AULA 7 - METAIS

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METAIS E PRODUTOS
SIDERÚRGICOS
MCC1001 – AULA 9
Disciplina: Materiais de Construção I
Professora: Dr.a Carmeane Effting
1o semestre
2014
Centro de Ciências Tecnológicas
♦
Departamento de Engenharia Civil
TIPOS DE MATERIAIS
Classificação Básica:
• Metais: ligas Fe-C (aço, fºfº), latão (liga Cu, Zn);
• Cerâmicas: Vidros, argilas, cimento;
• Polímeros: Plásticos, polietileno (-C2H4-)n,
neoprene;
• Compósitos: Fibra de vidro, concreto, madeira.
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TIPOS DE MATERIAIS
Materiais Avançados:
• Semicondutores: Si (silício), GaAs (Arsenieto de
gálio);
• Biomateriais: implantes dentários, ósseos;
• Nanomateriais: (1 nm = 10-9 m) nanotubos de
carbono, nanopartículas de Au, Ag, nanoargilas;
• “Materiais Inteligentes”: respondem às variações
do ambiente (ex: sistema antirruído de
helicópteros, materiais “com memória”).
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METAIS
• Elementos químicos que existem como
cristais ou agregado de cristais;
• Propriedades básicas:




Fortes e podem ser moldados
Dúcteis (deformam antes de quebrar)
Superfície “metálica”
Bons condutores de corrente elétrica e de calor
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METAIS
 Os materiais metálicos são substâncias
inorgânicas que contêm um ou mais
elementos metálicos e que também podem
conter alguns elementos não-metálicos.
 O ferro, o cobre, o alumínio e o chumbo são
exemplos de elementos metálicos, enquanto
que o carbono, o nitrogênio e o oxigênio são
exemplos de elementos não metálicos.
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OS METAIS NA TABELA PERIÓDICA
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CLASSIFICAÇÃO DOS METAIS
• Os metais e suas ligas podem ser
divididos em 2 grandes classes:
– materiais metálicos ferrosos e não- ferrosos
• Os ferrosos contêm uma percentagem elevada de
ferro em sua composição química, sendo este
elemento o seu principal constituinte (aços e ferros
fundidos)
• Os não-ferrosos não contêm ferro ou contêm o ferro
apenas em pequena quantidade (residual), tais como
o alumínio, o cobre, o níquel, o chumbo, assim como
as suas respectivas ligas.
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Principais metais utilizados na
construção civil:
Metal
Densidade (g/cm³)
Ferro
7,87
Níquel
8,90
Cobre
8,96
Zinco
7,13
Alumínio
2,70
Chumbo
11,34
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OBTENÇÃO DOS METAIS
Os metais normalmente estão concentrados
em jazidas.
Dificilmente os metais são encontrados
puros como as pepitas de ouro ou prata.
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OBTENÇÃO DOS METAIS
A mistura de metal e impurezas é chamada
minério.
A partir do minério, a obtenção do metal
passa por 2 fases distintas: a mineração e
a metalurgia.
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OBTENÇÃO DOS METAIS
Na mineração é feita a colheita do minério, que
pode ser a céu aberto ou subterrânea.
Após, é feita a separação dos minérios utilizáveis e eliminação das impurezas (areia, argila, organismos, etc)
Esta purificação do minério pode ser feita por processos mecânicos ou processos químicos.
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OBTENÇÃO DOS METAIS
• Entre os processos mecânicos estão a
classificação, levigação (impurezas flutuam)
flotação (impurezas afundam), lavagem, etc.;
• Processo químico: calcinação (decomposição
térmica de metais não-ferrosos);
• A metalurgia tem por finalidade obter o metal
puro. Pode-se citar o processo de redução,
precipitação química ou eletrólise.
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PRODUTOS SIDERÚRGICOS
Liga metálica: todo produto metalúrgico proveniente da mistura ou combinação
de um metal com um ou mais corpos livres (metais
ou metalóides- B, Si, Ge, As, Sb, Te e Po).
*Liga mais comum é a Liga Fe-C  os
para const. civil possuem teores de C de 0,18% a 0,25%.
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aços estruturais
PRODUTOS SIDERÚRGICOS
Na natureza, o ferro apresenta-se na forma de
óxidos ou carbonatos, constituindo os minérios
de ferro. Sendo os principais:
1)
2)
3)
4)
Magnetita (Fe₃O₄)
Siderita (FeCO3)
Hematita (Fe2O3)
Limonita
(Fe(OH)3.nH2O)
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1
2
3
4
AÇOS
É todo o produto siderúrgico obtido por via
líquida com teor de carbono inferior a 2%
Classificação:
Antigamente
chamados
apenas de
FERROS
Denominação
Teor de Carbono
Extradoces
<0,15%
Doces
0,15% a 0,3%
Meio-doces
0,3% a 0,4%
Meio-duros
0,4% a 0,6%
Duros
0,6% a 0,7%
Extraduros
>0,7%
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FERRO FUNDIDO (fºfº)
– Principais aplicações e usos
não estruturais:
• Tampões de pista de rolamento e
de calçada (para visitas em redes
de água, esgoto, telefonia e
elétrica), grelhas para águas
pluviais,
grades
decorativas,
tubos para redes de água e seus
acessórios (válvulas, conexões,
etc.), ralos, caixas de correio, etc.
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AÇO INOXIDÁVEL
• É um produto siderúrgico que apresenta
resistência a corrosão (Fe com teor de C –
inferior a 0,15% + 9% de Ni+18%Cr);
• Dificuldade de solda e dobramento;
• Utilização em ferragens, cubas e vários
outros materiais de construção como
matéria-prima.
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AÇO INOXIDÁVEL
– Principais aplicações e usos não estruturais:
• Elemento decorativo de fachadas (revestimento
de
superfícies com chapas com acabamento espelhado, lixado,
escovado
interiores
ou
colorido),
elemento
decorativo
de
(corrimãos divisórias, revestimento interno de
mobiliário urbano (bancos, abrigos,
lixeiras, etc.), caixas d´água, cubas, revestimento de
pias, válvulas, metais sanitários, coifas, ralos, etc.
elevadores, etc.),
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AÇO INOX - APLICAÇÕES
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AÇO CARBONO COMUM
– Principais aplicações e usos não estruturais:
• Arames recozidos, telas soldadas (para cercamentos e alambrados), tubos para encanamentos e
seus acessórios, painéis de andaimes, telhas,
painéis, esquadrias e seus acessórios, calhas,
rufos, condutores verticais de águas pluviais.
• Podem ser revestidos superficialmente
(por
exemplo, por zinco, estanho, fósforo e materiais poliméricos
orgânicos, como as tintas e vernizes) para uma melhor
proteção contra a corrosão.
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PRINCIPAIS TRATAMENTOS
ANTI-CORROSIVOS
• Jateamento e pintura com zarcão ou óxido de
ferro;
• Pintura a pó (eletrostática);
• Galvanização a fogo ou eletrolítica: proteção,
melhora na condutividade; soldagem, estética
(aparência), diminuição de atrito, aumento da
dureza superficial;
• Proteção catiônica: tratamento anticorrosivo.
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AÇOS
Principais utilizações:
a) Fios e barras para concreto armado/EB-3
Barras de 10 a 12 m e fios quando em rolos
• CA-60: diâmetros de 3,2; 3,6; 4,0; 5,0 e
6,0 mm;
• CA-50: 6,3; 8,0; 10,0; 12,5; 16,0; 19,0; 25
e 32 mm;
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Principais ensaios: recebimento,
aderência, dobramento e tração.
b) Chapas galvanizadas
c) Chapas lisas pretas
d) Ferro perfilado: vigas U, H, I, T, Catoneiras,
barras quadradas e redondas. São fabricados
de 1/8” a 8”;
e) Trilhos e acessórios: TR-57 (56,9 Kg/m), 50, 45,
37, 32 e 25 – barras de 12 m.
f) Cabos para protensão: fornecidos com 12 e 18
fios de 5, 7 e 8 mm;
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Principais ensaios: recebimento,
aderência, dobramento e tração.
g) Arames e telas: galvanizadas ou não para
diversas utilizações;
h) Pregos: são de vários tipos sendo os principais
para construção classificados como comuns ou
de carpinteiro (cabeça normal), cabeça dupla e
sem cabeça.
Denominação através de 2 números:
17 (bitola do arame da fieira de Paris) x 27 (bitola
de uma medida francesa onde 1 = 2,255 mm);
f) Cabos para protensão: fornecidos com 12 e 18
fios de 5, 7 e 8 mm;
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SOLDAGEM DE ARMADURAS
• A soldagem, envolve a aplicação de uma elevada densidade
de energia em um pequeno volume do material, o que pode
levar a alterações estruturais e de propriedades importantes
na região da solda e próxima a ela (ZTA – Zona
Termicamente Afetada).
• Algumas armaduras são apenas parcialmente soldadas
devido a dificuldades operacionais durante a colocação na
forma. O desenvolvimento de máquinas e robôs de
soldagem exclusivos para a fabricação de armaduras
soldadas está em franco desenvolvimento na Europa, com
novos lançamentos a cada ano.
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Soldagem e equipamentos utilizados na
fabricação de armaduras soldadas
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Soldagem e equipamentos utilizados na
fabricação de armaduras soldadas
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Telas soldadas nervuradas
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Vantagens e desvantagens das armaduras
soldadas
• Principais vantagens:
– maior produtividade da mão-de-obra;
– custos menores dos insumos de soldagem
em relação ao custo do arame recozido;
– não necessidade de soldagem de 100% dos
pontos de interseção (em alguns casos, basta
soldar cerca de 50% a 70% dos pontos);
– maior rigidez das peças e, portanto, maior
facilidade de manuseio;
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Vantagens e desvantagens das armaduras
soldadas
• Principais vantagens (cont.):
– melhor controle dos espaçamentos dos estribos;
– racionalização do canteiro de obras, com a
disponibilização dos espaços destinados à
montagem de armaduras: as entregas das
armaduras pelas centrais de Corte e Dobra é
feita parceladamente, à medida que a obra
avança;
– maior rapidez na execução da obra.
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Vantagens e desvantagens das armaduras
soldadas
 Principais desvantagens:
◦ baixa densidade de carga no transporte, ou seja,
não aproveitamento da capacidade total, em peso,
do veículo de transporte;
◦ necessidade de planejamento da soldagem:
algumas armaduras ou barras de determinadas
armaduras ou mesmo alguns pontos de
cruzamento ou de interseção de barras, em razão
de dificuldades operacionais durante a montagem
final na forma, não devem ser soldados;
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Vantagens e desvantagens das armaduras
soldadas
 Principais desvantagens (cont.):
◦ necessidade, em algumas obras, de equipamentos
especiais, gruas, guinchos, etc, para descarregamento e/ou içamento das armaduras;
◦ a soldagem de armaduras não é recomendada, por
alguns calculistas brasileiros, nos casos em que a
estrutura é submetida a cargas dinâmicas que podem
provocar fratura do aço por fadiga na região da solda.
Essas situações, entretanto, são em geral raras.
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SOLDAGEM IN LOCO – ATENÇÃO!!!
 A confecção de armaduras soldadas em
ambientes de obra não é recomendada.
Deve ser executada apenas em casos
especiais e sob estrito controle de todos os
parâmetros que interferem no processo de
soldagem, tais como limpeza superficial,
umidade das barras, T ambiente, correntes
de ar, qualificação do soldador, etc.
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COBRE
• Obtido a partir de vários minérios entre
eles a cuprita e a calcopirita.
• Características físicas: massa específica de
8600 a 8960 Kgf/m3 ruptura a tração entre 20
e 60 Kgf/mm2, funde entre 1050 e 1200oC.
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COBRE
• Tem boa condutividade térmica e elétrica (após
a prata, o cobre é o melhor condutor de calor e
eletricidade).
• Tem boa resistência à corrosão em diversos
ambientes (como o ambiente atmosférico e
marinho).
• As propriedades mecânicas e de resistência à
corrosão do cobre podem ser melhoradas por
elementos de liga.
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COBRE – LIGAS MAIS COMUNS
• Latão (liga de Cu/95% e Zn/5%);
• Bronze (liga de Cu/85 a 90% e Sn/5 a
15%) → Com proporções variáveis de Zn,
Al, Sb, Ni, P, Pb, entre outros...
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COBRE - APLICAÇÕES
• Fios e cabos para condução de energia elétrica.
• Ligas de cobre (principalmente latões Cu-Zn e
bronzes): tubulações (para condução de água potável,
gás, água quente e água fria) e de suas conexões
rosqueáveis e soldáveis
Bronze - cobre e outros elementos como Sn, Al, Pb- Tem elevada resistência
ao desgaste por fricção.
Sn – aumenta resistência mecânica e dureza sem alterar a ductilidade.
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COBRE - APLICAÇÕES
• 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)
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ZINCO
– Tem 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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ZINCO - APLICAÇÕES
O zinco e suas ligas podem ser utilizados
para:
• fabricação de telhas, chapas lisas/onduladas;
• calhas, rufos, condutores verticais de águas
pluviais;
• arames, telas comuns ou soldadas;
• tubos para encanamentos e seus acessórios;
• elementos de ligação (pregos, parafusos e
seus complementos e rebites);
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ZINCO - APLICAÇÕES
Chapa metálica dobrada que, no encontro de telhados e paredes,
evita a penetração das águas da chuvas nas construções.
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ALUMÍNIO
• O alumínio é um dos elementos mais
abundantes da crosta terrestre, mas ele
não é encontrado na natureza como
elemento puro. O minério normalmente
explorado é a bauxita.
• Os
principais elementos de liga do
alumínio incluem cobre, magnésio, silício,
manganês e zinco.
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ALUMÍNIO
• 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 (7,9 g/cm3);
• Altas condutividades elétrica (cerca de 62% da
condutividade elétrica do cobre) e térmica;
• Boa resistência à corrosão em alguns
ambientes (incluindo o atmosférico);
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ALUMÍNIO
• Ruptura a tração entre 8 a 14 Kgf/mm2;
• Difícil soldabilidade;
• Perde 50% de sua resistência quando
soldado;
• Ponto de fusão: 650 (ligas) a 660oC (Al
puro).
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ALUMÍNIO
• Boa capacidade de conformação mecânica (por
laminação, extrusão, estampagem, etc);
• Baixa T de fusão do metal puro (660ºC), que
restringe a T 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).
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ALUMÍNIO
• Acabamento superficial natural, pintado ou
anodizado.
• Principais utilizações: chapas e perfis para
esquadrias e estruturas, trasmissão de
energia elétrica, lâminas para impermeabilização, coberturas e revestimentos.
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ALUMÍNIO - APLICAÇÕES
– Extrudados – destinados à fabricação de
esquadrias (portas e janelas), forros, divisórias,
acessórios para banheiros, estruturas préfabricadas 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.
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ALUMÍNIO - APLICAÇÕES
*Durabilidade maior que a do aço, peso menor, 12 m de comp. (menos emendas), isolamento acustico (telha sanduiche), conforto térmico –reflete a radiação dos raios solares.
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RESISTÊNCIA À TRAÇÃO NOS METAIS
• Esta é uma das propriedades mais
importantes na construção civil.
• A tensão de tração é obtida dividindo-se a
força aplicada pela área inicial da seção
transversal. Esta tensão determina o
aumento do comprimento da barra; é a
deformação.
F

Ao
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RESISTÊNCIA À TRAÇÃO NOS METAIS
• Chama-se alongamento à expressão:
• Lo é a base de medida marcada no cdp antes do
ensaio e L, a distância entre as marcas, após a
ruptura e uma vez reajustada as duas partes da
barra rompida da melhor maneira possível.
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1)Encontre a deformações longitudinal para o alongamento:
Lo =1 cm
alongamento
Lf =2 cm
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Resistência dos Materiais
RESISTÊNCIA À TRAÇÃO NOS METAIS
• O alongamento determina no corpo-deprova, uma redução da seção variável ao
longo do comprimento. Forma-se uma
estricção. A estricção é representada pela
expressão:
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