Engenharia dos Materiais Introdução

Módulo 01 - Introdução a Metalurgia com foco em Siderurgia

Aula 01 - Introdução a Siderurgia e Diagrama de Fases

1. Metalurgia

        Na superfície da Terra há uma imensa variedade de substâncias formadas ao longo de milhares de anos pela natureza. Essas substâncias são chamadas de minerais.

        Grande parte dos minerais contém metais em sua composição química.

Às vezes, dependendo da composição química e da abundância do mineral, é

possível a extração desses metais.

        O minério é uma rocha que contém grande quantidade de um elemento

químico livre ou combinado com outro elemento. Uma rocha é considerada

minério quando tem importância econômica, o que depende da concentração e da viabilidade econômica de extração de uma substância de interesse.        

        Acredita-se atualmente que a composição da crosta seja aproximadamente a da Tabela abaixo:

[pic 1]

        Como se pode notar o metal mais abundante na crosta terrestre é o alumínio. No entanto, muitos metais de grande importância prática são bem

mais raros: cobre, tório, urânio, mercúrio, ouro.

        Os elementos não se encontram uniformemente disseminados pela crosta, havendo regiões mais ricas em um elemento do que outras.

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        Os metais possuem, de um modo geral alta tendência a doar elétrons. Assim, eles frequentemente são encontrados em seus minérios com número de oxidação positivo, e para que se possa obter o metal a partir do minério, é necessário que ele sofra uma REDUÇÃO.

[pic 2]

        Perceba que se trata exatamente do contrário da corrosão, um processo natural que tende a oxidar os metais.

[pic 3]

        Metalurgia é a sequencia de processos que visa obter um metal a partir

do minério correspondente.

         Podemos esquematizar a metalurgia da seguinte maneira:

[pic 4]

        Alguns poucos metais podem ser encontrados livres na Natureza na forma de substância simples (ouro, platina, prata) devido a baixa reatividade destes metais. No entanto a maioria dos metais existe na forma de compostos, que estão misturados a outras substâncias.

        Exemplos de minérios importantes podem ser vistos na Tabela abaixo:

[pic 5]

2. Siderurgia - A metalurgia do Ferro

        Os materiais metálicos, assim como os estudos em metalurgia, são divididos em duas classes: Ferrosos e Não Ferrosos.

[pic 6]

        Neste primeiro momento iremos concentrar nosso estudo nos Materiais Metálicos Ferrosos, ou seja, onde o principal componente é o ferro.

        O ferro ocorre na natureza sob forma de óxidos, carbonatos e sulfetos:

[pic 7]

        As maiores jazidas de ferro do mundo localizam-se na Austrália, Brasil, Estados Unidos, Rússia, França e Inglaterra

        No Brasil as maiores jazidas encontram-se em Minas Gerais, Mato Grosso do Sul, Pará, Amapá e Bahia. O principal minério encontrado no Brasil é a hematita com 50 a 70 % de Ferro (8% das reservas mundiais) é de boa qualidade devido aos baixos índices de fósforo e enxofre.

2.1 - As ligas de Fe-C        

        O ferro "combina-se" com o carbono podendo formar dois tipos de liga:

• Ferro Fundido - teores de carbono maiores que 2% em peso.
• Aço - teores de carbono até 2% em peso.

        Mais adiante veremos as principais diferenças entre esses dois materiais e o diagrama que descreve as "interações" entre o elemento ferro e o elemento carbono.

2.2 - O Aço

        O quê é aço?

        "Aço ou aço-carbono é uma liga metálica, formada essencialmente por ferro e carbono, com porcentagens deste último variando entre 0,008 e 2,11% além de outros elementos residuais (S, P, Mn, Si, etc...) provenientes do processo de fabricação".

        Para entendermos melhor esta definição e o efeito que a composição química do aço pode ter nas propriedades do material, temos que ter em mente alguns conceitos básicos sobre as estruturas dos materiais sólidos cristalinos.

3. Conceitos e Definições Fundamentais

3.1 - Ligações Químicas

        Toda matéria é composta por átomos e estes raramente podem ser encontrados isoladamente, de forma que a maioria dos átomos forma ligações fortes com átomos da própria espécie e com outros tipos de átomos.

        As ligações interatômicas podem ser classificadas quanto à suas intensidades em ligações primárias ou fortes e ligações secundárias ou fracas.

        As ligações primárias são cerca de dez vezes mais fortes que as ligações secundárias. As suas energias de ligação são da ordem de 100 kcal/mol (lembre-se que 1 cal = 4,184 J). As ligações primárias podem ser de três tipos: iônica, covalente e metálica.

        As ligações secundárias envolvem energias de ligação da ordem de apenas 10 kcal/mol. Embora existam alguns tipos de ligações fracas, elas são geralmente englobadas dentro da designação de ligações de Van der Waals.

        

3.2 - Ligação Iônica

        Na ligação iônica um ou mais elétrons são transferidos de um átomo eletropositivo para outro mais eletronegativo. A ligação pode ser entendida como resultado da atração entre os íons negativo (ânion) e positivo (cátion).Em uma ligação iônica ideal ocorre uma transferência completa de carga eletrônica de um átomo para outro.