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Os requisitos fundamentais a que devem obedecer esses aços são os seguintes:
- ductilidade e homogeneidade;
- valor elevado da relação entre limite de resistência e limite de escoamento;
- soldabilidade;
- suscetibilidade de corte por chama, sem endurecimento;
- resistência razoável à corrosão.
Com exceção da resistência à corrosão, todos os outros requisitos são satisfeitos em maior ou menor grau pelos aços-carbono, de baixo a médio carbono, obtidos por laminação, cujos limites de resistência à tração variam de 40 a 50 kgf/mm2 (390 a 490 MPa) e cujo alongamento gira em torno de 20%.
De fato, o teor de carbono relativamente baixo e o trabalho a quente proporcionado pela laminação dos perfis estruturais garantem a ductilidade necessária, além de produzir uma homogeneidade muito boa em toda a extensão das peças, com pequenas variações de resistência à tração e à compressão, variações essas que, entretanto, não chegam a prejudicar. A ductilidade que esses aços apresentam, por outro lado, garante excelente trabalhabilidade em operações tais como corte, furação, dobramento, etc., sem que se originem fissuras ou outros defeitos.
O limite de escoamento, assim como o módulo de elasticidade, característicos de grande importância no projeto e cálculo das estruturas, são nos aços referidos perfeitamente satisfatórios, sobretudo considerando-se que sua resistência não deve ser necessariamente muito elevada.
A soldabilidade é um característico muito importante para esse tipo de material de construção, visto que a soldagem de peças estruturais é comum. Os aços-carbono comuns também satisfazem plenamente esse requisito, pois podem ser soldados sem alteração da estrutura. Da mesma maneira, o corte por chama, muito empregado em peças estruturais, pouco afeta os aços em estudo, sob o ponto de vista de alterações estruturais, nas vizinhanças da zona de corte.
Finalmente, a resistência à corrosão só é alcançada com adição de pequenos teores de cobre, elemento que, adicionado em teores muito baixos, da ordem de 0,25%, melhora aquela propriedade de mais ou menos duas vezes em relação ao mesmo aço sem cobre.
Para a maioria das aplicações estruturais, o teor de carbono desses aços varia de 0,15% a 0,40%, com os outros elementos (Mn, Si e S) nos teores considerados normais. O aço com carbono e manganês em torno de 0,20% e 0,50% respectivamente, apresenta limite de escoamento de cerca de 24,5 kgf/mm2 (245 MPa) e limite de resistência de 42,0 kgf/mm2 (410 MPa).
A elevação do teor de carbono aumenta esses limites, atuando no mesmo sentido, como se sabe, embora em menor grau,a elevação do teor de manganês. A melhora desses característicos é feita, contudo, à custa da trabalhabilidade ou deformabilidade do aço que decrescem, de modo que é necessário levar em conta esses fatores quando se projeta a utilização de um aço de maior resistência mecânica.
Nas estruturas, os perfis de aço-carbono utilizados são os mais diversos, sobressaindo-se os seguintes: barras redondas (inclusive as empregadas em concreto armado), quadradas, hexagonais, ovais, barras chatas, cantoneiras, tês, eles, duplos tês, etc.
Todos esses perfis são produzidos por laminação e empregados nesse estado, geralmente sem qualquer tratamento mecânico posterior.
Os aços de alto-carbono – em torno do eutóide ou mesmo acima – já estão considerados materiais de natureza e aplicações especiais, visto que são utilizados na forma de fios ou barras, geralmente com tratamento térmico particular ou no estado encruado, em estruturas do tipo de pontes pênseis, concreto protendido, cabos, etc.
Como já foi mencionado, uma das aplicações importantes dos aços-carbono estruturais é em concreto armado. Para esse emprego, os aços-carbono podem ser classificados da seguinte maneira:
- aços de dureza natural, laminados a quente;
- aços encruados a frio;
- aços “patenting” (ou patenteados).
Ao primeiro grupo – aços de dureza natural – pertencem os aços utilizados pela indústria de construção civil, classificados pela ABTN (Especificação NBR-7480) nas categorias CA-25, CA-40, CA-50 e CA-60, com limites mínimos de escoamento de 250 MPa, 400 MPa, 500 MPa e 600 MPa respectivamente. A categoria CA-60 aplica-se somente para fios.
Os aços pertencentes ao segundo grupo – encruados a frio – caracterizam-se por apresentarem superior resistência, devida justamente ao encruamento que sofrem durante a sua fabricação. Podem ser esses aços subdivididos nos seguintes grupos:
- aços encruados por tração;
- aços encruados por torção;
- aços encruados por compressão.
Os primeiros são aços trefilados, isto é, após a laminação a quente, são submetidos a uma trefilação a frio, verificando-se uma compressão radial do material e uma tração apreciável, ambos os fenômenos sendo responsáveis pela modificação estrutural do aço e pelo conseqüente aumento da resistência. Consegue-se assim um limite convencional “n” da ordem de 590 MPa, embora com diminuição do alongamento que cai para 6 a 8%. O limite de resistência à tração pode atingir valores entre 640 e 740 MPa.
Os aços encruados por torção – já sujeitos a especificações brasileiras (normas ABTN EB-130 e P-EP 130 A) – são obtidos mediante torções e estiramentos simultâneos, conseguindo-se dessa maneira limites convencionais “n” da ordem de 390, 490, 590 MPa, conforme a categoria do aço.
O limite de resistência, conforme estabelecido nas especificações, deve ser pelo menos 10% acima do limite convencional “n”, com o objetivo de evitar uma aproximação muito grande e perigosa entre escoamento e ruptura. Ainda de acordo com as especificações, os alongamentos variam de 8% min. a 10% min.
Finalmente, os aços encruados por compressão, também chamados de aços “mordidos”, são obtidos mediante a aplicação de um sistema de compressão ou “mordida”, em duas direções perpendiculares, produzindo-se um achatamento dos grãos e seu conseqüente alongamento na direção do eixo da barra. As características mínimas exigidas para esses tipos de aço são: limite convencional “n” de 490 MPa, limite de resistência à tração de 540 a 650 MPa e alongamento de 4 a 6%. Como se vê, esses aços são menos dúcteis que os torcidos.
Quanto aos aços utilizados em concreto protendido, convém inicialmente mencionar que as secções das barras de aço para esse tipo de aplicação são geralmente menores que as usuais para concreto armado: até 8 mm de diâmetro, com o que se consegue resistências mecânicas mais elevadas.
Sua composição química está dentro da seguinte faixa:
Carbono – 0,60 a 0,90%
Manganês – 0,50 a 0,90%
Silício – 0,10 a 0,35%
Enxofre – 0,04% max.
Fósforo – 0,04% max.
São todos eles fabricados do chamado “fio-máquina”, submetido antes da trefilação ao tratamento “patenteamento”, a ser estudado mais adiante.
Há três tipos, diferenciados pelo tratamento térmico final.
Os aços do primeiro tipo são inicialmente patenteados e, em seguida, trefilados.Não têm nenhum outro tratamento.
Os do segundo tipo originam-se dos primeiros, os quais são submetidos a um tratamento de alívio de tensões, após a trefilação, mediante um reaquecimento entre 250 e 500 graus C, em banho de chumbo derretido. Além do alívio de tensões, o limite de proporcionalidade é sensivelmente melhorado.
Finalmente, os do terceiro tipo são “estabilizados”, ou adquirem a propriedade de “relaxação”, definida como o característico pelo qual o fio estirado e mantido sob comprimento constante, cede com o tempo e perde tensão.
Os aços para concreto protendido são designados com as letras CP, às quais se seguem algarismos que indicam aproximadamente a tensão de ruptura, em kgf/mm2.
A ABTN – de acordo com a especificação EB-780 – especifica os seguintes tipos (com relaxação normal e relaxação baixa): CP-150, CP-160 e CP-170. As tensões de escoamento ou limite proporcional “n” devem localizar-se pelo menos 10% abaixo das de ruptura.
