TEMA XI Metais Aço

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TEMA XI. Metais. Aço. Caracterização de aços. Ensaios
11.1. Introdução ao Estudo dos Metais
— Definição:
Metais – consideram-se substâncias químicas simples que se distinguem por um brilho vivo, condutibilidade térmica e eléctrica, dureza, forjabilidade, opacidade, fusibilidade, etc.
Os metais aparecem na natureza em estado livre ou composto e, para serem explorados economicamente devem estar concentrados em jazigos (massa de substâncias minerais ou fósseis, existentes na superfície ou no interior da terra), que constituem uma mina quando definida a sua extensão.
Dificilmente as substâncias se encontram puras, estando misturadas com impurezas denominadas gangas e, o conjunto, tal como é encontrado o metal, denomina-se minério.
— Obtenção:
A obtenção de um metal passa por duas fases distintas:
1ª Mineração – é a extracção do minério que compreende a colheita e a concentração. 
A extracção pode ser feita a céu aberto ou subterrânea e a concentração tem por finalidade separar os minérios utilizáveis dos economicamente pobres e retirar a ganga que não faz parte da constituição do mesmo (areia, argila, organismos, etc.), sendo, uma purificação do minério que pode ser feita por processos mecânicos ou químicos).
a. Processos mecânicos: 
- Trituração – o minério é quebrada em pedaços menores;
- Classificação – é separadas as pedras inúteis analiticamente;
- Levigação – o metal é mais pesada e afunda na água e a ganga é recolhida na superfície;
- Flotação – quando a ganga é mais pesada, o minério recebe uma espuma e se recolhe na superfície da água misturada com óleo;
- Separação magnética – o ímã, ao passar sobre os pedaços atrai os metais e deixa as impurezas;
- Lavagem simples – utilizando jactos de água com baixa pressão ou mergulhando em depósitos.
b. Processos químicos:
 - Ustulação – aquecimento do minério sobre forte jacto de ar;
- Calcinação – aquecimento por queima directa do minério.
 
2ª Metalurgia – é a fase de transformação do minério num metal puro em que a extracção é feita por processo de redução, precipitação química ou electrólise.
· Na redução usa-se o óxido de carbono a altas temperaturas resultando o metal puro em fusão;
· na precipitação química usa-se uma reacção simples e; 
· na electrólise faz-se dissolução dos minérios em água. 
— Tipos de Metais
Existem dois tipos de metais:
- Metais ferrosos - são todos aqueles com propriedades ferro -magnéticas. Ex: Ferro fundido e Aço. - 
-Metais Não -Ferrosos - não possuem propriedades dos metais ferrosos mais sim outras propriedades como por exemplo, para o cobre e o alumínio, alta condutibilidade térmica (aplicados na indústria electrotécnica). São outros exemplos de metais não ferrosos, o chumbo, zinco, estanho, tântalo, etc.
Fig. 1. Esquema resumo da obtenção dos metais
— Propriedades Gerais dos Metais
a) Propriedades Físicas dos Metais
1) Cor (sua capacidade de reflectir raios de luz incidentes)
2) Densidade
3) Fusão
4) Condutibilidade Térmica
5) Dilatação Térmica
6) Calor Específico
7) Condutibilidade Eléctrica
8) Resistividade Eléctrica
b) Propriedades Químicas dos Metais
Baseadas na capacidade de resistência à oxidação e a destruição quando expostos aos efeitos do meio ambiente.
1) Corrosão Química - em meios não condutores de corrente eléctrica;
2) Corrosão Electroquímica - ataque químico por electrólitos.
c) Propriedades Mecânicas dos Metais
Baseadas na capacidade de resistência às forças externas (cargas):
· Cargas Estáticas - permanentes ou muito pouco variáveis
· Cargas Dinâmicas - de actuação instantânea (golpes)
· Cargas Cíclicas - variam de intensidade e sentido;
1) Tenacidade (resistência mecânica) - capacidade dum metal resistir à rotura ou deformação residual depois de suprimida a causa da deformação;
2) Dureza - capacidade que os metais têm de resistir a deformação superficial causada pela acção de um sólido mais duro;
3) Elasticidade - capacidade que um metal tem de retomar a sua forma inicial depois de suprimida a força de deformação;
4) Resiliência - capacidade de um metal resistir às cargas de deformação dinâmica.
d) Propriedades Tecnológicas dos Metais
1) Soldabilidade - propriedades que os metais têm de se unirem quando aquecidos até ao seu estado plástico ou líquido;
O aço é mais soldável que o ferro fundido. A soldadura é tanto mais fácil quanto menor for o teor de carbono
2) Maleabilidade - capacidade que os metais têm de serem trabalhados pela forja ou laminagem, isto é, de tomarem uma forma desejada com martelagem ou compressão quer aquecidos quer quando arrefecidos.
11.2. Noções Gerais da Teoria das Ligas
O emprego de metais puros na indústria é muito limitado visto que nem sempre são económicos e nem sempre são portadores de todas propriedades desejadas.Contrariamente, as ligas podem reunir entre si todas as propriedades pretendidas.
Ligas: são substâncias cristalinas obtidas através da combinação dos metais com outros metais ou não-metais.
Ex: Combinação de metal (ferro) e não-metal (carbono) resulta o aço ou ferro-fundido;
 Combinação de zinco e cobre resulta o Latão;
 Combinação de estanho e cobre resulta o Bronze.
As ligas comparadas com os metais puros, têm uma estrutura interna mais complexa.
As ligas não cristalizam a uma determinada temperatura como ocorre nos metais puros, mas possuem duas temperaturas de cristalização: temperatura do começo e da cristalização. Dentro dessas duas temperaturas há duas fases (fases homogéneas do sistema): fase líquida e fase dos cristais formados.
Estruturas cristalinas dos metais e suas ligas 
Todas as substâncias são formadas de átomos que giram em redor de um núcleo, com velocidades maiores ou menores conforme maior ou menor a temperatura dessas substâncias, resultando na coesão manifestada no estado gasoso, líquido, pastoso ou sólido. 
O agrupamento dos átomos forma a molécula com dois tipos possíveis de estruturas: 
Estruturas Amorfas - substâncias cujos átomos se dispõem de forma irregular no espaço. Ex. vidro, resina, cola. Nenhum metal possui esta estrutura.
Estruturas Cristalinas - são sólidos em que a disposição dos átomos (iões, moléculas) no espaço obedece determinada ordem formando rede ou malha cristalina atómica. 
a) Rede cúbica de face centrada b) rede cúbica de corpo centrado c) rede hexagonal.
Fig. 2. Tipos de redes cristalinas
Técnicas utilizadas no estudo da estrutura dos metais 
A. Macroanálise - estuda das estruturas a olho nu ou usando lupa;
B. Microanálise - estuda das estruturas internas dos metais observando superfícies polidas de amostras por meio de um microscópio;
C. Análise Radiocópica - estuda das estruturas dos metais e avaliação dos defeitos a uma certa profundidade com recurso a “raios x”;
D. Análise Espectral - estudo das estruturas cristalinas usando espectrofotómetro para a determinação da composição química dos metais e ligas avaliando os espectros deles obtidos quando aquecidos ao rubro, emitindo neste estado incandescente, raios visíveis;
E. Detecção Magnética - permite analisar defeitos nos metais ferro-magnéticos. As zonas defeituosas têm baixa permeabilidade magnética;
F. Detecção por Ultra-som - faz-se a emissão de uma onda de ultra-som no sentido da superfície da peça;
G. Análise por Isótopos Radioactivos - permite localizar a escória penetrada no seio dos metais e avaliar a velocidade de difusão de carbono.
11.3. Introdução ao estudo do Aço:
Chama-se aço a liga de ferro com outros metais designadamente: carbono, manganês, silício, molibdénio, crómio, níquel, etc., sendo essencialmente, uma liga de ferro com 0,2% de carbono.
Diagrama Ferro-Carbono
O processo mais simples de obtenção de ligas é o de fusão. Consiste em misturar os componentes fundidos numa proporção desejada. Pode também ser a mistura de um metal infusível, pulverizado, com outro metal no estado de fusão. 
A medida que se vai aquecendo um metal, vai aumentando a sua actividade orbital, até que chega a um ponto em que começa a fusão. Enquanto toda a massa não está fundida, a temperaturapermanece constante e, depois da fusão total, a temperatura começa a ascensão. O mesmo processo ocorre quando há esfriamento, a temperatura permanece constante até a solidificação, normalmente abaixo da temperatura de fusão.
Fig. 3. Patamares de transformação de estado
Os patamares do diagrama de esfriamento e aquecimento correspondem a momentos em que há formação de tipos diferentes de cristais.
Se se representar no eixo vertical a temperatura e no horizontal a percentagem de um dos metais componentes da liga, ter-se-á o diagrama de equilíbrio (ou de estado metaestável).
Dificilmente se consegue o ferro puro. Apenas pela electrólise se consegue ferro com pureza, e mesmo assim a 99,80%. O ferro sempre tem carbono junto e, conforme este carbono é distribuído, variam as qualidades da liga. “Aços com mesmo teor de carbono podem ter propriedades bastante diferentes”.
Além do carbono, outras substâncias incluem a liga Ferro-Carbono na fabricação e não se conseguindo eliminá-las, dão determinadas e variadas propriedades a liga.
 O diagrama de equilíbrio das ligas Ferro-Carbono, representa no eixo horizontal, as diversas percentagens de carbono e, no vertical, as temperaturas de fusão. Ele monstra, consequentemente, as transformações que sofrem os cristais nas diversas temperaturas e dosagens.
Entre estes cristais encontram-se os de ferro puro (α, β, γ, δ), grafite, cementite, perlite, austenite, esferoidite, martensite, ledeburite, etc..
· Os átomos têm distribuição cúbica magnética, existente no ferro entre 0 a 770oC; a forma α é chamada ferrite.. 
· Entre 770 e 910oC forma-se o ferro β, também cúbico centrado mas não magnético. 
· Entre 910 e 1390 oC aparece forma cúbica com cristais centrados nas faces – forma γ. 
· Entre 1390 e 1538 oC aparece a forma δ idêntica a anterior. 
· Em 1538 oC o metal funde.
À medida que se vai adicionando carbono, o quadro se modifica. O carbono na forma pura cristalizada (grafite), não fica livre no interior do metal, combinando-se durante a solidificação formando o carboneto de ferro ou Cementite, Fe3C.
Continuando-se a carbonização, mas sem ir ainda a altas temperaturas, verifica-se que cada grão de ferrite só aceita 0,80% de carbono associado, apresentando propriedades particulares denominando-se perlite.
Ultrapassando o teor de 0,80% de carbono total, a cementite não encontra mais cristais de ferro para se associar. Permanece livre e vai depositar-se no contorno inter cristalino, formando o cristal ledeburite.
Até 1,7% de carbono forma-se somente ledeburite e quando este limite é ultrapassado, o carbono começa a aparecer puro, na forma de cristais de grafite misturados com ledeburite e perlite. Neste ponto se deixa de ter aço para se ter ferro fundido, sendo este o limite até a qual é possível esmagar o aço, por forjamento.
Acima de 1,7%, as propriedades só podem ser alteradas por processos químicos, ou seja, por alteração da constituição.
Finalmente, o ponto de 6,67% de carbono demarca a máxima carbonetação das ligas de ferro, porque então os pesos atómicos servem para demonstrar que se tem novo composto, o carboneto de ferro Fe3C, e não mais liga.
Isto tudo ocorre enquanto a liga não é levada acima de 727oC. Quando isto acontece, a cementite dissolve-se no ferro circunvizinho, formando um novo tipo de cristal, a austenite. 
Por exemplo, num aço com 0,65 de carbono a 800oC aparece a austenite ainda líquida. Se deixado esfriar naturalmente a 648 oC, forma-se a perlite. Se e passar rapidamente de 800oC até 315 oC forma-se um novo cristal, a bainite. E se for feita baixar bruscamente até 125 oC, aparece a martensite. Estes novos cristais vão ter dimensões e disposições que dependem daquelas que tinha a austenite.
Nota: a austenite uma vez transformada em perlite, bainite ou martensite, não se reconstrói, sendo que, sempre é preciso ir a austenite para se obterem outros cristais. Razão pela qual se chama a temperatura de 727 oC por temperatura crítica.
No entanto, os diagramas de equilíbrio facilitam a correcta escolha das ligas para determinado trabalho tecnológico e permitem a caracterização das suas propriedades físicas e mecânicas, com isso, também, é possível alterar fundamentalmente as propriedades iniciais de um metal. Denomina-se em geral por tratamento a quente dos aços. 
As ligas que cristalizam a uma dada temperatura para um dado sistema, chamam-se Eutécticas e as que se encontram à esquerda e direita dessa, chamam-se Hipoeutécticas e Hipereutécticas, respectivamente.
“Liquidus”- é uma curva acima da qual todas as ligas se encontram no estado líquido.
“Solidus”- linha abaixo da qual todas as ligais se encontram no estado sólido.
Entre o líquido e sólido a liga consta de duas fases: a fase líquida e os cristais da liga.
Fig. 4. Diagrama Ferro-Carbono
11.4. Produção do Aço
Na actualidade produz-se industrialmente nos altos-fornos. Como fonte de calor emprega-se o carvão de coque ou a electricidade.
A produção do aço é feita a partir da transformação dos minérios de ferro (existentes em cerca de 5% na natureza) e compreende 4 fases:
1. Tratamento do Minério
A extracção é geralmente feita ao céu aberto e a concentração inicia-se com uma passagem por britadeira, seguida por classificação por tamanho. O mineral é lavado com jacto de água fria para eliminar argila, solos, etc. Os pedaços pequenos são aglutinados devendo a granulometria estar entre 12 e 25 mm para entrada no alto-forno.
Nesta fase procura-se enriquecer o teor de ferro no minério (até mais de 60%) e aglomerá-lo, tendo como objectivo a redução de impurezas.
Os minérios de ferro apresentam-se sob a forma de carbonatos (siderita CO3Fe com 30 a 42% de ferro), óxidos (magnetita ou imã natural Fe3O4 com 45 a 70% de ferro, hematita ou oca vermelha Fe2O3 com 50 a 60% de ferro, limonita ou hematita parda 2Fe2O3.3H2O com 20 a 60% de ferro) e sulfatos (piritas SFe em que o ferro é subproduto em cerca de 40%). A ganga normal é a sílica.
2. Redução do Minério Tratado
Tem por fim retirar o oxigénio (O2) do ferro e separar a ganga, o que resulta da combustão do carbono do coque com o oxigénio. Além disso, a combustão do coque com o oxigénio do ar fornece o calor necessário a fundição do metal e da ganga (C + O2 ↔ 2CO).
O processo realiza-se num alto-forno com dois processos de redução que são:
a) Redução indirecta: Fe2O3 + CO → 2FeO + CO2
b) Redução directa: FeO + CO → Fe + CO2
O alto-forno é composto por uma grande cavidade formada por dois troncos de cone encostados pelas suas bases maiores (fig. 1).
Fig. 1. Esquema simplificado dum alto-forno
A entrada do minério, do carvão e dos fundentes é feita pela parte superior ou goela. A disposição da goela deve ser tal que não haja perda de gases quando do carregamento. 
Os fornos são de chapa de ferro, revestida interiormente por tijolos refractários especiais.
As paredes da cuba são duplas, uma interna de tijolos refractários, e outra externa, de tijolos comuns revestidos por chapa de ferro. 
O espaço intermediário é preenchido com areia, coque em pó ou carvão vegetal pulverizado. 
As paredes do cone inferior são de rocha silícios apropriada infungível, mas, mesmo assim, no seu interior vão tubos onde circula água para baixar a temperatura.
O ventre é a parte mais larga do forno e onde se produzem as suas temperaturas máximas.
O ventilador é a parte do tronco inferior que está mais próximo da ventilação (anel de vento).
O cadinho é a parte inferior deste mesmo cone, por onde chega o ar que penetra no interior do forno, e finalmente, a abertura de saída está na base do tronco de cone onde se reúnem os produtos da fusão mineral, onde flutuam as escórias sobre a fundição líquida.
A altura útil do alto-forno (da goela à soleira) varia entre 35 metros (fornos de coque) e 20 metros (fornos à
carvão vegetal). O diâmetro usual é de 6 metros. 
A produção pode alcançar 2.000 toneladas de ferro por dia em função do tipo de forno utilizado.
Distinguem-se três zonas principais de temperatura, no forno que são: zona de fusão, zona de carburaçãoe zona de secagem. 
No fundo do alto-forno (cadinho) extraí-se periodicamente o metal puro (ferro) e a escória, dum lado e doutro, respectivamente.
O ferro que sai do alto-forno chama-se gusa, a qual é inaplicável ainda como material de construção. Para tornar a gusa em um material de construção, há que a purificar, o que se consegue pela oxidação da gusa em fusão, fazendo-a atravessar por ar ou oxigénio que oxida todos os elementos existentes na gusa. É uma operação que se realiza nos chamados convertidores.
Conforme o teor de carbono e a velocidade de resfriamento, ao solidificar-se o ferro gusa pode ser:
	Ferro Gusa Branco
	Ferro Gusa Cinzento
	Manganês – 2 a 3%
	Manganês – Pouco
	Silício - Pouco
	Silício – 2 a 4%
	Ponto de Fusão – 1100 a 1130 oC
	Ponto de Fusão – 1200 a 1250 oC
	Densidade – 7,5 a 7,8
	Densidade – 7,0 a 7,3
	Frágil e Duro
	Tenaz e Macio
	Grão Fino e Branco
	Grão grosso e Cinzento
	Arrefece rapidamente
	Arrefece lentamente
	E matéria-prima para o Aço
	E matéria-prima para o Ferro Fundido
As escórias podem ser usadas como material de construção: fabrico de cimento, inertes, pavimentação de estradas, etc.
3. Obtenção do Aço
A gusa contém habitualmente 3 a 6% de carbono, enquanto o aço só admite até 2,0%, então faz-se a obtenção que consiste na redução dos teores de carbono, fósforo, silício, manganês, etc., por aumento da temperatura da gusa até 1300 a 1600 oC.
A eliminação dos elementos referidos faz-se por oxidação recorrendo-se a 4 métodos diferentes, dada a maneira de adição de oxigénio e aumento da temperatura, os quais: 
1º Processos de Siemens-Martin (SM) - Usam-se queimadores ao gás ou fuel, sendo relativamente caro. O processo permite o uso de sucata que contém oxigénio. É um processo demorado e de elevada capacidade (80 a 100 tonelada por hora);
2º Processo Linz-Donnawitz (LD) - O oxigénio é adicionado sob forma gasosa. É vantajoso porque não há contacto do ferro com o ar mas apenas com o oxigénio. A ligação dos elementos é exotérmica, o que favorece o ferro. Pode usar-se sucata. O tempo de ciclo do processo é de 40 minutos com capacidade de 400 toneladas.
3º Processo por Afinação (TB) – Usam-se convertidores de Thomas-Bessemer. O processo é semelhante ao anterior com a diferença no revestimento dos convertidores. Neste caso, o revestimento é feito por elementos ácidos (argila e quartzo) usados em minérios básicos com baixo teor em fósforo, enquanto, no anterior o revestimento é em básicos (tijolo de dolomite MgO) e usados em minérios ácidos. O oxigénio é fornecido pelo fundo do convertidor.
4º Processo de Fundição no Forno Eléctrico (FE) – Usa-se para aços nobres ou com baixo teor de carbono. Os materiais resultantes deste processo podem ser o aço não ligado, aço ligado e aço carbono. 
Saído do forno, qualquer que seja o tipo, o metal é levado, por caçavas transportadoras, às lingoteiras. O lingote ira é um molde de ferro fundido ou de aço que faz o metal recém-saído do forno tomar a forma de blocos prismáticos. 
Dos convertidores, o aço em fusão é moldado sob a forma de lingotes (prismas com secção de cerca de 60x60 cm e comprimento de 90 cm).
Logo, os lingotes serão empregados para a fabricação das peças desejadas: fios, barras, chapas ou blocos, etc.
4. Enobrecimento do Aço
Nesta fase os aços são tratados com o fim de melhorar as suas propriedades mecânicas.
Dada a gama apreciada de tratamentos, podemos dividí-los nos seguintes grupos:
· Tratamentos térmicos – são processos térmicos de arrefecimento e aquecimento a que os aços se submetem com o fim de modificar a sua estrutura para melhorar as suas características sem alterar contudo as suas composições químicas.
· Tratamentos mecânicos – são processos de deformação (a quente ou a frio) do aço com o fim de melhorar as suas propriedades mecânicas.
· Tratamentos químicos – consistem em modificar a composição química de uma película superficial da peça.
· Tratamentos superficiais – têm por finalidade melhorar as qualidades das superfícies das peças. Trata-se de um depósito na superfície da peça a tratar sem alterar a composição química. 
Existem também os tratamentos termomecânicos e termoquímicos, que são combinações feitas em determinada fase de produção.
a) Tratamentos Térmicos
O aço pode existir numa larga variedade de condições, desde o bem macio ao bem duro, e pode ser mudado de uma maneira para outra através do tratamento térmico.
As propriedades do aço não são determinadas apenas pela proporção entre os constituintes (essencialmente Ferro e Carbono), mas, pela forma como se combinaram. É o tratamento a quente que pode alterar essa distribuição.
Os principais tratamentos térmicos são:
· Normalização – Serve para eliminar as tensões internas que aparecem naturalmente na laminação ou outras formas de moldagem. Resulta um aço mais macio, menos quebradiço. Leva-se o aço à temperatura acima da crítica, espera-se a transformação total em austenita e deixa-se esfriar lentamente ao ar livre.
· Recozimento – consiste no reaquecimento do metal até uma determinada temperatura, na permanência desta temperatura durante algum tempo e no subsequente resfriamento lento. Resulta a eliminação das tensões que se originam na fundição e a elevação dos índices tecnológicos do metal. As temperaturas adoptadas ficam próximas à crítica.
· Têmpera – consiste no aquecimento do metal até a temperatura de formação da austenita, na permanência nessa temperatura durante algum tempo e no subsequente resfriamento brusco (usa-se azeite ou água, etc.). O esfriamento pode dar origem a diferentes tipos de cristais e dependa da velocidade com que se procede. Resulta no aumento da dureza, o limite de elasticidade, a resistência à tracção e, diminui o alongamento e a tenacidade.
· Revenimento – é semelhante ao recozimento, porém é feito à temperaturas abaixo da linha crítica e tem a finalidade de corrigir defeitos aparecidos durante uma têmpera. Esses defeitos podem ser: excesso de dureza ou tensões internas.
· Beneficiamento – consiste em proceder em simultâneo a têmpera e o revenimento com o fim de atingir alta tenacidade.
		 
b) Tratamentos Mecânicos
O metal é sólido com cristais de tamanho uniforme. Quando submetido a esforços que tendem a deformá-lo a frio, os grãos tendem a orientar-se no sentido da deformação (é o encruamento)
O encruamento altera as propriedades mecânicas: aumenta a resistência a tracção e a dureza, diminui a ductilidade e o alongamento.
Os tratamentos mecânicos comuns são:
Laminagem – é a deformação longitudinal permanente devido a compressão transversal. Existe laminagem a quente e a frio.
Estiragem – é a deformação longitudinal permanente devido a tracção nas extremidades das barras ou fios. É inconveniente por provocar ramificações nas secções por falta de homogeneidade.
Trefilagem – é a estiragem através de fieiras, reduzindo o inconveniente anterior. Recorre-se antes a palentagem que garante a uniformidade e lubrificação com solução de Bórax.
Torção – é o tratamento que resulta na melhoria da aderência (ao betão) quando a face é nervurada em secção circular. 
 
Para fios, barras e chapas são usados os processos de estiragem, laminagem e trefilagem.
No processo de estiragem, o lingote é refundido e forçado a passar, sob pressão, por orifícios com a forma desejada, e esfriado.
No processo de laminagem, o metal é levado ao rubro e forçado a passar entre cilindros giratórios com espaçamentos cada vez menores. Conforme os cilindros podem-se obter chapas, barras redondas ou perfis especiais T, L, U, H, I, trilhos etc.
No trefilagem de arames, devido à pequena massa, os fios esfriam rapidamente e têm que ser aquecidos a cada passagem. Com isso o ferro oxida-se bastante, o que se corrige com a decapagem, ou seja, dando-se um banho final com ácido sulfúrico diluído. O estiramento é usado para arames de até 6 mm de diâmetro, tubos de paredes finas, etc. 
Quando se trata de blocos os processos são mais especiais. O lingote é refinado, geralmente em fornos de Cubilot e levado a martelos pilão paraeliminar escórias e chochos. Depois então é vertido nas formas. É a chamada fundição.
c) Tratamentos Químicos
Têm por finalidade enriquecer a camada superficial do aço com uma capa protectora onde apareçam outros elementos. Conforme a substância empregada, ter-se-á a resistência ao desgaste, à abrasão, à corrosão ou outras.
São eles: Cementação (com carbono); Nitretação (com o nitrogénio); Cianetação (com carbono e nitrogénio); Aluminização (com alumínio); Cromagem (com cromo); etc.
d) Tratamentos superficiais
Antes de se proceder a qualquer tratamento, é necessário limpar qualquer oxidação do ferro, por meio de escovas metálicas ou submetendo-o ao jacto de areia. 
Esta limpeza também pode ser feita com ácidos. Neste caso denominando-se decapagem, é preciso passa-lo depois por água de sal e secá-lo bem, após o que será tratado por alguns dos sistemas que se indicam:
· Galvanização – obtém-se cobrindo com uma ligeira camada de zinco os elementos metálicos, e recebe o nome de galvanização.
· Pintura a óleo – é muito adequada para proteger o aço de carbono. Dá-se em duas camadas à base de óleo de linhaça e mínio de chumbo (tinta especial ex. zircão). A primeira camada deve ser fluida, para não ficarem bolhas de ar que ao romper-se, deixariam de novo o ferro sem protecção.
· Pintura de Cimento e Água – obtém-se fazendo uma calda de cimento puro e aplicando várias camadas, no mínimo três ou quatro.
· Pinturas Asfálticas – aplica-se aos elementos que tiverem de ficar enterrados, como postes, canos, condutas de cabos, etc. Empregam-se tintas a base de asfalto e alcatrão quente. Actualmente também se empregam emulsões asfálticas que se podem diluir em água, e que quando secas são impermeáveis e inalteráveis aos agentes atmosféricos.
· Preparação contra incêndio – como revestimento para proteger o ferro da acção do fogo, existem vários procedimentos, um deles consiste em aplicar uma rede metálica ao elemento a proteger e cobri-la depois com uma camada de betão, gesso amianto, etc.
11.5. Classificação dos aços
Os aços podem ser classificados segundo:
— A sua composição química
a) Aços sem liga – nestes podem surgir outros elementos que não são, no entanto, considerados elementos de liga. O seu teor depende do processo do fabrico e da sua matéria-prima. Tais elementos não podem atingir os seguintes valores: Si 0,5%, Mn 1,5%, Al 0,1%, Tt 0,05% e Cu 0,35%.
b) Aços com liga – são aqueles em que os elementos anteriormente considerados surgem com teores superiores aos indicados ou surgem outros elementos de liga tais como: Cr, Ni, Mo e W, intencionalmente adicionados. 
c) Aços de pouca liga – o teor dos elementos de liga é inferior a 5% e nos de muita liga o contrário.
— Teor de carbono
a) Aços Eutectóides – têm o teor de carbono correspondente a 0,8%, representado no diagrama de equilíbrio.
b) Aços Hipoeutectóides e Hipereutectóides – com teores de carbono inferior e superior a 0,8%, respectivamente.
— Grau de desoxidação
a) Aços Calmados (R) – são aqueles que já sofreram completa desoxidação.
b) Aços Efervescentes (U) - são aqueles em que a desoxidação foi incompleta havendo desprendimento durante a sua solidificação com formação de vazios e segregação do núcleo.
 — Modo de produção
a) Aços TB (Thomas-Bessemer)
b) Aços LD (Linz-Donnawitz)
c) Aços SM (Siemens-Martin)
d) Aços FE (Forno Eléctrico)
e) Aços TL (Cadinho - são aços especiais)
— Aplicação
Os aços podem ser usados na construção para ferramentas, perfis metálicos, armaduras para betão armado e pré-esforçado, em casos especiais, etc.
 
· Nomenclatura Sistemática dos aços
 
(1) Aços sem liga
- Nas Normas Portuguesa (NP), a nomenclatura baseia-se no valor da tensão de cedência;
- Nas Normas Alemãs (DIN), a nomenclatura baseia-se no valor da tensão de rotura mínima.
(2) Aços com liga
 A designação técnica compreende:
- O valor característico de carbono;
- Os elementos de liga;
- Os valores característicos dos elementos de liga.
	Elementos
	Factor multiplicador
	Cr, Co, Mn, Si, Ni, W
	4
	Al, Be, Pb, Cu, Mo, Va, Zn, Ta, Nb 
	10
	P, S, N, C, Ce
	100
Ex.1: Faça a designação de um aço com a seguinte composição: C=0,34% e Cr=1,2%.
 Então: (0,34 x 100). Cr (1,2 x 4) → 34.Cr.4,8
Ex.2: Faça a designação de um aço com a seguinte composição: C=0,18%, Cr=2,0% e Ni=2,0%. 
Então (0,18 x 100).Cr.Ni. (2,0 x 4). (2,0 x 4) → 18.Cr.Ni.8.8 ou mesmo 18.Cr.Ni.8
Nos aços de alta liga, evitam-se em geral os multiplicadores dos elementos acompanhantes.
Ex.3: Faça a designação do seguinte aço de alta liga: C=0,12%, Cr=18% e Ni=8%.
 Então X (0,12 x 100).Cr.Ni.18.8 → X12.Cr.Ni.18.8
Muitas vezes há interesse em designar a forma de fabrico, neste caso a primeira letra indica:
M - aço produzido em Siemens-Martin
T - aço produzido em Thomas-bessemer
Y - aço produzido em Linz-Donnawitz
E - aço produzido em Forno Eléctrico
É habitual colocar-se uma segunda letra que nos dá indicação sobre comportamento:
A – resistente ao endurecimento
S – soldável por fusão
Após a composição podem-se acrescentar letras, com o seguinte significado relativo ao tratamento térmico:
N – Normalizado; 
G – Recozido; 
A – Revenido; 
H – Temperado; 
V – Beneficiado; 
U – Não tratado; 
K – Encruado (conformado à frio).
Ex. 4: E.42.Cr.Mo.4.V 
É um aço de liga produzido em forno eléctrico, com 0,42% de carbono, 1,0% de Crómio e 0,4% de Molibdénio, beneficiado.
Ex. 5: X12.Cr.Ni.17.7.U
É um aço de alta liga com 0,12% de carbono, 17,0% de Crómio e 7,0% de Niquel, não tratado. 
11.6. Ensaios sobre os aços. 
Para a construção, as propriedades que interessam considerar aos metais são várias, concretamente, a aparência, densidade, dilatação e condutibilidade térmica, condutibilidade eléctrica, resistência à tracção, resistência ao choque, dureza, fadiga, corrosão e durabilidade.
No entanto, para designar o aço para betões, recorre-se comummente a resistência à tracção a partir dos ensaios de tracção e dobragem.
— Ensaio de Tracção
Quando se submete uma barra à tracção axial, aparecem tensões internas. A tensão de tracção é obtida dividindo-se a força aplicada pela área da secção transversal da barra. Essa tensão determina uma deformação notada pelo aumento do comprimento da barra denominada extensão ou alongamento.
Fig. 1
Tensão é dada por: 
 
Extensão é dada por:, 
Onde: L0 é a base de medida marcada no corpo-de-prova ou o comprimento inicial da barra;
L é a distância entre as marcas, após a rotura e uma vez reajustadas as duas partes da barra rompida da
melhor maneira possível ou o comprimento final da barra.
O alongamento determina uma redução da secção transversal variável ao longo do comprimento. A secção que sofre maior redução será também a que terá maior tensão, o que determinará ainda maior diminuição da secção naquele local. Formar-se-á um fenómeno denominado estricção e a zona de menor área será a secção estricta (Fig. 1).
Estricção é dada por: ,
Onde: S0 é a secção inicial da barra e S é a secção estricta.
A relação entre a tensão aplicada e a deformação resultante pode ser acompanhada pelo diagrama tensão-extensão que é representado por um sistema de coordenadas com as deformações no eixo das abcissas e respectivas tensões no das ordenadas. 
Os valores para a construção deste diagrama são obtidos submetendo o material ao ensaio de tracção, sendo a deformação medida com o auxílio de um aparelho denominado extensômetro, acoplado à máquina de ensaio.
As propriedades mecânicas dependem da composição química, processo de laminação e tratamento térmico do aço. Outros factores podem influenciar, tais como: técnica de ensaio, temperatura, geometria do corpo de prova, etc. Portanto, verificou-se que os aços apresentam dois tipos de diagramas.
Os aços naturais (laminados a quente ou macios) apresentam um diagrama com a forma da figura 2 
Dentro de certos limites (fase elástica), ao tracionar-se uma peça, a sua deformação segue a “Lei de Hooke”, ou seja, é proporcional ao esforço aplicado (Fig. 2). A proporcionalidade pode ser observada notrecho rectilíneo do diagrama tensão-extnsão e a constante de proporcionalidade é denominado módulo de elasticidade ou módulo de deformação longitudinal. 
Ultrapassando o limite de proporcionalidade, tem lugar a fase plástica, na qual ocorrem deformações crescentes sem variação de tensão (patamar de escoamento ou cedência). O valor constante da tensão, nessa fase, é chamado limite de escoamento do aço.
Após o escoamento, ainda na fase plástica, a estrutura interna do aço se rearranja e o material passa pelo encruamento, em que se verifica novamente a variação da tensão com a deformação, porém não-linearmente. O valor máximo da tensão é chamado de limite de resistência do aço.
Fig. 2
O limite de escoamento de um material é calculado dividindo-se a carga máxima que ele suporta, antes de escoar, pela área da secção transversal inicial do corpo de prova. Em materiais como os aços, o limite de escoamento é bem definido, pois a determinada tensão aplicada o material escoa, isto é, ocorre deformação plástica sem haver praticamente aumento da tensão. 
O limite de resistência de um material é calculado dividindo-se a carga máxima que ele suporta, antes da ruptura, pela área da secção transversal inicial do corpo de prova. Este limite, como os demais, é expresso em unidade de tensão (kgf/cm2 ou kN/cm2 ou MPa). 
Observa-se que o limite de resistência é calculado em relação à área inicial, o que é particularmente importante para os materiais dúcteis, uma vez que estes sofrem uma redução de área quando solicitados pela carga máxima. Embora, a tensão verdadeira que solicita o material seja calculada considerando-se a área real, a tensão tal como foi definida anteriormente é mais importante para o engenheiro, pois os projectos devem ser feitos com base nas dimensões inicias.
Em um ensaio de compressão, sem a ocorrência de flambagem (dobra ou encurvadura), obtém-se um diagrama tensão-deformação similar ao do ensaio de tracção, porém com tensões sempre crescentes após o escoamento; ocorre um aumento da área da secção transversal, sem que seja atingida a ruptura propriamente dita.
Durante o alongamento da barra, há uma contracção lateral (é a estricção), e não têm nenhum efeito no diagrama tensão-extensão imediatamente após o limite de escoamento, porém deste ponto em diante a diminuição da área afecta de maneira apreciável o cálculo da tensão na barra (Fig. 1).
O patamar de escoamento costuma apresentar uma tensão de escoamento máxima seguida de uma tensão de escoamento mínima. Genericamente, refere-se à tensão superior como tensão de escoamento à qual corresponde a deformação (εy). 
Resumidamente, os parâmetros a determinar no ensaio de tracção são:
1) Tensão limite de proporcionalidade.
 É o valor da tensão correspondente ao final da recta de proporcionalidade.
2) Módulo de elasticidade ou módulo de Young (E). 
 É a razão entre tensões e deformações (σ = E . ε), conhecida como “Lei de Hooke”; corresponde ao coeficiente angular da recta de proporcionalidade. Para o aço seu valor é dado em cerca de 2,05x105 MPa, na zona elástica.
3) Módulo de elasticidade transversal (G). 
É a razão entre as deformações transversais e as tensões cisalhantes na zona de proporcionalidade. Pode ser determinada através da equação: 
, 
Onde: admite-se μ para o aço com valor situando-se entre 0,25 e 0,33 na zona elástica. 
 
4) Tensão limite de escoamento ou de cedência (σe).
É a tensão máxima verificada no patamar de escoamento ou a convencional à 0,2% da deformação.
5) Tensão de ruptura ou Limite de Resistência (σr).
 É o valor máximo da tensão que se obtém na peça. Corresponde ao ápice da curva tensão-extensão.
6) Resistência à fadiga. 
É definida como a tensão para o qual o aço rompe depois de repetidas aplicações de carga, está relacionada com o número de ciclos de carga e com a amplitude da variação das cargas.
Os aços tratados (laminados a frio ou duros) não apresentam patamar de escoamento. A tensão de escoamento é obtida com a intersecção de uma recta traçada paralela ao trecho do gráfico a partir de um ponto nos eixos das abcissas correspondente a uma deformação de n%, com o próprio gráfico tensão-deformação, de acordo com o gráfico seguinte: 
Fig. 3
O valor n adoptado normalmente é de 0,2% para os aços, e entre 0,1 e 0,55 para os outros metais e representa o limite de elasticidade, até o qual as deformações não são permanentes. 
O limite de escoamento é a constante física mais importante no cálculo das estruturas de aço. Deve-se impedir que essa tensão seja atingida nas secções transversais das barras, como forma de limitar a sua deformação.
— Ensaio de Dobragem
Há dois tipos de ensaios de dobragem: a dobragem simples e a dobragem alternada.
O ensaio de dobragem simples, também muito importante não tem relação com a fadiga. Só tem por finalidade verificar a capacidade do metal em ser dobrado até um determinado ângulo sem fissurar nem romper. Nesse ensaio o metal é dobrado em torno de um pino cilíndrico de diâmetro dado até ficarem paralelas as duas pontas (da barra ou chapa), é a dobragem a 180o. 
No ensaio de dobragem alternada, não normalizado, a amostra, sujeita a um torno, é levada a dobragens alternadas num ângulo de 90o para acada lado até haver fissuração ou ruptura. A máquina de ensaios deve aplicar esforços progressivamente, sem golpes, e permitir regular a velocidade de aplicação.
 
11.7. Designação dos Aços
Os aços são designados a partir de uma letra “A” (maiúscula), acompanhada do valor característico da tensão de cedência ou tensão limite convencional de proporcionalidade à 0,2% e ainda, a esta letra e algarismo, seguem-se ainda as letras “N” ou “E” conforme se trata de um aço natural ou tratado e “L” e “R” caso o aço seja liso ou rugoso (Tab. 1). 
11.8. Características de armaduras para Betão Armado e Pré-esforçado
Propriedades Técnicas
As propriedades técnicas do aço de carbono de construção são: a elasticidade, a ductilidade, a forjabilidade, a maleabilidade, a tenacidade, a soldabilidade e a facilidade de corte, outras.
Elasticidade – é a propriedade de corpos recuperarem a seu estado primitivo ao cessar a força que os deforma, se a deformação não ultrapassar certo limite. A carga máxima a que pode resistir nestas condições chama-se limite de elasticidade.
Ductilidade – é a capacidade dos corpos para se alongarem no sentido longitudinal, transformando-se em arames ou fios isto é, podem alterar-se mecanicamente dentro de limites muito amplos sem partirem.
Forjabilidade – propriedade de variar a forma dos metais a quente, no estado sólido, mediante acções mecânicas, sem perda de coesão.
Maleabilidade/Tenacidade – é a resistência a rotura, por tracção, que os corpos têm devido à coesão das suas moléculas.
Soldabilidade – é a propriedade que consiste na união de dois metais, por pressão, até formarem um troço único, a altas temperatura, por mero de um martelo, maçarico, etc.
Facilidade de Corte – é a propriedade de se separar o metal em pedaços por meio de uma ferramenta de corte adequada, na prática, o corte realiza-se por meio de serra, de tesoura mecânica ou manual e do maçarico.
Outras:
Densidade – a densidade aparente vária conforme a quantidade de carbono que contenham os diversos produtos siderúrgicos, aumentando à medida que diminui o seu teor em carbono.
Tabela 1
Oxidação – O ferro, exposto aos agentes atmosféricos, principalmente ao ar húmido, decompõe-se, formando óxido hidratado.
A oxidação depende do teor de carbono do material, aumentando à medida que este diminui.
Ferrugem – denomina-se assim a capa porosa que acelera a destruição do aço de carbono, sendo, portanto necessário tomar as precauções para evitar.
O que se designa em construção civil por ferro e aço são ligas de ferro e carbono, podendo conter outros elementos, uns considerados impurezas (S, P) e outros fazendo, por vezes, parte da própria liga (Mn, Ni, Cr; Si, etc), com o objectivo de lhes dar determinadas propriedades.
A percentagem de carbono é o elemento fundamentalpara caracterizar os vários produtos, estes distinguem-se exactamente a partir dessa percentagem
Pois, dessa maneira, podemos considerar, na base da classificação em termos de resistência mecânica e superfície exterior, que temos por um lado aços macios e aços duros e por ouro lado, aços lisos e nervurados.
1) Composição química
O aço do betão armado, comummente usado, não possui mais do que 0,2% de carbono. É portanto, um aço macio (a sua resistência é relativamente baixa com um deformação plástica considerável).
Quando se pretende melhorar a resistência mecânica e reduzir a ductilidade, usa-se um aço que possui percentagem de carbono até cerca de 0,3%, considerado aço duro, não obstante o facto de receber têmpera no seu fabrico ou ainda, ser laminado a frio por torção do aço macio. Esses aços não são soldáveis ou perdem a resistência. 
O aço do betão pré-esforçado como tem de ter resistências e tensões de cedência muito maiores do que as do betão ordinário, tem uma percentagem de carbono maior, é um aço carbono (entre 0,6 a 0,9%). Contém ainda 0,3 a 0,8% de manganês e silício e limites pequenos e rigorosos de impurezas.
2) Configuração geométrica
As armaduras usadas no betão armado e pré-esforçado, são na grande maioria dos casos, de secção circular.
Os aços para betão armado denominam-se por armaduras ordinárias com diâmetros de 6, 8, 10,12, 16, 20, 25, 32 e 40 mm. Para diâmetros de 5mm chamam-se verguinhas e diâmetros superiores a 40 mm são vergalhões.
Especificamente, quando o diâmetro é inferior a 12mm chama-se fio e superior a 12mm chama-se varão, sendo barra quando o diâmetro é igual a 12mm.
O aço macio menos resistente pode ter superfície lisa ou nervurada (com aspecto da figura seguinte). As nervuras surgem para melhorara a aderência aço-betão. 
Os aços duros para serem distinguidos dos macios, levam a meio um traço a ligarem as nervuras a 45o. 
Por outra, a partir de um aço macio nervurado pode-se obter um aço duro com a seguinte superfície. A aderência aço-betão é ainda maior.
Existem outros tipos de aços, considerados especiais.
No betão pré-esforçado usam-se fios e quando se pretendem diâmetros maiores usam-se cabos e cordões. Os cabos são constituídos por 2,3 ou até 7 cordões. Em cordões, os fios enrolam-se em hélices cujo peso depende do diâmetro dos fios.
Os fios, em regra de secção circular, podem em certos casos ter pequenas ranhuras para melhorar a aderência.
Verifica-se que quanto menor é o diâmetro do aço maior é a resistência a rotura e maior é o limite de elasticidade, pois, a sucessiva redução do diâmetro produz esse endurecimento. 
Os aços usados são aços duros com tensões de rotura variáveis, no entanto muito elevadas, podendo ser superiores a 2000 MPa. 
11.9. Estruturas de Aço
Fig. Pontes e Viadutos
Vantagens e desvantagens do aço estrutural
— Como vantagens das estruturas de aço podemos citar:
1. Alta resistência do material nos diversos estados de tensão (tracção, compressão, flexão etc.), o que permite aos elementos estruturais suportar grandes esforços apesar da área relativamente pequena das suas secções; por isso, as estruturas do aço, apesar da sua grande densidade, são mais leves do que os elementos constituídos em concreto armado, permitindo assim vencer grandes vãos.
2. Garantias das dimensões e propriedades dos materiais.
3. Material resistente a choques e vibrações.
4. Os elementos de aço oferecem uma grande margem de segurança no trabalho, o que se deve ao fato de o material ser único e homogéneo, com limite de escoamento, ruptura e módulo de elasticidade bem definido.
5. Os elementos de aço são fabricados em usinas, oficinas; e sua montagem é bem mecanizada, permitindo com isso diminuir o prazo final da construção, em caso de necessidade, possibilita a desmontagem das estruturas e sua posterior montagem em outro local.
6. Os elementos de aço podem ser desmontados e substituídos com facilidade, o que permite reforçar ou substituir facilmente diversos elementos da estrutura.
7. Possibilidade de reaproveitamento do material que não seja mais necessária à construção (valores que chegam a 100% de aproveitamento).
— Como desvantagens das estruturas de aço podemos citar:
1. Limitação na execução em fábrica em função do transporte até o local de sua montagem final.
2. Necessidade de tratamento superficial das peças contra oxidação devido ao contacto com o ar atmosférico.
3. Necessidade de mão-de-obra e equipamentos especializados para sua fabricação e montagem.
4. Limitação de fornecimento de perfis estruturais.
1
image4.png
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image6.emf
image7.wmf
 
]
[m
 
al
 transvers
secção
 
da
 
Área
[KN]
 
aplicada
 
Força
A
P
2
=
=
s
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[%]
 
100
L
L
-
L
0
0
´
=
e
oleObject2.bin
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[%]
 
100
S
S
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S
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0
S
´
=
e
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image10.emf
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)
2(1
E
G
m
+
=
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]
[m
 
incial
 
l
transversa
 
secção
 
da
 
Área
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escoamento
 
de
 
limite
 
Força
A
F
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y
e
=
=
s
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incial
 
l
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de
 
limite
 
Força
A
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Re
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image22.emf
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1
 
 
TEMA X
I
.
 
Metais. Aço. Caracterização de aços. Ensaios
 
 
11.1. 
Introdução ao Estudo dos Metais
 
 
—
 
Definição:
 
 
Metais
 
–
 
consideram
-
se substâncias químicas simples que se distinguem por um brilho vivo, condutibilidade 
térmica e eléctrica, dureza, forjabilidade
, opacidade, fusibilidade, etc.
 
 
Os metais aparecem na natureza em estado 
livre ou composto
 
e, para serem explorados economicamente 
devem estar concentrados em 
jazigos
 
(massa de substâncias minerais ou fósseis, existentes na superfície ou no 
interior da te
rra), que constituem uma 
mina
 
quando definida a sua extensão
.
 
 
Dificilmente as substâncias se encontram puras, estando misturadas com impurezas denominadas 
gangas
 
e, o 
conjunto, tal como é encontrado o metal, denomina
-
se 
minério
.
 
 
—
 
Obtenção:
 
 
A obtenção d
e um metal passa por duas fases distintas:
 
 
1ª Mineração
 
–
 
é a extracção do minério que compreende a colheita e a concentração. 
 
 
A extracção pode ser feita a céu aberto ou subterrânea e a concentração tem por finalidade separar os minérios 
utilizáveis dos
 
economicamente pobres e retirar a ganga que não faz parte da constituição do mesmo (areia, 
argila, organismos, etc.), sendo, uma purificação do minério que pode ser feita por processos mecânicos ou 
químicos
)
.
 
 
a.
 
Processos mecânicos
: 
 
-
 
Trituração 
–
 
o minéri
o é quebrada
 
em pedaços menores;
 
-
 
Classificação 
–
 
é
 
separadas as pedras inúteis analiticamente;
 
-
 
Levigação 
–
 
o metal é mais pesada
 
e afunda na água e a ganga é recolhida na superfície;
 
-
 
Flotação 
–
 
quando a ganga é mais pesada, o minério recebe uma espum
a e se recolhe na superfície da água 
misturada com óleo;
 
-
 
Separação magnética 
–
 
o ímã, ao passar sobre os pedaços atrai os metais e deixa as impurezas;
 
-
 
Lavagem simples 
–
 
utilizando jactos de água com baixa pressão ou mergulhando em depósitos.
 
 
b.
 
Processos
 
químicos
:
 
 
-
 
Ustulação 
–
 
aquecimento do minério sobre forte jacto de ar;
 
-
 
Calcinação 
–
 
aquecimento por queima directa do minério.
 
 
 
2ª Metalurgia
 
–
 
é a fase de transformação do minério num metal puro em que a extracção é feita por processo 
de redução, p
recipitação química ou electrólise.
 
 
·
 
Na redução usa
-
se o óxido de carbono a altas temperaturas resultando o metal puro em fusão;
 
·
 
na precipitação química usa
-
se uma reacção simples e; 
 
·na electrólise faz
-
se dissolução dos minérios em água. 
 
 
—
 
Tipos de Meta
is
 
 
Existem dois tipos de metais:
 
 
-
 
Metais ferrosos
 
-
 
são todos aqueles com propriedades 
ferro
 
-
magnéticas
. 
Ex:
 
Ferro fundido e Aço
.
 
-