Trabalho sobre aços estruturais

Trabalho sobre aços estruturais

(Parte 1 de 4)

CRICIÚMA, JUNHO DE 2009.

2 CLEBER PEREIRA FENILI

Trabalho apresentado à disciplina de Metodologia Cientifica e da Pesquisa, solicitado pelo professor Mário Ricardo Guadagnin, como requisito obrigatório para conclusão da disciplina.

CRICIÚMA, JUNHO DE 2009.

INTRODUÇÃO4
1 HISTÓRICO5
2 CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS7
2.1 Aços-carbono7
2.2 Aços de baixa liga e alta resistência ( Aços BLAR )9
2.3 Aços Microligados13
3 AÇOS ESTRUTURAIS15
4 PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS AÇOS ESTRUTURAIS16
4.1 DIAGRAMA TENSÃO-DEFORMACÃO17
4.2 ELASTICIDADE19
4.3 PLASTICIDADE19
4.4 DUCTILIDADE20
4.5 TENSÕES RESIDUAIS20
6 APRESENTAÇÃO DOS PERFIS ESTRUTURAIS25
6.1 Perfis Laminados26
6.2 Cantoneiras de Abas Iguais27
6.3 Perfis I de Abas Paralelas (ASTM A6)28
7 CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS ESTRUTURAIS29
7.1 Classificação dos aços: código de identificação29
8 APLICAÇÕES30
8.1 Qualidade estrutural- DIN. 17100/NBR 6650 ASTM A36 / A28330
QST 52.3 / US Rw31
SAR-6031
CONCLUSÃO3

Dentre os materiais encontrados no nosso dia-a-dia, muitos são reconhecidos como sendo metais, embora, em quase sua totalidade, eles sejam, de fato, ligas metálicas. O conceito de metal está relacionado a certo número de propriedades facilmente reconhecíveis, como por exemplo, o brilho metálico, opacidade, boa condutibilidade elétrica e térmica, ductilidade, etc.

Uma liga consiste da união íntima de dois ou mais elementos químicos onde pelo menos um é um metal e onde todas as fases existentes tem propriedades metálicas. O grande uso do aço pode ser atribuído às notáveis propriedades desta liga, à abundância das matériasprimas necessárias à sua produção e o seu preço competitivo. O aço pode ser produzido em uma enorme variedade de características que podem ser bem controladas, de modo a atender certo uso específico. O produto final pode ser algo como um bisturi cirúrgico, um grande prédio, uma ponte gigantesca ou um petroleiro, um reator nuclear, etc.

O aço é uma liga de natureza relativamente complexa e sua definição não é simples, visto que, devido sua austeridade, os aços comerciais não são ligas binárias. De fato, apesar dos seus principais elementos de liga serem o ferro e o carbono, eles contêm sempre outros elementos secundários, presentes devido aos processos de fabricação. Nestas condições, podemos definir o aço como sendo uma liga Ferro-Carbono, contendo geralmente de 0,008% até aproximadamente 2,1% de carbono, além de certos elementos secundários (como Silício, Manganês, Fósforo e Enxofre), presentes devido aos processos de fabricação. O aço é a mais versátil e a mais importante das ligas metálicas.

ação corrosiva poderia ser fatal

Para a maioria das aplicações de estruturas fixas ou móveis, a importância da resistência mecânica é, de certo modo relativamente pequena do mesmo modo que o fator peso não é primordial. Assim sendo os aços-carbono comuns, simplesmente laminados sem qualquer tratamento térmico, são plenamente satisfatórios e constituem porcentagem considerável dentro do grupo dos aços estruturais. Já em outras aplicações que se exige uma relação resistência/peso mais satisfatória que é o caso da indústria de transporte onde os equipamentos utilizados como caminhões, ônibus, aviões, equipamento rodoviário, navios, etc. Devido às condições próprias do serviço deve-se considerar o peso relativamente baixo e alta resistência, por se estar sujeito a esforços severos e choques repentinos, além da resistência a corrosão adequada, visto que nas secções mais leves, a perda de resistência por O que torna o aço estrutural tão utilizado é fato de que pequenas adições de certos elementos, os chamados elementos de liga, possibilitam uma variada gama de propriedades. Destas propriedades, podemos citar as propriedades mecânicas que se dispõe como principal característica dos aços estruturais, ao qual ao longo da história fizeram deste material um dos mais importantes, senão o mais importante em termos destas propriedades.

Pelo fato destas propriedades serem tão abordadas, os aços estruturais aos quais se colocam como a principal classe de aços em projetos onde se exige principalmente resistência mecânica. Aliada a esta resistência mecânica, outro dado característico é o módulo de elasticidade, característica pela qual se apresenta como uma medida de rigidez do material. Não menos, mas mais importante que estas duas características, é a tensão de escoamento mínima. Motivo pelo qual esta característica torna-se responsável na qualificação dos aços estruturais o que permite a seguinte classificação: aço carbono de média resistência, aço de baixa resistência e alta liga e aços ligados tratados termicamente.

Neste todo, os aços estruturais adquirem uma popularidade absoluta perante a vasta área de aplicações, tornando-se um produto de extrema importância.

1 HISTÓRICO

Embora o primeiro metal a ser empregado pelo homem tenha sido, provavelmente, uma liga de bronze, o desenvolvimento da metalurgia ocorreu devido à necessidade da manufatura do ferro e de sua famosa liga, o aço. A tonelagem de ferro e de aço produzida anualmente representa cerca de 95% da tonelagem total de metais produzida no mundo.

Desde quando o homem utiliza o ferro? Essa é uma pergunta que os arqueólogos ainda não conseguiram responder. Eles, no entanto, encontraram um punhal e um bracelete de ferro dentro da Grande Pirâmide do Egito, e atestam que os artefatos datam de mais de 5000 a.C.

Como o homem descobriu o ferro? Essa é outra pergunta de difícil resposta.

Dizem que após um grande incêndio na floresta do Monte Ida na antiga Tróia (hoje Turquia), o solo ficou repleto de uma forma grosseira de ferro devido à grande quantidade do minério contida no solo da floresta. Entretanto, a maior parte dos historiadores acredita que o homem descobriu o ferro nos locais de queda de meteoritos.

O domínio da metalurgia do ferro e do aço tem influenciado, desde sempre, o curso da História. Por exemplo, na batalha de Maratona (490 a.C.) os gregos derrotaram o numeroso exército persa devido ao uso de armadura de ferro pelos combatentes gregos. No Brasil, a decisão de apoiar as Forças Aliadas na 2ª Guerra Mundial foi uma troca com o governo norte-americano pela construção da Companhia Siderúrgica Nacional (CSN).

O aço é uma liga metálica composta principalmente de ferro e de uma pequena quantidade de carbono (entre 0,002% e 2%), além de outros elementos como silício, manganês, fósforo e enxofre. A manufatura do aço é conhecida há mais de 2000 anos. Com certeza, o primeiro aço foi obtido quando os elementos constituintes da liga se fizeram presentes acidentalmente durante a forja do ferro. Com o tempo, o aço passou a ser produzido introduzindo-se carvão vegetal na forja do ferro: a superfície do metal absorvia parte do carbono do carvão que era inserido martelando o metal. A repetição desse caro processo resultava numa camada externa de aço.

Devido ao custo, o emprego do aço ficou durante muito tempo restrito à fabricação de talheres e ferramentas de corte. Em meados do século XIX, o inglês Sir Henry Bessemer e o norte-americano William Kelly descobriram, independentemente, que ao se insuflar ar quente na fundição do ferro retirava-se a maior parte das impurezas. A partir daí, a produção em escala industrial do aço tornou-se viável, transformando o aço no principal metal construtivo.

No Brasil, o início da construção metálica coincide, praticamente, com o início da nossa siderurgia. A nossa primeira usina foi a Companhia Siderúrgica Belgo-Mineira implantada em 1921 para a produção de fios, arames farpados, perfis leves, etc. Em 1940, foi criada a Comissão Executiva do Plano Siderúrgico Nacional, e em plena guerra (1941) iniciou-se a construção da CSN em Volta Redonda - RJ que entrou em operação em fins de 1946. A finalidade da CSN era a produção de chapas, trilhos e perfis que, inicialmente, seguiam a padronização americana.

Para obter a auto-suficiência na produção do aço, o governo patrocinou a partir da década de 1960 a ampliação do parque siderúrgico nacional. Surgiram dessa política novas usinas como, por exemplo, a Companhia Siderúrgica Paulista (COSIPA) em Cubatão - SP, a USIMINAS em Ipatinga - MG, a Companhia Siderúrgica de Tubarão (CST) em Vitória - ES, e a Aço Minas em Ouro Branco - MG. O Brasil produz atualmente cerca de 25 milhões de toneladas de aço, exportando parte de sua produção.

Para difundir o emprego do aço na construção civil, a CSN criou em 1953 a

Fábrica de Estruturas Metálicas (FEM) que iniciou a qualificação da mão de obra nacional para o fabrico e o projeto de obras metálicas.

As principais empresas do ramo siderúrgico que operam hoje (2006) no Brasil são: Arcelor Brasil, CSN, Gerdau e Usiminas. todas elas são conglomerados de outras empresas com plantas em diversas cidades. A Arcelor Brasil, por exemplo, é resultado da união da Companhia Siderúrgica Belgo-Mineira, CST e Vega do Sul, sendo uma subsidiária do Grupo Arcelor.

2 CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS

Os aços são classificados em grupos aos quais facilitam o entendimento pela sua vasta área de aplicações. Abaixo veremos uma classificação dos aços, que nos permite uma distinção entre aços comuns e aços ligados: 1. Aço-carbono são ligas de Ferro-Carbono contendo geralmente de 0,008% até 2,1% de carbono, além de certos elementos residuais resultantes dos processos de fabricação; 2. Aço-liga são os aços carbono que contém outros elementos de liga, ou apresenta os elementos residuais em teores acima dos que são considerados normais.

Esses aços podem ser subdivididos em: 1. Aços de baixo teor de carbono, com [C] < 0,3%, são aços que possuem grande ductilidade, bons para o trabalho mecânico e soldagem (construção de pontes, edifícios, navios, caldeiras e peças de grandes dimensões em geral). Estes aços não são temperáveis; 2. Aços de médio carbono, com 0,3 < [C] < 0,7%, são aços utilizados em engrenagens, bielas, etc.. São aços que, temperados e revenidos, atingem boa tenacidade e resistência; 3. Aços de alto teor de carbono, com [C] > 0,7%. São aços de elevada dureza e resistência após a tempera, e são comumente utilizados em molas, engrenagens, componentes agrícolas sujeitos ao desgaste, pequenas ferramentas, etc..

Os aços-liga, por sua vez, podem ser subdivididos em dois grupos: 1. Aços de baixo teor de ligas, contendo menos de 8% de elementos de liga; 2. Aços de alto teor de ligas, com elementos de liga acima de 8%.

2.1 Aços-carbono

Os aços-carbono têm como requisitos fundamentais para estrutura: - ductilidade e homogeneidade;

- valor elevado da relação entre limite de resistência e limite de escoamento; - soldabilidade;

- susceptibilidade de corte por chama, sem endurecimento;

- resistência razoável a corrosão.

Com exceção da resistência a corrosão, todos os outros requisitos são satisfeitos em maior ou menor grau pelos aços-carbono, de baixo a médio carbono, obtidos por laminação, cujos limites de resistência à tração variam de 40 a 50 Kgf/mm2 (390 a 490 MPa) e cujo alongamento gira em torno de 20%.

De fato, o teor de carbono baixo e o trabalho a quente proporcionado pela laminação dos perfis estruturais garantem a ductilidade necessária, alem de produzir uma homogeneidade muito boa em toda a extensão das peças, com pequenas variações de resistência à tração e à compressão, variações essas que, entretanto, não chegam a prejudicar.

A ductilidade que esses aços apresentam, por outro lado, garante excelente trabalhabilidade em operações tais como corte, furação, dobramento, etc, sem que se originem fissuras ou outros defeitos.

O limite de escoamento, assim como o modulo de elasticidade, característicos de grande importância no projeto e calculo das estruturas, são nos aços referidos perfeitamente satisfatórios, sobretudo considerando-se que sua resistência não deve ser necessariamente muito elevada.

A soldabilidade é um constitutivo muito importante para esse tipo de material de construção, visto que a soldagem de peças estruturais é comum. Os aços-carbono comuns também satisfazem plenamente esse requisito, pois podem ser soldados sem alteração da estrutura. Da mesma maneira, o corte por chama, muito empregado em peças estruturais, pouco afeta os aços em estudo, sob o ponto de vista de alterações estruturais, na vizinhança da zona de corte.

Por fim, a resistência à corrosão só é alcançada com adição de pequenos teores se cobre, elemento que, adicionado em teores muito baixos, da ordem de 0,25% melhora aquela propriedade de mais ou menos duas vezes em ralação ao mesmo aço sem cobre.

Para a maioria das aplicações estruturais, o teor de carbono desses aços varia de 0,15% a 0,405, com outros elementos ( Mn, Si e S ) nos teores considerados normais. O aço com carbono e manganês em torno de 2% e 0,50% respectivamente, apresenta limite de escoamento de cerca de 24,5 Kgf/mm2 ( 245 MPa ) e limite de resistência de 42,0 Kgf/mm2 (410 MPa). Nas estruturas, os perfis de aço-carbono utilizados são os mais diversos, sobressaindo-se os seguintes: barras chatas, cantoneiras, tês, eles, duplos tês, etc. todos esses perfis são produzidos por laminação e empregados nesse estado, geralmente sem qualquer tratamento térmico ou mecânico posterior.

Os aços de alto carbono em torno do eutetóide ou acima já são considerados barras, geralmente com tratamento térmico particular ou no estado encruado, em estruturas do tipo pontes pênseis, concretos protendido, cabos, etc.

2.2 Aços de baixa liga e alta resistência (Aços BLAR)

Os aços estruturais de melhor qualidade contem níquel, cromo molibdênio, chegando até 6% a soma dos teores destes elementos. Pequenos teores de outros elementos, como boro e vanádio, podem também ser adicionados. Com estes aços se pode chegar e a Omã grande variedade de microestruturas, com a conseqüente ampla variedade de propriedades mecânicas. Pode-se fazer com que a austenita se transforme em uma das três microestruturas básicas: martensita, bainita e ferrita-perlita, dependendo da velocidade de resfriamento imposta. A maior temperabilidade destes aços, de fato, pode ser problemática em aplicações que envolvam soldagem. A raiz do problema é que, em soldagem, a importância do fator temperabilidade funciona do modo diametralmente oposto a sua importância em tratamento térmico.

Os aços BLAR são com freqüência utilizados na condição temperados e revenidos, o que normalmente lhes confere a melhor combinação de resistência mecânica e tenacidade. O risco de formação de trincas de têmpera, especialmente em peças com formas irregulares, pode ser evitado com o uso do tratamento de martêmpera. Este processo, de uso industrial há muitos anos, consiste em resfriar rapidamente a austenita em um banho de sal ou chumbo a uma temperatura logo acima do Mi do aço em questão. A peça é aí mantida o tempo mínimo necessário para uniformizar as temperaturas do centro e da superfície, desta forma aliviando as tensões internas presentes, após segue-se com resfriamento ao ar de modo que a martensita se formará gradualmente ao longo de toda a seção reduzindo a um mínimo as tensões internas originadas pela transformação A-M.

No mesmo seguimento temos os aços bainíticos que apresentam uma enorme faixa de propriedades mecânicas e, por isso, o processo industrial de austêmpera foi desenvolvida para produzir uma estrutura bainítica de baixa temperatura. As propriedades de impacto destes aços são boas nos níveis mais altos e nos mais baixos de resistência mecânica, apresentando valores baixos na faixa intermediária.

Um próximo passo no desenvolvimento de aços BLAR foi a adoção, em bases comerciais, do tratamento de ausforming. Este processo consiste em resfriar o aço até uma temperatura abaixo da temperatura de recristalização da austenita ( mas acima de Mi ) e efetuar uma deformação plástica severa, seguida de resfriamento até a temperatura ambiente para se produzir a martensita. Os aços baixa liga e alta resistência são utilizados toda vez que se deseja:

• Aumentar a resistência mecânica permitindo um acréscimo da carga unitária da estrutura ou tornando possível uma diminuição proporcional da seção, ou seja, o emprego de seções mais leves;

• Melhorar a resistência à corrosão atmosférica;

• Melhorar a resistência ao choque e o limite de fadiga;

• Elevar a relação do limite de escoamento para o limite de resistência à tração, sem perda apreciável da ductilidade.

Dentre os aços pertencentes a esta categoria, merecem destaque os aços de alta resistência e baixa liga resistentes à corrosão atmosférica. Estes aços foram apresentados ao mercado norte-americano em 1932, tendo como aplicação específica a fabricação de vagões de carga. (w. cbca-ibs.org.br)

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