sendo o fsforo eliminado do metal do alto-forno. Processo Siemens-Martin: Este mtodo consiste na fuso simultnea de ferro macio em sucata e gusa branca, de forma a obter-se uma percentagem de carbono conveniente. Origina aos com resistncias maiores e propriedades mais correctas.

Por fornos elctricos: De induo: O revestimento dos fornos bsico e carregam-se com sucata, cal viva e xidos para favorecer a afinao. Faz-se depois passar a corrente elctrica at fuso, eliminando-se diversas impurezas nas escrias extrada. um processo caro utilizado na fabricao dos aos inoxidveis e de certos aos carbono ou de liga de caractersticas muito especiais.

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De arco elctrico: O seu funcionamento semelhante a uma grande mquina de soldar de arco elctrico. O forno de arco elctrico utiliza elctrodos de grafite par fundir a carga da sucata de ao. Quando a sucata est fundida, inicia-se a operao de refinao. O teor de carbono reduzido ao nvel necessrio, so adicionados os elementos de liga e o fundente (este dar origem escria que remove os elementos indesejveis, como enxofre e fsforo). Pudelagem: Este procedimento consiste na oxidao do carbono, silcio, mangans e enxofre dos lingotes principalmente brancos, separando-se em forma gasosa ou formando escrias. A operao tem lugar num forno de reverbero. Aqui o minrio no junto com o combustvel. Oxida-se em primeiro lugar o silcio, depois o mangans e finalmente o carbono. medida que se descarbura perde fluidez, removendo-se agitando-o para se homogeneizar obtm-se um ferro esponjoso, do qual em seguida se separam algumas escrias.

Minrio Alto Forno Lingote Branco Afinao Ao Pudelagem Lingote Cinzento

Forja Catal

Ferro Fundido Ao/Ferro Macio

Figura 3 - Produo de Ao.

2.2.1.8. Laminagem do ao Os produtos das aciarias so vertidos em lingoteiras sendo esses lingotes de ao fundido laminados nos vrios perfis usados na indstria. Os lingotes de ao so reaquecidos em fornos a gs at necessria temperatura de laminao.

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Uma laminagem siderrgica compe-se de dois cilindros sobrepostos e colocados entre dois suportes. Estes so accionados mecanicamente, movimentando-se em sentidos opostos de modo a apanharem o bloco de ao ao rubro que se aproxima deles. Sendo o bloco, ou lingote, mais espesso do que o espao livre entre o cilindro superior e o inferior, estes comprimem-no e estiram-no. Existem dois tipos elementares de laminao: Laminao a quente: Quebra a estrutura grosseira do lingote, que se esfriou lentamente, conferindo ao produto uma granulao mais fina. Entre os produtos laminados a quente encontram-se perfis estruturais, barras, placas, vares para beto armado e chapas. As chapas so os produtos laminados em maiores quantidades, sendo os produtos deste processo de laminao reconhecidos por serem revestidos por uma pelcula preta; Laminao a frio: As chapas laminadas a frio recebem uma passagem final, ou algumas passagens finais, por entre os cilindros do laminador a uma temperatura inferior usada na laminao a quente. Tm um acabamento brilhante, mas o processo a frio endurece um pouco o ao. Em consequncia as chapas laminadas a frio no so to facilmente conformadas quanto as quentes. As chapas mais finas so produzidas somente a frio, pe dobragem em deformao permanente. A laminagem uma maneira de dar forma ao ao. Existem outras como a moldagem (os produtos de ferro fundidos so feitos em moldes), a forjagem (o ferro aquecido e martelado na forja), a trefilagem e a estiragem (usa-se no fabrico de arames de alta resistncia para beto pr-esforado e sobre as mesmas voltaremos a debruar-nos mais frente no texto). 2.2.2. Tratamentos do Ao (trmicos, mecnicos e qumicos) 2.2.2.1. Generalidades Para a utilizao dos metais na construo civil, e no caso particular dos aos, necessrio conhecer as caractersticas dos mesmos e as propriedades mecnicas associadas, pois so bem distintas as propriedades exigidas para cada tipo de utilizao. Para se alterarem as caractersticas dos aos submetem-se estes a tratamentos, os quais podem ser mecnicos, trmicos e qumicos.

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Os aos que so empregues tal como saem da laminagem a quente depois de arrefecidos ao ar designam-se por aos naturais. Os outros so genericamente designados por aos tratados. 2.2.2.2. Tratamentos trmicos Por tratamento trmico entende-se a aco da temperatura sobre o ao que lhe produz a alterao de uma fase, redistribuio cristalina ou a entrada ou sada de um constituinte para uma soluo slida. Tratamento trmico o conjunto de operaes de aquecimento e arrefecimento a que so submetidos os aos, sob condies controladas de (i) temperatura, (ii) tempo, (iii) atmosfera deve-se evitar dois fenmenos como a oxidao (que resulta na formao indesejadas da casca de xido) e a descarbonatao, que pode provocar a formao de uma camada mais mole na superfcie do metal - e (iv) velocidade de arrefecimento, com o objectivo de alterar as suas propriedades ou conferir-lhes caractersticas determinados. Estes tratamentos, que alteram a estrutura do material, tem importncia sobretudo nos aos de alto carbono (os ferros, quase obrigatoriamente submetidos a tratamentos trmicos antes de serem colocados em servio) e nos que apresentam tambm elementos de liga. Os aos de baixo e mdio carbono so usados nas condies tpicas do trabalho a quente, isto , nos estados forjado e laminado, sendo o seu tratamento mais opcional (como o aumento do seu limite elstico, sem expressiva alterao da sua resistncia ltima). Os principais objectivos dos tratamentos trmicos so os seguintes : Remoo de tenses internas (oriundas de arrefecimento diferencial, trabalho mecnico ou outra causa); Aumento ou diminuio da dureza; Aumento da resistncia mecnica; Melhoria da ductilidade; Melhoria da trabalhabilidade; Melhoria da resistncia ao desgaste; Melhoria das propriedades de corte; Melhoria da resistncia corroso; Melhoria da resistncia ao calor; 38


Modificao das propriedades elctricas e magnticas.

Dois tratamentos trmicos distinguimos os seguintes: Tmpera/Patentagem: Consiste no aquecimento do ao a uma temperatura compreendida entre os 800 e os 1000C, o que origina a modificao da estrutura cristalina do ao, seguido de um arrefecimento rpido do ao ( a tmpera, que se processa em menos de 1s de 800 a 500C). A velocidade de resfriamento, nessas condies, depender do tipo de ao, da forma e das dimenses das peas. O objectivo, dessa operao, sob o ponto de vista de propriedades mecnicas, o aumento da dureza, o que deve verificar-se at uma determinada profundidade. Resultam, tambm, da tmpera a (i) reduo da ductilidade (baixos valores de alongamento e estrico), (ii) da tenacidade e (iii) o aparecimento de apreciveis tenses internas. Tais inconvenientes so atenuados ou eliminados pelo revenido. Para que a tmpera seja bem sucedida vrios factores devem ser levados em conta, nomeadamente que, inicialmente, a velocidade de esfriamento seja tal que impea transformaes indesejveis em qualquer parte da pea que se deseja endurecer; Normalizao: Processo de arrefecimento ao ar, mais lento que o anterior. Consiste no aquecimento do ao a uma temperatura acima da zona crtica, seguindo de resfriamento no ar. A normalizao visa refinar a granulao grosseira de peas de ao fundido principalmente. Frequentemente, e com o mesmo objectivo, a normalizao aplicada em peas depois de laminadas ou forjadas. A normalizao ainda usada como tratamento preliminar tmpera e ao revenido, justamente para produzir estrutura mais uniforme do que a obtida por laminao. Os aos normalizados tm propriedades intermdias entre os temperados e os recozidos; Recozimento: Consiste no aquecimento do ao acima da zona crtica (incio de alteraes qumica e fsicas), durante o tempo necessrio e suficiente para se manejar o carbono ou outros elementos de liga no ferro, seguindo de um de arrefecimento lento, realizado o controle da velocidade deste de arrefecimento de forma que se formem produtos de equilbrio. Este processo muitas vezes utilizado aps a soldadura, quando o arrefecimento foi demasiadamente rpido provocando uma junta frgil. Este recozimento refina a estrutura dos gro, mas, se o tempo durante o qual actua a temperatura longo, os cristais tendem a crescer muito, conduzindo a um produto com tenso de rotura mais baixa e aumentando a 39


ductilidade do ao resultante. Se o aumento da temperatura de recozimento demasiadamente elevada, d-se um fenmeno semelhante. Este tratamento trmico realizado com o fim de alcanar um ou vrios seguintes objectivos: (i) remover tenses devidas ao tratamentos mecnico a frio ou a quente, (ii) diminuir a dureza para melhorar a trabalhabilidade do ao, (iii) alterar as propriedades mecnicas como resistncia, ductilidade etc., (iv) modificar caractersticas elctricas e magnticos, (v) ajustar o tamanho de gro, (vi) regularizar a textura bruta, (vii) remover gases, (viii) produzir uma microestrutura definida, (ix) eliminar os efeitos de quaisquer tratamento trmicos ou mecnicos a que o ao tiver sido anteriormente submetido. Revenido: O revenido um tratamento trmico que, normalmente, acompanha a tmpera, pois elimina a maioria dos inconvenientes produzidos por esta. De facto, alm de aliviar ou remover as tenses internas, corrige a excessiva dureza e fragilidade do material, aumentando sua ductilidade e resistncia ao choque. Este tratamento escolhido de acordo com a combinao de propriedades mecnicas que se deseja no ao temperado. Por outro lado temos que considerar a influncia dos elementos de liga. Na verdade, os aos podem ser classificados em aos de carbono e em ao-liga, conforme a quantidade do elemento liga que contm. Mesmo os aos de carbono possuem sempre pequenas quantidades de outros elementos, que tm efeitos significativos sobre as suas propriedades. Assim, esses elementos, denominados impurezas, so principalmente os seguintes e com as respectivas influncias: Enxofre e Fsforo Ambos aumentam a fragilidade dos aos de modo que apenas so permitidas pequenas percentagens (por exemplo, 0.005%); Mangansio Este elemento beneficia os aos doces visto que se dissolve na ferrite e refina o gro aumentando a resistncia e a dureza. Os aos de elevado limite elstico contm normalmente mais magnsio do que o ao doce, que contm cerca de 0,5%. O ao das armaduras do beto pr-esforado contm geralmente de 0,3 a 0,8%; Silcio Tem aco semelhante do magnsio, mas menos marcada; Impurezas no metlicas O ao e o ferro contm frequentemente muito pequenas percentagens de xidos e silicatos de ferro e de magnsio. So muitas 40


vezes chamados incluses de escria, resultando de algum resduo que ficou em suspenso no metal fundido (proveniente de acidentes na limpeza do metal em fuso, da escria ou de pequenas pores de escrias agarradas s paredes do alto forno, ou mesmo das caldeiras que conduzem o metal em fuso). Nos aos bem fabricados tais incluses de escria so diminutas e de pequena importncia, pois estas tendem a fragilizar o ao; Azoto e Hidrognio

mci - metais_2010[1]

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