02 Epm Apostila Capitulo01

7/23/2019 02 Epm Apostila Capitulo01

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Estrutura e Propriedades dos Materiais Introduo

UFPA ITEC FEM Prof. Jorge Tefilo de Barros Lopes1

1 INTRODUO

1.1 O Que Cincia e Engenharia de Materiais?

Os materiais esto intimamente ligados existncia da espcie humana. Desde o

incio da civilizao os materiais e a energia so usados com o objetivo de melhorar o nvel

de vida do ser humano.

Atualmente, existe uma grande quantidade de materiais, sendo os de uso mais

frequentes: a pedra, a madeira, o cimento, o ao, o plstico, o vidro, a borracha, o alumnio,

o cobre e o papel.

A produo e a transformao de materiais em bens acabados constituem uma das

mais importantes atividades de uma economia moderna. Aos engenheiros cabe conceber amaioria dos produtos fabricados e definir as tecnologias necessrias para a sua produo.

A manufatura de um produto requer uma etapa deplanejamento de produo, onde

so selecionados diversos materiais, de acordo com custos e, principalmente, com as

necessidades tcnicas exigidas. A elaborao desta etapa exige do seu responsvel a noo

das estruturas internas e das propriedades dos materiais, pois esses conhecimentos

permitem prever o comportamento do material em servio, bem como possibilita

programar e controlar as suas propriedades e caractersticas. Tais conhecimentos, portanto,tornam os engenheiros aptos a selecionar os mais adequados materiais para cada aplicao,

e a serem capazes de desenvolver os melhores processos de produo.

Os materiais so analisados e desenvolvidos dentro do ramo de conhecimento

denominado Cincia e Engenharia de Materiais, o qual um campo interdisciplinar que

trata da descoberta de novos materiais e do melhoramento dos j existentes, pelo

desenvolvimento e aprofundamento do conhecimento da relao microestrutura-

composio-sntese-processamento entre diferentes materiais (ASKELAND & PHUL,

2008).

A composio o termo que significa a constituio qumica de um material; a

estruturasignifica uma descrio do arranjo de tomos em diferentes nveis de detalhes; a

sntese o termo que se refere obteno dos materiais, se ocorrem naturalmente ou se so

quimicamente produzidos; e o processamento, que significa as diferentes maneiras de

conformar os materiais em componentes utilizveis, ou mudar as suas propriedades.

A Cincia dos Materiais est associada ao estudo das relaes entre a sntese e o

processamento, a microestrutura e as propriedades dos materiais. Portanto, visa


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fundamentalmente a descoberta de conhecimentos bsicos nos domnios da estrutura

interna, das propriedades e do processamento de materiais.

A Engenharia dos Materiais est principalmente ligada ao emprego de conceitos

fundamentais e empricos dos materiais, na converso destes em produtos finais. Dedica-se

essencialmente aplicao dos conhecimentos da cincia dos materiais, de modo que os

materiais possam ser convertidos em produtos teis ou desejados pela sociedade (o foco

como transformar os materiais em uma pea ou estrutura utilizvel).

A estrutura do material tem uma profunda influncia em muitas de suas

propriedades, mesmo que a sua composio qumica no seja alterada. Por exemplo, um

fio de cobre puro quando flexionado repetidamente fica mais duro e mais frgil, e sua

resistividade eltrica tambm aumenta; como a composio qumica do fio no foimodificada, as mudanas em suas propriedades so devidas s modificaes em sua

estrutura interna. Nesse exemplo no se observa nenhuma mudana no material em escala

macroscpica; entretanto, sua estrutura foi modificada em uma escala muito pequena ou

escala microscpica, a qual conhecida como microestrutura. Se pudermos entender

como o material modificou microscopicamente, comearemos a descobrir maneiras de

controlar as suas propriedades.

1.2 Classificao dos Materiais

A maioria dos materiais de engenharia classificada em quatro grupos principais:

metais, polmeros, cermicos e, mais recentemente, compsitos ou conjugados. Outros

dois grupos tm sido considerados importantes como materiais de engenharia

(CALLISTER, 2008), em funo do grande desenvolvimento de suas aplicaes nos

ltimos anos: semicondutores e biomateriais. Os semicondutores se caracterizam por

possurem propriedades eltricas intermedirias entre as dos condutores e as dos isolantes;esses materiais possibilitaram o advento dos circuitos integrados, que revolucionaram as

indstrias de produtos eletrnicos e de computadores. Os biomateriais, por sua vez,

apresentam caractersticas especficas que permitem a sua utilizao como componentes

implantados no interior do corpo humano, substituindo as partes doentes ou danificadas do

mesmo.


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Os materiais metlicos, formados pelos metais e ligas metlicas1, so substncias

inorgnicas compostas por um ou mais elementos metlicos, mas podem, tambm, conter

elementos no metlicos. So exemplos de materiais metlicos: o ferro (Fe), o cobre (Cu),

o alumnio (Al), o nquel (Ni), os aos (ligas Fe-C), os bronzes (ligas Cu-Sn) e os lates

(ligas Cu-Zn).

Os elementos no metlicos mais comuns em ligas metlicas so: o carbono (C), o

nitrognio (N) e o oxignio (O).

Os materiais metlicos possuem uma estrutura cristalina, na qual os tomos esto

arranjados de maneira ordenada. Geralmente, so bons condutores trmicos e eltricos, e

quase todos so mecanicamente resistentes, dcteis e, na sua maioria, mantm essa

resistncia mesmo em altas temperaturas.Os materiais polimricos, algumas vezes denominados de plsticos, na sua maioria

consistem de cadeias moleculares orgnicas (carbono) de longa extenso. Estruturalmente,

estes materiais, na sua maioria, no so cristalinos; no entanto, alguns exibem uma mistura

de regies cristalinas e no cristalinas. A resistncia mecnica e a ductilidade dos materiais

polimricos variam em grande escala. Devido natureza da sua estrutura interna, esses

materiais normalmente so pssimos condutores de eletricidade e de calor, o que lhes

permite serem utilizados frequentemente como isolantes, o que os torna de grandeimportncia na confeco de dispositivos e equipamentos eletrnicos.

Os materiais cermicos so definidos como materiais cristalinos inorgnicos. A

maioria apresenta alta dureza e elevada resistncia mecnica, mesmo em altas

temperaturas; entretanto, normalmente so bastante frgeis. O fato de serem bons isolantes

trmicos e possurem alta resistncia ao calor os tornam muito importantes na construo

de fornos usados na indstria metalrgica.

A ideia principal no desenvolvimento dos materiais compsitos foi combinar aspropriedades de diferentes materiais. Os materiais compsitos so formados de dois ou

mais materiais, produzindo propriedades no encontradas nos materiais que o formam. A

maioria consiste de um elemento de reforo envolvido por uma matriz constituda de resina

ligante, com o objetivo de se obter caractersticas especficas e propriedades desejadas.

Geralmente, os componentes no se dissolvem um no outro, e podem ser identificados

fisicamente por uma interface bem definida entre eles. Podem ser de vrios tipos, e os mais

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Liga metlica: consiste de uma combinao entre dois elementos, onde pelo menos um metal e os outrospodem ser metais ou no-metais, desde que o carter metlico da liga seja mantido.


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importantes so os fibrosos (fibras envolvidas por uma matriz) e os particulados (partculas

envolvidas por uma matriz). Um exemplo bastante comum de material compsito o

concreto armado, que constitudo de uma matriz de concreto (cimento, areia e pedra)

envolvendo o elemento reforo (barras de ao).

O Quadro 1.1 destaca comparativamente algumas propriedades dos materiais, e a

Figura 1.1 ilustra a resistncia representativa de vrias classes de materiais.

Quadro 1.1 Propriedades gerais das diversas classes de materiais (CARAM, 2000).

Material Caractersticas Constituintes tpicos

MetlicosDctil, elevada resistncia mecnica, alta dureza,

condutor trmico e eltrico, opaco.

tomos metlicos e

no metlicosCermicos

Frgil, isolante trmico e eltrico, alta estabilidadetrmica, elevada dureza, transparentes em algunscasos.

xidos, silicatos,nitretos, aluminatosetc.

PolimricosDctil, baixa resistncia mecnica, baixa dureza,flexvel, baixa estabilidade trmica, transparente emalguns casos.

Cadeia molecularorgnica decomprimento elevado

Compsitos Alta relao resistncia/peso, alta dureza etc. Matriz + Reforo

Figura 1.1 - Resistncia representativa de vrias classes de materiais (adaptado deASKELAND & PHUL, 2008).

- Nylon- Polietileno

POLMEROS

CERMICAS- SiC- Si3N4

- ZrO2- Al2O3

- Carbono-Epxi

- Kevlar-Epxi

- Brio-

Poliamida

- Carbono-Poliamida

- Vidro-Polister

COMPSITOS

- Liga Cobalto

- Ao de altaresistncia

- Ao-liga- Liga Cu-Be- Liga Nquel- Liga Titnio

- Lato Cu-Zn- Liga Alumnio

- Liga Zinco

- Chumbo

METAIS E LIGAS2069

1379

690

0

Resistncia(MPa)


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1.3 Estrutura e Propriedades dos Materiais

O emprego de materiais na forma de produtos acabados envolve, geralmente, etapas

de processamento onde algumas de suas caractersticas podem ser significativamente

alteradas. Normalmente, essas etapas promovem modificaes na estrutura interna do

material. A modificao da forma geomtrica de um material metlico (conformao

plstica) resulta em alteraes no estado de tenses da estrutura atmica, bem como pode

modificar a estrutura ao nvel atmico.

Para a produo de uma pea metlica por processo de fundio (pisto de

automvel, por exemplo), um molde, geralmente metlico, preenchido por um volume de

metal lquido; aps a solidificao, a pea desmoldada e o processo concludo. A

estrutura interna do materialsolidificado ser afetada pela velocidade de solidificao do

metal lquido com relao a defeitos nos arranjos atmicos, influenciando, assim, as

propriedades da pea.

Um material para ser aplicado em engenharia necessita apresentar dados sobre suas

caractersticas bsicas, como tambm sobre a maneira como foi processado at o momento

de ser empregado. Uma chapa de ao (liga ferro-carbono) laminada a frio, por exemplo,

apresenta caractersticas distintas de outra laminada a quente.

A Figura 1.2 mostra a relao entre estruturas, propriedades e processos demodificao de propriedades dos materiais (CARAM, 2000).


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Figura 1.2 - Relao entre estruturas, propriedades e processos de modificao depropriedades dos materiais (CARAM, 2000).

A natureza e o comportamento dos materiais em servio esto basicamente

associados aos tipos de tomos envolvidos e aos seus arranjos. Um material pode ser

constitudo por um ou mais elementos qumicos; entretanto, a forma com que tais

elementos se arranjam no espao determinar as caractersticas do material.

Dessa forma, a estrutura dos materiais pode ser estudada de acordo com quatro

nveis sequenciais, quais sejam: subatmico, atmico, microscpico e macroscpico.

O nvel subatmicoest relacionado anlise do tomo individual, o comportamentodo seu ncleo e os eltrons de suas camadas perifricas, ou seja, a interao ncleo-

eletrosfera. Existe um compromisso muito forte entre o comportamento do tomo e suas

partculas subatmicas com as propriedades eltricas, trmicas e magnticas.

O nvel atmicoest ligado anlise do comportamento de um tomo em relao a

outro tomo, ou seja, interao entre tomos e ligaes entre os mesmos e a formao de

molculas. As ligaes interatmicas dependem do comportamento do tomo ao nvel

subatmico. Em funo do tipo e intensidade dessas ligaes, um dado material pode


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apresentar-se como slido ou lquido ou gasoso (estado de agregao), dependendo de uma

determinada condio.

O nvel microscpicorelaciona-se anlise do arranjo dos tomos ou suas molculas

no espao. Um arranjo atmico pode resultar em trs tipos estruturais: arranjo cristalino,

arranjo molecular e arranjo amorfo. O arranjo estrutural apresentado por um material

influencia diretamente as suas propriedades e caractersticas.

O nvel macroscpicorelaciona-se s caractersticas e propriedades dos materiais em

servio, as quais esto diretamente ligadas natureza do comportamento atmico nos trs

nveis anteriores e maneira com que o material foi processado.

Dessa forma, os trs primeiros nveis so responsveis pela formao do material e o

ltimo nvel por sua utilizao.A Figura 1.4 relaciona a escala de tamanho de diversas estruturas (CARAM, 2000).

Figura 1.4 Comparao entre a escala de tamanho de diversas estruturas (CARAM,

2000).1.4 Referncias bibliogrficas

ASKELAND, Donald R.; PHUL, Pradeep P. The science and engineering of materials.4.ed. California: Brooks/Cole-Thomson Learning, 2008.

CALLISTER JR., William D. Cincia e engenharia de materiais: uma introduo. 5.ed.Rio de Janeiro: LTC, 2008.

CARAM JR., Rubens. Estrutura e propriedades dos materiais. Apostilha de aula.Campinas: Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), 2000.

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