Revista do Aço
RAZÕES TÉCNICAS PARA O
EMPREGO DO AÇO
NÃO É APENAS A ABUNDÂNCIA QUE FAZ COM QUE UM
MATERIAL SEJA LARGAMENTE UTILIZADO. AS SUAS
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS, QUÍMICAS, MECÂNICAS
TAMBÉM DEVEM SER CONSIDERADAS.
(*)
WILLY ANK DE MORAIS
INTRODUÇÃO
A maior parte dos recursos que a
humanidade explora provém da crosta terrestre, cuja composição química
aproximada está descrita no gráfico
da Figura 1. Os recursos disponíveis
na crosta terrestre têm sido utilizados
pela humanidade de diversas formas.
As épocas entre o "descobrimento" e
utilização dos materiais pelo homem
deu nome a diferentes ciclos da civilização humana: idade da pedra, do
ouro, da prata, do cobre, do bronze e,
finalmente, do ferro.
O ferro, originalmente descoberto
em meteoritos ferrosos (vindos do
espaço sideral, daí a origem do termo
‘siderurgia’), foi inicialmente produzido por processos rudimentares,
semi-industriais e finalmente por
processos industriais no início do
século 20, conforme Araújo (2).
Até o início do século passado o
aço praticamente não possuía nenhum rival em termos de material de
engenharia: não existiam métodos
economicamente viáveis para a produção de alumínio ou de outro material de aplicação relevante.
Com o desenvolvimento do aço e
de seus vários tipos, paralelamente
ao desenvolvimento de um processo
industrial economicamente viável
para a obtenção do alumínio, incrementa-se rapidamente a importância
dos metais para a humanidade. O
ápice foi atingido logo após o final
da 2ª grande guerra mundial (19391945), quando o desenvolvimento
dos polímeros industriais e cerâmicas
de engenharia começaram a ganhar
espaço em aplicações nas quais estes
materiais são mais eficientes do que
os metais. O gráfico da Figura 2
ilustra resumidamente a evolução no
uso dos materiais ao longo da civilização humana, sendo obtido a partir
dos dados apresentados por Ashby
(3)
.
Figura 1. Composição química aproximada da crosta terrestre (1).
•
linha branca
(geladeiras, fogões, lava roupas);
•
equipamentos elétricos
(motores, transformadores, eletroimãs);
•
máquinas e equipamentos
(engrenagens, eixos, virabrequins);
•
petroquímica
(tubos, válvulas, vasos de pressão);
Porém o aço só é competitivo nestas diversas aplicações devido às suas
características únicas que o torna
essencial na engenharia. Essas características podem ser resumidas nos
quatro seguintes itens:
Figura 2. Evolução da importância relativa das diferentes classes de materiais: metais,
cerâmicos, polímeros e compósitos (3).
Apesar do volume relativo de uso
dos metais esteja diminuindo lentamente nos dias de hoje, têm-se
desenvolvido novos tipos de ligas
metálicas e novos processos produtivos mais produtivos, baratos, eficientes e de menor impacto ambiental.
Por isso, o nível de tecnologia existente hoje nos metais em geral e
especialmente nos aços em particular, é muito mais avançado do que o
praticado meio século atrás.
o
o

O ferro puro é um metal que apresenta uma série de características que
não atendem à maior parte das aplicações de engenharia. Porém esta
situação muda quando se trabalha
com a sua principal liga: o aço. O aço
é a forma mais prática e econômica
de se utilizar o ferro de maneira a se
obter propriedades adequadas para
uma larga faixa de aplicações.
O termo ‘aço’ pode ser definido,
basicamente, conforme descrito na
norma ABNT 6215:2011(4) :
Liga ferrosa que apresenta teor de
carbono igual ou inferior a 2% em
peso na sua forma combinada ou dissolvida e que pode conter elementos
de liga adicionados ou residuais.
o
o
o
Aço carbono: aço que contém teores
de silício e manganês não superiores
a 0,60 e 1,65%, respectivamente e
elementos de liga dentro dos seguintes limites: 0,20% Crmáx; 0,25% Nimáx; 0,065 Momáx; 0,10% Almáx;
0,0007%Bmáx e 0,35% Cumáx.
o
Aço baixo carbono - Aço carbono
com teor nominal de C inferior ou
igual a 0,25%.
Aço baixa liga - Aço em que a soma
dos teores dos elementos de liga não
ultrapassa 5%.
Aço média liga - Aço em que a soma
dos teores dos elementos de liga está
entre 5% e 12%.
Aço alta liga - Aço em que a soma
dos teores dos elementos de liga é no
mínimo 12%.
Aço baixa liga de alta resistência
(BLAR ou ARBL) – Aço com teor de
carbono inferior a 0,26 %, com teor
total de elementos de liga inferior a
2,0%. Também conhecidos pela sigla
em inglês: HSLA.
É comum definir aços de baixa e
alta resistência. A ABNT define estes
níveis de resistência mecânica como:


De acordo com o conteúdo de liga, a norma ABNT 6215:2011(4)
classifica os aços em dois grandes
grupos e seus respectivos subgrupos:

Aço liga: aço que contém elementos
de liga, adicionados com a finalidade
de conferir-lhe propriedades desejadas, em teores superiores aos estabelecidos para o aço-carbono.
o
O AÇO COMO MATERIAL DE
ENGENHARIA
Aço médio carbono - Aço carbono
com teor nominal de C superior a
0,25% e inferior a 0,60%.
Aço alto carbono - Aço carbono com
teor nominal de C superior ou igual a
0,60%.
Aços de Baixa Resistência (BR):
aços carbono com limite de escoamento (L.E.) mínimo especificado
menor que 280MPa. Nos casos onde
o limite de escoamento não é especificado, consideram-se os aços com
teor de manganês inferior a 1,2%.
Aços de Alta Resistência (AR): são
àqueles com limite de escoamento
(L.E.) mínimo especificado maior ou
igual à 280MPa. Nos casos onde este
não é especificado, consideram-se os
aços com teor de manganês igual ou
superior a 1,2%.
A NBR 11888 especifica média resistência
(MR) quando o limite de escoamento
(L.E.) mínimo especificado fica entre
280MPa a 360MPa.
O aço é um material com ampla
gama de aplicações(5), em diferentes
setores, tais como:
•
construção civil
(prédios, viadutos, torres);
•
mobilidade
(automobilística, naval, ferroviária);
1. Disponibilidade: 5º elemento químico mais comum na crosta terrestre(1);
2. Facilidade de produção: é o metal
com maior histórico tecnológico de
produção, sendo que o processo apresenta um alto desempenho e menor
consumo de energia específico em relação aos demais materiais (6);
3. Versatilidade e abrangência de
propriedades mecânicas: tratamentos termo-mecânicos podem produzir
variedades de aços mais resistentes,
mais dúcteis ou mais tenazes, conforme as necessidades de aplicação(3);
4. Grande tenacidade a fratura: é o
material de engenharia que apresenta
o maior valor de tenacidade à fratura
entre todos os materiais existentes (3).
VANTAGENS COMPETITIVAS:
Disponibilidade
A grande disponibilidade do ferro
é uma das principais razões pelas
quais é possível produzir aço com
um custo baixo e, portanto, acessível.
Além de abundante, existem regiões
na superfície ou no subsolo da Terra
que apresentam grandes concentrações de ferro, na forma de compostos
químicos ou minérios. Esses locais
aonde o ferro pode ser explorado são
denominados, pelo jargão corrente,
de jazidas.
Nas principais jazidas conhecidas
de minério de ferro a extração é feita
com alta produtividade. As minas de
ferro não necessitam, por exemplo,
de túneis para realizar a extração do
minério.
O Brasil apresenta importantes jazidas de ferro nos estados de MG,
PA e MS. A mais conhecida é a do
‘Quadrilátero Ferrífero’, região entre
os Municípios de Congonhas, Mariana, Santa Bárbara e Belo Horizonte
em Minas Gerais. Esta região é a
principal responsável pelo abastecimento das Siderúrgicas Nacionais.
Além dessa região, o Sudeste do Pará
(serra de Carajás) apresenta enormes
quantidades de ferro, que são largamente exportadas para diversos países, especialmente para a China.
VANTAGENS COMPETITIVAS:
Facilidade de Produção
O gráfico da Figura 3 ilustra a
quantidade de energia gasta na prática para a obtenção de diversos metais: ferro (na forma de aço), zinco,
cobre, alumínio, magnésio e titânio.
Destes metais, o aço é o metal (no
caso liga metálica) no qual se gasta a
menor quantidade de energia.
que ocorrem com o ferro oferece aos
Engenheiros Metalúrgicos e de Materiais uma enorme gama de possibilidades com o aço.
As propriedades deste material
podem ser reguladas pelo uso não
apenas do carbono, seu principal
elemento de liga, mas também por
praticamente todos os elementos
conhecidos. Como se não bastasse,
um mesmo aço, com uma composi-
materiais, de acordo com a faixa de
valores de massa específica (ou Density, em inglês) e resistência mecânica (ou Strength, em inglês) que cada
categoria apresenta.
Neste gráfico está destacado o
grupo das ligas ferrosas e os aços. A
amplitude de resistência mecânica
que o aço pode apresentar varia entre
os valores de um material polimérico
(plástico) até de um material cerâmico (de 100 a 2000MPa). Nenhum
outro material, além do aço, apresenta uma amplitude tão grande desta
propriedade.
Considerando que a resistência
mecânica é a característica básica
para qualquer projeto mecânico,
então concluiu-se que é possível
empregar o aço em várias aplicações,
pois suas propriedades podem apresentar valores adequados a várias
necessidades e usos estruturais.
VANTAGENS COMPETITIVAS:
Grande Tenacidade a Fratura
O gráfico da Figura 5 é similar ao
da Figura 4, também sendo de autoria
de Ashby (3). Entretanto, neste gráfiFigura 3. Consumo de energia na produção de vários metais. Gráfico à esquerda: consumo
co a resistência mecânica (ou Strende energia em MWh para a produção do metal primário (6).
gth, em inglês) está relacionada com
a tenacidade a fratura (Fracture
Além disso, a eficiência total
ção química fixa, pode apresentar
Toughness, em inglês). A tenacidade
energética para a produção do aço,
vários tipos de propriedades mecâniou seja, a razão entre a energia teóricas, físicas e mesmo químicas, dea fratura é uma característica importantíssima para as aplicações de
ca necessária e a energia gasta na
pendendo de tratamentos térmicos e
prática é de 27%, conforme disponícondições de processamento mecâniengenharia, pois é a resistência que
um material possui em não se romper
vel na literatura (6). Apesar deste
co a ele impostas.
valor (27%) parecer pequeno, podeA Figura 4 ilustra um gráfico de
(fraturar) mesmo quando está presente um grande concentrador de tensão
se salientar que o segundo melhor
seleção de materiais introduzido por
rendimento é do alumínio, com 13%.
Ashby (3) para auxiliar o processo de
ou trinca. Assim, quanto maior for a
tenacidade a fratura de um material,
seleção de materiais para aplicações
As duas condições, disponibilidaestruturais e/ou mecânicas. Neste
maior será a segurança no uso de um
componente feito deste material,
de e relativa facilidade de obtenção,
gráfico são apresentados grupos de
fazem com que o custo do aço seja
mesmo quando o material
estiver submetido a condium dos mais baixos dentre os materiais empregados pela humanidade. É
ções de degradação mecânica (desgaste) ou química
costumeiro o uso do preço do aço
carbono comum, que é o aço mais
(corrosão).
Observando o gráfico é
fabricado no mundo, como referência
base para a seleção de materiais para
visível, por exemplo que o
vidro (glass, em inglês),
aplicação mecânica como descrito
por Ashby (3) e Callister (7).
que é tipicamente um material frágil, possui uma tenacidade a fratura muito baiVANTAGENS COMPETITIVAS:
xa, menor que 1MPa·m½.
Versatilidade e abrangência
Por outro lado, os metais
de Propriedades Mecânicas
são os materiais de maior
tenacidade a fratura daí
Como a grande maioria dos mateexplicando o seu uso tão
riais metálicos, o ferro solidifica-se
difundido.
formando uma estrutura cristalina.
Porém a forma que esta estrutura
Porém, dentre todos os
materiais, o aço é aquele
cristalina pode apresentar-se varia
com a temperatura. Este fenômeno,
que apresenta a maior tenaFigura 4. Distribuição das propriedades mecânicas dos
cidade a fratura (de 30 a
conhecido como alotropia o polimorvários grupos de materiais disponíveis ilustrando: a grande
fismo, associado a outros fenômenos
300 MPa·m½). Neste sentifaixa de abrangência das propriedades das ligas ferrosas (3).
REFERÊNCIAS
(1) – HELMENSTINE, A.M.;
Chemical Composition of the
Earth's Crust. Disponível em:
http://chemistry.about.com/od
/geochemistry/a/ChemicalComposition-Of-The-EarthsCrust.htm <Acessado em 20
de Março de 2012>.
(2) – ARAÚJO, L.A., Manual
de Siderurgia. Vols. 1 (Produção). Arte e Ciência, São
Paulo, 1997.
(3) – ASHBY, M..F; Materials Selection in Mechanical
Design. Oxford: Butterworth
Heinemann, 2nd edition,
1999.
(4) – ABNT. NBR 6215:
Produtos siderúrgicos —
Terminologia. Rio de Janeiro.
2011.
Figura 5. Distribuição das propriedades mecânicas dos
(5) – 21st Century Foundavários grupos de materiais disponíveis ilustrando: a superiotion / Kawasaki Steel: An
Introduction to Iron and Steel
ridade da resistência à fratura dos aços (3).
Processing. Disponível em:
http://www.jfe-21st-cf.or.jp/index2.html.
do, o aço é superior a todas as outras
<Acesso em 04 de Janeiro de 2010>.
ligas, como as de alumínio e titânio e
(6) – YOSHIKI-GRAVELSINS, K.S.;
mesmo em relação aos compósitos de
TOGURI, J.M.; CHOO, R.T.C.; Metals Profibra de carbono (CFRP, no gráfico).
duction, Energy, and the Environment, Part I:
Energy Consumption. In: Journal of Materials
(JOM), May, 1993.
CONCLUSÃO
(7) – CALLISTER Jr., W. D. Materials Science and Engineering: An Introduction. John
As características únicas dos aços
Wiley; 8th Edition, Dec., 2009.
permitem uma amplitude de aplicações sem igual dentre os inúmeros
materiais de engenharia disponíveis.
Por isso, este material tem um enorme grau de importância para a humanidade.
Por estas características, o aço é o
material de maior produção em nossa
sociedade. Esta condição foi alcançada ao longo do século 20, conforme pode ser visto no gráfico da Figura 6. Mesmo atualmente, com a existência de novos e sofisticados materiais, o aço ainda apresenta vantagens
competitivas de peso o que se percebe pela sua enorme presença cotidiana.
(*) Doutorando, Mestre, Engº Metalurgista, Téc. em Metalurgia. Especialista em Produto da Usiminas-Cubatão,
Prof. Adjunto da Faculdade de Engenharia da UNISANTA, Consultor
Técnico da Inspebras e Diretor da divisão técnica “Aplicações de Materiais” da ABM. E-mail: [email protected];
[email protected]
e
[email protected].
Figura 6. Evolução da produção mundial de aço ao longo do século 20 (2).