Tipos de metais: propriedades, aplicações e usos

Tipos de metais: guia de propriedades, aplicações e usos industriais

Conhecer os tipos de metais disponíveis é o primeiro passo fundamental para tomar decisões acertadas sobre materiais em qualquer projeto de soldagem, usinagem ou engenharia. De postes de aço carbono que sustentam arranha-céus a placas de titânio biocompatíveis, os metais constituem a essência do mundo moderno, muitas vezes despercebidos. Aqui está uma explicação simples dos tipos de metais, comparações de propriedades quantificáveis ​​e uma tabela que relaciona cada um ao seu uso ideal.

O que é um metal? Definição e estrutura atômica.

Por definição, um metal é um elemento químico que se ioniza facilmente para formar íons positivos (cátions) e que forma ligações metálicas entre esses íons positivos. Essas ligações químicas produzem um "mar" de elétrons livres que estão em constante movimento por toda a estrutura cristalina. Isso explica as propriedades observadas em todos os metais: alta condutividade elétrica e térmica, maleabilidade, ductilidade e brilho quando polidos.

É esse compartilhamento de elétrons que nos dá um fio de cobre capaz de conduzir corrente elétrica e uma viga de aço que se dobra à sua frente, quebrando-se. Os elétrons deslocalizados nos metais permitem que uma camada de átomos deslize sobre a outra sob tensão sem romper as ligações, como pode ocorrer com cerâmicas ou vidro, que se quebram em vez de dobrar. Essa deslocalização de elétrons confere aos metais a natureza dúctil quando transformados em fios finos ou martelados em chapas, a maleabilidade.

Se você já tentou dobrar metal em uma prensa dobradeira... dobrar metal Você já deve ter visto ligações metálicas na prática.

De modo geral, a tabela periódica é predominantemente ocupada por metais na região central esquerda, dos quais os metais de transição do bloco d, como ferro, cobre, níquel, titânio e cromo, são os principais elementos utilizados na produção industrial. Os metais alcalinos, como lítio e sódio, e os metais alcalino-terrosos, como magnésio e cálcio, encontram-se na extrema esquerda, mas são tão reativos que nenhum deles é adequado para aplicações estruturais em seus estados nativos. No panorama geral, 94 dos cerca de 118 elementos conhecidos podem ser identificados como metais.

E dois desses 94 elementos metálicos são líquidos, à temperatura ambiente média: mercúrio e gálio.

O estado líquido à temperatura ambiente é bastante incomum na tabela periódica, pertencendo a uma família de estados geralmente caracterizada pela resistência do elemento no estado sólido.

Para fins práticos de engenharia, os metais se dividem em três grandes grupos:

• Les métaux ferreux – Ferronickel, Argent ferreux… Contiennent du fer. (ex: acier, fonte, fer…)
• Metais não ferrosos – nenhum conteúdo de ferro (alumínio, rame, titânio, zinco)
• Ligas metálicas – Misturas projetadas de dois ou mais elementos, sendo pelo menos um deles metálico (latão, bronze, Inconel).

Suponha que cada seção da lista abaixo apresente um grupo de metais que é estudado individualmente em profundidade, comparando em seguida as propriedades mensuráveis ​​de cada um e demonstrando em quais aplicações cada grupo de metais realmente se destaca.

Propriedades-chave dos metais que determinam a seleção industrial

A escolha de um metal para um projeto nunca se resume a um único número. O fabricante considera a relação resistência/peso, analisa as especificações de condutividade, avalia as características de corrosão no ambiente de serviço real e, por fim, considera o orçamento e a usinabilidade. Seis metais de engenharia típicos são apresentados em uma tabela abaixo, com base nos parâmetros de maior importância.

A resistência à tração é a quantidade de tensão que um metal pode suportar antes de se romper. Nessa categoria, o titânio se destaca com 950 MPa, razão pela qual os principais usuários mundiais são os engenheiros aeroespaciais, responsáveis ​​por trens de pouso e pás de turbinas. No extremo oposto da escala, o zinco suporta apenas 37 MPa, o que significa que é utilizado em revestimentos e carcaças fundidas, mas não em aplicações estruturais.

A condutividade elétrica é medida como uma porcentagem do padrão IACS (International Annealed Copper Standard). 100% equivale ao cobre puro. O alumínio possui 43% de IACS, não sendo, de forma alguma, o melhor condutor elétrico, mas suficientemente leve para ser utilizado em cabos aéreos de alta tensão, com um terço do peso por volume do cobre. O titânio ocupa a última posição, com apenas 3%, o que o torna inadequado para fiação, mas mais do que ideal como material para implantes corporais e cranianos, onde a condutividade elétrica seria prejudicial.

A resistência à corrosão depende da capacidade do metal de formar uma camada protetora de óxido. A capacidade do alumínio de formar naturalmente uma camada de óxido de silício (AlO) que impede a corrosão é notável — não é fácil nem mesmo inventar uma camada tão espessa e protetora. O aço inoxidável depende de um mínimo de 10.5% de cromo no metal base para que uma camada de óxido de cromo possa se formar. O aço carbono verde, contaminado por traços do elemento que confere ao aço inoxidável sua alta resistência à corrosão, corrói-se rapidamente em atmosferas úmidas e salinas, a menos que seja pintado, galvanizado ou protegido de alguma outra forma.

Que tipos de metal são magnéticos?

Os ímãs atraem diversos metais de três maneiras diferentes. Materiais ferromagnéticos atraem ímãs com extrema força e são os únicos metais que podem se tornar ímãs permanentes. Esses são os únicos metais que as placas magnéticas conseguem segurar peças durante a usinagem. Materiais diamagnéticos são efetivamente repelentes a um campo magnético, como o ouro e o cobre – seria necessário o uso de equipamentos de laboratório para constatar isso. Materiais paramagnéticos, como o alumínio ou o titânio, apresentam uma atração magnética muito fraca, praticamente imperceptível a olho nu. Na indústria, a regra prática é simples: se um metal gruda em um ímã, então ele contém ferro, níquel ou cobalto.

“Todos os metais são um compromisso. Alta resistência, baixo peso, resistência à corrosão e baixo preço raramente são encontrados em uma única liga. O problema do engenheiro mecânico é determinar quais duas ou três propriedades são mais importantes para o cliente e se contentar com o resto.”
— Princípio da engenharia de materiais, parafraseado das diretrizes da ASM International

Metais ferrosos: aço, ferro fundido e ligas à base de ferro

Mais de 90% dos metais do mundo são ferrosos, ou seja, têm o ferro como base. Mais de 632 milhões de toneladas métricas de aço bruto foram produzidas em 2024, uma quantidade impressionante que supera a de todos os outros metais combinados. Há um bom motivo para isso. O ferro é abundante, existe infraestrutura para transformar o minério em metal e as propriedades físicas do aço podem ser alteradas em uma escala enorme, ou até mesmo imperceptível, apenas com a adição de elementos como carbono e ligas metálicas.

Aço carbono

O aço carbono é classificado de acordo com sua porcentagem de carbono:

• Aço de baixo carbono/aço macio (<0.25% C) – Soldável, conformável e usinável. O AISI 1018 é o aço de uso geral padrão para suportes, fixadores e elementos estruturais. Resistência à tração de aproximadamente 440 MPa.
• Aço com médio teor de carbono (0.25-0.60% C) – Mais resistente e duro, usado em eixos automotivos, engrenagens e trilhos ferroviários. O AISI 1045 tem uma resistência à tração típica de cerca de 585 MPa.
• Aços com alto teor de carbono (0.60-2.0% C) – Muito duros, usados ​​em ferramentas de corte, molas e arame. Podem ser tratados termicamente para atingir dureza extremamente alta, mas apresentam microestrutura muito frágil e soldabilidade bastante deficiente.

Aço inoxidável

Os aços inoxidáveis ​​requerem pelo menos 10.5% de cromo para serem considerados inoxidáveis. O cromo forma uma camada de óxido invisível na superfície, conferindo-lhes excepcional resistência à corrosão. Três tipos de aço são responsáveis ​​pela grande maioria das aplicações industriais:

• 304 (18% Cr / 8% Ni) – O aço inoxidável mais utilizado no mundo. É empregado na indústria de processamento de alimentos, pias de cozinha, acabamentos arquitetônicos e tanques para processamento químico. Não magnético quando recozido.
• 316 (16% Cr / 10% Ni / 2% Mo) – A adição de molibdênio proporciona excelente resistência à corrosão por cloretos. Especificado para equipamentos navais, equipamentos farmacêuticos e arquitetura costeira. Custa cerca de 20 a 30% a mais que o 304.
• 430 (17% Cr, sem níquel) – Uma liga ferrítica magnética, mais barata que a 304, adequada para painéis decorativos, acabamentos de eletrodomésticos e sistemas de escapamento automotivos.

Para projetos que envolvem corte a laser de aço inoxidávelOs aços 317 e 316 apresentam um perfil de corte limpo quando cortados a laser com um laser de fibra na potência e configuração de gás adequadas, mas o 316 requer um pouco mais de potência devido ao seu maior teor de molibdênio.

Liga de aço

Os aços-liga utilizam combinações de cromo, molibdênio, vanádio, níquel, etc., para produzir propriedades funcionais:

• A liga 4140 (Cr-Mo) oferece excelente tenacidade e resistência à fadiga, sendo comum em colares de perfuração de petróleo e gás, eixos e fixadores de alta tensão.
• A liga 4340 (Ni-Cr-Mo) é uma liga de grau aeroespacial com altíssima resistência em profundidade, utilizada em trens de pouso, engrenagens de transmissão de potência e ferramentas de alta resistência.

Ferro fundido

• O ferro fundido cinzento (3-4% C) é extremamente quebradiço, mas muito bom em absorver e amortecer vibrações. Isso o torna o material base ideal para máquinas-ferramenta e blocos de motor. As lamelas de grafite dentro da microestrutura convertem a energia da vibração em calor.
• O ferro fundido dúctil (nodular) contém grafite em nódulos esféricos em vez de flocos, melhorando consideravelmente a resistência ao impacto e a ductilidade. É utilizado em conexões de tubos, virabrequins e engrenagens de alta resistência.
• O ferro fundido branco é muito duro e resistente ao desgaste. Era usado para fabricar revestimentos resistentes à abrasão para moinhos de bolas e bombas de polpa.

O ferro forjado em brasa – um material historicamente importante para portões, grades e correntes – deu lugar aos aços macios, mais baratos e fáceis de usinar. Os produtos modernos de ferro forjado são geralmente feitos de aço macio moldado para se assemelhar ao ferro forjado.

Quais os tipos de ferrugem em metais?

A ferrugem é uma reação química específica: ocorre quando o ferro interage com o oxigênio e a umidade, criando uma camada de ferrugem (óxido ferroso, FeO) que causa fragilidade e descamação no aço antigo. Todos os metais ferrosos são vulneráveis, pois o termo "ferroso" indica a presença de ferro em sua estrutura. O aço carbono comum é o que enferruja mais rapidamente em resposta à maresia ou alta umidade. Aços-liga, como o 4140, também são suscetíveis, a menos que sejam lubrificados, pintados ou protegidos de alguma outra forma.

No caso do aço inoxidável, essa barreira contra a ferrugem é o óxido de cromo, e a liga é considerada "resistente" em vez de "à prova de ferrugem". Em particular, o aço inoxidável 304 pode sofrer corrosão por pite em ambientes com cloretos (água do mar, sais de degelo, soluções salinas) acima de aproximadamente cinquenta graus Celsius. É por isso que as especificações para instalações marítimas e químicas exigem o uso do aço inoxidável 316, cujo teor de 2% de molibdênio impede esse ataque.

A maioria dos outros metais que não são ferrosos não são magnéticos e não enferrujam porque não contêm ferro. Eles sofrem suas próprias variações de corrosão; o alumínio produz um óxido de alumínio branco em pó e o cobre produz o atraente efeito verde-cobre em telhados e estátuas antigas. Esses níveis de óxido são, na verdade, resistentes a ataques subsequentes – o oposto daquele óxido ferroso escamoso, que se torna mais incômodo quanto mais se tenta controlá-lo.

Metais não ferrosos: alumínio, cobre, titânio e outros.

Os metais não ferrosos não contêm ferro, o que significa que não oxidam da mesma forma, já que esse processo depende da presença de ferro. Frequentemente, são não magnéticos e mais resistentes à corrosão do que os materiais ferrosos, mais condutores, mais leves – mas também mais caros e, por vezes, exigem métodos de fabricação diferentes.

Alumínio:

O alumínio é o metal mais abundante na crosta terrestre, representando 8.2% da sua composição, sendo o segundo metal mais concentrado depois do oxigênio. Apesar disso, era mais caro que o ouro até a descoberta da tecnologia Hall-Héroult em 1886. Atualmente, é o segundo metal mais popular depois do aço, devido à sua baixa densidade (2.70 g/cm³), resistência à corrosão e facilidade de usinagem.

Altamente resistente e leve, a liga de alumínio 7075 possui uma resistência à tração de 570 MPa, próxima à do aço de médio carbono. Infelizmente, ela é muito resistente à soldagem e mais cara que a liga 6061.

Como o alumínio reflete quase 90% do comprimento de onda de um laser de CO2, soldagem a laser de ligas de alumínio Requer um controle cuidadoso da reflexão e condução de calor.

Cobre e ligas de cobre

O cobre (C11000) define 100% IACS como uma medida de sua condutividade. É usado como referência fixa para fiação elétrica, barramentos e trocadores de calor. O problema é a sua baixa resistência à tração – com apenas 220 MPa, não suporta cargas estruturais.

• O latão foi a primeira liga de cobre usada comercialmente; quando ligado a outro elemento metálico (zinco), torna-se significativamente mais duro que o cobre, inerentemente resistente à corrosão e fácil de usinar – usado em acessórios, instrumentos de sopro, ferragens decorativas e estojos de munição.
• Uma liga composta de cobre e estanho, o bronze; proporciona maior resistência e proteção contra corrosão em ambientes de água salgada do que o latão; seus usos tradicionais incluem hélices de navios, rolamentos e ferragens náuticas.

Processamento a laser de cobre – é a sua especularidade que torna o processamento com laser um grande desafio. Devido à alta refletividade, fontes de laser de fibra com comprimento de onda próximo a 1,070 nm são muito mais adequadas do que fontes de CO₂. Leia mais sobre Corte de cobre com laser.

Titânio

Ti-6AL-4V; a liga de titânio emblemática: 950 MPa de resistência à tração com 4.43 g/cm², o exemplo mais representativo de aços de média resistência, com peso 44% menor. O mundo depende do titânio por essa vantagem nos setores aeronáutico, médico e de automobilismo de alto desempenho.

Uma restrição de custo que não é abordada pelo marketing: com um custo por quilograma de 25 a 100 vezes maior (dependendo da forma e da qualidade) do que o aço inoxidável, combinado com uma taxa de fabricação de apenas 22%, a fabricação de componentes com titânio é financeiramente dispendiosa. Quando a redução de peso ou a possibilidade de fabricar a peça ou o produto de forma rotineira tornam o componente vantajoso, o titânio se justifica; nas demais situações, o aço inoxidável ou o alumínio são opções melhores e mais baratas.

Outros metais não ferrosos

• O zinco tem diversas aplicações; a mais comum é a galvanização, que consiste na aplicação de um revestimento de zinco ao aço ou ferro para proporcionar proteção contra a corrosão. A segunda aplicação mais popular é a fundição sob pressão para maçanetas e acabamentos automotivos.
• O níquel está presente em superligas (Inconel, Hastelloy) que controlam turbinas a gás e motores a jato com temperaturas acima de 700°C; e também pode ser usado como revestimento em galvanoplastia e baterias.
• O estanho contribui para as ligas de solda usadas em eletrônicos, sendo o revestimento de estanho comum em latas de alimentos e na construção em bronze.
• O chumbo está presente em cerca de 80% da produção mundial de baterias, além de ser utilizado em blindagem contra radiação e como reator; porém, a demanda por esses materiais está diminuindo devido às restrições regulatórias relacionadas à toxicidade.
• Metais preciosos (ouro, prata, platina) encontraram seu lugar em joias, circuitos (ligação de fios de ouro), conversores catalíticos (paládio e platina) e investimentos;

Ligas metálicas: como a combinação de elementos melhora o desempenho.

Uma liga é uma mistura de um elemento metálico com um ou mais outros elementos, metálicos ou não. O objetivo é criar um conjunto de propriedades que não seria possível obter com os dois ou mais componentes utilizados isoladamente. O aço é uma liga: ferro e carbono. O bronze é uma liga: cobre e estanho. Toda a civilização comercial do mundo moderno se baseia na produção e no processamento de ligas, em vez de elementos metálicos puros, devido à incapacidade geral dos metais puros de atender às demandas de resistência, dureza, resistência à corrosão ou módulo de elasticidade em ambientes de serviço reais.

A liga metálica funciona através da "perturbação em nível atômico". Bolsões de átomos estranhos distorcem o arranjo regular das redes cristalinas, impedindo a difusão de discordâncias — as imperfeições que permitem a deformação dos metais. Caso contrário, as discordâncias móveis são liberadas e os metais flexíveis tornam-se materiais rígidos e mais duros.

Cenário: Uma oficina de fabricação que está migrando do aço carbono para o aço inoxidável 316L para processar alimentos precisa trocar o arame de solda (arame de adição 316L), mudar o gás de proteção para argônio com 2% de monóxido de carbono e reduzir a velocidade de corte em cerca de 30%. A seleção da liga mineral determina todos os processos de fabricação subsequentes — ferramentas, dispositivos de fixação, configurações de soldagem e etapas de retificação ou polimento. A escolha do material nunca é um processo independente.

Além da classificação ferrosa versus não ferrosa, agrupar os metais em básicos (facilmente oxidáveis, zinco, ferro, estanho, alumínio), nobres (resistentes à oxidação, ouro, platina, paládio) ou grupos da tabela periódica é útil. A obtenção desses grupos — metais de transição (bloco d), metais alcalino-terrosos, lantanídeos — está disponível como categorias separadas.

Como escolher o metal certo para o seu projeto

A seleção incorreta de metais é a causa mais comum de erros de fabricação e, geralmente, é irremediável — uma vez soldada, a junta não pode ser desfeita. A tabela abaixo compara dez metais comuns em seis parâmetros, numa escala de 1 (ruim) a 5 (excelente).

Escolhas específicas para cada aplicação

• Ao se discutir usinagem CNC, o alumínio 6061 se destaca como o melhor para metais não ferrosos, enquanto o aço macio 1018 parece ser a melhor escolha para metais ferrosos. Em termos de usinabilidade, ambos obtêm nota 4+ em facilidade de trabalho.
• O corte a laser é ideal para aço macio — é o mais fácil de cortar e o metal mais adequado para o laser. Livre de óxidos e resistente à combustão, outros metais menos desejáveis ​​incluem o aço inoxidável (que, no entanto, requer um laser de maior potência), o alumínio (melhor com laser de fibra devido à reflexão) e o titânio (metal de qualidade inferior reservado para peças caras e de alto valor). Consulte a lista de materiais que um laser de fibra pode cortar para mais opções.
• Para ambientes corrosivos, utiliza-se aço inoxidável 316L ou titânio, com resistência à corrosão por pite de 5 mm para melhor proteção contra corrosão e oxidação. O titânio só é recomendado se a redução de peso justificar um custo de material de 25 a 100 vezes maior.
• No caso de aplicações estruturais e arquitetônicas, residenciais ou comerciais, o aço carbono (1018 ou A36) oferece classificações de resistência e custo de 3 e 5, respectivamente.
• Em aplicações eletrônicas e de informática, o cobre é utilizado devido à sua condutividade elétrica de 100% (IACS), enquanto o alumínio (com maior densidade) é usado em gabinetes leves e dissipadores de calor.

Que tipo de metal pode ser usado no corte a laser?

Quase todos os metais podem ser cortados a laser com o equipamento adequado, mas serão necessárias máquinas diferentes. Para cortar metais muito reflexivos, como alumínio, latão ou cobre, podem ser utilizados lasers de fibra com comprimento de onda de 1070 nm. Estes não terão problemas com íons refletidos na parte traseira, pois os lasers de CO2 têm um comprimento de onda de 10600 nm – a parte traseira atinge o ressonador e/ou o danifica.

O aço macio é o metal mais facilmente cortável a laser no mundo, produzindo um corte de boa qualidade em uma velocidade maior do que qualquer outro e a um custo menor. Os aços inoxidáveis ​​requerem de 20 a 30% mais potência de laser do que uma espessura equivalente de aço macio para serem cortados, sendo necessária a selagem com gás inerte de titânio (geralmente argônio).

Para uma comparação lado a lado das tecnologias de laser de fibra e de CO2, veja o Comparação entre laser de fibra e laser de CO2 seção. Você também pode estar interessado em descobrir qual Os materiais podem ser marcados com um laser de fibra. e como eles combinam com vários tipos de metal, ou veja o nosso Máquina de marcação a laser Gama de equipamentos capazes de processar componentes de aço, alumínio, cobre e titânio.

Nota sobre reciclabilidade: Quase todos os elementos metálicos podem ser reciclados infinitamente com pouquíssima alteração em suas propriedades básicas. A reciclagem do alumínio utiliza apenas 5% da energia necessária para produzi-lo a partir do minério de bauxita e é um dos processos mais eficientes em termos energéticos já inventados. O aço é o material mais reciclado em peso no planeta.

Perguntas frequentes

Quais são os 10 tipos de metais?

Quantos tipos de metal existem?

Quais são as diferenças entre ligas metálicas e metais puros?

Que tipo de metal não enferruja?

Que tipos de metais podem ser reciclados?

Que tipo de metal pode ser usado na impressão 3D?

Os metais são geralmente maleáveis ​​e dúcteis?