metais - Escola de Minas

UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
Escola de Minas - DECIV
Engenharia Civil
Materiais de Construção II
Ligação Metálica
 Elétrons da última camada dão origem a nuvens eletrônicas
 Elétrons livres entre cátions de metais
Agregado de cátions mergulhados em
um “mar” de elétrons livres
Rede Cristalina
 Disposição geométrica dos
regularmente no espaços;
átomos
que
se
repete
 Os íons metálicos se distribuem nos reticulados unitários
cristalinos;
 A estrutura dos reticulados cristalinos é compacta e
altamente estável;
 A estrutura cristalina deforma-se com facilidade.
Dureza
 Resistência a deformações
permanentes;
 Relação com a força de ligação
dos átomos;
 Mais duro: CROMO (Cr);
 Mais brandos: ALCALINOS
(Li, Na, K, Ca).
Durômetro HB
Medição de Dureza Brinell
Dureza
Densidade
Variação da densidade dos diferentes tipos de materiais
Pontos de Fusão e Ebulição
 Normalmente elevados
Tungstênio (W):
PF = 3410 °C; PE = 5927 °C
Mercúrio (Hg)
PF = – 39 °C; PE = 357 °C
Maleabilidade
 Capacidade de formar lâminas;
 Os metais são na sua maioria
maleáveis.
ouro
Ductilidade
 Capacidade de formar fios.
Condutividade
Bons condutores térmicos e elétricos
Destaques: Au, Ag, Al e Cu
Resistência Mecânica
 Resistência à Tração:
É medida submetendo-se o material à uma carga
ou força de tração, paulatinamente crescente, que
promove uma deformação progressiva de aumento
de comprimento.
NBR-6152 para metais
 Compressão:
Escoamento
 Deformação do metal
mesmo sem o
acréscimo de tensão;
 Deformações de
natureza plástica.
Resistência Mecânica
 Tenacidade: Corresponde à capacidade do material de absorver
energia até sua ruptura
Corrosão
 Tendência do metal de voltar a forma mais estável
Metais Ferrosos:
Metais Não Ferrosos:
 Minério: Galena (PbS)
Aplicações
 Tubos e artefatos de canalizações
 Impermeabilização de coberturas;
 Chapas soldadas;
 Apoios de peças submetidas a
vibrações;
 Máquinas, pontes;
 Fabricação de tintas.
Ligas contendo chumbo
 Solda de encanador - 2/3 chumbo
e 1/3 estanho, Sn.
 Empregado em tubos e artefatos
para canalização, absorventes de
choques.
 Minérios: Calcopirita (CuFeS2) e Cuprita (Cu2O)
 Metal de cor avermelhada, muito dúctil e maleável,
embora duro, pode ser reduzido a laminas e fios
extremamente finos.
Aplicações
Ponto de fusao entre 1050 e 1200°C;
Densidade relativa entre 8,6 e 8,96;
Ruptura à tração entre 20 e 40
Kgf/mm²;
Indústria de tintas (Fungicida);
Condutores elétricos (Fios e cabos);
Instalações de água quente e de gás;
Revestimento de paredes e ornatos
diversos.
Ligas contendo cobre
Bronze - Cu-Sn – 85% a 95% de Cobre
Usado na construção de ferragens e
ornatos;
É de difícil oxidação,
muito duro, mas bastante flexível.
alta condutibilidade térmica;
Muitas vezes a liga tem também zinco e
chumbo.
Ligas contendo cobre
 Latão - Cu-Zn – 60% a 95% de cobre
 Dúctil e maleável a quente.
 Dificilmente se oxida e é muito resistente.
 Mais estável no ar que o cobre
 Pode adquirir belo polimento.
 É muito empregado em ferragens:
torneiras, tubos, fechaduras, ornatos,
ferragens de esquadria, metais sanitários.
 Minério: Esfarelita (sulfeto de zinco)
 Metal cinza-azulado
Aplicações
 Ponto de fusão 400°C;
 Densidade relativa 7 e 7,2g/cm³;
 Resistência à tração 16kgf/mm²;
 Baixa resistência a ácidos;
 Fabricação de ligas
 Proteção superficial do aço
 Galvanização
 Telhas e calhas para coberturas
 Pigmento de tintas
 Torneiras, tubos e fechaduras
 Minério: Cassiterita
Aplicações
 Como substituto do chumbo;
 Na proteção superficial do aço,
pois é de difícil oxidação;
 Folhas de Flandres.
 Minério: Bauxita (Al2O3 . H2O)
Cadeia de Produção
Características e Propriedades
Leve e Versátil (densidade relativa entre 2,56 e 2,67
g/cm³);
Ruptura à tração entre 8 e 14 Kgf/mm² - temperado:
50Kgf/mm².
Se funde a 600 a 650°C;
Excelente condutividade elétrica e térmica;
Difícil a soldagem;
Resistente ;
Durável;
Não oxida - enferruja;
Permite belo acabamento; Fácil manutenção; Caro.
Aplicações
 esquadrias (portas e janelas),
 forros,
 divisórias, acessórios para banheiros,
 estruturas pré-fabricadas,
 elementos decorativos de acabamento
 Transmissão de energia elétrica.
Extrudados
Aplicações
 Lâminas e chapas, lisas ou lavradas,
estampadas, corrugadas, vincadas ou
estiradas
 Telhas e fachadas
 Tintas
Condutividade e Resistência Elétrica
 Os metais puros apresentam maior condutividade que as ligas;
 Os elétrons movimentam-se mais facilmente em meio homogêneo;
(99,98% de pureza):
Utilizado como condutor elétrico
( 60% de Ni + 40% de Cr):
Utilizada como resistência de chuveiro
Resistência elétrica 12 vezes maior que o Ni e 8 vezes maior que o Cr.
Resistência Mecânica
 As ligas superam os metais puros porque a presença de
outros átomos no reticulado cristalino dificulta a
deformação da estrutura.
O aço é 3 vezes mais resistente à tração que o ferro puro.
Dureza
 São mais duras que os metais componentes;
 Entretanto, não são tão maleáveis.
Ferro com alto índice de carbono é duro e quebradiço.
 Minério de Ferro:
 Hematita e
 Magnetita

 Obtém-se o aço abaixando-se a porcentagem de carbono do
ferro gusa.
 A porcentagem de carbono no aço varia entre 0,05% a 1,7%.
Características e Propriedades
 Representa 90% dos metais consumidos;
 Alta Resistência ( impacto, corrosão, desgaste);
 Baixo custo;
 Flexível;
 Liberdade no projeto de arquitetura:
 Maior área útil;
 Compatibilidade com outros materiais;
 Menor prazo de execução;
 Organização do canteiro de obras;
Características e Propriedades
 Racionalização de materiais e mão-de-obra;
 Alívio de carga nas fundações;
 Garantia de qualidade;
 Antecipação do ganho;
 Precisão construtiva.
Diagrama tensão x deformação –
diferentes teores de carbono
Há duas classes gerais de aços:
os aços ao carbono;
os aços especiais ou aços-liga.
Aço Carbono
São os que contém além do ferro, pequenas
porcentagens de:
carbono, manganês, silício, enxofre e fósforo.
Os elementos mais importantes: ferro e Carbono.
manganês e silício melhoram a qualidade do aço,
enxofre e fósforo são elementos prejudiciais.
A quantidade de carbono define a resistência do
aço:
Um aço com 0,50% é mais resistente que um
aço com 0,20% de carbono.
Produção do Aço
 3 etapas metalúrgicas:

Redução

Refino

Laminação
Produção do Aço
 No processo de redução, o ferro se liquefaz e é
chamado de ferro gusa ou ferro de primeira fusão.
Impurezas como calcário, sílica etc. formam a escória,
que é matéria-prima para a fabricação de cimento.
Produção do Aço
 A etapa seguinte do processo é o refino. O ferro gusa é
levado para a aciaria, ainda em estado líquido, para ser
transformado em aço, mediante queima de impurezas e
adições.
Produção do Aço
• Na laminação o aço, em processo de solidificação, é
deformado mecanicamente e transformado em
produtos siderúrgicos utilizados pela indústria de
transformação, como chapas grossas e finas, bobinas,
vergalhões, arames, perfilados, barras, etc.
Formas comerciais do Aço
 Folhas de Flandres: São chapas finas de aço cobertas por leve
camada de estanho, para não oxidar, obtida por imersão ou
deposição eletrolítica.
 Chapas Galvanizadas: São chapas finas de aço revestidas com
zinco. É a imersão da chapa em um banho de zinco fundido.
 Chapas Lisas Pretas: São chapas de ferro fundido, pretas, lisas,
laminadas a quente e a frio.
Aço Galvanizado
 Mais resistente;
 Possui a mesma composição química do carbono mas é
revestido por uma camada de zinco.
 Usado em calhas para coleta d'água e alguns tipos de
tubulação.
Aço Carbono
os aços com porcentagem acima de 0,35% de
carbono podem ser endurecidos por um processo
de aquecimento e resfriamento rápido
denominado têmpera.
Aço Carbono
Trefilação:
Para a fabricação de CA60 o processo utilizado pode ser
o de Trefilação ou a Laminação a Frio.
O que são barras e fios?
Qual a principal diferença entre
ambos?
• Na norma, barras são produtos obtidos por
Laminação a Quente, com diâmetro nominal
de 5,0 mm ou superior.
– CA25 e CA50 são denominados BARRAS.
• Os fios são produtos de diâmetro nominal
inferior a 10 mm obtidos por Trefilação ou
Laminação a frio. Todo o CA60 é denominado
FIO.
As principais características das barras
e fios de aço definidas em norma são:
•
•
•
•
Massa linear
Propriedades mecânicas
Dobramento
Nervuras e entalhes
Massa linear
Propriedades Mecânicas
• Ensaio de Tração:
Digrama Tensão x Deformação
com e sem patamar definido
e indicação de 0,2 e 0,5%
Dobramento
• O corpo de prova do material é submetido a um dobramento
de 180º em pino de diâmetro padronizado;
• É avaliado a presença de quebra ou fissura na região
dobrada.
• Este ensaio tenta reproduzir as condições em que os materiais
serão utilizados nas obras.
Nervuras e Entalhes
Aço Cortain
• Superfície oxidada e impermeável, que veda a entrada de
umidade e impede o avanço da ferrugem;
• Mais caro que o aço comum,
• Bonito, com aspecto patinado, envelhecido e cor
acobreada;
• Dispensa o uso de produtos protetores.
Aplicações
 Aços Perfilados: Aço fundido, laminado, apresentado
em forma de barras redondas, quadradas, retangulares,
perfis L, T, I, U;
 Arames e Telas: Os arames são finos fios de aço
laminado, galvanizados ou não;
 Pregos: São fabricados a partir de arame galvanizado
em máquinas apropriadas que cortam o arame e
moldam a ponta e a cabeça do prego.
Aços Níquel
• 1 a 10% de Níquel- Resistem bem à ruptura e ao
choque, quando temperados e revenidos.
– Usos- peças de automóveis, máquinas, ferramentas,
etc.
• 10 a 20% de Níquel- Resistem bem à tração,
muito duros - temperáveis em jato de ar.
• 20 a 50% de Níquel- Resistentes aos choques, boa
resistência elétrica, etc.
– Usos- válvulas de motores térmicos, resistências
elétricas, cutelaria, instrumentos de medida, etc.
Aços Cromo - inox
• até 6% Cromo- Resistem bem à ruptura, são duros, não
resistem aos choques.
– Usos- esferas e rolos de rolamentos, ferramentas,
projéteis, blindagens, etc.
• 11 a 17% de Cromo- Inoxidáveis.
– Usos- aparelhos e instrumentos de medida, cutelaria, etc.
• 20 a 30% de Cromo- Resistem à oxidação, mesmo a
altas temperaturas.
– Usos- válvulas de motores a explosão, fieiras, matrizes, etc.
Principais Atributos do Aço Inox
• Resistência à corrosão;
• Resistência mecânica superior aos aços de baixo
carbono;
• Facilidade de limpeza / baixa rugosidade
superficial;
• Aparência higiênica;
• Material inerte: não modifica cor,sabor ou
aroma dos alimentos;
• Facilidade de conformação;
• Facilidade de soldagem / união;
Principais Atributos do Aço Inox
• Mantém suas propriedades numa faixa muito
ampla de temperatura, inclusive muito baixas;
• Acabamentos superficiais variados;
• Relação custo/benefício favorável;
• Baixo custo de manutenção;
• Material 100% reciclável.
Fatores importantes para a seleção do
tipo de aço inox
• Um dos fatores mais importantes é o
ambiente em que o metal vai ser instalado:
– Industrial: presença de dióxido de enxofre ou
gases liberados por indústrias químicas: podem
formar ácidos condensados potencialmente
perigosos.
– Litoral: Áreas com presença de atmosfera
marítima ou bruma. Presença de cloretos.
Aços Cromo-Níquel
• 8 a 25% Cromo, 18 a 15% de NíquelInoxidáveis, resistentes à ação do calor,
resistentes à corrosão de elementos químicos.
– Usos- portas de fornos, retortas, tubulações de
águas salinas e gases, eixos de bombas, válvulas e
turbinas, etc.
Aços Manganês
• 7 a 20% de Manganês- Extrema dureza,
grande resistência aos choques e ao desgaste.
– Usos- mandíbulas de britadores, eixos de carros e
vagões, agulhas, cruzamentos e curvas de trilhos,
peças de dragas, etc.
Aços Silício
• 1 a 3% de Silício- Resistências à ruptura,
elevado limite de elasticidade e propriedades
de anular o magnetismo.
– Usos- molas, chapas de induzidos de máquinas
elétricas, núcleos de bobinas elétricas, etc.
Aços Silício-Manganês
• 1 silício, 1% de Manganês- Grande resistências
à ruptura e elevado limite de elasticidade.
– Usos- molas diversas, molas de automóveis, de
carros e vagões, etc.
Aços Tungstênio
• 1 a 9% de tungstênio- Dureza, resistência à
ruptura, resistência ao calor da abrasão
(fricção) e propriedades magnéticas.
– Usos- ferramentas de corte para altas velocidades,
matrizes, fabricação de ímãs, etc.
Aços Cobalto
• Propriedades magnéticas, dureza, resistência
à ruptura e alta resistência à abrasão,
(fricção).
– Usos- ímãs permanentes, chapas de induzidos,
etc.
• Não é usual o aço cobalto simples.
Aços Rápidos
• 8 a 20% de tungstênio, 1 a 5% de vanádio, até 8% de
molibdênio, 3 a 4% de cromo
• Excepcional dureza em virtude da formação de
carboneto, resistência de corte, mesmo com a
ferramenta aquecida ao rubro pela alta velocidade.
• A ferramenta de aço rápido que inclui cobalto,
consegue usinar até o aço-manganês de grande dureza.
– Usos- ferramentas de corte de todos os tipos para altas
velocidades, cilindros de laminadores, matrizes, fieiras,
punções, etc.
Aços Alumínio-Cromo
• 0,85 a 1,20% de alumínio, 0,9 a 1,80% de
cromo• Possibilita grande dureza superficial por
tratamento de nitrelação - (termo-químico).
– Usos- camisas de cilindro removíveis de motores a
explosão e de combustão interna, virabrequins,
eixos, calibres de medidas de dimensões fixas, etc.
Patologias

Corrosão localizada;

Corrosão generalizada;

Deformações excessivas;

Flambagem local ou global;

Fraturas e propagação de fraturas;
Proteção dos aços contra a corrosão
• A oxidação resulta de fenômenos eletrolíticos
que formam o óxido de ferro, que é poroso, e
que permite a continuação do processo.
• A oxidação é favorecida pela presença de
ácidos e bases.
• Para a proteção do ferro seja eficaz é
necessário limpá-lo previamente, quer por
processos mecânicos ou químicos.
Pinturas
• A pintura é o processo de proteção do aço contra a
corrosão utilizado em todos os casos em
que não se apresentem dificuldades particulares devidas às
finuras das arestas, à extensão das superfícies ou a
condições de exposições severas.
• Na elaboração de um sistema de pintura devem ser
considerados dados como:
–
–
–
–
o meio ambiente e sua agressividade,
o tipo de tinta,
a preparação da superfície,
A seqüência de aplicação, o número de demãos, as espessuras,
o tipo de aplicação e as condições de trabalho a que estará
submetida a superfície.
• Durante sua aplicação, a superfície deverá estar isenta de
pó, carepas, ferrugens, óleos ou graxas e a unidade relativa
do ar não deverá estar superior a 85%.
Metalização
• Consiste na proteção do aço/ferro recobrindo-o
com delgadas capas de outros metais, mais Nobres.
• Um dos processos de metalização é a galvanização
com obtenção do aço ou ferro galvanizado.
• Executa-se por imersão de peças em banhos de
zinco fundido (galvanização) ou por processos de
eletrólise (galvanoplastia), sendo o cátodo a peça a
revestir e o ânodo o metal de recobrimento puro.
Metalização
• Outra possibilidade é ainda a
pulverização.
• Estes revestimentos também
podem ser em níquel, cromo,
estanho, chumbo ou cobre.
Metalização
• É necessário que a camada seja espessa visto que o
poder de proteção do zinco é mais ou menos
proporcional à sua espessura. Todas as operações
de fabrico, em particular as dobras e soldaduras
devem ser efetuadas antes da zincagem.
Encamisamento ou Recobrimento
• Concreto:
– recobre os elementos de aço
– O envolvimento com o concreto é muito utilizado para
proteger as instalações portuárias de aço às marés e
situadas abaixo do nível do mar.
– obras expostas a uma atmosfera corrosiva (fábricas
deprodutos químicos).
– proteger o aço contra a abrasão e, naturalmente, contra
incêndios
– A resistência do betão deve ser da ordem dos 25 MPa,
no mínimo, dada a resistência estar associada à
compacidade (logo à estanquidade).
Encamisamento ou Recobrimento
• “nata” de cimento;
• Materiais betuminosos;
• Polímeros – poliuretano.
Encamisamento ou Recobrimento
• Concreto:
– recobre os elementos de aço
– O envolvimento com o concreto é muito utilizado para
proteger as instalações portuárias de aço às marés e
situadas abaixo do nível do mar.
– obras expostas a uma atmosfera corrosiva (fábricas
deprodutos químicos).
– proteger o aço contra a abrasão e, naturalmente, contra
incêndios
– A resistência do betão deve ser da ordem dos 25 MPa,
no mínimo, dada a resistência estar associada à
compacidade (logo à estanquidade).
Light Steel Frame
Steel Deck