Cada quilo economizado no peso de um carro é importante, reduzindo o consumo de combustível em carros movidos a gasolina ou aumentando a autonomia de veículos elétricos.
Como muitas inovações úteis, ao que parece, a criação de aço de alta qualidade por metalúrgicos indianos há mais de 2.000 anos pode ter sido uma feliz confluência de trabalho inteligente e pura sorte.
Queimar pedaços de ferro com carvão em um recipiente especial de argila produzia algo completamente novo, que os índios chamavam de wootz. Os exércitos romanos logo estavam empunhando espadas de aço wootz para aterrorizar e subjugar suas tribos rivais da Europa antiga.
Vinte e quatro séculos depois, as montadoras estão contando com fornos elétricos a arco, máquinas de estampagem a quente e processos de têmpera e partição que os antigos nunca poderiam ter imaginado. Essas abordagens estão gerando novas maneiras de ajustar o aço para proteger corpos humanos macios quando os veículos colidem uns com os outros, como inevitavelmente acontece — ao mesmo tempo em que reduzem o peso dos carros para reduzir seu impacto deletério no planeta.
“É uma revolução”, diz Alan Taub, um cientista de materiais da Universidade de Michigan com muitos anos na indústria. Os novos aços, dezenas de variedades e contando, combinados com polímeros leves e interiores e carrocerias fiados em fibra de carbono, remontam aos dias inebriantes do início do século passado quando, ele diz, “Detroit era o Vale do Silício”.
Tais materiais podem reduzir o peso de um veículo em centenas de libras — e cada libra de excesso de peso que é eliminada economiza cerca de US$ 3 em custos de combustível ao longo da vida útil do carro, então a economia é difícil de negar. A nova máxima, diz Taub, é “o material certo no lugar certo”.
A transição para veículos movidos a bateria ressalta a importância desses novos materiais. Veículos elétricos podem não emitir poluição, mas são pesados — o Volvo XC40 Recharge, por exemplo, é 33% mais pesado que a versão a gasolina (e seria ainda mais pesado se o aço ao redor dos passageiros fosse tão volumoso quanto costumava ser). Pesado pode ser perigoso.
“A segurança, especialmente quando se trata de novas políticas de transporte e novas tecnologias, não pode ser negligenciada”, disse Jennifer Homendy, chefe do National Transportation Safety Board, ao Transportation Research Board em 2023. Além disso, reduzir o peso de um veículo elétrico em 10% proporciona uma melhoria de aproximadamente 14% no alcance.
Ainda na década de 1960, a gaiola de aço ao redor dos passageiros era feita do que as montadoras chamam de aço macio. A blindagem do período jurássico de Detroit não era muito diferente daquela que Henry Ford havia introduzido décadas antes. Era pesada, e havia muito dela.
Com a publicação de Ralph Nader em 1965 Perigoso em qualquer velocidade: os perigos projetados no automóvel americanoas grandes montadoras perceberam que não podiam mais perseguir velocidade e desempenho exclusivamente. Os embargos de petróleo da década de 1970 apenas aceleraram o ritmo da mudança: o aço automotivo agora tinha que ser mais forte e mais leve, exigindo menos combustível para se movimentar.
Em resposta, ao longo dos últimos 60 anos, tal como os chefes que operam um sous vide máquina para produzir a mordida perfeita, os fabricantes de aço — seus fornos de arco de cozimento atingindo milhares de graus Fahrenheit, com robôs fazendo o cozimento — criaram uma vasta variedade de aços para atender a todas as necessidades. Existem aços endurecidos de alta resistência para o chassi; aços inoxidáveis resistentes à corrosão para painéis laterais e tetos; e metais altamente elásticos em para-choques para absorver impactos sem amassar.
Os fabricantes de automóveis usam uma ampla variedade de materiais para construir a carroceria de um carro, escolhendo o material que funciona melhor para cada aplicação.
‘Truques com o aço’
A maioria do aço é composta por mais de 98 por cento de ferro. São os outros dois por cento — às vezes apenas centésimos de um único por cento, no caso de metais adicionados para conferir propriedades desejadas — que fazem a diferença. Tão importantes quanto são os métodos de tratamento: o aquecimento, o resfriamento e o processamento, como a laminação das folhas antes da formação das peças. Modificar cada um, às vezes por apenas alguns segundos, muda a estrutura do metal para produzir propriedades diferentes. “É tudo uma questão de fazer truques com o aço”, diz John Speer, diretor do Advanced Steel Processing and Products Research Center da Colorado School of Mines.
No nível mais básico, as propriedades do aço são sobre microestrutura: o arranjo de diferentes tipos, ou fases, de aço no metal. Algumas fases são mais duras, enquanto outras conferem ductilidade, uma medida de quanto o metal pode ser dobrado e torcido fora de forma sem cisalhar e criar bordas irregulares que penetram e rasgam corpos humanos moles. No nível atômico, existem principalmente quatro fases do aço automotivo, incluindo a mais dura, porém mais quebradiça, chamada martensita, e a austenita mais dúctil. Os fabricantes de automóveis podem variar isso manipulando os tempos e temperaturas do processo de aquecimento para produzir as propriedades que desejam.
Esta micrografia eletrônica de uma amostra de aço mostra dois tipos diferentes, ou fases, de aço: austenita mais macia e trabalhável (azul) e martensita mais dura e quebradiça (vermelha). Os fabricantes de aço podem variar a mistura dos dois alterando como aquecem e resfriam um pedaço de aço.
Pesquisadores acadêmicos e siderúrgicos, trabalhando em estreita colaboração com montadoras, desenvolveram três gerações do que hoje é chamado de aço avançado de alta resistência. A primeira, adotada na década de 1990 e ainda amplamente empregada, tinha uma boa combinação de resistência e ductilidade. Uma segunda geração usou ligas mais exóticas para atingir uma ductilidade ainda maior, mas esses aços se mostraram caros e desafiadores de fabricar.
A terceira geração, que Speer diz estar começando a chegar às fábricas, usa técnicas de aquecimento e resfriamento para produzir aços mais fortes e mais moldáveis do que a primeira geração; quase dez vezes mais fortes do que os aços comuns do passado; e muito mais baratos (embora menos dúcteis) do que os aços de segunda geração.
Os siderúrgicos aprenderam que o tempo de resfriamento é um fator crítico na criação dos arranjos finais de átomos e, portanto, das propriedades do aço. O resfriamento mais rápido, conhecido como têmpera, congela e estabiliza a estrutura interna antes que ela passe por mais mudanças durante as horas ou dias que, de outra forma, levaria para atingir a temperatura ambiente.
Um dos tipos mais fortes de aço automotivo moderno — usado nos componentes estruturais mais críticos, como painéis laterais e pilares — é feito superaquecendo o metal com boro e manganês a uma temperatura acima de 850 graus Celsius. Após se tornar maleável, o aço é transferido em dez segundos para uma matriz, ou forma, onde a peça é moldada e resfriada rapidamente.
Em uma versão do que é conhecido como plasticidade induzida por transformação, o aço é aquecido a uma temperatura alta, resfriado a uma temperatura mais baixa e mantido lá por um tempo, e então rapidamente temperado. Isso produz ilhas de austenita cercadas por uma matriz de ferrita mais macia, com regiões de bainita e martensita mais duras. Este aço pode absorver uma grande quantidade de energia sem fraturar, tornando-o útil em para-choques e pilares.
As receitas podem ser ainda mais ajustadas pelo uso de várias ligas. Henry Ford estava empregando ligas de aço e vanádio há mais de um século para melhorar o desempenho do aço em seu Modelo T, e as receitas de ligas continuam a melhorar hoje. Um exemplo moderno do uso de metais mais leves em combinação com aço é o caminhão F-150 intensivo em alumínio da Ford Motor Company, a versão 2015 pesando quase 700 libras a menos que o modelo anterior.
Ligas de aço sofisticadas têm uma longa história. Mesmo nas primeiras décadas do século XX, Henry Ford estava adicionando o elemento vanádio ao aço que ele usou para construir o Modelo T.
Um processo usado em conjunto com novos materiais é a hidroformação de tubos, na qual um metal é dobrado em formas complexas pela injeção de alta pressão de água ou outros fluidos em um tubo, expandindo-o para o formato de uma matriz circundante. Isso permite que as peças sejam feitas sem soldar duas metades, economizando tempo e dinheiro. Um trilho de estrutura de alumínio do Corvette, a maior peça hidroformada do mundo, economizou 20 por cento em massa do trilho de aço que substituiu, de acordo com Taub, coautor de um artigo de 2019 sobre redução de peso automotivo no Revisão Anual de Pesquisa de Materiais.
Novas ligas
Introduções mais recentes são ligas como aquelas que usam titânio e particularmente nióbio, que aumentam a resistência ao estabilizar a microestrutura de um metal. Em um artigo de 2022, Speer chamou a introdução do nióbio de “um dos desenvolvimentos mais importantes da metalurgia física do século XX”.
Uma ferramenta que agora encurta a distância entre tentativa e erro é o computador. “A ideia é usar o computador para desenvolver materiais mais rápido do que por meio de experimentação”, diz Speer. Novas ideias agora podem ser testadas até o nível atômico sem que os trabalhadores se curvem sobre uma bancada ou liguem uma fornalha.
A busca incessante por melhores materiais e processos levou o engenheiro Raymond Boeman e colegas a fundar o Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation (IACMI) em 2015, com uma doação federal de US$ 70 milhões. Também conhecido como Composites Institute, é um lugar onde a indústria pode desenvolver, testar e ampliar novos processos e produtos.
“O campo está evoluindo de muitas maneiras”, diz Boeman, que agora dirige a pesquisa do instituto sobre o aumento de escala desses processos. O IACMI tem trabalhado para encontrar substitutos mais amigáveis ao clima para plásticos convencionais, como o polipropileno amplamente utilizado. Em 1960, menos de 100 libras de plástico foram incorporadas ao veículo típico. Em 2017, o número havia subido para quase 350 libras, porque o plástico é barato de fazer e tem uma alta relação resistência-peso, tornando-o ideal para fabricantes de automóveis que tentam economizar peso.
Em 2019, de acordo com Taub, 10 a 15 por cento de um veículo típico era feito de polímeros e compostos, tudo, desde componentes de assentos a porta-malas, peças de portas e painéis. E quando esses carros chegam ao fim de suas vidas úteis, seus plásticos e outros materiais difíceis de reciclar, conhecidos como resíduos de trituradores automotivos, 5 milhões de toneladas por ano, acabam em aterros sanitários — ou, pior, no meio ambiente em geral.
Pesquisadores estão trabalhando duro para desenvolver plásticos mais fortes, leves e ecologicamente corretos. Ao mesmo tempo, novos produtos de fibra de carbono estão permitindo que esses materiais leves sejam usados até mesmo em locais de suporte de carga, como peças estruturais da parte inferior da carroceria, reduzindo ainda mais a quantidade de metal pesado usada em carrocerias de automóveis.
Claramente, ainda há trabalho para tornar os automóveis uma ameaça menor, tanto para os corpos humanos quanto para o planeta que esses corpos percorrem todos os dias, para trabalhar e se divertir. Mas Taub diz que está otimista sobre o futuro de Detroit e a capacidade da indústria de resolver os problemas que surgiram com o fim dos dias de cavalos e charretes. “Eu digo aos alunos que eles terão segurança no emprego por muito tempo.”
Revista Knowable é um empreendimento jornalístico independente da Annual Reviews.
