Composição, Fabricação e Tipos de Aço

História do ferro

Com início em Anatólia, 3500 a.C., intitulada Idade do Ferro, a fabricação do aço foi plenamente estabelecida por volta de 1000 a.C.. Cerca de 500 a.C., chegou às fronteiras da Europa e por volta de 400 a.C. chegou à China. Neste período, os minérios de ferro eram encontrados em abundância na natureza, assim como o carvão. Atualmente, a maior quantidade de matéria prima para produção de aço é sucata proveniente dos resíduos de fabricação industrial.

O aço era produzido em pequenos fornos em formato de torrões ou pedaços sólidos, denominados tarugos. Estes eram forjados a quente na forma de barras de ferro trabalhado, possuindo maleabilidade e contendo pedaços de escória e carvão. O teor de carbono dos primeiros aços fabricados variava de 0,07% até 0,8%, sendo o último considerado um aço de “verdade”.

Por volta de 900 a.C., os egípcios denominavam processos relativos a tratamentos térmicos nos aços para fabricação de espadas e facas. Quando o teor de carbono supera 0,3%, o material torna-se muito duro e frágil, caso seja temperado (resfriado bruscamente em água com temperatura acima de 850 ºC a 900 ºC). Este tratamento, denominado revenido, consiste em diminuir a fragilidade do material, minimizando-a por reaquecimento do aço a uma temperatura entre 350 ºC e 500 ºC.

É comum ouvir-se falar do ferro e do aço como uma coisa só, como se ambos fossem o mesmo; no entanto, são produtos historicamente diferentes. A indústria siderúrgica é considerada um indicador de progresso econômico, devido ao papel de importância desempenhado pelo aço na sociedade e no desenvolvimento econômico.

Na China e na Índia, o que impulsionou a economia foi o aumento na procura por aço. Entre 2000 e 2005, essa procura aumentou cerca de 5%. Desde 2000, várias empresas produtoras de aço, tanto indianas quanto chinesas, ganharam prestígio e notoriedade no mercado.

O aço assume um papel de importância industrial, papel este que fez com que a sua metalurgia recebesse a denominação de siderurgia, e a sua influência no desenvolvimento humano foi tão eficiente que uma parte da história foi denominada IDADE DO FERRO, que teve início em 3500 a.C. e que, de certa maneira, dura até os dias de hoje.

Composição, Fabricação e Tipos de Aço

Aço é uma liga metálica essencialmente composta de minério de ferro e carbono, com porcentagens de carbono variantes entre 0,008 e 2,11%. Difere-se do ferro fundido, que também é uma liga de ferro e carbono, porém, com teor de carbono entre 2,11% e 6,67%. A principal diferença entre o aço e o ferro fundido é que o aço é facilmente modelável, é um material dúctil, enquanto o ferro fundido é frágil.

O carbono, material muito utilizado nas ligas de ferro, pode variar com o uso de outros elementos como o magnésio. O carbono e outros elementos químicos agem como agente de resistência, prevenindo o deslocamento de um átomo de ferro em uma estrutura cristalina.

O motivo pelo qual o aço teve seu uso tardio no Brasil foram as altas temperaturas, que eram necessárias para sua fabricação, e que deixavam seu processo com um alto custo, dificultando a popularização relativa à comercialização.

O processo pelo qual o minério de ferro passa, dentro da usina siderúrgica, para se transformar em aço é chamado de redução. Primeiramente, o minério de ferro é aquecido em fornos especiais (altos fornos), em presença de carbono (sob a forma de coque ou carvão vegetal) e de adicionais (adicionados para o auxílio da produção de escória, que, por sua vez, é formada por materiais indesejáveis ao processo de fabricação).

Esta primeira etapa tem por objetivo reduzir ao máximo o teor de oxigênio encontrado na composição de ferro. É a partir disso que se obtém o denominado ferro-gusa, que contém de 3,5 a 4% de carbono. Como resultado de uma segunda fusão, cria-se o ferro fundido, com teor de carbono de 2 a 6,7%. Então, o ferro segue para um processo chamado aciaria, onde será transformado em aço. Por fim, o aço será o resultado da retirada de carbono do ferro-gusa, ou seja, é produzido a partir deste, controlando-se o teor de carbono para no máximo 2%.

De forma geral, o aço possui propriedades mecânicas excelentes, como a resistência à tração, compressão e flexão, por ser homogêneo, pode ser laminado, forjado, estampado ou estriado; e suas propriedades ainda podem ser modificadas por tratamentos térmicos ou químicos.

As propriedades do aço podem variar de acordo com a sua composição química e teor de carbono, o que garante uma grande diversidade de aplicações práticas.

O aço é o tipo de material que apresenta um comportamento dúctil, com regimes de deformação elástica e plástica:

Diagrama tensão-deformação típico do aço (sem escala)

Até certo nível de tensão aplicada, o material trabalha no regime elástico-linear, onde a constante de proporcionalidade é denominada módulo de deformação longitudinal ou módulo de elasticidade. Ultrapassando o limite de proporcionalidade, tem lugar a fase plástica, onde acorrem deformações crescentes sem variação de tensão (patamar de escoamento). O valor constante dessa tensão é a mais importante característica dos aços estruturais e é denominada resistência ao escoamento. O valor máximo da tensão antes da ruptura (ponto mais alto do diagrama tensão- deformação) é denominado resistência à ruptura do material.

Os diversos tipos de aço são classificados e denominados por normas nacionais, as NBRs, e internacionais, as ASTMs, de acordo com sua aplicação e propriedades mecânicas (principalmente a resistência ao escoamento e a resistência à ruptura, no caso de aços estruturais). Com isso, o aço se torna mais forte.

As propriedades médias de um aço com 0,2% de carbono em peso giram em torno de:

Massa volumétrica (7,86 g/cm3)

Coeficiente de expansão térmica (11,7.10−6)

Condutividade térmica (52,9 W/m-K)

Calor específico (486 J/kg-K)

Resistividade elétrica (1,6.10−7Ωm)

Módulo de elasticidade (Módulo de Young – Longitudinal: 210GPa; Transversal: 80GPa)

Coeficiente de Poisson (0,3)

Limite