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

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Rogério Colaço é licenciado em Enge-

nharia Metalúrgica e de Materiais, pelo

Instituto Superior Técnico e doutorado

em Engenharia de Materiais pela Uni-

versidade Técnica de Lisboa. É autor

ou co-autor de mais de 50 publica-

ções em revistas científi cas e anais

de congressos internacionais, parte

signifi cativa das quais respeitantes

a trabalhos de investigação desenvolvidos sobre o tema proces-

samento/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 TÉCNICOAv. Rovisco Pais, 1049-001 Lisboa – PortugalTel.: + 351 21 8418125 • Fax: + 351 21 8418132E-mail: rogerio.colaco@ist.utl.pt

MATERIAISDECONSTRUÇÃO GUIA DE UTILIZAÇÃO

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1. INTRODUÇÃO

2. ESTRUTURA CRISTALINA DO FERRO

3. PROPRIEDADES MECÂNICAS3.1. Deformação elástica3.2. Deformação plástica3.3. Tenacidade, fractura dúctil e fractura frágil3.4. Efeito da temperatura 3.5. Dispersão de propriedades

4. EFEITO DOS ELEMENTOS DE LIGA 4.1. Carbono4.2. Outros elementos de liga

5. MICROESTRUTURA

6. OPTIMIZAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS6.1. Encruamento6.2. Tratamentos térmicos

7. CONSTRUÇÃO SOLDADA

8. PRINCIPAIS TIPOS DE AÇOS UTILIZADOS EM CONSTRUÇÃO: CAMPOS DE APLICAÇÃO E PROPRIEDADES

8.1 Aços estruturais Fe-C8.2 Aços microligados de elevada resistência8.3 Aços de liga de temperados e revenidos8.4 Aços inoxidáveis

9. CONCLUSÃO

10. BIBLIOGRAFIA

A introdução do aço na construção civil, há cerca de sé-

culo 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 diversifi -

cado que designamos genericamente por aços. Para tal, ao

invés de listar exaustivamente propriedades e característi-

cas de aços existentes no mercado, o que já é feito nas de-

zenas de catálogos e especifi cações técnicas de fabricantes

e fornecedores, facilmente adquiríveis, opta-se por descrever

resumidamente os fundamentos da tecnologia e da metalur-

gia física dos aços. Pretende-se que esta abordagem permita

abrir novas perspectivas de utilização e novos critérios de se-

lecção aos especialistas em projecto e selecção de materiais

de construção.

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MATERIAISDECONSTRUÇÃO GUIA DE UTILIZAÇÃO

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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 ge-

ometrias e dimensões padronizadas, resultou no desenvolvi-

mento 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 utiliza-

ção 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-fabrica-

dos 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 fi o, 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 com-

pressão, a enformabilidade por deformação plástica, a sol-

dabilidade, 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 uti-

lização do aço veio permitir uma fl exibilidade na forma e

dimensões das estruturas que até aí não existia, resultan-

do 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 volu-

métricos 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 cons-

trução.

Importa no entanto começar por dizer que o termo “aço”

não designa um material em particular. Designa antes um

conjunto de materiais extraordinariamente diversifi cado (al-

gumas centenas de ligas metálicas diferentes são designadas

por “aço”), em termos de composição química, microestrutu-

ra, 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 aplicabilida-

de em construção civil.

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2. ESTRUTURA CRISTALINA DO FERRO

Um conjunto de factores parece confl uir para explicar o sucesso dos aços. O primeiro deles será seguramente o facto do ferro, seu principal constituinte, ser um metal extraordinariamente abundan-te 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 me-tais e que facilmente reconhecemos (pelo brilho, sensação de frio ao toque, ductilidade, etc.), tem a particularidade de todos os áto-mos partilharem entre si os seus electrões mais externos, forman-do 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 afl oramentos 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 cha-ma 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 afi nidade maior para o oxigénio que o ferro. Assim, o oxigénio tem tendência para passar do ferro para o carbono, se a temperatura for sufi cientemen-te elevada para que esta reacção possa ocorrer. Desse modo, supõe-se (especula-se) que o ferro metálico foi obtido pela primeira vez ao

fazer fogueiras sobre areias ricas em óxidos de ferro utilizando ma-deira ou carvão como combustível: o carbono (proveniente da ma-deira ou do carvão) teria retirado o oxigénio ao ferro e, sob as cinzas da fogueira, terá fi cado 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 for-ma 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 fi la os cubos formam um plano, e plano após plano todo o espaço é ocupado por estes cubos. Tomando um desses cubos, à temperatu-ra 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 cen-trado (CCC). Temos assim os átomos de ferro sólido, à temperatura ambiente, formando um cristal com uma estrutura cúbica de corpo centrado (fi gura 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 (fi gura 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 transforma-ção ferrite›austenite, no aquecimento, implica uma contracção do ferro, que pode ter algumas implicações tecnológicas importantes (acumulação de tensões internas, distorções, fi ssuração).

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053

À medida que se aumenta a temperatura, os átomos de ferro ainda se rearranjam uma vez mais antes da fusão ocorrer: a 1394 ºC re-agrupam-se novamente numa estrutura cristalina CCC. Estas alte-rações 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 defor-mação 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 fi gura 2. Esta curva permite evidenciar um conjunto de características e defi nir um conjunto de parâmetros fundamentais à caracterização das propriedades mecânicas dos aços, que apre-sentaremos em seguida.

3.1 Deformação elástica

A primeira parte da curva, em que a tensão varia linearmente com a

extensão corresponde à deformação elástica do material. O regime de deformação elástica do material caracteriza-se pela total rever-sibilidade 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 desig-na-se por resiliência (ver fi g. 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.

Na maioria dos materiais não existe uma descontinuidade da deriva-da da curva tensão/extensão (como existe no esquema da fi gura 2),

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).

Figura 2. Curva de tracção uniaxial típica de um material metálico.

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o que difi culta 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 co-muns 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%, determinando-se o ponto de intersecção dessa linha com a curva de tracção (fi gu-ra 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 coefi ciente de segurança adequado.

Nos aços macios (tipicamente aços com teores de carbono inferio-res 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 fi gura 3.b.

3.2 Deformação plástica.

Uma vez ultrapassada a tensão de cedência o material entra no regi-me de deformação plástica, ou seja, num regime em que ocorre de-formação permanente. A secção da curva de tracção corresponden-te 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 defo-mação. Num ensaio de tracção uniaxial, se a tensão de cedência for ultrapassada, após descarregar o material apenas a componente de deformação elástica é recuperada (fi gura 3.c), podendo-se verifi car 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, verifi ca-se que, em geral, nas li-gas 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 fl ui). 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 des-contínua num aço-carbono macio; c) Ciclo carga descarga em que a tensãode cedência é ultrapassada.

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em que K e n são constantes, características de cada material.

Este aumento continuo da tensão necessário para que o metal con-tinue a deformar plasticamente designa-se por encruamento. Voltar-se-á a falar do encruamento no ponto 6, em particular como podere-mos tirar partido desta característica para aumentar a resistência mecânica do aço*.

A curva carga vs. alongamento ou tensão nominal vs. extensão no-minal (ver defi nições, por ex., em G. E. Dieter, Mechanical Metallur-gy, 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 microfi ssuras 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 fi ssuras é superior à velocidade de deformação nas restantes porções do provete devido à concentração de tensões na vizinhança dessas fi ssuras. Daí resulta uma deformação localizada. Essa zona de deformação localizada, num ensaio de tracção unia-

xial designa-se por zona de estricção, sendo nessa zona que ocorre a fractura do material.

O valor da tensão máxima uniforme impõe um limite máximo à de-formação 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 colo-cado 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 microfi ssuras no interior do material. Apesar de essas microfi ssu-ras poderem não ser detectáveis por observação (macroscópica ou microscópica) são locais de concentração de tensões, podendo-se 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 extemporâ-nea do componente, de difícil previsão na fase de projecto.

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 fi g. 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.

Conforme referido anteriormente, a tenacidade é a energia que o material absorve (ou dissipa) por deformação plástica até à frac-tura. 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 frac-tura 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 anteriormen-te). Este método é pouco adequado, porque é pouco representati-vo da resposta do material em condições de impactos súbitos, ou

Figura 4. Estimativa da resiliência e tenacidade do material a partir da curva de tracção uniaxial.

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seja um aço que apresente uma tenacidade relativamente elevada para velocidades de deformação baixas, poderá ter um comporta-mento 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, medin-do-se a energia dissipada no impacto.

Na prática, os ensaios de impacto são o método mais usado para de-terminar a tenacidade do material. Em particular estes ensaios são utilizados para determinar a temperatura de transição dúctil-frágil do material (TT

dúctil/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 pas-sar a frágil, quando a temperatura é inferior a um determinado valor crítico: (TT

dúctil/frágil). Deverá, como tal, ser considerada com algum

cuidado na fase de selecção de materiais, em particular se a estru-tura estiver submetida a condições ambientais que envolvam dimi-nuições 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 sobre-tudo 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 refi nado (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 au-mento da tenacidade do aço.

A análise de uma superfície de fractura de um aço permite deter-minar com alguma facilidade o tipo de fractura. Uma superfície de fractura fi brosa com evidência de extensa deformação plástica está

associada a uma fractura dúctil, enquanto uma superfi cie de frac-tura mais lisa e clivada está associada a uma fractura frágil (ver fi gura 5).

3.4 Efeito da temperatura

As propriedades mecânicas dos aços são muito afectadas por tem-peraturas elevadas. Temperaturas superiores a 500 ºC podem resul-tar 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 fi gura 6). Por outro lado, a exposição do aço a temperaturas elevadas pode originar corrosão ou erosão se-vera da superfície, da qual poderá resultar a perda de funcionalidade do componente. O módulo de Young dos aços, que é sensivelmente

Figure 5. Superfícies típicas de fractura obtidas num ensaio Charpy: (a) fractura frágil; (b) fractura mista (dúctil/frágil) (c) fractura dúctil.

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200 GPa à temperatura ambiente, decresce para 170 GPa a 480 ºC, diminuindo abruptamente a partir dessa temperatura, daí resultan-do a perda da rigidez da estrutura.

Destas alterações das propriedades do aço com a temperatura, re-sulta 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-

tão em diferentes componentes. O problema da variabilidade das propriedades mecânicas deve-se sobretudo a pequenas diferen-ças na composição química do aço, ou a pequenas diferenças no seu historial térmico e mecânico durante o processo de ma-nufactura.

A título de exemplo apresenta-se na fi gura 7 a distribuição de pro-priedades do aço de construção ASTM A285. Naturalmente que, ape-sar do espectro de variação ser relativamente estreito, este tipo de variabilidade deverá ser levada em consideração, quer por fornece-dores, quer por utilizadores, acautelando o controlo de qualidade da matéria prima e as especifi cações de projecto.

4. EFEITO DOS ELEMENTOS DE LIGA

4.1 O carbono

O ferro puro é pouco interessante do ponto de vista das suas pro-priedades 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 fer-ro. O teor de carbono nos aços não ultrapassa nunca 2% em massa, sendo que nos aços estruturais em geral, o teor de carbono não ul-trapassa 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

Figura 6. Variação de tensão de cedência de um aço-carbono de construção com a temperatura.

Figura 7. Distribuição de propriedades mecânicas numa chapa de aço ASTM A285. Os da-dos referem-se a 224 chapas de aço com esta especifi cação 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).

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(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 insignifi cante 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 per-centagem 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 ultrapas-sado. 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 ar-rumavam 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 estru-turas 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 infl uência dramática sorbre as proprie-dades mecânicas do material: são as deslocações, que se ilustram na fi gura 8. De uma forma simples, as deslocações facilitam o escor-

Figura 8. Esquema do movimento de uma deslocação (cunha) numa rede cristalina.

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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 comporta-mento 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 áto-mos de carbono são agora obstáculos ao movimento das desloca-ções: quanto mais átomos de carbono ocuparem os interstícios na estrutura cristalina do ferro, mais difícil será a mobilidade das des-locações, e maior será a tensão de cedência (a “resistência mecâ-nica”) 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, devi-do à sua confi guração 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 coloca-mos 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 pro-porção do cementite, maior resistência mecânica e maior difi cul-dade 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 grosseira-mente) comparável à de um material compósito (por exemplo uma raqueta de ténis formada por uma matriz polimérica reforçada por fi bras de vidro).

4.2 Outros elementos de liga

Para além do carbono outros elementos de liga podem ser adiciona-dos, 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 carbone-tos de reforço.

Conforme anteriormente referido, o principal constituinte da matriz de um aço é o ferro. No entanto, no caso de alguns aços verifi cou-se que a adição de cobre (Cu), níquel (Ni) ou cobalto (Co), que entram na constituição da matriz, pode melhorar determinadas proprieda-des específi cas. A adição de teores de Cu até 0.8% a aços de cons-trução resulta num aumento da resistência à corrosão do material e numa alteração da tonalidade da superfície (que passa a acasta-nhada após ser colocada em uso), alteração essa que pode ser es-teticamente aproveitada. O Co aumenta a temperatura de início de fusão do aço, tornando-o mais refractário (mais resistente à tem-peratura). 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 signifi cativos de Co. O Ni expande o domínio austenítico o que é extremamente importante no aços inoxidáveis de construção soldada (ver ponto 7).

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Outros elementos de liga, como o manganês (Mn), o azoto (N), o silí-cio (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 ele-mentos de liga depende essencialmente da diferença entre a dimen-são 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 anterior-mente referido, os átomos de soluto distribuídos de forma aleatória pela rede cristalina da solução sólida difi cultam o movimento das deslocações, o que resulta num aumento da tensão de cedência do aço. Contudo se os átomos de soluto se concentrarem preferencial-mente em torno das deslocações exercem um efeito mais pronuncia-do 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 de-senvolveram equações semi-empíricas que permitem estimar al-gumas propriedades mecânicas de aços, em particular a tensão de cedência, a tensão máxima uniforme e a temperatura de transição dúctil-frágil (TT

dúctil/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 defi nida 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 contri-buem pouco para a temperabilidade do aço. A adição de vanádio (V) ou nióbio (Nb) aos aços, visa essencialmente produzir o carbone-to MC (M para o elemento metálico, por ex., NbC). As partículas de MC são normalmente angulares, apresentando uma dureza extre-mamente elevada, aumentando signifi cativamente a resistência à abrasão dos aços. Por outro lado o carboneto MC precipita nos limi-tes de grão impedindo a coalescência de grão durante a austeniti-zação (aumento do tamanho de grão), possibilitando a obtenção de aços com tamanho de grão mais fi no, o que contribui para aumentar simultâneamente a tensão de cedência, a tenacidade e a soldabili-dade (ver ponto 7 deste capitulo) do aço.

A adição de crómio (Cr) aos aços tem com função promover a for-mação de carbonetos, aumentar a temperabilidade (ver ponto 6.2), aumentar a resistência à corrosão e retardar o envelhecimento du-rante 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

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

TABELA 1 – Elementos de liga e funções típicas nos aços.

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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 apa-recer na composição de uma aço, quer em consequência do próprio processo de fabrico e refi namento do aço (como é o caso do fósforo (P) ou do Mn), quer sendo adicionados propositadamente em pe-quenas 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 ex-traordinariamente diversifi cado. De um modo resumido, a Tabela 1 apresenta um conjunto de elementos e repectivas funções genéri-cas, que podem fazer parte de um aço de contrução.

5. MICROESTRUTURA

Consoante a composição química e a temperatura a que está sub-metido, o aço pode apresentar diferentes microestruturas, a que correspondem diferentes propriedades mecânicas. Os metalurgis-

tas e engenheiros de materiais sistematizam esta informação em diagramas, que designam por diagramas de fases. A fi gura 9 mostra o diagrama de fases ferro - carbono.

Foi anteriormente referido que a 912 ºC ocorre uma transformação alotrópica em que o ferro passa de uma estrutura CCC para uma es-trutura CFC, a austenite. A austenite pode dissolver 2% de carbono, quase 100 vezes mais do que a ferrite. Desse modo, num aço que te-nha, por exemplo, um teor de carbono de 0.5% (ver linha vertical na fi gura 9) e que seja aquecido até 1000ºC, todo o carboneto desapa-recerá 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 trans-formações previstas no diagrama termodinâmico de equilíbrio de fases, da fi gura 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 ce-mentite (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).

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em ferrite e cementinte, designa-se por transformação eutectóide, e origina uma microestrutura bastante característica que se apre-senta na fi gura 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 cor-responde 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.

6.1 Encruamento

Uma vez ultrapassada a tensão de cedência de uma liga metáli-ca 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 “deforma-ção plástica”. Assim, à medida que a deformação plástica conti-nua, a densidade de deslocações aumenta e uma rede cada vez mais complexa de deslocações surge na rede cristalina do mate-rial. 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 en-cruamento.

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. fi g. 3.c). Ao fazê-lo a tensão de cedência do material

deixa de ser a original, passando a ser a tensão máxima atingida na deformação anterior. Este tratamento mecânico, utilizado frequen-temente em aços de construção é por vezes designado por pré-de-formação ou pré-esforço e dele resulta um aumento da tensão de cedência do material.

Relativamente aos aços pré-deformados é importante ter em consi-deração dois aspectos. Por um lado, a pré-deformação resulta tam-bém 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 (tipica-mente entre 300 e 600 ºC) recristaliza, ou seja, de uma forma sim-ples, 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 soldabili-dade, uma vez que na vizinhança da soldadura, ocorre amaciamento e uma diminuição das propriedades mecânicas do material.

6.2 Tratamentos térmicos

Os tratamentos térmicos dos aços podem ser defi nidos como um conjunto de operações envolvendo o aquecimento e arrefecimento do material, em estado sólido, visando obter uma determinada mi-croestrutura que resulta na alteração de determinado conjunto de propriedades (mecânicas ou outras) do material.

Os aços-carbono estruturais em geral são utilizados no estado re-cozido 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 perti-nente descrever de modo sucinto estes tratamentos térmicos.

Se a partir da temperatura em que o aço é formado apenas por aus-tenite, que depende da sua composição química mas tipicamente ronda os 1000ºC (ver diagrama da fi gura 8), o aço for arrefecido

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rapidamente até à temperatura ambiente, o carbono não terá tem-po de precipitar e fi cará 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 tem-peratura 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) designa-se 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 martensíti-ca. O aparecimento da martensite origina um aumento da dureza e da tensão de cedência do aço, mas torna-o frágil.

Assim, se após a austenitização, a taxa de arrefecimento for supe-rior a uma determinada taxa crítica (dependente da composição do material) forma-se martensite Essa taxa crítica (a “rapidez” do arre-fecimento 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 colec-tam essa informação em diagramas semelhantes ao da fi gura 11, que designam por diagramas TTT (tempo, temperatura e transfor-mação). 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 fi m das transformações difusivas (que originam as fases de equilíbrio: ferrite e carbonetos) enquanto que as linhas horizontais defi nem as temperaturas de início e fi m 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 inter-ceptadas pela curva de arrefecimento (ver fi gura 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 tem-perabilidade.

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 solidifi cação e arrefecimento, quer em tratamentos térmicos como o recozimento ou revenido). De um modo geral, todos os elementos de liga à excepção do Co, aumen-tam 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.

Figura 11. Diagrama TTT de um aço Fe-0.8%C

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A dureza da martensite é tanto maior quanto maior é o teor em car-bono. 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 fi g. 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 condu-zindo à precipitação de carbonetos de liga extremamente fi nos 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% verifi ca-se que a dureza do material não baixa signifi cativamente quando revenido a temperaturas até 500ºC. Esta resistência ao revenido é causada pela precipitação do carbo-neto 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.

7. CONSTRUÇÃO SOLDADA

A construção soldada é um dos principais métodos à disposição de en-genheiros civis para unir componentes de aço originando estruturas de apoio e/ou suporte. O princípio da soldadura é relativamente sim-ples: os componentes são unidos e, na zona de união, são fundidos. A solidifi cação posterior origina a eliminação da descontinuidade das duas superfícies, daí resultando a união efectiva dos componentes.

Os métodos mais comuns de soldadura de aços para estruturas de construção civil são a soldadura por arco eléctrico ou pela imposi-ção de um potencial eléctrico entre dois polos (pinças) colocados entre os componentes a unir (soldadura por resistência). Em am-bos os processos dissipação da energia eléctrica, resulta no au-mento da sua temperatura, ocorrendo uma fusão localizada na zona da passagem da corrente.

Os processos de soldadura, em particular os processos de soldadu-ra 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 soldadu-ra, aumentando a soldabilidade do par.

Durante a soldadura a fusão é localizada estabelecendo-se sem-pre 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 tempe-raturas 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 esco-adouro 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 arrefeci-mento elevadas resultam inevitavelmente na alteração das ca-racterísticas 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

Figura 12. a) Martensite de baixo teor de carbono – martensite em ripas; b) Martensite de alto teor de carbono – martensite acicular (≈ 2 000 x).

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parâmetros de soldadura utilizados (que condicionam as condi-ções 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 tem-peratura ambiente e a temperatura de fusão (ver ponto 3), daí podendo decorrer empenos da estrutura, fragilização ou fi ssura-ção da junta.

Importa dizer, no entanto, que, se for feita criteriosamente, a solda-dura é um método de união simples, pouco oneroso e tão ou mais fi -ável que qualquer outro processo, em particular quando comparado com a construção rebitada. Tentar-se-á referir em seguida os princi-pais parâmetros a considerar na soldadura de aços de construção.

A observação em corte transversal de uma junta soldada de aço (fi gura 13) permite identifi car de uma forma geral três zonas distintas: o mate-

rial base (MB), a zona termicamente afectada, onde apenas ocorreram reacções no estado sólido (ZTA), ou seja onde a temperatura variou en-tre 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 me-tal 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 carbo-netos) 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);

• 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 con-dições de carga (impactos) ou térmicas (ver ponto 3). A adição de pequenas quantidades de titânio, nióbio ou vanádio permitem es-tabilizar o tamanho de grão melhorando a soldabilidade do mate-rial. 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 fi ssuração da junta nesta zona (normalmente designada por fi s-suração 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 defi nição 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.

Figura 13. Representação esqemática de um cordão de soldadura em corte transversal, mos-trando a zona fundida (ZF), a zona termicamente afectada (ZTA) e o material base (MB)

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A microestrutura da ZF depende do material e das condições de processamento. É normalmente uma microestrutura formada por grãos fi nos e alongados, designada por estrutura colunar-dendrítica ou colunar-celular.

As fases presentes nesta zona não são necessariamente as mes-mas que o material apresentava antes do processo de soldadura, uma vez que as condições de solidifi cação são relativamente drás-ticas. A previsão das fases presentes na junta soldada, que natu-ralmente têm implicações sobre as propriedades da junta, pode ser feita recorrendo ao diagrama de Scheffl er (fi gura 14). Neste diagra-ma a composição do aço é transformada em equivalentes de níquel e em equivalentes de crómio (ver fi gura 14), que permitem defi nir um ponto no diagrama ao qual corresponde um determinado tipo de estrutura. Normalmente evita-se a formação de estruturas marten-síticas ou ferríticas, que podem conduzir à fragilização da junta.

Sobre a ZF importa ainda referir um aspecto importante: dado que a solidifi cação se inicia sobre o material sólido da ZTA (mais frio) ter-minando próximo do plano central da junta onde as duas frentes de solidifi cação se encontram, é nesta região que se tendem a concen-trar elementos com temperaturas de fusão mais baixas que eventu-almente façam parte da composição do aço, em particular o enxofre e o fósforo. Desse modo, a presença destes elementos reduz consi-

deravelmente a soldabilidade dos aços, uma vez que podem originar a formação de fi lmes frágeis de sulfuretos ou fosforetos que podem conduzir à fi ssuração da junta soldada (normalmente designada por fi ssuração a quente).

A maior ou menor facilidade com que se consegue soldar um deter-minado aço designa-se em geral por soldabilidade. A soldabilidade é um conceito difuso, de difícil quantifi cação, que envolve os dife-rentes aspectos anteriormente mencionados (bem como outros que não foram aqui referidos, como a alteração da resistência à corro-são, fragilização pelo hidrogénio, etc), no entanto de uma forma ge-ral pode-se dizer que a soldabilidade de um aço diminui à medida que o teor de carbono do aço aumenta. Uma forma simples e fre-quente de estimar a soldabilidade de uma aço e, em particular, a infl uência dos elementos de liga nesta propriedade, é recorrendo ao conceito de carbono equivalente (CE), defi nido 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 adi-ção e o método de soldadura, que deverão ser criteriosamente se-leccionados de modo a evitar riscos de fi ssuração ou fragilização da estrutura.

Finalmente, deverá ser referido que a soldadura poderá também ter infl uência na resistência à fadiga do componente, devido à eventual formação de microfi ssuras, porosidades ou microinclusões de escó-ria 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, even-tualmente com recurso a ensaios de líquidos penetrantes, o facto dos defeitos de soldadura poderem ser subsuperfi ciais obriga ao re-curso a ensaios de ultrassons e de radiografi a às juntas soldadas.

Figura 14. Diagrama de Schaefl er.

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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 es-pecifi cações 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 com-plexa, em que diversos factores terão de ser considerados: as geo-metrias e dimensões disponíveis, o custo e as propriedades reque-ridas 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 deter-minada, ou com determinadas aplicações-tipo. Estas bases de da-dos, por vezes designadas por chave-de-aços, podem apresentar, tipicamente, entre 12 a 20 grupos principais de aços (aços de cons-trução, aços inoxidáveis, aços mola, aços ferramenta, aços rápidos, etc.), que depois se podem dividir em subgrupos mais específi cos. Uma vez identifi cado o grupo correspondente à aplicação pretendi-da poder-se-á seleccionar o aço que melhor se adapta às especifi ca-ções de projecto.

No caso particular das aplicações em construção, é interessan-te 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 ten-são 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.

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, consequente-mente a durabilidade da estrutura reduzindo (ou mesmo eliminan-do) 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 utiliza-da 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 carbo-no aplicados em estruturas, normalmente têm teores em carbono compreendidos entre 0.15% e 0.30%. Estes aços tem aplicações ge-néricas em construção de estruturas rebitadas ou soldadas, apre-sentando 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 anteriormen-te referido.

8.2 Aços microligados de elevada resistência

Estes aços, por vezes designados por aços HSLA - para High Stren-ght Low Alloy steels - podem apresentar tensões de cedência com-preendidas 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 pro-voca endurecimento por solução sólida e por precipitação de fi nas dispersões de carbonetos o que conduz ao refi namento da microes-

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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 tenaci-dade, 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 cons-trução soldada.

8.3 Aços de liga temperados e revenidos

Conforme referido anteriormente a têmpera do aço origina um au-mento da dureza e, consequentemente, da tensão de cedência do aço.

A têmpera de aços de baixa liga pode conduzir a materiais com ten-sões de cedência entre 550 e 800 MPa. Contudo, após a têmpera os aços fi cam 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 (recor-de-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 es-trutura martensítica reduzindo a fragilidade intrínseca a esta fase. Estes aços são, assim, normalmente utilizados no estado tempera-do e revenido.

8.4 Aços inoxidáveis para construção soldada

Existem três grandes grupos de aços inoxidáveis: os inoxidáveis martensíticos, inoxidáveis ferríticos, e inoxidáveis austeníticos (defi nidos 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 fl uidos agressi-vos, os aços inoxidáveis austeníticos (da série AISI 3XX) são, em

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 limi-tadas

A572 aço microligado de ele-vada 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 di-versifi cadas

A514 aço de liga temperado e revenido 0.12-0.21 0.4-1.1 290-690 690-895 sobretudo placas

TABELA 2 – Especifi cações e propriedades típicas de aços comuns em construção civil

MATERIAISDECONSTRUÇÃO GUIA DE UTILIZAÇÃO

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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: aus-tenite 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 auste-nite. Isto é possível porque alguns elementos de liga como o níquel e o manganês, expandem a fase CFC (austenite) e, se adicionados em quantidade sufi ciente, podem reter esta fase estabilizando-a à tem-peratura ambiente. Esta fase, tem uma ductilidade elevada podendo ser endurecida por solução sólida. Para além disso os aços austení-ticos 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 fi na 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 tem-perados e revenidos, enquanto que na Tabela 3 apresentam-se as especifi cações 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 proprie-dades, geometrias e preços das especifi cações 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 edífi cios 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, ferrí-ticos 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 parti-cular 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

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9.CONCLUSÃO

Sob o ponto de vista tecnológico, o aço é um material que apresenta uma extraordinária diversidade de propriedades. No caso particu-lar 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 so-bre 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 ca-racterísticas deste material é, em geral, insufi ciente, 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 apli-cação dos aços em construção civil, fazer uma selecção racional do material mais adequado para determinada aplicação ou, simples-mente, 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 for-ma objectiva mas sucinta, para alguns dos aspectos da metalurgia fi sica dos aços que mais condicionam as suas propriedades, espe-rando-se com isso contribuir para que a consulta de catálogos de aços e posterior selecção de ligas possa ser efectuada de modo mais fundamentado.

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tallurgy 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 Limi-

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ce 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

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