4.1 Materiais. 4.1 Materiais. 4.1 Materiais. Metálico e não-metálico, eis a questão... Materiais Metálicos. Metálico e não-metálico, eis a questão...

(1)

Associação Educativa Evangélica UniEvangélica

Curso de Engenharia Civil Professora Moema Castro, MSc.

T E C N O L O G I A D O C O N C R E T O

MATERIAIS METÁLICOS

A n á p o l i s , 2 0 1 7 / 1 .

MATERIAIS METÁLICOS

A U L A

04

MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO CIVIL e Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais; ed. G. C. Isaia. – São Paulo: IBRACON, 2007. 2v.

4.1 Materiais

Metálico e não-metálico, eis a questão...

2

Notas de aula - Profª. MSc. Moema Castro

4.1 Materiais

Metálico e não-metálico, eis a questão...

3

4.1 Materiais

Materiais Metálicos

Os materiais metálicos são substâncias inorgânicas que contêm um ou mais elementos metálicos e que

4

que contêm um ou mais elementos metálicos e que também podem conter alguns elementos não-metálicos.

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Materiais Metálicos

Materiais Metálicos Materiais Não-metálicosMateriais Não-metálicos

Ferrosos

Não-ferrosos

Naturais

Sintéticos

5

4.1 Materiais - Classificação

Essa divisão está diretamente ligada às propriedades desses materiais.

4.1 Materiais - Classificação

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Materiais

Materiais MetálicosMetálicos MateriaisMateriais NãoNão--metálicosmetálicos Ferrosos Não-Ferrosos Naturais Sintéticos

Aço Alumínio Madeira Vidro

Ferro-fundido Cobre Asbesto Cerâmica Zinco Couro Plástico Chumbo Borracha

Estanho Titânio

4.2 Um pouco de história...

7

De todos os materiais à disposição da indústria,

certamente o ferro fundido e o aço são os mais

utilizados. Por exemplo, podem ser empregados na:

Construção civil; Construção civil;

Indústria mecânica;

Indústria elétrica;

Fabricação de motores e equipamentos industriais.

4.2 Um pouco de história...

8

O ouro

8000 anos antes de Cristo. Destaque para: Destaque para: o Civilização Egípcia, no Mediterrâneo Oriental, e; o Astecas e Maias, no continente americano.

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4.2 Um pouco de história...

9

O cobre

7000 anos antes de Cristo

o Objetos de adorno

o Ferramentas

Por acaso, os primeiros artesãos descobriram que o cobre ficava mais duro quando martelado com outra ferramenta.

4.2 Um pouco de história...

10

O bronze

Primeira liga metálica entre

o Cobre

o Estanho

Parece que um caçador distraído fundiu sem querer na fogueira do seu acampamento esses dois materiais que estavam ali juntos, no chão.

4.2 Um pouco de história...

11

O

ferro,

o

“Metal

das

Estrelas”

ou o “Metal do Céu”

Elemento mais abundante da Elemento mais abundante da crosta terrestre (5,01%).

Começou a ser utilizado por volta de 3500 a.C.

Forjamento – técnica empregada

4.2 Um pouco de história...

12

O Aço e o ferro-fundido

Por volta de 1000 a.C., na China Primeiros fornos de redução do minério de ferro

Alto-fôrno, século XIX na Europa o Diminuição do carbono do

ferro-gusa para produção de aço e ferro-fundido em grandes quantidades.

(4)

4.3 O que é que o gusa tem?

13

Com quantos elementos químicos se faz um minério

de ferro?

Liga de ferro com carbono e outros elementos como o silício, o manganês, o fósforo e o enxofre.

Ferro Ferro--fundidofundido Carbono Carbono 2,0% a 2,0% a 4,5% 4,5% Aço Aço Carbono Carbono < 2,0% < 2,0%

4.3 O que é que o gusa tem?

14

Mas será que a gente usa o minério assim, do jeito que

ele sai da jazida?

A principal preparação do minério de ferro para ser empregado no alto-fôrno, que produz o ferro-gusa.

Sinterização

Sinterização Pelotização

O ferro-gusa é a matéria-prima para a fabricação do aço e do ferro fundido.

É um material duro e quebradiço, formado por uma liga de ferro e carbono, com alto teor, ou seja, uma grande quantidade de carbono e um pouco de silício, manganês, fósforo e enxofre.

4.3 O que é que o gusa tem?

15

Mas será que a gente usa o minério assim, do jeito

que ele sai da jazida?

A principal preparação do minério de ferro para ser empregado no alto-fôrno, que produz o ferro-gusa.

empregado no alto-fôrno, que produz o ferro-gusa.

O ferro-gusa é a matéria-prima para a fabricação do aço e do ferro fundido.

É um material duro e quebradiço, formado por uma liga de ferro

e carbono, com alto teor, ou seja, uma grande quantidade de

carbono e um pouco de silício, manganês, fósforo e enxofre.

4.3 O que é que o gusa tem?

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Século XIV – os altos-fôrnos e a fundição

Trefilação é um processo de fabricação por

conformação mecânica, que transforma materiais

metálicos em fios.

Laminação também é um processo de conformação

mecânica, que transforma materiais metálicos em

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4.3 O que é que o gusa tem?

17

Usina Siderúrgica

4.3 O que é que o gusa tem?

18

Usina Siderúrgica

Um alto-fôrno pode ter até 35 metros de altura.

Principal equipamento

Principal equipamento utilizado na metalurgia do ferro.

Sua produtividade diária gira em torno de 8.000 t (toneladas).

Alto-fôrno

4.3 O que é que o gusa tem?

19

Alto-fôrno

O alto-forno é construído de tijolos e envolvido por uma carcaça protetora de aço.

Todas as suas partes internas, sujeitas a altas temperaturas, são revestidas a altas temperaturas, são revestidas com tijolos chamados “refratários” porque suportam essas temperaturas sem derreter.

Três zonas fundamentais caracterizam o alto-forno:

o fundo chamado cadinho; a segunda seção chamada rampa; e a seção superior chamada cuba.

Alto-fôrno

4.3 O que é que o gusa tem?

20

(6)

4.3 O que é que o gusa tem?

21

Qual é a mágica?

Quando o minério de ferro, o coque e os fundentes são introduzidos na parte superior (goela) da rampa, algumas coisas acontecem:

Os óxidos de ferro sofrem redução, ou seja, o oxigênio é

Os óxidos de ferro sofrem redução, ou seja, o oxigênio é eliminado do minério de ferro;

A ganga se funde, isto é, as impurezas do minério se derretem; O gusa se funde, quer dizer, o ferro de primeira fusão se derrete; O ferro sofre carbonetação, quer dizer, o carbono é incorporado ao ferro líquido;

Certos elementos da ganga são parcialmente reduzidos, ou seja,

algumas impurezas são incorporadas ao gusa.

4.3 O que é que o gusa tem?

22

Qual é a mágica?

As reações de redução, carbonetação e fusão descritas anteriormente geram dois produtos:

Escória de alto-fôrno ferro-gusa

4.4 Ligas Metálicas

23

As ligas metálicas

São constituídas pela combinação química de dois ou mais elementos metálicos (como o latão, liga mais elementos metálicos (como o latão, liga cobre-zinco) ou por um ou mais elementos metálicos combinados com um ou mais elementos não-metálicos (como o aço, liga ferro-carbono)

Ligas ferrosas

Ligas ferrosas Ligas não-ferrosasLigas não-ferrosas

Principalmente os aços. Vantagens: boa resistência mecânica, tenacidade e ductilidade, associadas a um São classificadas em função de um elemento químico principal ou de uma característica em 24

4.4 Ligas Metálicas

mecânica, tenacidade e ductilidade, associadas a um custo de produção relativamente baixo. Desvantagens: massa

específica relativamente alta, baixa condutividade elétrica e susceptibilidade à corrosão em alguns ambientes comuns.

uma característica em comum que compartilham. Exemplo: alumínio, cobre e zinco.

Vantagem: adequação de propriedades.

Desvantagem: maior custo de produção.

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4.4 Ligas Metálicas

25

Aço-Carbono

O aço mais comum que existe é o aço-carbono, uma liga de ferro com pequenas quantidades de carbono (máximo

ferro com pequenas quantidades de carbono (máximo de 2%) e elementos residuais, ou seja, elementos que ficam no material metálico após o processo de fabricação.

4.4 Ligas Metálicas

26

As ligas de aço – Aço-carbono

4.4 Ligas Metálicas

27

Elemento de liga

Elemento, metálico ou não, que é adicionado a um metal (chamado de metal-base) de tal maneira que melhora alguma propriedade desse metal-base.

alguma propriedade desse metal-base.

Por mais controlado que seja o processo de fabricação do aço, é impossível produzi-lo sem essas impurezas. Quando adicionadas propositalmente são consideradas elementos de liga, conferindo propriedades especiais ao aço.

4.4 Ligas Metálicas

28

Elemento de liga – Manganês (até 1,65%)

O manganês é a impureza encontrada em maior quantidade no aço (até 1,65%).

Na produção do aço, ele é adicionado para auxiliar na Na produção do aço, ele é adicionado para auxiliar na

desoxidação do metal líquido e para neutralizar o efeito

nocivo do enxofre.

Nesse processo, ele se combina primeiro com o enxofre e forma o sulfeto de manganês (MnS). Isso aumenta a

forjabilidade do aço, a temperabilidade, a resistência ao

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4.4 Ligas Metálicas

29

Elemento de liga – Alumínio

Outro elemento que é adicionado ao metal líquido para auxiliar na desoxidação é o alumínio.

Ele é usado para "acalmar" o aço, ou seja, para diminuir ou eliminar o desprendimento de gases que agitam o aço quando ele está se solidificando.

4.4 Ligas Metálicas

30

Elemento de liga – Fósforo

O fósforo é um elemento cuja quantidade presente no aço deve ser controlada, principalmente, nos aços duros, com alto teor de carbono.

alto teor de carbono.

Quando ultrapassa certos limites, ele faz o aço ficar mais duro ainda e, por isso, mais frágil a frio.

Um teor de fósforo em torno de 0,04% faz o aço se romper se for deformado a quente, porque forma um composto que se funde a uma temperatura muito menor (1.000ºC) que a do ferro (1.500ºC).

4.4 Ligas Metálicas

31

Elemento de liga – Enxofre

O enxofre é uma impureza muito difícil de ser eliminada.

No aço, ele pode se combinar com o ferro e formar o sulfeto ferroso (FeS), que faz o aço se romper, com facilidade ao ser laminado, forjado ou vergado em temperaturas acima de 1.000ºC.

Assim, o teor máximo de enxofre permitido é de 0,05%.

4.4 Ligas Metálicas

32

Elemento de liga – Silício

O silício é acrescentado ao metal líquido, para auxiliar na

desoxidação e impedir formação de bolhas nos

lingotes. lingotes.

Ele está presente, no aço, em teores de até 0,6%, e não tem grande influência sobre suas propriedades.

(9)

4.4 Ligas Metálicas

33

Ferro-Fundido

Os ferros fundidos são ligas de ferro e carbono com teores

elevados de silício e também são fabricados a partir do ferro gusa.

Só que nesse irmão do aço, o carbono está presente com teores entre 2,0 e 4,5%.

4.4 Ligas Metálicas

34

Ferro-Fundido

E, se eles têm mais carbono, o que acontece?

Ficam mais duros que o aço.

Por causa do silício, forma-se grafite em sua estrutura. Por isso eles são... Isso mesmo! Mais frágeis!

4.5 Ligas não-ferrosas

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Alumínio

O alumínio é um metal com características excepcionais:

leve, resistente à corrosão, leve, resistente à corrosão, bom condutor de calor e eletricidade.

Reflete a luz, possui coloração agradável e tem um baixo ponto de fusão: 658ºC.

4.5 Ligas não-ferrosas

36

Alumínio e suas ligas

Os principais elementos de liga do alumínio incluem:

Cobre; Cobre; Magnésio; Silício; Manganês, e ; Zinco.

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4.5 Ligas não-ferrosas

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Alumínio e suas ligas

O alumínio e suas ligas são caracterizados por:

Densidade relativamente baixa (cerca de 2,7g/cm³ para o

metal puro) quando comparada com a do aço carbono comum

metal puro) quando comparada com a do aço carbono comum (7,9g/cm³)

Altas condutividades elétrica (cerca de 62% da do cobre) e térmica

Boa resistência à corrosão em alguns ambientes (incluindo o

atmosférico) devido à estabilidade do seu principal óxido (Al₂O₃) que se forma na superfície do metal, o que se torna um “mecanismo de barreira”

4.5 Ligas não-ferrosas

38

Alumínio e suas ligas

O alumínio e suas ligas são caracterizados por:

Boa ductilidade (mesmo abaixo da temperatura ambiente) e boa capacidade de conformação mecânica (por laminação, extrusão, estampagem, etc.) em função da estrutura cristalina cúbica de faces centradas (CFC) do alumínio

centradas (CFC) do alumínio

Baixa temperatura de fusão do metal puro (660°C), que restringe a temperatura máxima na qual ele pode ser usado; por outro lado, facilita a sua fundição e moldagem

Baixa resistência mecânica na forma de metal puro, podendo ser melhorada por conformação mecânica a frio e por adição de elementos de liga (associada ou não a tratamentos térmicos)

O módulo de elasticidade da ordem de 70.000 MPa para o metal puro

4.5 Ligas não-ferrosas

39

Alumínio e suas ligas

Principais aplicações e usos não estruturais (ABAL, 2007):

Extrudados – destinados à fabricação de esquadrias (portas e janelas), forros, divisórias, acessórios para banheiros, estruturas pré-fabricadas e elementos decorativos de estruturas pré-fabricadas e elementos decorativos de acabamento;

Chapas e laminados – destinados à produção de telhas e elementos de fachada;

Transmissão de energia elétrica e ponteiras de pára-raios; Elementos de ligação, revestimentos impermeabilizantes, ferragens de esquadrias, elemento de remates (cantoneiras e tiras) e componente de tintas.

4.5 Ligas não-ferrosas

40

Cobre e suas ligas

O cobre na forma de metal puro é caracterizado por:

Estrutura cristalina cúbica de faces centradas (CFC) Ponto de fusão de 1085°C

Densidade de 8,93g/cm3

Módulo de elasticidade de cerca de 110.000 Mpa

Elevadas condutividades térmica e elétrica (após a prata, o cobre é o melhor condutor de calor e eletricidade)

Boa resistência à corrosão em diversos ambientes (como o ambiente atmosférico e marinho)

Boa ductilidade, facilidade de conformação mecânica a frio e resistência mecânica mediana

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4.5 Ligas não-ferrosas

41

Cobre e suas ligas

O cobre na forma de metal puro é caracterizado por:

Estrutura cristalina cúbica de faces centradas (CFC) Ponto de fusão de 1085°C

Densidade de 8,93g/cm3

Módulo de elasticidade de cerca de 110.000 Mpa

Elevadas condutividades térmica e elétrica (após a prata, o cobre é o melhor condutor de calor e eletricidade)

Boa resistência à corrosão em diversos ambientes (como o ambiente atmosférico e marinho)

Boa ductilidade, facilidade de conformação mecânica a frio e resistência mecânica mediana

4.5 Ligas não-ferrosas

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Cobre e suas ligas

Os principais elementos de liga do cobre incluem zinco, níquel, estanho, alumínio, manganês, fósforo, berílio, cromo, ferro e chumbo

As propriedades mecânicas e de resistência à corrosão do cobre podem ser melhoradas por elementos de liga

Muitas ligas de cobre não podem ser endurecidas por meio de tratamentos térmicos

4.5 Ligas não-ferrosas

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Cobre e suas ligas

Principais aplicações e usos não estruturais Cobre e alta pureza:

Fios e cabos para condução de energia elétrica. O mais comum é o uso do cobre cobre eletrolítico (EMR)

do cobre cobre eletrolítico (EMR)

Ligas de cobre, principalmente latões (cobre e zinco) e bronzes (cobre e estanho):

Fabricação de tubulações (para condução de água potável, gás, água quente e água fria) e de suas conexões rosqueáveis e soldáveis

Componentes de sistemas de combate a incêndio (hidrantes, sprinklers) e de sistemas de aquecimentos (solares, a gás e elétricos) Confecção total ou parcial de ferragens para esquadrias (fechos, puxadores, fechaduras, dobradiças, etc.) e de metais sanitários (válvulas, torneiras e acessórios)

4.5 Ligas não-ferrosas

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Zinco e suas ligas

O zinco na forma de metal puro é caracterizado por:

Estrutura cristalina hexagonal compacta (HC) Ponto de fusão baixo de 420°C

Densidade de 7,14g/cm³

Módulo de elasticidade de cerca de 95.000 MPa Condutividade térmica razoável

Pequena dureza, boa maleabilidade e facilidade de moldagem e de conformação mecânica (pode ser laminado em chapas e trefilado em fios)

Boa resistência à corrosão quando exposto ao ambiente atmosférico, sendo, contudo, reativo com ácidos (como clorídrico e sulfúrico)

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4.5 Ligas não-ferrosas

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Zinco e suas ligas

O zinco possui um baixo potencial de oxidação sendo muito utilizado para revestir metais de potencial mais alto,

conferindo-lhes uma proteção contra a corrosão

eletroquímica

Nesse caso, o zinco é corroído preferencialmente ao

Nesse caso, o zinco é corroído preferencialmente ao substrato revestido que se deseja proteger

O aço galvanizado é um substrato de aço carbono comum que foi revestido por uma fina camada de zinco.

O processo de galvanização pode ser feito por simples imersão do substrato de aço em um banho de zinco fundido (galvanização a quente) ou por técnicas de eletro-deposição (galvanização eletrolítica)

4.5 Ligas não-ferrosas

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Zinco e suas ligas

Principais elementos de liga – alumínio, cobre e magnésio Principais aplicações e usos não estruturais

Galvanização de produtos siderúrgicos (aço carbono comum): Telhas, chapas lisas ou onduladas, arames, telas comuns ou soldadas, tubos para encanamentos e seus acessórios,

soldadas, tubos para encanamentos e seus acessórios, elementos de ligação (pregos, parafusos e seus complementos e rebites), calhas, rufos, condutores verticais de águas pluviais e eletrocalhas

As ligas à base de zinco são utilizadas principalmente em: Componentes fundidos de ferragens para esquadrias Pigmento em tintas (zinco na forma de óxido)

Componente de outras ligas metálicas, como das ligas de cobre- zinco (latões)