R. Colaço, Aços, Cap. 3, pp. 52-75.
Materiais de Construção – Guia de Utilização,
Editores: Mª. Clara Gonçalves, F. Margarido e R. Colaço,
Loja da Imagem – Mkt, ISBN: 972-98882-3-X, 2005
3_AÇOS
048
Rogério Colaço é licenciado em Engenharia Metalúrgica e de Materiais, pelo
Instituto Superior Técnico e doutorado
em Engenharia de Materiais pela Universidade Técnica de Lisboa. É autor
ou co-autor de mais de 50 publicações em revistas científicas e anais
de congressos internacionais, parte
significativa das quais respeitantes
a trabalhos de investigação desenvolvidos sobre o tema processamento/microestrutura/propriedades de aços. É professor do IST
desde 2002. É membro da Ordem dos Engenheiros, da Sociedade
Portuguesa de Materiais e do The Institute of Materials.
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS – INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO
Av. Rovisco Pais, 1049-001 Lisboa – Portugal
Tel.: + 351 21 8418125 • Fax: + 351 21 8418132
E-mail: [email protected]
MATERIAISDECONSTRUÇÃO GUIA DE UTILIZAÇÃO
049
A introdução do aço na construção civil, há cerca de século e meio, resultou numa profunda alteração de métodos
e práticas de engenharia civil e numa quase revolução da
paisagem construída. Pretende-se com o texto que se segue
descrever, de forma resumida, as principais características
deste conjunto de materiais extraordinariamente diversificado que designamos genericamente por aços. Para tal, ao
invés de listar exaustivamente propriedades e características de aços existentes no mercado, o que já é feito nas dezenas de catálogos e especificações técnicas de fabricantes
e fornecedores, facilmente adquiríveis, opta-se por descrever
resumidamente os fundamentos da tecnologia e da metalurgia física dos aços. Pretende-se que esta abordagem permita
abrir novas perspectivas de utilização e novos critérios de selecção aos especialistas em projecto e selecção de materiais
de construção.
1. INTRODUÇÃO
2. ESTRUTURA CRISTALINA DO FERRO
3. PROPRIEDADES MECÂNICAS
3.1. Deformação elástica
3.2. Deformação plástica
3.3. Tenacidade, fractura dúctil e fractura frágil
3.4. Efeito da temperatura
3.5. Dispersão de propriedades
4. EFEITO DOS ELEMENTOS DE LIGA
4.1. Carbono
4.2. Outros elementos de liga
5. MICROESTRUTURA
6. OPTIMIZAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS
6.1. Encruamento
6.2. Tratamentos térmicos
7. CONSTRUÇÃO SOLDADA
8. PRINCIPAIS TIPOS DE AÇOS UTILIZADOS EM CONSTRUÇÃO:
CAMPOS DE APLICAÇÃO E PROPRIEDADES
8.1 Aços estruturais Fe-C
8.2 Aços microligados de elevada resistência
8.3 Aços de liga de temperados e revenidos
8.4 Aços inoxidáveis
9. CONCLUSÃO
10. BIBLIOGRAFIA
3_AÇOS
050
MATERIAISDECONSTRUÇÃO GUIA DE UTILIZAÇÃO
051
1. INTRODUÇÃO
O começo da utilização do aço na construção civil, no
primeiro quartel do Séc. XIX, foi uma consequência natural do
desenvolvimento de tecnologias para a produção industrial de
grandes quantidades de aço de forma economicamente viável.
Inicialmente, a necessidade de construção de extensas linhas
de caminho de ferro, utilizando componentes em aço com geometrias e dimensões padronizadas, resultou no desenvolvimento de soluções de engenharia que abriram caminho para
a utilização do aço como material estrutural. A utilização do
aço viria a dar origem a novos conceitos de construção que
tiravam partido da possibilidade de construir estruturas por
blocos, utilizando pré-formas em aço que eram produzidos
em série. Estavam assim criadas as condições para a utilização extensiva do aço na construção: um material barato, com
excelentes propriedades mecânicas que podia ser levado para
o local da construção, na forma de componentes pré-fabricados passíveis de serem rapidamente montados. Mais tarde,
o aço viria também a ser utilizado como material de reforço
em estruturas de betão, na forma de fio, vigas, varão ou rede
(cf. cap. I), elevando a resistência a esforços de tracção para
valores que o frágil cimento Portland por si só não permitia.
Pela primeira vez os engenheiros e arquitectos tinham
à sua disposição um material que reunia simultaneamente
propriedades como a elevada resistência à tracção e compressão, a enformabilidade por deformação plástica, a soldabilidade, a capacidade de absorção de energia sem entrar
em rotura. Além disso, os aços apresentavam um espectro
de propriedades relativamente largo, o que possibilitava a
selecção e adequação ao uso aumentando, naturalmente, a
liberdade de concepção do projectista. Desse modo, a utilização do aço veio permitir uma flexibilidade na forma e
dimensões das estruturas que até aí não existia, resultando num novo paradigma de construção arquitectónica: a
concepção do edifício ou da estrutura não como uma forma
mas como um processo. Por outro lado a introdução do aço
na construção civil conduziu a uma alteração profunda dos
limites de projecto e, consequentemente, dos limites volumétricos e espaciais dos edifícios. Para um leigo, a primeira
grande diferença que distingue as grandes construções do
séc. XX das grandes construções de qualquer outra época é
a volumetria. As primeiras são maiores, são mais altas, os
arcos são mais compridos, os vãos são mais longos. Esta
alteração radical da volumetria da ocupação espacial das
construções é consequência da introdução do aço na construção.
Importa no entanto começar por dizer que o termo “aço”
não designa um material em particular. Designa antes um
conjunto de materiais extraordinariamente diversificado (algumas centenas de ligas metálicas diferentes são designadas
por “aço”), em termos de composição química, microestrutura, propriedades e, naturalmente, aplicabilidade. Em comum
todos os diferentes materiais que designamos por “aço” têm o
facto do seu principal constituinte ser o ferro, ou seja os aços
são ligas metálicas à base de ferro. Neste capítulo tentar-se-á
descrever sucintamente as principais características destas
ligas, em particular dos tipos de aços com maior aplicabilidade em construção civil.
3_AÇOS
052
2. ESTRUTURA CRISTALINA DO FERRO
Um conjunto de factores parece confluir para explicar o sucesso
dos aços. O primeiro deles será seguramente o facto do ferro, seu
principal constituinte, ser um metal extraordinariamente abundante na crosta terrestre e por isso as suas ligas serem (ou poderem
ser) relativamente baratas quando comparadas com outras ligas
metálicas à base de elementos menos abundantes (titânio, cobalto,
níquel, etc.).
O ferro é um metal, sólido à temperatura ambiente. Quer isto dizer
que num pedaço de ferro os átomos estão ligados entre si por uma
ligação química forte, que se designa por ligação metálica. Este tipo
de ligação, comum a todos os compostos que designamos por metais e que facilmente reconhecemos (pelo brilho, sensação de frio
ao toque, ductilidade, etc.), tem a particularidade de todos os átomos partilharem entre si os seus electrões mais externos, formando uma banda de electrões livres (banda de valência) que mantêm
a coesão do conjunto. É à existência desta banda de electrões livres
(livres no sentido que se podem mover livremente, uma vez que não
pertencem a nenhum átomo em particular) que se deve uma das
peculiaridades mais características dos metais: o facto de serem
condutores de electricidade.
No entanto o ferro ocorre na natureza ligado ao oxigénio, ou seja na
forma de óxidos de ferro. Esses óxidos de ferro (os mais comuns
designam-se por hematite e magnetite) têm o aspecto de areias
avermelhadas ou amareladas, que muitas vezes observamos em
afloramentos rochosos, em taludes ou cortes junto à orla costeira.
Em termos de propriedades, estes óxidos de ferro pouco ou nada
têm em comum com o ferro metálico e menos ainda com o aço. Para
termos aço é preciso retirar o oxigénio do ferro, aquilo a que se chama reduzir o óxido a ferro metálico.
Não se sabe como foi conseguida pela primeira vez a redução do
óxido de ferro, mas sabe-se que o carbono tem uma afinidade maior
para o oxigénio que o ferro. Assim, o oxigénio tem tendência para
passar do ferro para o carbono, se a temperatura for suficientemente elevada para que esta reacção possa ocorrer. Desse modo, supõese (especula-se) que o ferro metálico foi obtido pela primeira vez ao
fazer fogueiras sobre areias ricas em óxidos de ferro utilizando madeira ou carvão como combustível: o carbono (proveniente da madeira ou do carvão) teria retirado o oxigénio ao ferro e, sob as cinzas
da fogueira, terá ficado um material dúctil, com brilho acinzentado,
que teria atraído os nossos antepassados. Esse material era ferro
metálico. Contudo ao aquecer o óxido de ferro na fogueira, não só o
óxido teria sido reduzido como também algum carbono terá migrado
para dentro do ferro. E é esta junção entre carbono e ferro, ocorrida
pela primeira vez há alguns milhares de anos, que vem a originar o
aço. No ponto 4 deste capítulo explicar-se-á mais detalhadamente o
efeito do teor em carbono nas propriedades mecânicas dos aços.
A ligação metálica mantém os átomos de ferro dispostos de uma forma organizada no espaço. Esta organização espacial dos átomos de
ferro designa-se por estrutura cristalina. Espacialmente, os átomos
de ferro estão dispostos segundo uma geometria cúbica. Fila após
fila os cubos formam um plano, e plano após plano todo o espaço é
ocupado por estes cubos. Tomando um desses cubos, à temperatura ambiente, veríamos oito átomos de ferro ocupando os vértices do
cubo e um ocupando o centro do cubo. Essa disposição arrumada
dos átomos de ferro designa-se por estrutura cúbica de corpo centrado (CCC). Temos assim os átomos de ferro sólido, à temperatura
ambiente, formando um cristal com uma estrutura cúbica de corpo
centrado (figura 1.a). Este tipo de ferro – esta fase – designa-se por
ferrite e pode conter átomos de outras espécies nela dissolvidos,
conforme se verá um pouco mais adiante.
O ferro funde a 1539ºC. No entanto, desde a temperatura ambiente
até 1539 ºC outras transformações ocorrem antes da fusão. A 912
ºC os átomos de ferro alteram a geometria da sua arrumação: oito
átomos de ferro continuam a ocupar os vértices do cubo, mas agora
deixa de existir o átomo central passando a haver seis novos átomos
no centro de cada uma das faces do cubo. Ou seja, ao ultrapassar 912
ºC a estrutura cristalina do ferro altera-se: deixa de ser cúbica de
corpo centrado e passa a ser cúbica de faces centradas, CFC (figura
1.b). Esta fase é designada por austenite e é uma fase com maior
compacidade e mais densa do que a ferrite. Por isso a transformação ferrite›austenite, no aquecimento, implica uma contracção do
ferro, que pode ter algumas implicações tecnológicas importantes
(acumulação de tensões internas, distorções, fissuração).
MATERIAISDECONSTRUÇÃO GUIA DE UTILIZAÇÃO
053
Figura 1. a) Célula estrutural cúbica de corpo centrado (Tamb< T <912 ºC);
b) Célula estrutural cúbica de faces centradas (912 ºC < T < 1394 ºC).
À medida que se aumenta a temperatura, os átomos de ferro ainda
se rearranjam uma vez mais antes da fusão ocorrer: a 1394 ºC reagrupam-se novamente numa estrutura cristalina CCC. Estas alterações da estrutura cristalina do ferro durante o aquecimento até
à fusão, que são designadas por transformações alotrópicas, tem
implicações dramáticas sobre as propriedades dos aços, conforme
será discutido nos pontos seguintes.
3. PROPRIEDADES MECÂNICAS
Conforme já mencionado, em geral os aços de construção (e as
restantes ligas metálicas) são dúcteis, ou seja sofrem uma deformação plástica considerável antes de ocorrer fractura. Neste ponto
serão considerados alguns aspectos particulares relacionados com
este tipo de comportamento.
Uma curva tensão/extensão (ou força/alongamento) obtida num
ensaio de tracção uniaxial de uma aço tem o andamento típico
exibido na figura 2. Esta curva permite evidenciar um conjunto de
características e definir um conjunto de parâmetros fundamentais
à caracterização das propriedades mecânicas dos aços, que apresentaremos em seguida.
Figura 2. Curva de tracção uniaxial típica de um material metálico.
extensão corresponde à deformação elástica do material. O regime
de deformação elástica do material caracteriza-se pela total reversibilidade da deformação, ou seja, após ser descarregado o material
recupera a sua forma original. O declive desta curva é o módulo de
Young, E, que tem um valor aproximadamente constante para todos
os aços: cerca de 200 GPa. O valor de E é uma medida da rigidez
do material: um material com maior módulo de Young deformará
menos, em regime elástico, quando submetido a uma determinada
tensão.
A área abaixo da curva de tensão/extensão tem unidades de energia
por unidade de volume. No domínio elástico esta área corresponde
à energia que o material pode absorver reversivelmente, e designa-se por resiliência (ver fig. 4). A tensão máxima a que o material
pode ser submetido em regime elástico designa-se por tensão de
cedência, σced. Este é talvez o parâmetro mais importante para o
projectista uma vez que, em serviço, o material nunca poderá ser
submetido a solicitações que resultem em tensões superiores a
este valor. Tal implicaria a deformação permanente do componente
e a consequente perda da sua funcionalidade.
3.1 Deformação elástica
A primeira parte da curva, em que a tensão varia linearmente com a
Na maioria dos materiais não existe uma descontinuidade da derivada da curva tensão/extensão (como existe no esquema da figura 2),
3_AÇOS
054
o que dificulta a determinação do valor exacto da tensão de cedência.
Nesses casos utilizam-se alguns critérios (mais ou menos arbitrários)
para a determinação da tensão de cedência. Um dos critérios mais comuns é o recurso à chamada tensão de offset a 0.2%, em que se traça
uma linha paralela à curva de tracção desviada 0.2%, determinandose o ponto de intersecção dessa linha com a curva de tracção (figura 3.a). O ponto de intersecção é a tensão de cedência a 0.2%. Esta
tensão naturalmente, corresponde a uma sobre-estimativa da tensão
de cedência, sobre-estimativa essa que terá de ser compensada em
projecto com um coeficiente de segurança adequado.
Nos aços macios (tipicamente aços com teores de carbono inferiores a 0.05%) recozidos, a cedência é descontínua, ou seja, existe
um patamar na transição do regime de deformação elástica para o
regime de deformação plástica, que se ilustra na figura 3.b.
3.2 Deformação plástica.
Uma vez ultrapassada a tensão de cedência o material entra no regime de deformação plástica, ou seja, num regime em que ocorre deformação permanente. A secção da curva de tracção correspondente à deformação plástica caracteriza-se por uma variação não linear
da tensão com a extensão (ou da força com o alongamento) o que
permite diferenciar com alguma facilidade os dois regimes de defomação. Num ensaio de tracção uniaxial, se a tensão de cedência for
ultrapassada, após descarregar o material apenas a componente de
deformação elástica é recuperada (figura 3.c), podendo-se verificar
que ocorreu um aumento do comprimento de prova e uma redução
permanente da área perpendicular ao eixo de tracção.
Apesar da variação ser não linear, verifica-se que, em geral, nas ligas metálicas à temperatura ambiente, o aumento da deformação
plástica implica um aumento da tensão aplicada (ao contrário, por
exemplo, da plasticina que continua a sua deformação permanente
quando a tensão aplicada é constante, dizendo-se por isso que flui).
Assim, a variação da tensão com a extensão das ligas metálicas no
domínio plástico, é aproximada por uma lei de potência do tipo:
tensão=K.(extensão)n
Figura 3.a) Determinação da tensão
de offset a 0.2%; b) Cedência descontínua num aço-carbono macio;
c) Ciclo carga descarga em que a
tensãode cedência é ultrapassada.
MATERIAISDECONSTRUÇÃO GUIA DE UTILIZAÇÃO
055
xial designa-se por zona de estricção, sendo nessa zona que ocorre
a fractura do material.
Figura 4. Estimativa da resiliência e tenacidade do material a partir da curva de tracção uniaxial.
O valor da tensão máxima uniforme impõe um limite máximo à deformação plástica a que o material pode ser submetido antes de ser
colocado em serviço. Por exemplo suponha-se que um painel de aço
é submetido a uma quinagem (dobragem), sendo em seguida colocado em determinada aplicação estrutural. Se durante a quinagem
σmu foi ultrapassada em determinada região do painel então nessa
região iniciou-se o processo de rotura, com formação de pequenas
microfissuras no interior do material. Apesar de essas microfissuras poderem não ser detectáveis por observação (macroscópica
ou microscópica) são locais de concentração de tensões, podendose propagar gradualmente quando o painel é colocado em serviço,
mesmo se este estiver submetido a tensões inferiores à sua tensão
de cedência tabelada. Daí poderá resultar uma fractura extemporânea do componente, de difícil previsão na fase de projecto.
em que K e n são constantes, características de cada material.
Este aumento continuo da tensão necessário para que o metal continue a deformar plasticamente designa-se por encruamento. Voltarse-á a falar do encruamento no ponto 6, em particular como poderemos tirar partido desta característica para aumentar a resistência
mecânica do aço*.
A área abaixo da curva tensão vs. extensão é a energia (por unidade
de volume) absorvida pelo material desde o início da deformação
até à fractura (ver fig. 4). É uma medida da tenacidade do material.
No ponto seguinte serão referidas algumas particularidades desta
importante característica mecânica dos materiais.
3.3 Tenacidade, fractura dúctil e fractura frágil.
A curva carga vs. alongamento ou tensão nominal vs. extensão nominal (ver definições, por ex., em G. E. Dieter, Mechanical Metallurgy, 3rd edition, McGraw-Hill Book Company, 1988) de um metal em
tracção uniaxial, apresenta um máximo no domínio de deformação
plástica. Esse máximo corresponde ao início do processo de rotura,
que culmina na fractura do material. Até esse máximo ser atingido a
deformação plástica do provete é uniforme, designando-se por isso
a tensão correspondente ao máximo por tensão máxima uniforme
(σmu). A partir de σmu começam a aparecer microfissuras no interior
do material que se vão propagando até à fractura e a deformação
deixa de ser uniforme: a velocidade de deformação na região onde
aparecem as fissuras é superior à velocidade de deformação nas
restantes porções do provete devido à concentração de tensões na
vizinhança dessas fissuras. Daí resulta uma deformação localizada.
Essa zona de deformação localizada, num ensaio de tracção unia-
Conforme referido anteriormente, a tenacidade é a energia que o
material absorve (ou dissipa) por deformação plástica até à fractura. A tenacidade normalmente não é considerada directamente no
projecto de construção. No entanto é uma propriedade importante,
sobretudo na selecção de aços estruturais que serão utilizados em
condições que possam resultar no perigo de fractura frágil (por fractura frágil entende-se, neste contexto, uma fractura que ocorra com
um mínimo de deformação plástica do material).
A tenacidade do material pode ser estimada sobretudo de duas formas:
• Pela área abaixo da curva de tracção (como referido anteriormente). Este método é pouco adequado, porque é pouco representativo da resposta do material em condições de impactos súbitos, ou
3_AÇOS
056
seja um aço que apresente uma tenacidade relativamente elevada
para velocidades de deformação baixas, poderá ter um comportamento frágil se a velocidade de impacto for elevada.
• Recorrendo a ensaios de impacto normalizados (ensaios Charpy
ou Izod). Nestes ensaios um pêndulo em movimento é feito colidir
com um provete de geometria e dimensões normalizadas, medindo-se a energia dissipada no impacto.
Na prática, os ensaios de impacto são o método mais usado para determinar a tenacidade do material. Em particular estes ensaios são
utilizados para determinar a temperatura de transição dúctil-frágil
do material (TTdúctil/frágil). A transição dúctil-frágil é uma transição
que alguns aços apresentam em que o comportamento mecânico
do material deixa de ser de carácter essencialmente dúctil para passar a frágil, quando a temperatura é inferior a um determinado valor
crítico: (TTdúctil/frágil). Deverá, como tal, ser considerada com algum
cuidado na fase de selecção de materiais, em particular se a estrutura estiver submetida a condições ambientais que envolvam diminuições acentuadas de temperatura. Alguns tipos de aços, como os
aços inoxidáveis austeníticos (ver ponto 8.4), não apresentam esta
transição enquanto que alguns aços-carbono poderão apresentar
transição dúctil frágil para temperaturas próximas de 0º C.
Em termos de projecto, a fractura do material sob tensões inferiores
às suas tensões críticas tabeladas deverá ser considerada sobretudo quando a estrutura tem concentradores de tensões (furos,
chanfros agudos, etc). Um projecto cuidadoso poderá minimizar os
efeitos de concentração de tensões associados a descontinuidades
da estrutura, ângulos fechados e furações. Por outro lado importa
ter em conta que, em geral, a tenacidade à fractura do aço é superior
em aços com teores de carbono mais reduzidos, grão mais refinado
(ver ponto 5). O recozimento de alívio de tensões (aquecimento e
estágio do aço a temperaturas sensivelmente entre 250 e 400 ºC,
seguida de arrefecimento lento) também poderá resultar num aumento da tenacidade do aço.
A análise de uma superfície de fractura de um aço permite determinar com alguma facilidade o tipo de fractura. Uma superfície de
fractura fibrosa com evidência de extensa deformação plástica está
Figure 5. Superfícies típicas de fractura obtidas num ensaio Charpy:
(a) fractura frágil; (b) fractura mista (dúctil/frágil) (c) fractura dúctil.
associada a uma fractura dúctil, enquanto uma superficie de fractura mais lisa e clivada está associada a uma fractura frágil (ver
figura 5).
3.4 Efeito da temperatura
As propriedades mecânicas dos aços são muito afectadas por temperaturas elevadas. Temperaturas superiores a 500 ºC podem resultar em alterações da microestrutura (ver ponto seguinte) e/ou em
deformação irreversível quando o material é submetido a esforços
relativamente pequenos, uma vez que a tensão de cedência pode
diminuir abruptamente (ver figura 6). Por outro lado, a exposição do
aço a temperaturas elevadas pode originar corrosão ou erosão severa da superfície, da qual poderá resultar a perda de funcionalidade
do componente. O módulo de Young dos aços, que é sensivelmente
MATERIAISDECONSTRUÇÃO GUIA DE UTILIZAÇÃO
057
Figura 7. Distribuição de propriedades mecânicas numa chapa de aço ASTM A285. Os dados referem-se a 224 chapas de aço com esta especificação compradas a 6 fornecedores
durante um período de oito anos (fonte: Metals Handbook (9th ed.). Vol. 1 Properties and
Selection: Irons, Steels, and High-Performance Alloys, ASM International, 1990, p. 195).
tão em diferentes componentes. O problema da variabilidade das
propriedades mecânicas deve-se sobretudo a pequenas diferenças na composição química do aço, ou a pequenas diferenças
no seu historial térmico e mecânico durante o processo de manufactura.
Figura 6. Variação de tensão de cedência de um aço-carbono de construção com a temperatura.
200 GPa à temperatura ambiente, decresce para 170 GPa a 480 ºC,
diminuindo abruptamente a partir dessa temperatura, daí resultando a perda da rigidez da estrutura.
Destas alterações das propriedades do aço com a temperatura, resulta que a exposição prolongada ao fogo de uma estrutura de aço
pode originar perda de capacidade de sustentação da estrutura e/
ou danos irreversíveis na sua funcionalidade.
3.5 Variabilidade das propriedades mecânicas
Os aços são, porventura, dos materiais de construção com maior
uniformidade de propriedades. No entanto, algumas variações
nas propriedades mecânicas de um determinado aço podem
ocorrer em diferentes locais de um mesmo componente ou en-
A título de exemplo apresenta-se na figura 7 a distribuição de propriedades do aço de construção ASTM A285. Naturalmente que, apesar do espectro de variação ser relativamente estreito, este tipo de
variabilidade deverá ser levada em consideração, quer por fornecedores, quer por utilizadores, acautelando o controlo de qualidade da
matéria prima e as especificações de projecto.
4. EFEITO DOS ELEMENTOS DE LIGA
4.1 O carbono
O ferro puro é pouco interessante do ponto de vista das suas propriedades mecânicas: é excessivamente macio, dúctil e com baixa
resistência a esforços. Contudo, a adição de pequenas proporções
de carbono altera radicalmente as propriedades mecânicas do ferro. O teor de carbono nos aços não ultrapassa nunca 2% em massa,
sendo que nos aços estruturais em geral, o teor de carbono não ultrapassa 0.3%. As ligas de ferro com teores de carbono superiores
a 2% designam-se por ferros-fundidos e, apesar de representarem
um conjunto relativamente importante de materiais de construção
3_AÇOS
058
Figura 8. Esquema do movimento de uma deslocação (cunha) numa rede cristalina.
(sobretudo na construção do sec. XIX e da primeira metade do sec.
XX), não serão tratados neste capítulo.
O átomo de carbono tem uma massa quatro vezes e meia inferior à
massa do ferro e um volume vinte e sete vezes inferior. Em termos
dimensionais, a diferença entre os átomos de carbono e de ferro
pode ser comparada à diferença entre uma bola de ténis e uma bola
de futebol. Como compreender então que adições de quantidades
tão pequenas, de um átomo tão aparentemente insignificante como
o carbono, conduzam a alterações tão grandes nas propriedades do
ferro? A primeira resposta a esta pergunta está precisamente no
facto do átomo de carbono ser muito mais leve do que o átomo de
ferro. Isto implica que a proporcionalidade atómica é maior do que a
proporcionalidade mássica. Por exemplo um aço com 0.2% em percentagem mássica de carbono tem 1% em percentagem atómica. No
entanto isto não basta para explicar o acentuado efeito da adição
de carbono ao ferro.
Considere-se um pedaço de arame (praticamente ferro puro já que o
teor de carbono não excederá no arame 0.05%) inicialmente direito
e que o dobramos até que o limite elástico do material seja ultrapassado. Podemos fazê-lo facilmente e, ao fazê-lo, alteramos de forma
permanente a geometria do arame, que passou a estar dobrado. O
que é que aconteceu aos átomos de ferro (que anteriormente se arrumavam formando um pedaço de arame direito) quando dobrámos
o arame?
A resposta está, mais uma vez, na ligação metálica e na estrutura
cristalina das fases que constituem o material. Por um lado, como
anteriormente referido, a ligação metálica baseia-se na partilha de
electrões livres por todos os átomos, o que permite que os átomos
de ferro - arrumados em planos atómicos na estrutura cristalina sob o efeito da força, escorreguem uns sobre os outros, sem que
exista necessariamente rotura do material. Por outro lado as estruturas cristalinas não são perfeitas, tendo vários tipos de defeitos
(lacunas, interstícios, limites de grão, etc.). De entre os defeitos
que naturalmente existem na rede cristalina de uma fase metálica,
existe um tipo que tem uma influência dramática sorbre as propriedades mecânicas do material: são as deslocações, que se ilustram
na figura 8. De uma forma simples, as deslocações facilitam o escor-
MATERIAISDECONSTRUÇÃO GUIA DE UTILIZAÇÃO
059
regamento dos átomos uns sobre os outros durante a deformação
plástica. Desse modo, é o movimento e a geração de deslocações
que, genericamente, controlam a cedência do material (a passagem
do regime de deformação elástica para o regime de deformação
plástica), os mecanismos de deformação plástica, e o comportamento do material em deformação plástica. A passagem do regime
de deformação elástica (deformação reversível) para o regime de
deformação plástica (irreversível) é uma consequência do início
do movimento das deslocações e da criação de novas deslocações,
quando é ultrapassada a tensão de cedência. Quanto mais difícil for
a activação destes mecanismos, maior será a tensão de cedência
do material, e maior será a sua resistência mecânica.
Considere-se agora a adição de carbono ao ferro. Sendo os átomos
de ferro muito maiores do que os átomos de carbono, este últimos
podem ocupar os interstícios entre os átomos de ferro. Esses átomos de carbono são agora obstáculos ao movimento das deslocações: quanto mais átomos de carbono ocuparem os interstícios na
estrutura cristalina do ferro, mais difícil será a mobilidade das deslocações, e maior será a tensão de cedência (a “resistência mecânica”) do aço. Consequentemente, e voltando ao exemplo do arame,
se aumentássemos o seu teor em carbono maior seria a força que
teríamos de fazer para o dobrar. Este mecanismo é designado por
endurecimento por solução sólida.
A estrutura CCC do ferro, a ferrite, estável até cerca de 911ºC, devido à sua configuração espacial, só consegue dissolver no máximo
0,025% de carbono. Se for introduzida uma proporção de carbono
superior a esta no ferro acontecerá o mesmo que quando colocamos muito açúcar num copo de água: este precipita. No caso do aço
o excesso de carbono precipita formando um carboneto de ferro: o
Fe3C, designado por cementite. Este carboneto é duro e frágil e a sua
precipitação no interior da matriz de ferrite aumenta ainda mais a
resistência mecânica do material.
O mecanismo de aumento da resistência mecânica decorrente da
precipitação de uma segunda fase designa-se, naturalmente, por
endurecimento por precipitação. Quanto mais carbono, maior a proporção do cementite, maior resistência mecânica e maior dificuldade em deformar plasticamente o aço. Estas fases, uma macia (a
ferrite, rica em ferro) e outra dura e frágil (a cementite, mais rica em
carbono) podem ser facilmente observadas num microscópio óptico
e constituem aquilo que se designa por microestrutura do aço (ver
ponto 5 deste capítulo). Esta microestrutura bifásica, formada por
ferrite e cementite, actua de forma que pode ser (embora grosseiramente) comparável à de um material compósito (por exemplo uma
raqueta de ténis formada por uma matriz polimérica reforçada por
fibras de vidro).
4.2 Outros elementos de liga
Para além do carbono outros elementos de liga podem ser adicionados, contribuindo também para alterar propriedades do aço ou para
lhe conferir determinados atributos. Apesar do elevado número de
elementos de liga que podem entrar na composição química de um
aço, o princípio de design de um aço é relativamente simples: existe
uma matriz rica em ferro, que confere tenacidade ao material, que
é reforçada por uma dispersão de carbonetos mais duros e frágeis.
Assim, os elementos que entram na constituição dos aços podem
ser divididos em dois conjuntos: os elementos formadores da matriz
e elementos que, conjuntamente com o carbono, formam carbonetos de reforço.
Conforme anteriormente referido, o principal constituinte da matriz
de um aço é o ferro. No entanto, no caso de alguns aços verificou-se
que a adição de cobre (Cu), níquel (Ni) ou cobalto (Co), que entram
na constituição da matriz, pode melhorar determinadas propriedades específicas. A adição de teores de Cu até 0.8% a aços de construção resulta num aumento da resistência à corrosão do material
e numa alteração da tonalidade da superfície (que passa a acastanhada após ser colocada em uso), alteração essa que pode ser esteticamente aproveitada. O Co aumenta a temperatura de início de
fusão do aço, tornando-o mais refractário (mais resistente à temperatura). No entanto, a adição de Co tende a reduzir a tenacidade
da matriz e, geralmente, as adições de Co em aços refractários não
deve ultrapassar 5%, não sendo frequente encontrar na composição
de aços de construção comerciais teores significativos de Co. O Ni
expande o domínio austenítico o que é extremamente importante no
aços inoxidáveis de construção soldada (ver ponto 7).
3_AÇOS
060
Outros elementos de liga, como o manganês (Mn), o azoto (N), o silício (Si), poderão também ser dissolvidos em pequenas quantidades
pela matriz ferrítica do aço, contribuindo para o seu endurecimento
por solução sólida. O endurecimento que resulta da adição de elementos de liga depende essencialmente da diferença entre a dimensão e estrutura electrónica dos átomos de soluto e dos átomos de
solvente, que no caso dos aços são os átomos de ferro. Em soluções
sólidas diluídas o endurecimento causado pelos átomos de soluto é
aproximadamente proporcional à concentração. Conforme anteriormente referido, os átomos de soluto distribuídos de forma aleatória
pela rede cristalina da solução sólida dificultam o movimento das
deslocações, o que resulta num aumento da tensão de cedência do
aço. Contudo se os átomos de soluto se concentrarem preferencialmente em torno das deslocações exercem um efeito mais pronunciado na sua estabilização, daí resultando um aumento substancial na
tensão necessária para que o movimento das deslocações se inicie.
Durante a década de 50 os metalurgistas Gladman e Pickering desenvolveram equações semi-empíricas que permitem estimar algumas propriedades mecânicas de aços, em particular a tensão de
cedência, a tensão máxima uniforme e a temperatura de transição
dúctil-frágil (TTdúctil/frágil), com base na composição química. Para
aços-carbono estruturais (ver ponto 8) essas equações assumem
a seguinte forma:
σced (MPa) = 53.9+32.3%Mn+83.2%Si+354%N+17.4d-1/2
σmu (MPa) = 294+27.7%Mn+83.2%Si+3.85%(perlite)+17.4d-1/2
TTdúctil/frágil (ºC) = -19+44%Si+100(%N)1/2+2.2%(perlite)-11.5%d-1/2
em que d é o tamanho de grão em mm e N o teor de azoto no aço. A
perlite será definida no ponto 5.
A quantidade e tipo dos carbonetos de reforço presentes no aço é,
naturalmente, função do teor de carbono do aço mas também do
tipo e teor dos elementos de liga que a ele se ligam para formar
carbonetos. Para além do ferro que forma a cementite (Fe3C), como
anteriormente foi referido, os elementos carburígenos (W, Mo, V, Nb
e Cr) têm características diferentes e podem ser divididos em dois
grupos: os elementos formadores de carbonetos duros (W/Mo e V/
Nb) e o Cr.
O tungsténio (W) e o molibdénio (Mo) têm funções similares, sendo
a opção por um ou por outro tomada essencialmente com base em
critério de ordem económica. Estes elementos formam o carboneto
η ( M6C) cuja composição varia entre Fe3W3C e Fe4W2C, no caso dos
aços só com W, ou no caso mais geral (Fe, Mo, W)6C. O carboneto η
é pouco solúvel na matriz austenítica e, como tal, o W e o Mo contribuem pouco para a temperabilidade do aço. A adição de vanádio (V)
ou nióbio (Nb) aos aços, visa essencialmente produzir o carboneto MC (M para o elemento metálico, por ex., NbC). As partículas de
MC são normalmente angulares, apresentando uma dureza extremamente elevada, aumentando significativamente a resistência à
abrasão dos aços. Por outro lado o carboneto MC precipita nos limites de grão impedindo a coalescência de grão durante a austenitização (aumento do tamanho de grão), possibilitando a obtenção de
aços com tamanho de grão mais fino, o que contribui para aumentar
simultâneamente a tensão de cedência, a tenacidade e a soldabilidade (ver ponto 7 deste capitulo) do aço.
A adição de crómio (Cr) aos aços tem com função promover a formação de carbonetos, aumentar a temperabilidade (ver ponto 6.2),
aumentar a resistência à corrosão e retardar o envelhecimento durante o revenido (ver ponto 6.2). No dos aços de construção o teor
de crómio normalmente não ultrapassa 1%. Este cenário altera-se
quando se pretende aços com elevadas resistências à corrosão, os
designados aços inoxidáveis (ver pontos 7 e 8). Aí o teor de crómio
TABELA 1 – Elementos de liga e funções típicas nos aços.
Elemento
Funções típicas
C, Ni, Co, Mn, Si, Cu, Cr
Formação de uma solução sólida (em que
o solvente é o ferro) de onde resulta um aumento
resistência mecânica (C,Ni, Mn, Si, Cu)
ou da resistência à corrosão (Cr)
C, V, Mo, Nb, W
Formação de carbonetos (compostos
estequeométricos formados por carbono
e um elemento metálico) que contribuem
para aumentar a dureza do aço e a sua resistência
ao amaciamento quando exposto a temperaturas
mais elevadas.
Pb, S, P
Formação de uma segunda fase que promove
a maquinabilidade do aço
MATERIAISDECONSTRUÇÃO GUIA DE UTILIZAÇÃO
061
deverá ser superior a 12% de forma a passivar o aço, impedindo a
sua corrosão quando exposto à atmosfera.
Um conjunto relativamente vasto de outros elementos podem aparecer na composição de uma aço, quer em consequência do próprio
processo de fabrico e refinamento do aço (como é o caso do fósforo
(P) ou do Mn), quer sendo adicionados propositadamente em pequenas quantidades visando obter determinados benefícios (como
por exemplo o Si). Por outro lado, dependendo dos teores de cada
elemento estes também podem desempenhar funções diferentes
no aço, o que de facto conduz a um espectro de propriedades extraordinariamente diversificado. De um modo resumido, a Tabela 1
apresenta um conjunto de elementos e repectivas funções genéricas, que podem fazer parte de um aço de contrução.
tas e engenheiros de materiais sistematizam esta informação em
diagramas, que designam por diagramas de fases. A figura 9 mostra
o diagrama de fases ferro - carbono.
Consoante a composição química e a temperatura a que está submetido, o aço pode apresentar diferentes microestruturas, a que
correspondem diferentes propriedades mecânicas. Os metalurgis-
Foi anteriormente referido que a 912 ºC ocorre uma transformação
alotrópica em que o ferro passa de uma estrutura CCC para uma estrutura CFC, a austenite. A austenite pode dissolver 2% de carbono,
quase 100 vezes mais do que a ferrite. Desse modo, num aço que tenha, por exemplo, um teor de carbono de 0.5% (ver linha vertical na
figura 9) e que seja aquecido até 1000ºC, todo o carboneto desaparecerá da microestrutura porque o carbono será dissolvido pela fase
rica em ferro (aquecendo a água com açúcar precipitado no fundo
este também desaparecerá). Considere-se agora que se procede ao
arrefecimento deste aço, lentamente, seguindo o material as transformações previstas no diagrama termodinâmico de equilíbrio de
fases, da figura 9. A cerca de 750 ºC entrar-se-á no domínio bifásico
austenito-ferrítico, o que corresponderá ao aparecimento da ferrite
(dado que a austenite já existia anteriormente). A 727 ºC a austenite
ainda existente desaparecerá, transformando-se em ferrite e cementite (Fe3C). Esta transformação no arrefecimento da austenite
Figura 9. Diagrama de equilíbrio de fases Fe-C.
Figura 10. Microestrutura de um aço Fe-0.5%C arrefecido lentamente desde o domínio
austenítico (≈ 2 500 x).
5. MICROESTRUTURA
3_AÇOS
062
em ferrite e cementinte, designa-se por transformação eutectóide,
e origina uma microestrutura bastante característica que se apresenta na figura 10. Esta microestrutura é formada por lamelas de
ferrite e cementite, sendo normalmente designada por perlite. Nos
aços com teores de carbono até 0.8% (como é o caso da mioria dos
aços de construção) arrefecidos lentamente, a proporção de perlite
aumenta linearmente com o aumento do teor de carbono, o que corresponde a uma tendência para o aumento da tensão de cedência
do aço.
6. OPTIMIZAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS
A utilização do aço como material estrutural assenta, como foi
antes referido, sobretudo na sua resistência e ductilidade. Estas
propriedades dependem essencialmente da composição química
(anteriormente mencionada) e da história mecânica e térmica do
aço. Estes dois últimos aspectos serão abordados de modo sucinto
neste ponto.
deixa de ser a original, passando a ser a tensão máxima atingida na
deformação anterior. Este tratamento mecânico, utilizado frequentemente em aços de construção é por vezes designado por pré-deformação ou pré-esforço e dele resulta um aumento da tensão de
cedência do material.
Relativamente aos aços pré-deformados é importante ter em consideração dois aspectos. Por um lado, a pré-deformação resulta também numa diminuição da tenacidade do aço, ou seja da capacidade
de absorção de energia do material quando submetido a impactos
violentos. Por outro lado um aço pré-deformado quando submetido
a uma temperatura da ordem de algumas centenas de graus (tipicamente entre 300 e 600 ºC) recristaliza, ou seja, de uma forma simples, a rede de deslocações criada durante a deformação plástica a
que o material foi submetido é eliminada. Em consequência a tensão
de cedência do material regressa ao seu valor original: o material
amacia. Desse modo os aços pré-esforçados são de difícil soldabilidade, uma vez que na vizinhança da soldadura, ocorre amaciamento
e uma diminuição das propriedades mecânicas do material.
6.1 Encruamento
6.2 Tratamentos térmicos
Uma vez ultrapassada a tensão de cedência de uma liga metálica inicia-se o escorregamento dos átomos uns sobre os outros à
custa do movimento e criação de deslocações, o que resulta na
deformação permanente do material a que chamamos “deformação plástica”. Assim, à medida que a deformação plástica continua, a densidade de deslocações aumenta e uma rede cada vez
mais complexa de deslocações surge na rede cristalina do material. O aumento da densidade de deslocações vai tornando cada
vez mais difícil o movimento das próprias deslocações, uma vez
que estas começam a interagir umas com as outras. Daí resulta
que a deformação plástica dos aços (e das ligas metálicas em
geral) à temperatura ambiente não ocorra a tensão constante,
conforme foi mencionado no ponto 3.2, ou seja, o aço sofre encruamento.
O encruamento das ligas metálicas, e dos aços em particular, tem
uma consequência importante: é que a resistência mecânica pode
ser aumentada fazendo uma pré-deformação acima do limiar de
cedência (cf. fig. 3.c). Ao fazê-lo a tensão de cedência do material
Os tratamentos térmicos dos aços podem ser definidos como um
conjunto de operações envolvendo o aquecimento e arrefecimento
do material, em estado sólido, visando obter uma determinada microestrutura que resulta na alteração de determinado conjunto de
propriedades (mecânicas ou outras) do material.
Os aços-carbono estruturais em geral são utilizados no estado recozido ou normalizado, ou seja a sua microestrutura corresponde,
grosso modo, à microestrutura de equilíbrio, descrita no ponto 5. No
entanto, para obter determinado conjunto de propriedades poderá
ser necessário submeter o aço a um tratamento térmico de têmpera
e revenido. No caso dos aços de construção, isto é válido sobretudo
para os aços ligados descritos no ponto 8.3. Como tal, torna-se pertinente descrever de modo sucinto estes tratamentos térmicos.
Se a partir da temperatura em que o aço é formado apenas por austenite, que depende da sua composição química mas tipicamente
ronda os 1000ºC (ver diagrama da figura 8), o aço for arrefecido
MATERIAISDECONSTRUÇÃO GUIA DE UTILIZAÇÃO
063
Assim, se após a austenitização, a taxa de arrefecimento for superior a uma determinada taxa crítica (dependente da composição do
material) forma-se martensite Essa taxa crítica (a “rapidez” do arrefecimento a que o aço tem de ser submetido para impedir a difusão
do carbono e dos outros elementos de liga resultando na solução
sólida sobressaturada que designamos por martensite) depende
da composição química do aço. Os engenheiros metalúrgicos colectam essa informação em diagramas semelhantes ao da figura 11,
que designam por diagramas TTT (tempo, temperatura e transformação). Estes diagramas são, de um modo simples, constituidos
por duas curvas em C e por duas linhas horizontais. As curvas em
C representam o início e o fim das transformações difusivas (que
originam as fases de equilíbrio: ferrite e carbonetos) enquanto que
as linhas horizontais definem as temperaturas de início e fim da
transformação martensítica (designadas por temperaturas Ms e Mf,
respectivamente). Se pretendermos temperar o aço a velocidade de
arrefecimento tem de ser tal que as curvas em C não sejam interceptadas pela curva de arrefecimento (ver figura 11). Desse modo
quanto mais para a direita estiverem as curvas em C do aço mais
fácil é a sua têmpera, e por isso diz-que que o aço tem maior temperabilidade.
Figura 11. Diagrama TTT de um aço Fe-0.8%C
rapidamente até à temperatura ambiente, o carbono não terá tempo de precipitar e ficará aprisionado na rede cristalina do ferro,
distorcendo-a. Esta fase, com a estrutura cristalina “distorcida” é
a martensite. O tratamento térmico que consiste em elevar a temperatura do aço até à temperatura de austenitização, seguindo-se
o arrefecimento rápido até a temperatura ambiente (por exemplo
mergulhando a peça em água, óleo ou num banho de sais) designase por têmpera. É por terem sido submetidas a este tratamento que
não conseguimos dobrar sem partir as lâminas de aço das facas da
cozinha: são duras para poderem resistir ao desgaste na zona de
corte mas também são frágeis: a sua microestrutura é martensítica. O aparecimento da martensite origina um aumento da dureza e
da tensão de cedência do aço, mas torna-o frágil.
Os elementos de liga podem-se dividir entre alfagénios e gamagénios,
consoante expandem o domínio ferrítico ou o domínio austenítico,
respectivamente. Todos os elementos carburígenos são alfagénios,
à excepção do Mn, enquanto que o carbono e todos os elementos
formadores da matriz são gamagénios. É o balanço entre elementos
alfagénios e gamagénios e o teor de elementos de liga que controlam
as temperaturas Ms e Mf, a temperabilidade e a quantidade e tipo de
carbonetos (que surgem quer durante a solidificação e arrefecimento,
quer em tratamentos térmicos como o recozimento ou revenido). De
um modo geral, todos os elementos de liga à excepção do Co, aumentam a temperabilidade do aço, desviando para a direita as curvas em
C. O poder de cada elemento na promoção da temperabilidade varia. A
seriação que se segue apresenta por ordem decrescente o efeito dos
elementos de liga na temperabilidade do aço: C > V > Mo > Cr > Mn >
Si > Cu > Ni. Por outro lado a quantidade de martensite obtida após
têmpera depende também da temperatura Ms característica do aço,
sendo que todos os elementos de liga baixam a temperatura Ms.
3_AÇOS
064
7. CONSTRUÇÃO SOLDADA
A construção soldada é um dos principais métodos à disposição de engenheiros civis para unir componentes de aço originando estruturas
de apoio e/ou suporte. O princípio da soldadura é relativamente simples: os componentes são unidos e, na zona de união, são fundidos.
A solidificação posterior origina a eliminação da descontinuidade das
duas superfícies, daí resultando a união efectiva dos componentes.
Figura 12. a) Martensite de baixo teor de carbono – martensite em ripas;
b) Martensite de alto teor de carbono – martensite acicular (≈ 2 000 x).
A dureza da martensite é tanto maior quanto maior é o teor em carbono. A morfologia da martensite também é dependente do teor de
carbono, designando-se por martensite em ripas a martensite de
baixo teor em carbono (tipicamente C > 0.5%) e martensite acicular
a martensite de médio/alto teor em carbono (ver fig. 12).
O revenido do aço é um tratamento térmico, que consiste num
aquecimento a temperaturas entre 300 e 550ºC (dependendo da
composição do aço), efectuado posteriormente ao tratamento de
têmpera. Este tratamento permite eliminar a austenite residual, que
surge no caso de Mf ser inferior à temperatura ambiente, e optimizar
o compromisso entre a dureza e a tenacidade do material. Durante
o revenido, os elementos de liga particionam-se novamente conduzindo à precipitação de carbonetos de liga extremamente finos na
martensite, o que normalmente conduz a uma diminuição da dureza
do material e a um aumento da sua tenacidade, já que a martensite
é uma fase relativamente frágil. No caso dos aços com teores de
Cr superiores a 8% verifica-se que a dureza do material não baixa
significativamente quando revenido a temperaturas até 500ºC.
Esta resistência ao revenido é causada pela precipitação do carboneto Cr7C3. As adições de V e Mo permitem aumentar a resistência
ao revenido do aço. Este tipo de aços resistentes ao revenido são
particularmente úteis am aplicações onde exista uma probabilidade
elevada de se atingirem temperaturas relativamente elevadas em
serviço.
Os métodos mais comuns de soldadura de aços para estruturas de
construção civil são a soldadura por arco eléctrico ou pela imposição de um potencial eléctrico entre dois polos (pinças) colocados
entre os componentes a unir (soldadura por resistência). Em ambos os processos dissipação da energia eléctrica, resulta no aumento da sua temperatura, ocorrendo uma fusão localizada na zona
da passagem da corrente.
Os processos de soldadura, em particular os processos de soldadura por arco eléctrico, podem ocorrer com adição de uma terceira liga
metálica. A adição deste terceiro material tem, normalmente, por
objectivo alterar localmente as propriedades do cordão de soldadura, aumentando a soldabilidade do par.
Durante a soldadura a fusão é localizada estabelecendo-se sempre um gradiente térmico entre a zona fundida (banho fundido),
cuja temperatura é superior à temperatura de fusão, e as zonas
do componente mais afastadas do banho, que estarão a temperaturas inferiores. Por outro lado, em geral, o volume do banho de
fusão é pequeno comparado com o volume dos componentes a
soldar, e que estes, sendo metais, possuem uma condutividade
térmica elevada, a massa dos componentes funciona como escoadouro de calor. Dos dois factos anteriores resulta que as taxas
de arrefecimento em soldadura de aços são bastante elevadas
(tipicamente entre 102 e 105 ºC/s). Temperaturas superiores à
temperatura de fusão, gradientes térmicos e taxas de arrefecimento elevadas resultam inevitavelmente na alteração das características microestruturais do aço (e consequentemente das
suas propriedades) na vizinhança do cordão de soldadura. Estas
alterações são condicionadas essencialmente pela composição
do aço, pela sua história térmica e mecânica e pelo processo e
MATERIAISDECONSTRUÇÃO GUIA DE UTILIZAÇÃO
065
rial base (MB), a zona termicamente afectada, onde apenas ocorreram
reacções no estado sólido (ZTA), ou seja onde a temperatura variou entre a temperatura ambiente e a temperatura de fusão do aço, e a zona
fundida onde foi excedida a temperatura de fusão do aço (ZF).
Na ZTA, mesmo que no processo de soldadura seja utilizado um metal de adição, a composição do material não é alterada. No entanto
podem ocorrer diversas alterações microestruturais. Em particular
três delas deverão ser levadas em consideração na selecção do aço
para soldadura:
• a precipitação de compostos intermetálicos (normalmente carbonetos) e consequente redução nesta zona do teor de elementos
de liga em solução sólida na matriz. No caso dos aços inoxidáveis
austeníticos este problema pode ser minimizado reduzindo o teor
de carbono, por exemplo recorrendo aos designados aços ELC (extra
low carbon);
Figura 13. Representação esqemática de um cordão de soldadura em corte transversal, mostrando a zona fundida (ZF), a zona termicamente afectada (ZTA) e o material base (MB)
parâmetros de soldadura utilizados (que condicionam as condições térmicas de soldadura: temperaturas máximas, gradientes e
taxas de arrefecimento). Por outro lado, os ciclos de aquecimento
e arrefecimento durante a soldadura resultam em contracções
e dilatações do componente, originadas pela variação térmica e
pelas transformações de fase que o aço pode sofrer entre a temperatura ambiente e a temperatura de fusão (ver ponto 3), daí
podendo decorrer empenos da estrutura, fragilização ou fissuração da junta.
Importa dizer, no entanto, que, se for feita criteriosamente, a soldadura é um método de união simples, pouco oneroso e tão ou mais fiável que qualquer outro processo, em particular quando comparado
com a construção rebitada. Tentar-se-á referir em seguida os principais parâmetros a considerar na soldadura de aços de construção.
A observação em corte transversal de uma junta soldada de aço (figura
13) permite identificar de uma forma geral três zonas distintas: o mate-
• coalescência de grão/ recristalização. O aumento do tamanho de
grão implica sempre uma redução da tenacidade do material, que
poderá resultar em fractura frágil sob variações súbitas das condições de carga (impactos) ou térmicas (ver ponto 3). A adição de
pequenas quantidades de titânio, nióbio ou vanádio permitem estabilizar o tamanho de grão melhorando a soldabilidade do material. Essa é uma das vantagens da utilização de aços microligados
com estes elementos para contrução de estruturas de apoio ou de
suporte soldadas;
• o aquecimento acima da temperatura de austenitização seguindo-se
uma taxa rápida de arrefecimento poderá, como já referimos antes,
resultar na formação de martensite. Sendo a martensite uma fase
dura mas frágil, a sua formação na ZTA conduzirá inevitavelmente
à fragilização do componente junto à soldadura e poderá conduzir
à fissuração da junta nesta zona (normalmente designada por fissuração a frio). A formação de martensite poderá ser minimizada
seleccionando um aço com um teor de carbono inferior a cerca de
0.25% (ver adiante a definição de carbono equivalente), ou então
submetendo o componente a soldar a um pré- ou pós-aquecimento,
de modo a reduzir as taxas de arrefecimento durante a soldadura,
evitando-se assim a formação de martensite.
3_AÇOS
066
deravelmente a soldabilidade dos aços, uma vez que podem originar
a formação de filmes frágeis de sulfuretos ou fosforetos que podem
conduzir à fissuração da junta soldada (normalmente designada por
fissuração a quente).
Figura 14. Diagrama de Schaefler.
A microestrutura da ZF depende do material e das condições de
processamento. É normalmente uma microestrutura formada por
grãos finos e alongados, designada por estrutura colunar-dendrítica
ou colunar-celular.
As fases presentes nesta zona não são necessariamente as mesmas que o material apresentava antes do processo de soldadura,
uma vez que as condições de solidificação são relativamente drásticas. A previsão das fases presentes na junta soldada, que naturalmente têm implicações sobre as propriedades da junta, pode ser
feita recorrendo ao diagrama de Scheffler (figura 14). Neste diagrama a composição do aço é transformada em equivalentes de níquel
e em equivalentes de crómio (ver figura 14), que permitem definir
um ponto no diagrama ao qual corresponde um determinado tipo de
estrutura. Normalmente evita-se a formação de estruturas martensíticas ou ferríticas, que podem conduzir à fragilização da junta.
Sobre a ZF importa ainda referir um aspecto importante: dado que a
solidificação se inicia sobre o material sólido da ZTA (mais frio) terminando próximo do plano central da junta onde as duas frentes de
solidificação se encontram, é nesta região que se tendem a concentrar elementos com temperaturas de fusão mais baixas que eventualmente façam parte da composição do aço, em particular o enxofre
e o fósforo. Desse modo, a presença destes elementos reduz consi-
A maior ou menor facilidade com que se consegue soldar um determinado aço designa-se em geral por soldabilidade. A soldabilidade
é um conceito difuso, de difícil quantificação, que envolve os diferentes aspectos anteriormente mencionados (bem como outros que
não foram aqui referidos, como a alteração da resistência à corrosão, fragilização pelo hidrogénio, etc), no entanto de uma forma geral pode-se dizer que a soldabilidade de um aço diminui à medida
que o teor de carbono do aço aumenta. Uma forma simples e frequente de estimar a soldabilidade de uma aço e, em particular, a
influência dos elementos de liga nesta propriedade, é recorrendo ao
conceito de carbono equivalente (CE), definido como:
CE = %C + (1/6)(%Mn) + (1/5)(%Cr + %Mo + %V) + (1/15)(%Cu + %Ni)
Para um aço ser “soldável”, ou pelo menos “soldável em obra” sem
o recurso a métodos ou precauções especiais, o valor de CE não
deverá exceder 0.25%. Se for superior a este valor as condições de
arrefecimento deverão ser controladas, bem como o metal de adição e o método de soldadura, que deverão ser criteriosamente seleccionados de modo a evitar riscos de fissuração ou fragilização
da estrutura.
Finalmente, deverá ser referido que a soldadura poderá também ter
influência na resistência à fadiga do componente, devido à eventual
formação de microfissuras, porosidades ou microinclusões de escória no cordão de soldadura. Como tal é indispensável que elementos
estruturais soldados sejam submetidos a um rigoroso controlo de
qualidade das juntas. Para além da inspecção macroscópica, eventualmente com recurso a ensaios de líquidos penetrantes, o facto
dos defeitos de soldadura poderem ser subsuperficiais obriga ao recurso a ensaios de ultrassons e de radiografia às juntas soldadas.
MATERIAISDECONSTRUÇÃO GUIA DE UTILIZAÇÃO
067
8. PRINCIPAIS TIPOS DE AÇOS UTILIZADOS EM ENGENHARIA
CIVIL: CAMPOS DE APLICAÇÃO E PROPRIEDADES
Conforme foi anteriormente mencionado, existem variados tipos
de aços desenvolvidos com o objectivo de resistir a diferentes especificações e condições de serviço (cargas elevadas, desgaste,
impacto, corrosão atmosférica, temperaturas elevadas, etc.). Para
além do aspecto químico um mesmo aço poderá ter sido submetido
a diferentes tratamentos térmicos ou mecânicos que lhe alteram as
propriedades. Desse modo, a selecção do aço apropriado para uma
determinada aplicação poderá ser uma tarefa relativamente complexa, em que diversos factores terão de ser considerados: as geometrias e dimensões disponíveis, o custo e as propriedades requeridas que, por vezes, poderão ser aparentemente antagónicas (por
exemplo, elevada dureza simultaneamente com elevada capacidade
de resistência a impactos).
Uma forma possível para o engenheiro de projecto lidar com esta
diversidade, e correspondente complexidade inerente à selecção
do material, é consultar bases de dados ou catálogos onde os aços
disponíveis estão agrupados, formando conjuntos com uma determinada, ou com determinadas aplicações-tipo. Estas bases de dados, por vezes designadas por chave-de-aços, podem apresentar,
tipicamente, entre 12 a 20 grupos principais de aços (aços de construção, aços inoxidáveis, aços mola, aços ferramenta, aços rápidos,
etc.), que depois se podem dividir em subgrupos mais específicos.
Uma vez identificado o grupo correspondente à aplicação pretendida poder-se-á seleccionar o aço que melhor se adapta às especificações de projecto.
Presentemente uma enorme variedade de aços de construção estão
ao dispor do projectista permitindo-lhe aumentar a resistência em
determinadas regiões sem aumentar excessivamente a volumetria
dos membros, aumentar a resistência à corrosão e, consequentemente a durabilidade da estrutura reduzindo (ou mesmo eliminando) a frequência de pintura, etc. Segue-se a descrição de quatro dos
principais grupos de aços utilizados actualmente em construção:
os aços carbono, os aços microligados, os aços de liga temperados e
revenidos e os aços inoxidáveis. Naturalmente que esta descrição é
sucinta, pretendendo-se apenas ilustrar os principais tipos de aços
utilizados em construção, suas principais características e campos
de utilização.
8.1 Aços estruturais Fe-C
Não obstante a sua designação, os aços-carbono contém outros
elementos de liga para além do carbono. Esta designação é utilizada em aços cujos teores de elementos de liga não ultrapassem os
seguintes valores: C < 1.7%, Mn < 1.65%, Si < 0.6% e Cu < 0,6%. Nesta
categoria estão aços que vão desde os designados aço macios (C <
0.15%) até aos aços de alto carbono (0.6% < C < 1.7). Os aços carbono aplicados em estruturas, normalmente têm teores em carbono
compreendidos entre 0.15% e 0.30%. Estes aços tem aplicações genéricas em construção de estruturas rebitadas ou soldadas, apresentando tensões de cedência até cerca de 275 MPa. O aumento do
teor de carbono aumenta a sua tensão de cedência, mas também
reduz a tenacidade e a soldabilidade do aço, conforme anteriormente referido.
8.2 Aços microligados de elevada resistência
No caso particular das aplicações em construção, é interessante constatar que até meados da década de 1960, à excepção da
construção de pontes, praticamente foi só utilizado um tipo de
aço. Este aço era normalmente classificado como aço-carbono
e as normas internacionais especificavam apenas a sua tensão de cedência mínima como sendo 230 MPa. Outros aços com
propriedades específicas como sejam resistência à corrosão ou
soldabilidade estavam disponíveis (caso dos aços ASTM A242 ou
ASTM A373), mas eram raramente utilizados na construção de
edifícios.
Estes aços, por vezes designados por aços HSLA - para High Strenght Low Alloy steels - podem apresentar tensões de cedência compreendidas entre 275 e 500 MPa. Ao invés dos aços-carbono, onde
o aumento da resistência é conseguido à custa do aumento do teor
de carbono, nos aços HSLA este aumento é conseguido à custa da
adição de pequenas quantidades de elementos de liga tais como o
Cr, Mn, Mo, Nb, Ni, V ou Zr (zircónio). A adição destes elementos provoca endurecimento por solução sólida e por precipitação de finas
dispersões de carbonetos o que conduz ao refinamento da microes-
3_AÇOS
068
trutura do aço. O resultado disso é um excelente compromisso entre
tensões de cedência elevadas e ductilidade, compromisso esse que
não pode ser obtido nos aços-carbono. Devido à sua elevada tenacidade, e ao facto dos precipitados estabilizarem o tamanho de grão
durante o aquecimento, estes aços apresentam em geral uma boa
soldabilidade, sendo por isso particularmente adequados para construção soldada.
8.3 Aços de liga temperados e revenidos
Conforme referido anteriormente a têmpera do aço origina um aumento da dureza e, consequentemente, da tensão de cedência do
aço.
A têmpera de aços de baixa liga pode conduzir a materiais com tensões de cedência entre 550 e 800 MPa. Contudo, após a têmpera
os aços ficam frágeis, o que obriga a alguns cuidados especiais na
sua utilização em construção soldada e, também, a alguns cuida-
dos especiais por parte do projectista, uma vez que a capacidade
de absorção de energia destes materiais pode ser pequena (recorde-se a analogia do elástico esticado, anteriormente referida). De
modo a reduzir um pouco a fragilidade dos aços temperados, após a
têmpera o aço pode ser revenido a temperaturas entre 400 e 600ºC
por forma a promover alguma difusão do carbono aprisionado na estrutura martensítica reduzindo a fragilidade intrínseca a esta fase.
Estes aços são, assim, normalmente utilizados no estado temperado e revenido.
8.4 Aços inoxidáveis para construção soldada
Existem três grandes grupos de aços inoxidáveis: os inoxidáveis
martensíticos, inoxidáveis ferríticos, e inoxidáveis austeníticos
(definidos de acordo com a fase predominante na sua constituição
à temperatura ambiente). Na construção soldada de estruturas de
engenharia civil, em particular em tubagens para fluidos agressivos, os aços inoxidáveis austeníticos (da série AISI 3XX) são, em
TABELA 2 – Especificações e propriedades típicas de aços comuns em construção civil
Teores de C e de Mn
Características mecânias (MPa)
Designação
ASTM
tipo
%C
%Mn
σced
σmu
geometrias típicas disponíveis
A36
aço-carbono estrutural
0.26
-
250
400-550
placas e vigas com diferentes secções
A529
aço-carbono estrutural
0.27
1.2
290
415-484
placas, chapas, barras e vigas
A242
aço microligado de
elevada resistência
(boa resistência à
corrosão)
0.15
1
290-345
435-480
vigas e placas com geometrias limitadas
A572
aço microligado de elevada resistência
0.21
1.35
290
415
diferentes componentes e geometrias
A588
aço microligado de
elevada resistência
(boa resistência à
corrosão)
0.17-0.19
0.5-1.25
290-345
435-485
geometrias e dimensões bastante diversificadas
A514
aço de liga temperado
e revenido
0.12-0.21
0.4-1.1
290-690
690-895
sobretudo placas
MATERIAISDECONSTRUÇÃO GUIA DE UTILIZAÇÃO
069
geral, os de utilização mais frequente, devido ao bom compromisso
que apresentam entre resistência mecânica, resistência à corrosão
e soldabilidade, se bem que os aços duplex (estrutura bifásica: austenite e ferrite) têm vindo a ter uma crescente utilização em anos
recentes.
Os aços inoxidáveis austeníticos apresentam uma microestrutura à
temperatura ambiente formada essencialmente por grãos de austenite. Isto é possível porque alguns elementos de liga como o níquel e
o manganês, expandem a fase CFC (austenite) e, se adicionados em
quantidade suficiente, podem reter esta fase estabilizando-a à temperatura ambiente. Esta fase, tem uma ductilidade elevada podendo
ser endurecida por solução sólida. Para além disso os aços austeníticos não apresentam transição dúctil-frágil. Por seu lado, o crómio
permite aumentar consideravelmente a resistência à corrosão do
aço. Quando o teor de crómio é superior a 12% forma-se à superfície
do aço uma fina película estável de óxido de crómio, que protege
o ferro das reacções com a atmosfera, em particular das reacções
que conduzem à formação dos óxidos a que, em linguagem corrente,
chamamos ferrugem. Diz-se assim que o aço se torna inoxidável.
8.5 Resumo de propriedades
Nas Tabelas 2 e 3 apresentam-se a propriedades típicas de alguns
dos aços mais utilizados em aplicações estruturais de engenharia
civil. Na Tabela 2 apresentam-se os aços-carbono estruturais, os
aços microligados de elevada resistência e os aços de liga temperados e revenidos, enquanto que na Tabela 3 apresentam-se as
especificações de alguns aços inoxidáveis. Com a apresentação
destas tabelas pretende-se apenas dar uma ideia global do espectro
propriedades dos aços que actualmente têm maior utilização em
construção civil. A consulta de catálogos de fabricantes fornecerá
naturalmente informação mais detalhada e exaustiva sobre propriedades, geometrias e preços das especificações disponíveis.
Relativamente aos aços de construção (tabela 2) o aço ASTM A36 é
um aço para aplicações generalizadas sendo provavelmente o aço
mais utilizado actualmente na construção de edíficios e pontes, bem
como o aço A529. O aço A 572 é um aço microligado com vanádio,
enquanto que os aços aços A242 e A588 são aços microligados com
maior resistencia à corrosão atmosférica. O aço A514 é um aço de liga
com Cr e Mo passível de têmpera e revenido.
Na Tabela 3 apresentam-se características de três aços inoxidáveis,
representando os grupos de aços inoxidáveis martensíticos, ferríticos e austeníticos. Devido à sua maior, soldabilidade, tenacidade
e devido ao facto de não sofrerem transição dúctil frágil, os aços
inoxidáveis austeníticos, da série 3XX, são aqueles que encontram
maior disseminação em estruturas de construção civil, em particular em construção soldada, apresentando, como anteriormente
mencionado, uma elevada resistência à corrosão, em particular à
corrosão atmosférica.
TABELA 3 – Aços inoxidáveis.
Teores de C, Ni e Cr
Características mecânicas (MPa)
Designação
ASTM
tipo
%C
%Cr
%Ni
σced
σmu
410
inoxidável
martensítico
0.08-015
11.5-13.5
-
-
-
430
inoxidável
ferritico
0.08
16-18
-
260
450-600
304
Inoxidável
austenítico
0.05
17-19.5
8-10.5
230
540-750
3_AÇOS
070
9.CONCLUSÃO
Sob o ponto de vista tecnológico, o aço é um material que apresenta
uma extraordinária diversidade de propriedades. No caso particular da sua utilização em construção civil, a introdução do aço como
material estrutural alterou profundamente os métodos e limites
de construção até aí existentes, causando um enorme impacto sobre as práticas de engenharia civil e arquitectura. Curiosamente,
na opinião do autor, o conhecimento que é transmitido durante a
formação de especialistas e técnicos de construção sobre as características deste material é, em geral, insuficiente, limitando-se
a pouco mais do que a transmissão de tabelas de propriedades e
geometrias diponíveis no mercado e apresentação de catálogos.
Desse modo, é difícil ao especialista explorar novos limites de aplicação dos aços em construção civil, fazer uma selecção racional do
material mais adequado para determinada aplicação ou, simplesmente, estar alerta para problemas decorrentes da utilização deste
material (como por exemplo a fadiga, a fragilização, a corrosão, a
soldabilidade, etc.). Ou seja, é possível que o aço seja ainda hoje,
150 anos após a sua introdução como material de construção civil,
um material sub-aproveitado por engenheiros e projectistas.
Neste capítulo pretendeu-se sobretudo chamar a atenção, de forma objectiva mas sucinta, para alguns dos aspectos da metalurgia
fisica dos aços que mais condicionam as suas propriedades, esperando-se com isso contribuir para que a consulta de catálogos de
aços e posterior selecção de ligas possa ser efectuada de modo
mais fundamentado.
10. BIBLIOGRAFIA:
• D. T, Llewllyn, Steels: Metallurgy and Applications, 2nd ed, Butterworth Heinemann, 1992.
• O. Grong, Metallurgical modelling of welding, The Institute of Materials, 1994
• R. W. K Honeycombe. and H. Badeshia, Steels. Microstructure and Properties, 2nd ed., Metallurgy and Materials Science, Edward Arnold (1995).
• A. K Sinha, Ferrous physical metallurgy, Butterworths (1989).
• G. D. Taylor, Materials in Construction: an introduction, 3rd edition, Pearson Education Limited, Longman, 2000.
• S. Somayaji, Civil Engineering Materials, 2nd edition, Prentice Hall, 2001
• Metals Handbook (9th ed.). Vol. 1 Properties and Selection: Irons, Steels, and High-Performance Alloys, ASM International, 1990.
• G. E. Dieter, Mechanical Metallurgy, 3rd edition, McGraw-Hill Book Company, 1988)
• A. V. Seabra, A. P. Loureiro, Curso de Tratamentos Térmicos dos Aços, Vols. 1 e 2, Ordem do
Engenheiros, 1981.