Escrito por Martin Ahner
   
Você quer saber como os metais são estruturados e o que é importante na produção do ferro? 

Aqui você vai descobrir o que são materiais e por que a engenharia de materiais é importante. Você aprende passo a passo a estrutura dos metais, vê como o agrupamento dos átomos forma a rede cristalina e como a partir disso se forma a microestrutura. Além disso, você vai descobrir quais são as propriedades dos metais. Por fim, você acompanha o processo de obtenção do ferro e fabricação do aço e vê quais pontos devem ser observados.

Classificação dos materiais

Os materiais podem ser classificados em metais e não metais. O aço e a fundição de ferro estão entre os materiais mais utilizados no mundo.

Engenharia de materiais e sua importância

O uso de um determinado material depende de suas propriedades. Elas podem ser classificadas em diferentes categorias.

Para que seja possível classificar os materiais em diferentes categorias e propriedades, são utilizadas diversas metodologias científicas da engenharia de materiais.

A engenharia de materiais trata da obtenção e do uso dos materiais, além de analisar suas diferentes propriedades. Assim, ela permite que os materiais sejam utilizados corretamente, que novos materiais sejam desenvolvidos e que os existentes sejam aprimorados.

A análise das propriedades exige conhecimento sobre a estrutura interna dos materiais. Só quando você sabe de quais componentes um material é composto e como eles funcionam, é possível obter novos conhecimentos para o desenvolvimento contínuo.

Metais ao microscópio

As cargas positivas dos átomos metálicos estão sempre dispostas a distâncias fixas umas das outras e formam os retículos cristalinos. Nesse processo, eles liberam os elétrons negativos, que envolvem o retículo cristalino formando a chamada nuvem de elétrons. Os elétrons podem se mover livremente na nuvem, mas não podem deixá-la.

A atração entre as cargas positivas e negativas resulta em uma ligação metálica forte. Isso garante uma coesão extremamente forte entre os átomos metálicos no retículo cristalino e, consequentemente, a resistência do metal.

Resumo sobre materiais

Agora você sabe que os materiais sempre desempenharam um papel importante e influenciaram muitas épocas e culturas. Você aprendeu que os materiais podem ser classificados, de modo geral, em metais e não metais, e que podem apresentar diferentes propriedades. 

Além disso, você aprendeu que a engenharia de materiais é utilizada para estudar as propriedades dos materiais, permitindo assim o desenvolvimento de novos materiais e a melhoria dos já existentes. Por fim, você viu que os metais são formados por uma microestrutura, retículos cristalinos e, por fim, por átomos metálicos, cuja composição influencia as propriedades metálicas.

Estrutura dos metais

Agora vamos analisar em detalhes a estrutura dos metais e suas propriedades. Primeiro, você vai aprender como os metais conduzem eletricidade e como podem ser deformados. Você vai conhecer diferentes tipos de redes cristalinas e ver quais defeitos estruturais podem ocorrer. Em seguida, você vai analisar mais de perto a microestrutura dos metais e entender o que realmente acontece durante a formação de uma liga metálica. Por fim, você vai aprender quais são os tipos de ligas metálicas existentes e como interpretar os diagramas de fases correspondentes.  

Condutividade dos metais

Os metais são condutivos e, por isso, são utilizados no dia a dia para diferentes finalidades. A estrutura das redes cristalinas permite compreender melhor a condutividade elétrica.

Deformação dos metais

Além da condutividade elétrica, os metais também são deformáveis. Nesse processo, eles se deformam elasticamente ou plasticamente.

Vamos novamente observar o nível atômico na rede cristalina. Quando uma força é aplicada sobre a chapa, os átomos metálicos são facilmente deslocados de suas posições na rede, mas logo retornam ao lugar original. No entanto, em uma barra de chumbo a posição deslocada na rede cristalina permanece após a aplicação da força, formando assim uma deformação permanente.

Três principais tipos de rede cristalina

CÚBICA DE CORPO CENTRADO (CCC) 

O cubo possui um átomo metálico no centro, que é envolvido. Como ela é apenas empacotada de forma solta, não existe uma sequência de empilhamento. 

O espaço relativamente grande entre os átomos permite a inserção de átomos estranhos adicionais. 

CÚBICA DE FACE CENTRADA (CFC) 

O cubo é composto por um total de 8 átomos nos vértices e um átomo em cada centro das faces. 

Os átomos estão organizados em três camadas (ABC) e, assim, formam o empacotamento de esferas mais compacto. 

Uma sequência de empilhamento interrompida leva a falhas de empilhamento, nas quais elementos de liga podem se alojar. Disso decorrem outras propriedades. 

Hexagonal compacta (HEC) 

Os átomos metálicos estão organizados em um prisma hexagonal, com um átomo em cada centro das superfícies de base. 3 átomos estão dentro do prisma. 

A sequência de empilhamento é ABA e, assim, forma um empacotamento de esferas mais compacto. 

Grandes lacunas na rede oferecem espaço para átomos estrangeiros. 

Menor conformabilidade a frio do que metais com reticulado CFC. 

Defeitos na estrutura cristalina

Metais não são cristais ideais, mas apresentam defeitos na estrutura cristalina. Dependendo do tipo e do tamanho, os defeitos na estrutura cristalina podem ser classificados em três dimensões. A primeira dimensão corresponde aos defeitos zerodimensionais. Esses correspondem a um ponto da estrutura cristalina e podem ser subdivididos.

Os defeitos zerodimensionais geralmente não têm efeitos negativos sobre as propriedades dos materiais metálicos, mas até possibilitam tratamentos térmicos importantes.

Defeitos unidimensionais

Além disso, existem também os defeitos unidimensionais, também chamados de defeitos de linha. Quando um semiplano é inserido na estrutura cristalina regular, a linha é perturbada e assim se forma uma discordância em aresta. As discordâncias são móveis e, portanto, são a causa da deformação plástica dos metais.

defeitos bidimensionais 

Em defeitos bidimensionais, ocorrem falhas de empilhamento na sequência regular das camadas. Falhas de empilhamento surgem por cristalização ou pelo colapso de um aglomerado de lacunas. Defeitos bidimensionais na rede cristalina têm influência sobre a resistência à tração de um metal. 

Microestrutura

Você já viu que os metais são formados por muitos grãos de formato regular, que em conjunto constituem a microestrutura. A microestrutura não pode ser identificada a olho nu. Mas, com uma imagem metalográfica de corte, a microestrutura pode ser visualizada em um microscópio metalográfico. 

A imagem de corte mostra a granulação e os contornos de grão de um metal. A granulação varia de fina a grossa e pode ser ajustada por meio de tratamento específico. Os contornos de grão representam interrupções no arranjo atômico dos grãos e são considerados defeitos de rede bidimensionais mencionados anteriormente. Esses defeitos, por exemplo, surgem durante a cristalização. 

Metais de granulação fina apresentam melhores propriedades mecânicas em comparação aos de granulação grossa, pois possuem mais contornos de grão. A extensão dos contornos de grão melhora a tenacidade.  No entanto, em temperaturas elevadas ocorrem processos indesejados de fluência.

Formas de grão

Além da semelhança quanto à granulação e aos contornos de grão, existem diferentes formas de grão dependendo do metal e do tipo de rede cristalina.

GRÃOS GLOBULARES Grãos arredondados, por exemplo, ferro puro	GRÃOS POLIÉDRICOS  Grãos em forma de polígono, por exemplo, ferro com microestrutura de austenita
GRÃOS DENDRÍTICOS Grãos em forma de agulha, por exemplo, aço endurecido	MICROESTRUTURA EM FORMA DE LAMELA Cristais em forma de lamela, por exemplo, grafita lamelar do ferro fundido cinzento

Diagramas de fases de ligas

Para pesquisar e aprimorar as propriedades das ligas, seus diagramas de fases são analisados. De modo geral, os diagramas de fases representam os estados físicos dos metais puros. Para isso, utiliza-se o ponto de inflexão na curva de resfriamento ou de aquecimento. 

Nas ligas, também é considerada a temperatura do segundo metal, assim como a proporção de mistura na liga. Ao transferir todos os pontos de inflexão e conectar os pontos de temperatura, obtém-se o diagrama de fases da liga.   

Soluções sólidas e misturas cristalinas possuem diagramas de fases diferentes. Soluções sólidas como cobre e níquel se caracterizam por uma solubilidade total tanto no estado líquido quanto no estado sólido.

O diagrama de fases para misturas cristalinas como chumbo e estanho é diferente. Ele se caracteriza por uma solubilidade total no estado líquido e insolubilidade no estado sólido.

Obtenção do ferro-gusa

Na última seção, vamos primeiro analisar como o ferro-gusa é realmente obtido e quais passos são importantes nesse processo de obtenção. Em seguida, você vai conhecer mais sobre os diferentes processos para produzir aço a partir do ferro-gusa. Por fim, você verá os diferentes métodos de pós-tratamento e de vazamento do aço.   

Como você aprendeu, o aço é um dos materiais mais utilizados no mundo. O principal componente dele é o ferro. O ferro é encontrado na natureza como minério de ferro, um composto de ferro e oxigênio. Para produzir aço, o ferro precisa primeiro ser obtido por meio de processos de redução. 

Dois processos de redução são utilizados na obtenção do ferro-gusa. Aqui você vê uma visão geral de ambos os processos. 

Produção de aço

Depois que o ferro-gusa ou a esponja de ferro sólida são obtidos, seguem os chamados "processos de refino" para produzir o material aço. Você consegue imaginar o que acontece durante o processo de refino? 

No processo de insuflação de oxigênio , o ferro-gusa líquido é colocado em um conversor junto com sucata de aço e aditivos. Um tubo resfriado a água injeta oxigênio no recipiente e provoca uma reação química com os elementos acompanhantes do ferro. O carbono presente no ferro-gusa é queimado e a cal fixa os elementos acompanhantes do ferro. Em seguida, o aço e a escória são vazados.

O processo de forno elétrico a arco é utilizado para a produção de aços de alta liga. Nesse processo, uma cuba de fusão é preenchida com o ferro-gusa e outros componentes. Eletrodos de carbono são baixados sobre a carga e um arco elétrico é acionado. Durante o tempo de fusão, o carbono residual e as impurezas são queimados. Em seguida, o aço e a escória são vazados.

Após a produção do aço, frequentemente ainda permanecem componentes indesejados. Para a produção de aços de qualidade, esses componentes são removidos por meio de tratamentos secundários adicionais. Aqui você vê os principais processos e suas descrições. Ative os processos para mais detalhes.