Post on 22-Dec-2014
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INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS
Prof. Belarmino B. Lira
CONCEITOS
BÁSICOS
Classificação dos Materias
Metais (Combinações de elementos metálicos)
Cerâmicos (Elementos metálicos e não metálicos)
Polímeros (Ex. Plásticos e borracha)
Compósitos (Fibra de vidro com polímero )
- Resistência do vidro e a flexibilidade do polímero
Semicondutores -Propriedades elétricas intermediária (cond. e isolantes) – Circuitos
integrados
Biomateriais - Implantes nos corpos humanos
Materiais avançados
Ex. Materiais usados em laser, circuitos integrados, fibra optica
Mecessidade de Materiais Modernos
Importância dos recursos minerais
A evolução da humanidade: Idades da pedra, do bronze, do ferro, etc.
Nenhuma civilização pode prescindir do uso dos bens minerais, principalmente quando se pensa em qualidade de vida, uma vez que as necessidades básicas do ser humano - alimentação, moradia e vestuário - são atendidas essencialmente por estes recursos.
Uma pessoa consome direta ou indiretamente cerca de 10 toneladas/ano de produtos do reino mineral, abrangendo 350 espécies minerais distintas. A construção de uma residência é um exemplo desta diversidade.
Sua casa vem da mineração
Realização de uma obra de engenharia, estão envolvido
- projeto - materiais
- execução
conhecimento das materiais e suas propriedades é de fundamental importância para uma construção bem sucedida:
Uso adequado dos materiais!
minerais@pr.gov.br
Elemento construtivo Principais substâncias minerais utilizadas
tijolo argila
bloco areia, brita, calcário
fiação elétrica cobre, petróleo
lâmpada quartzo, tungstênio, alumínio
fundações de concreto areia, brita, calcário, ferro
ferragens ferro, alumínio, cobre, zinco, níquel
vidro areia, calcário, feldspato
louça sanitária caulim, calcário, feldspato, talco
azulejo caulim, calcário, feldspato, talco
piso cerâmico argila, caulim, calcário, feldspato, talco
isolante - lã de vidro quartzo e feldspato
isolante - agregado mica
pintura - tinta calcário, talco, caulim, titânio, óxidos metálicos
caixa de água calcário, argila, gipsita, amianto, petróleo
impermeabilizante - betume folhelho pirobetuminoso, petróleo
pias mármore, granito, ferro, níquel, cobalto
encanamento metálico ferro ou cobre
encanamento PVC petróleo, calcita
forro de gesso gipsita
esquadrias alumínio ou ligas de ferro-manganês
piso pedra ardósia, granito, mármore
calha ligas de zinco-níquel-cobre ou fibro-amianto
telha cerâmica argila
telha fibro-amianto calcário, argila, gipsita, amianto
pregos e parafusos ferro, níquel
alimentos - corretivo de solo, fertilizante, defensivo agrícola
lápis, papel, borracha,
giz
louças, talheres, panelas
martelo, serra, torno
automóvel, avião, barco
medicamento, perfumaria
e outros equipamentos e bens que nos garantem qualidade de vida também
rodovia, ferrovia
hidroelétrica, termoelétrica
computador, televisão
fogão, geladeira
combustívelágua
A atividade mineral => recursos minerais essenciais ao seu desenvolvimento
A intensidade de aproveitamento dos recursos um indicador social.
Ex. O consumo per capita de agregados para a construção civil (areia + brita), este reflete a real intensidade estrutural de uma sociedade, pois está
associado diretamente às vias de escoamento de produção, obras de arte, como viadutos e pontes, saneamento básico, hospitais, escolas, moradias,
edifícios, energia elétrica e toda sorte de elementos intrínsecos ao desenvolvimento econômico e social de um povo.
O crescimento sócio-econômico implica em maior consumo de bens minerais,
O caráter pioneiro da mineração resulta em novas fronteiras econômicas e geográficas, abrindo espaço para o desenvolvimento e gerando
oportunidades econômicas
Desenvolvimento social e econômico
Sources: EIA 2001, 1998 Manufacturing Energy Consumption Survey; U.S. DOE 2002, Energy and Environmental Profile of the U.S. Mining Industry
Energy Consumption (Trillion Btu)
Petroleum
ChemicalsPaperPrimary Metals
Food Processing
Minerals
Tobacco/Beverages
Furniture
LeatherMachinery and Computers
Wood
Transportation
Fabricated Metals
Textiles/Apparel
Plastics/Rubber
Electrical
Printing
Miscellaneous
1
10
100
1000
10 100 1000 10000
En
erg
y In
ten
sity
(T
ho
usa
nd
Btu
/$ G
DP
)
Energy-Intensive Industries
Industrial Energy Intensity vs. Energy Consumption
Mining
Consumo de Energia (Trilhões de Btu)
Mineral
É um corpo natural sólido e cristalino formado em resultado da interacção de processos físico-químicos em ambientes geológicos. Cada mineral é classificado e denominado não apenas com base na sua composição química, mas também na estrutura cristalina dos materiais que o compõem.
Materiais com a mesma composição química podem constituir minerais totalmente distintos em resultado de meras diferenças estruturais na forma como os seus átomos ou moléculas se arranjam espacialmente (como por exemplo a grafite e o diamante).
Rochas
É um agregado natural composto de alguns minerais ou de um único mineral.
Origem dos MateriaisConceitos de Mineração
Corpo Mineralizado
Superfície
Esc:
1km
Mineração - Lavra
Céu aberto
Bancada
Lavra a céu aberto
Petróleo
Processamento Mineral
Fluxograma - Britagem, Moagem e Classificação
Refugo da moagem
Liberação - Cominuição
Metodos físicos de Conentração : Gravimetrica, Eletrostática, Magnética; Flotação e Flocução Seletiva
Construções devem apresentar:
Custo
Servicibilidade
Durabilidade
Segurança
Servicibilidade: comportamento adequado=> envolvendo pequenas deformações, aparência, conforto, etc
Fator fundamental:
Segurança
No trabalho: Pessoa qualificada
(Engenheiro) presente no canteiro de obras.
Obrigatoriedade do uso de capacetes, luvas, botas, cintos de segurança.
Conscientização dos trabalhadores a fim de evitar acidentes .
No trabalho; na produção e na estrutura da construção
Segurança
assegurar que a construção não se torne imprópria causando danos
Sob o ponto de vista estrutural:
Segurança
assegurar que a localização da construção seja adequada e não cause danos
Sob o ponto de vista da geologia
Servicibilidade
Comportamento adequado para a construção
Conforto
O conforto deve ser previsto pelo projetista da obra e assegurado por uma boa manutenção.
Exemplos de previsão de conforto: Eliminação de vibração em pontes. Controle da deformabilidade excessiva. Eliminação de ruídos. Previsão de boa iluminação. Projeto de refrigeração e/ou aquecimento. Velocidade e estabilidade de elevadores.
Aparência
A aparência de uma obra deve ser de tal modo que não cause impacto negativo sobre o meio ambiente.
O conforto está diretamente ligado à aparência e certos detalhes (cor, forma, textura e outros detalhes artísticos) mostram isso claramente.
Durabilidade
Capacidade de a construção se manter em condições normais de utilização ao longo da sua vida
Necessidade de conhecer bem os materiais a serem utilizados!
É importante lembrar que nada é eterno e por melhor que seja a obra, seu tempo de vida está ligado à sua manutenção.
Aspecto econômico
A boa engenharia é aquela que proporciona a associação mais adequada de segurança, durabilidade, conforto e arte com o menor custo possível.
Ou seja, a economia é um ponto relevante que põe em conjunto todos os outros aspectos, formando com isso, um projeto bem sucedido.
Ciências ligadas aos Materiais
A fim de se realizar uma construção, é preciso se conhecer a priori as ações externas atuantes como: peso próprio, cargas temporárias ou acidentais, ações do vento, temperatura, efeitos de terremotos, etc.
É nesse contexto que a interação de diversas ciências (Física, Mecânica, Química, Metalurgia, Mineração e Geologia etc) ocorre.
Normalização
Normas técnicas: existem para regulamentar os ensaios que permitam avaliação da qualidade, classificação e o emprego dos diversos materiais.
Ao redor de todo o mundo diversas entidades estão responsáveis pelas normas:
Brasil: ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas)
Estados Unidos: ASTM (American Society for Testing Materials)
Europa: CEN (Comitê Europeu de Normalização)
Mundo: ISO (International Standard Organization)
Propriedades dos materiais sólidos
Por serem os materiais mais importantes para a indústria da construção civil, as propriedades dos corpos sólidos devem ser estudadas de modo a permitir o conhecimento do comportamento em serviço da construção.
•Stress significa “tensão“, que tem por medida força/área (N/m2 ).
A tensão é a força/área necessária para produzir deformação(aplicando-se um stress em um corpo será gerado um strain).
• Strain significa “deformação". É uma grandeza escalar medida somente pelo comprimento.
Tensor é quantitativo matemático usado para descrever a propriedade física de um material.
Tanto o stress quanto o strain são materializados por elipsóides utilizados para representação espacial da tensão e da deformação, cujos eixos são inversamente proporcionais.
CONCEITOS STRESS E STRAIN
Eixos são representados pelas letras “x","y","z“, onde x>y>zrepresentam uma ordem decrescente de deformação.
O elipsóide de tensão é inversamente proporcional ao elipsóide dedeformação. Numa comparação aproximada:
σ1 Z /σ2 Y /σ3 X
Os eixos dos elipsóides variam de acordo com o stress aplicado na superfície rochosa. Desta forma os eixos
podem sofrer: Estiramento/Encurtamento/Encurtamento
Estiramento/Encurtamento/EstiramentoEncurtamento/Estiramento/Estiramento
Elipsóide de deformação (strain)
Unidade de Tensão:
Unidade de força (N)/unidade de área (m2):
Pascal: Pa = N/m2
Em engenharia: Pascal unidade muito pequena: usa-se megapascal: MPa
1 MPa =1N/mm2 =1000kN/m2 = 0,1kN/cm2
1MPa = 10 kgf/cm2 = 100 tf/m2
Conceito de tensão em um ponto
Para que um corpo esteja em equilíbrio, qualquer de suas partes (corpo livre) deve estar em equilíbrio.
Corpo submetido a um sistema de forças externas.
Corpo em equilíbrio devido a suas forças internas.
Tensão em um ponto
Tensão:
S
fS 0lim
S
f n
S
n
0lim
S
f t
S
t
0lim
Tensão Normal:
Tensão Tangencial:
Portanto, é possível verificar que o valor da tensão depende da orientação do plano considerado.
(a) Pressão confinante: materiais friáveis tornam-se mais dúcteis,quanto maior a pressão confinante (PC). Os limites de elasticidade, resistência e esforço máximo se elevam com o aumento da PC, isto significa que a maiores profundidades maiores esforços são necessários para produzir a mesma deformação.
(b) Temperatura: facilita a deformação, tornando os materiais maisdúcteis, principalmente quando a pressão confinante e a temperaturasomam seus efeitos. O limite da resistência, o esforço máximo e o limite de elasticidade, diminuem com o aumento de temperatura, isto significa que a mesma deformação é causada poresforços, tanto menores, quanto maior for a temperatura. A temperatura age contrariamente em relação à pressão confinante.
(c) Tempo de Aplicação do Esforço: se faz lentamente e com pausas -fenômeno comum na natureza – através de acréscimos infinitesimais.Quanto maior o tempo de aplicação do esforço mais dúctil será a deformação.
Fatores extrínsecos
(d) Presença de FluídosO limite de plasticidade, o limite de resistência e o esforço máximo,
diminuem com a presença das soluções (uma mesma deformação exigeesforços menores se a rocha portar soluções).
(e) Anisotropia EstruturalCorpos de provas, cortados paralelamente e perpendicularmente àxistosidade, mostram comportamentos diferentes (a orientação da
anisotropia estrutural influi na deformação).
(f) Heterogeneidade litológicaWillis (1932) introduziu o conceito de competência: rochas
competentes são aquelas que se deformam sem se romperem etransmitem os esforços por distâncias maiores; rochas incompetentes
são relacionadas à deformação concomitante, com absorção de esforçosem curtas distâncias.
Fatores intrínsecos
Resistência
Capacidade de o material resistir a tensões Resistência: medida em ensaios padronizados
para os diversos materiais
Deformação
A grandeza deformação é definida como a taxa de variação do deslocamento (u e v) em relação à coordenada espacial (x e/ou y)
Elemento plano sofrendo deformação
Relação Tensão x Deformação
Lei constitutiva de um material: permite caracterização do comportamento de um sólido através de uma relação entre as grandezas tensão e deformação.
Cada material apresenta comportamento de tensão x deformação diferente.
Comportamentos Tensão x Deformação
Módulo de Elasticidade
Módulo de elasticidade inicial: inclinação do trecho inicial do diagrama tensão-deformação
Propriedades mecânicasElasticidade: É a propriedade que um corpo sólido apresenta de retornar à forma original após cessada a aplicação de carga que o deformou.
Em um gráfico Tensão x Deformação, a elasticidade do material está evidenciada pela coincidência dos caminhos de carregamento e descarregamento.
Elasticidade
A maioria dos materiais sólidos tem um comportamento misto, apresentando uma relação linear-elástica para baixos níveis de tensão e perdendo a elasticidade quando alcança tensões elevadas.
Curva tensão x deformação para um material com comportamento não-linear elástico
•Deformação elástica: recuperável quando cessada a tensão
PlasticidadeÉ a propriedade que um corpo sólido apresenta de se deformar, mudando substancialmente sua forma sem, no entanto, se romper
Relação tensão x deformação para um material linear elástico perfeitamente plástico.
•Deformação plástica: não recuperável (residual)
Plasticidade
Vale ressaltar que existem materiais com comportamento plástico não-perfeito.
Curva tensão x deformação para um material com comportamento não-linear com plastificação.
ResiliênciaÉ a quantidade de energia que o
material pode absorver e recuperar.
Graficamente, é representada pela área sob a curva tensão x deformação no trecho de descarregamento correspondente à absorção de energia elástica.
Representação gráfica da resiliência
Tenacidade
É a quantidade de energia total (em regime elástico e plástico) que o material pode absorver. Graficamente,é representada pela área sob a curva tensão x deformação.
Representação gráfica da tenacidade
Ductibilidade e Maleabilidade
Estão relacionados com a capacidade de deformação plástica do material.
Maleabilidade se refere à capacidade do material se deformar sem se romper, quando submetido a esforços de compressão, e a ductibilidade a esforços de tração.
Todos os materiais dúcteis são maleáveis, mas nem todos os materiais maleáveis são dúcteis. Isso ocorre pois o material maleável pode ter pouca resistência e romper facilmente quando submetido à esforços de tração.
DuctilidadeEm termos práticos, a ductilidade é expressa em termos do alongamento percentual em um ensaio de tração até a ruptura.
Alongamento percentual em um ensaio de tração:
ε = (Lu-Lo)/Lo x100
Ductilidade
Numa curva tensão x deformação, em tração, a ductibilidade é medida pelo nível de deformação na ruptura.
Parâmetro de ductibilidade numa curva tensão x deformação
Ex:
aço: 8% a 20 %
concreto: 0,3%-0,4%
material dúctil
Rompe com grandes deformações: aço, borracha, fibras vegetais...
grandes deformações para construções: mais de 1 %
Materiais dúcteis: desejáveis para a Engenharia=>
dão pré-aviso da ruptura
Material frágil
- Rompe com pequenas deformações
- ruptura sem aviso prévio: cerâmicas, vidro, pedras, concreto.
Material dúctil: rompe com grandes deformações (dá um pré-aviso da ruptura)
Material frágil: rompe com pequenas deformações (rompe bruscamente, sem pré-aviso)
aço
concreto simples
FluênciaÉ o aumento contínuo de deformação ao longo do tempo, com o material submetido a um estado constante de tensão.
Curva deformação x tempo representativa da fluência
Fadiga Diminuição da resistência de um material quando submetido a tensões cíclicas.
Tensão ao longo do tempo num ensaio de fadiga
Importante em pontes, estruturas industriais etc
Fadiga
Se a tensão for reduzida, o material suporta um número maior de ciclos até um ponto limite, dito limite de fadiga, onde o material suportaria, teoricamente, um número infinito de ciclos.
Curva resistência x nº de ciclos num ensaio de fadiga
Dureza
Capacidade de um material resistir à abrasão superficial, ou seja, é a resistência que o material oferece ao ser riscado.
A dureza relativa dos materiais é constatada através da escala de Mooh.
Equipamento para corte de concreto: extremidade com diamante.
Peso específico
É a relação entre o peso e o volume da amostra do material.
volume
pesope
Massa específica
volume
massame
É a relação entre a massa e o volume da amostra do material.
Propriedades físicas
Densidade
É a relação entre a massa da amostra e a massa do mesmo volume de água destilada a 4º C.
Ex. aço: 7,85
concreto: 2,3 a 2,4
Conductibilidade térmica
É a capacidade do material de permitir a propagação de calor através de seu meio. Esta capacidade é medida através de um coeficiente de conductibilidade térmica K.
Fluxo de calor através de uma parede
Estudo do comportamento térmico de paredes de terra crua (UFGG)
desejável: menor conductibilidade térmica: terra => melhor que concreto!
Conductibilidade elétrica:
É a capacidade que o material tem de permitir que seus elétrons de valência (elétrons do nível de energia mais externo do átomo) se desloquem e tornem-se livres.
Os materiais podem ser de 3 tipos:Supercondutores: Permitem o fluxo de corrente elétrica quase que indefinidamente.Isolantes: Os elétrons de valência estão firmemente retidos em orbitais fixos.Semicondutores: Onde a condução elétrica é devido ao fluxo combinado de elétrons de valência e íons positivos.
Bibliografia Recomendada:
BAUER; Falcão - Materiais de ConstruçãoVERÇOSA; Enio José - Materiais de Construção Civil. Vol IPETRUCCI; E. G. R. - Materiais de Construção - Concreto do Cimento PortlandALVES; José Dafico - Materiais de Construção. Vol ISILVA, Moema Ribas - Materiais de ConstruçãoSCANDIUZZA, Luércio ANDRIOLO, Francisco R. - Concreto e seus Materiais: Propriedades e EnsaiosMEHTA, P. Kumar MONTEIRO, Paulo J. M. - Concreto: Estrutura, Propriedade e Materiais.Dana, Manual de Mineralogia
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