Devido às suas propriedades, o aço é, sem dúvida, o material de engenharia e construção mais importante do mundo. Seu apelo reside em uma combinação rara: é resistente, mas maleável; durável, mas econômico; e seu comportamento pode ser ajustado em uma ampla gama, alterando-se os componentes e o processo de fabricação. As propriedades mais valiosas do aço incluem excelente maleabilidade e durabilidade, boa resistência à tração e ao escoamento, além de boa condutividade térmica; já nas ligas inoxidáveis, a propriedade determinante é a resistência à corrosão.
As propriedades do aço são geralmente agrupadas em algumas categorias amplas. As propriedades mecânicas descrevem como o aço responde às forças aplicadas e incluem resistência, ductilidade, dureza e tenacidade. As propriedades físicas são intrínsecas ao material e incluem densidade, condutividade térmica e módulo de elasticidade. As propriedades tecnológicas, como soldabilidade, usinabilidade e conformabilidade, descrevem a facilidade com que o aço pode ser transformado em uma peça acabada. Este texto enfoca as propriedades mecânicas e físicas que, na maioria das vezes, determinam a escolha do material.
Ao escolher um material para uma aplicação específica, os engenheiros devem ter certeza de que ele suportará as condições de carga e os desafios ambientais que enfrentará durante o uso. Uma compreensão clara e o controle das propriedades do material são, portanto, essenciais, pois um aço com especificações insuficientes pode falhar durante o uso, enquanto um com especificações excessivas acarreta custos e peso desnecessários.
O que torna o aço excepcional é o grau em que suas propriedades mecânicas podem ser modificadas. A mesma composição básica pode ser macia e altamente moldável em uma condição e extremamente dura e resistente em outra, dependendo do processo de fabricação e do tratamento térmico aplicado. Esses tratamentos atuam alterando a microestrutura do aço, ou seja, a disposição e o tipo das fases internas, como ferrita, perlita, bainita e martensita. O aumento do teor de carbono, por exemplo, eleva a resistência e a dureza, mas reduz a ductilidade e a soldabilidade, enquanto tratamentos térmicos como recozimento, têmpera e revenimento redistribuem a microestrutura para favorecer a tenacidade ou a dureza. Como essas variáveis interagem entre si, é necessário realizar ensaios para confirmar as propriedades finais do aço e verificar se ele atende às normas pertinentes.
Diferentes ensaios isolam diferentes propriedades mecânicas, e cada um deles fornece ao engenheiro informações específicas sobre o comportamento de um aço.
O ensaio de tração avalia como o aço responde estruturalmente às cargas aplicadas, com os resultados expressos como uma curva tensão-deformação. Essa única curva revela várias propriedades fundamentais. O trecho reto inicial representa a deformação elástica (recuperável), e sua inclinação corresponde ao módulo de Young, uma medida de rigidez. O ponto em que o material começa a se deformar permanentemente é o limite de escoamento, o valor de projeto mais comumente utilizado, uma vez que a maioria dos componentes não deve sofrer deformação plástica durante o serviço. A tensão máxima que o aço pode suportar é sua resistência à tração máxima, enquanto o quanto ele se estica antes da fratura, expresso como alongamento percentual, indica sua ductilidade.
A relação tensão-deformação na região elástica, o módulo de Young, é uma das propriedades mais características do aço. No caso do aço, ela situa-se na faixa de 190 a 210 GPa, aproximadamente três vezes o valor do alumínio. Essa alta rigidez é uma das principais razões pelas quais o aço é escolhido para estruturas nas quais a deflexão deve ser limitada e, notavelmente, ela varia muito pouco entre os diferentes tipos de aço, embora a resistência deles possa variar enormemente.
A dureza mede a resistência do aço à deformação superficial localizada e é avaliada pressionando-se um indentador rígido contra a superfície e medindo-se a impressão resultante. As escalas comuns — Brinell, Rockwell e Vickers — utilizam, cada uma, um indentador e uma carga diferentes, e a dureza costuma apresentar uma correlação útil com a resistência à tração e à resistência ao desgaste; é por isso que se trata de uma verificação de qualidade rápida e popular.
A tenacidade, por outro lado, descreve a energia que um aço pode absorver antes de se fraturar, especialmente sob impacto repentino. É comumente medida por meio de ensaios de impacto, como o ensaio de Charpy. A tenacidade é especialmente importante porque muitos aços tornam-se frágeis em baixas temperaturas, um fenômeno conhecido como transição de dúctil para frágil. Compreender essa transição é fundamental para estruturas que operam em ambientes frios, onde um aço normalmente tenaz poderia falhar repentinamente.
Muitos componentes não falham sob uma única carga elevada, mas sim sob cargas cíclicas menores e repetidas ao longo do tempo, um processo chamado fadiga. O aço se destaca pelo fato de que muitos tipos apresentam um limite de fadiga ou resistência, uma tensão abaixo da qual podem suportar ciclos de carga efetivamente ilimitados sem falhar. Essa propriedade é fundamental para o projeto de eixos rotativos, molas e outros componentes sujeitos a tensões cíclicas contínuas.
As propriedades físicas do aço estão relacionadas à física fundamental do material, incluindo densidade, condutividade térmica, módulo de elasticidade e coeficiente de Poisson. Ao contrário das propriedades mecânicas, essas propriedades são determinadas em grande parte pela base de ferro e variam apenas ligeiramente entre os tipos de aço, o que torna os valores típicos apresentados a seguir pontos de partida confiáveis para cálculos de projeto.
As faixas mais amplas de condutividade térmica e expansão térmica refletem a influência da liga: os tipos altamente ligados, como os aços inoxidáveis austeníticos, conduzem o calor com menos facilidade e se expandem mais do que os aços de carbono simples, o que traz consequências práticas para a soldagem, o tratamento térmico e os componentes expostos a variações de temperatura.
Embora a resistência mecânica e a rigidez sejam os fatores determinantes na escolha dos aços estruturais, a resistência à corrosão é a propriedade que define os tipos de aço inoxidável. Essa resistência decorre de um teor mínimo de cromo de cerca de 10,5%, que reage com o oxigênio para formar uma camada fina, aderente e autorregenerativa de óxido de cromo, conhecida como película passiva. Se a superfície for arranhada, essa película se regenera na presença de oxigênio, permitindo que o aço inoxidável se proteja ao longo de toda a sua vida útil. Adições como níquel e molibdênio melhoram ainda mais a resistência em ambientes específicos, razão pela qual os aços inoxidáveis são especificados para aplicações que vão desde o processamento de alimentos até serviços marítimos e químicos.
Este artigo aborda as propriedades mecânicas e físicas que determinam o desempenho do aço em serviço. Os outros guias da série “Aço” tratam da origem dessas propriedades e de como elas são definidas. O guia “Composição do Aço” explica como os elementos químicos presentes no aço determinam seu potencial de propriedades, e o guia “Classes de Aço” mostra como os materiais são classificados nas famílias que você especifica e adquire. As seções “Especificações do Aço” e “Normas do Aço” abordam os documentos e as estruturas que estabelecem os limites de propriedades e composição, enquanto “Equivalentes do Aço” explica como as propriedades são comparadas ao se harmonizar classes entre diferentes sistemas. Juntas, elas relacionam o desempenho com a composição, a classificação e as normas subjacentes.
As propriedades do aço são geralmente agrupadas em propriedades mecânicas (como resistência, dureza, ductilidade e tenacidade), propriedades físicas (como densidade, condutividade térmica e módulo de elasticidade) e propriedades tecnológicas (como soldabilidade, usinabilidade e conformabilidade).
O limite de escoamento é a tensão na qual o aço começa a se deformar permanentemente, e é o valor mais comumente utilizado no projeto. A resistência à tração máxima é a tensão máxima que o aço pode suportar antes de começar a falhar. Um ensaio de tração mede ambos os valores, juntamente com a ductilidade e a rigidez.
O módulo de Young reflete a rigidez da rede atômica do ferro, que não sofre alterações significativas com a liga ou o tratamento térmico. Ele se mantém consistentemente entre 190 e 210 GPa em praticamente todos os tipos de aço de engenharia. Isso significa que o comportamento de deflexão sob carga elástica é independente do tipo de aço, o que simplifica consideravelmente o projeto estrutural.
Eles são controlados por meio da composição química, do processo de fabricação e do tratamento térmico, fatores que, em conjunto, determinam a microestrutura final. Por exemplo, aumentar o teor de carbono eleva a resistência e a dureza, mas reduz a ductilidade, enquanto tratamentos térmicos como recozimento, têmpera e revenimento ajustam o equilíbrio entre dureza e tenacidade.
O aço inoxidável contém pelo menos cerca de 10,5% de cromo, que forma uma fina película passiva de óxido de cromo, com capacidade de autorreparação, na superfície. Essa película protege continuamente o metal subjacente, e elementos como o níquel e o molibdênio podem aumentar a resistência em ambientes mais agressivos.