Baixe Introdução ao Estudo dos Materiais com exemplos resolvidos e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Química, somente na Docsity! Introdução 1 Prof. Dr. Rubens Caram 1 INTRODUÇÃO AO ESTUDO DOS MATERIAIS INTRODUÇÃO É fácil avaliar a importância dos materiais em relação à existência e à evolução da espécie humana. Não é necessário aprofundar tal exame para se perceber que inúmeras etapas do desenvolvimento do homem foram marcadas pela variedade de materiais por ele utilizado. Desde o início da civilização os materiais são usados com o objetivo de permitir e melhorar a vida do ser humano. No início da pré-história, o principal material utilizado na confecção de objetos e ferramentas era o sílex lascado. Em seguida, o homem produziu seus utensílios a partir da pedra polida. Com a descoberta do fogo e com o início do uso do barro na fabricação de objetos, iniciou-se a fabricação de peças cerâmicas. A possibilidade de transformar um material maleável em outro com propriedades mecânicas totalmente diferentes marcou o início da ciência e engenharia dos materiais. Nessa mesma época, o uso do barro reforçado com vigas de madeira e palha, que constitui um material 2 Introdução compósito, possibilitou a construção de casas. Com a descoberta dos metais, finda- se a idade da pedra e inicia-se a idade dos metais. Inicialmente, o homem empregou o cobre em substituição à pedra. Para refinar e moldar apropriadamente esse metal, foi utilizado o fogo, o que deu origem à metalurgia. A baixa resistência mecânica do cobre estimulou alternativas para se produzir um material mais resistente, o que levou à mistura desse metal, inicialmente com o arsênio e depois com o estanho, o que resultou no bronze. Há mais de 4.000 anos, o processo de fundição por cera perdida foi concebido. Nessa técnica, o objeto a ser produzido era esculpido em cera, que em seguida era recoberto com uma massa refratária. Ao se aquecer a escultura e seu recobrimento, a cera podia ser eliminada, resultando em uma cavidade no interior da massa refratária. A fundição era elaborada com o preenchimento dessa cavidade pelo metal líquido. O objeto fundido era obtido pela quebra do molde. Apesar desse procedimento existir há alguns milhares de anos, a fundição por cera perdida é ainda hoje utilizada na fabricação de uma gama muito diversificada de produtos, como próteses odontológicas e ortopédicas ou componentes de turbinas aeronáuticas. Ainda na pré-história, o homem processou e utilizou ferro na confecção de ferramentas, armamentos e utensílios. Milhares de anos mais tarde, o desenvolvimento de novos processos de produção dos aços e dos ferros fundidos permitiram a viabilização da revolução industrial. Neste século, o desenvolvimento dos materiais poliméricos, dos materiais compósitos avançados, das cerâmicas de engenharia, dos aços inoxidáveis, das ligas de titânio, dos materiais semicondutores, dos biomateriais, permitiram avanços significativos em inúmeras áreas, como a medicina, a odontologia, a indústria aeroespacial, eletrônica, automobilística, naval e mecânica. Atualmente, a área do conhecimento denominada Ciência e Engenharia de Materiais é de fundamental importância em vários campos, como o da medicina, da indústria eletrônica, farmacêutica e mecânica. Tal área de estudo analisa o comportamento dos materiais no tocante as suas partículas sub-atômicas, aos seus átomos, aos seus arranjos atômicos e, finalmente, ao nível macroscópico. Geralmente, esta área do conhecimento trata os materiais em função de suas composições químicas, da natureza e disposições de seus átomos no espaço e da influência dos processos de transformação em suas propriedades e características. Introdução 5 Prof. Dr. Rubens Caram CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS Os materiais empregados industrialmente podem ser classificados no tocante a características particulares ligadas à constituição e arranjos de seus átomos. Tal classificação permite que os materiais sejam agregados em três classes principais, quais sejam: materiais metálicos, materiais cerâmicos e materiais poliméricos. Além dos tipos citados, um estudo mais abrangente deve incluir um outro tipo, que exibe, atualmente, grande importância tecnológica: os materiais compósitos, também denominados de materiais conjugados. MATERIAIS METÁLICOS A principal característica dos materiais metálicos está relacionada à forma ordenada com que os seus átomos estão arranjados no espaço, o que pode ser melhor sintetizado pelo termo “estrutura cristalina”. Em função do arranjo atômico, os materiais metálicos apresentam, em geral, boa resistência mecânica e podem ser deformados permanentemente sob a ação de forças externas. Além, disso, como resultado das ligações metálicas, eles são bons condutores de calor e eletricidade. Os materiais metálicos são substâncias inorgânicas compostas por um ou mais elementos metálicos e podem também conter elementos não-metálicos, como o oxigênio, carbono e nitrogênio. Dentre os materiais metálicos, destacam-se as ligas de alumínio, largamente empregadas na construção de aeronaves, as ligas de titânio usadas na confecção de implantes ortopédicos e as superligas de níquel, apropriadas para fabricação de componentes para operação em temperaturas elevadas. Os metais são vitais para indústria moderna, pois seu uso ocorre em uma gama de aplicações excepcionalmente diversificada, da indústria de microeletrônica à automotiva. O uso de fios de ouro como condutor elétrico é visto em uma imagem ampliada de um circuito integrado, mostrada pela figura 1.1. Por outro lado, a figura 1.2 apresenta um turboalimentador utilizado em motores de combustão interna. Os gases de escape do motor impulsionam um dos rotores, o que permite que o outro rotor aumente a pressão de alimentação do motor, aumentando a eficiência do conjunto. 6 Introdução Figura 1.1. Circuito integrado exibindo fios de ouro como condutor de eletricidade (Microscopia Eletrônica de Varredura – 2.000×). Figura 1.2. Turboalimentador automotivo: (a) rotor de impulsão construído em superliga de níquel; (b) rotor de compressão construído em liga de alumínio. Exemplo 1.2 Descreva alguns fatores a serem considerados na especificação de um material a ser empregado na fabricação de pára-choques de automóveis. Introdução 7 Prof. Dr. Rubens Caram Solução O pára-choque de um automóvel é, antes de tudo, um componente ligado à segurança do veículo. Em caso de acidente, o mesmo serve de proteção para o veículo, bem como para absorver parte da energia cinética a ser dissipada. O uso de um material muito duro, de alta rigidez ou com elevada resistência mecânica não seria indicado, pois o mesmo permitiria que o efeito do choque fosse transmitido ao resto do veículo, bem como aos seus ocupantes. Até recentemente, os veículos eram produzidos com pára-choques metálicos deformáveis. Atualmente, esses componentes passaram a ser produzidos com materiais poliméricos, que apesar de serem relativamente resistentes, deformam- se em caso de choque frontal do veículo. MATERIAIS CERÂMICOS Os materiais classificados como cerâmicos envolvem substâncias altamente resistentes ao calor e no tocante à estrutura atômica, podem apresentar arranjo ordenado e desordenado, dependendo do tipo de átomo envolvido e à forma de obtenção do material. Esses materiais são constituídos por elementos metálicos e não-metálicos (inorgânicos), formando reações químicas covalentes e iônicas. Em função do arranjo atômico e das ligações químicas presentes, os materiais cerâmicos apresentam elevada resistência mecânica, alta fragilidade, alta dureza, grande resistência ao calor e, principalmente, são isolantes térmicos e elétricos. Nas últimas décadas, uma gama bastante variada de novos materiais cerâmicos foi desenvolvida. Tais materiais caracterizam-se, principalmente, pelo controle de suas composições, das dimensões de suas partículas e do processo de produção dos componentes. Como resultado desse procedimento, é possível produzir dispositivos de alta resistência mecânica e resistentes a temperaturas elevadas, o que possibilita a aplicação dos mesmos em máquinas térmicas, onde o aumento do rendimento está ligado ao aumento da temperatura de trabalho. Em razão de sua excelente estabilidade térmica, os materiais cerâmicos têm um importante papel na fabricação de diversos componentes, tais como insertos de pistões de motores de combustão interna ou ainda, na produção de componentes de turbinas a gás. A figura 1.3 mostra produtos automotivos fabricados com 10 Introdução controla as propriedades do material polimérico. Embora esses materiais não apresentem arranjos atômicos semelhantes ao cristalino, alguns podem exibir regiões com grande ordenação atômica (cristalinas) envolvidas por regiões de alta desordem (não-cristalina). Devido à natureza das ligações atômicas envolvidas (intramoleculares → ligações covalentes e intermoleculares → ligações secundárias), a maioria dos plásticos não conduz eletricidade e calor. Além disso, em função do arranjo atômico de seus átomos, os materiais poliméricos exibem, em geral, baixa densidade e baixa estabilidade térmica. Tal conjunto de características permite que os mesmos sejam freqüentemente utilizados como isolantes elétrico ou térmico ou na confecção de produtos onde o peso reduzido é importante. Um dos materiais poliméricos mais versáteis é o polietileno, com um número de aplicações industriais bastante amplo. Outros exemplos de materiais poliméricos incluem os poliuretano, que é usado na fabricação de implantes cardíacos ou a borracha natural utilizada na fabricação de pneus. A figura 1.4 mostra um exemplo de uso de plástico na indústria automobilística. Figura 1.4. Automóvel experimental projetado pela Chrysler com carroceria produzida em uma única peça de plástico, o que pode resultar em reducão de até 25% de seu preço final (Cortesia Chrysler Corporation, E.U.A.). Introdução 11 Prof. Dr. Rubens Caram Na tabela 1.1 são comparadas algumas propriedades dos materiais metálicos, cerâmicos e poliméricos. Tabela 1.1. Constituição e características dos materiais metálicos, cerâmicos e poliméricos. TIPO DE MATERIAL CARACTERÍSTICAS CONSTITUINTES METÁLICO • MÉDIA - ALTA RESISTÊNCIA MECÂNICA • ALTA DUCTILIDADE • BOM CONDUTOR TÉRMICO E ELÉTRICO • BAIXA - ALTA TEMPERATURA DE FUSÃO • BAIXA - ALTA DUREZA ELEMENTOS METÁLICOS E NÃO-METÁLICOS POLIMÉRICO • BOM ISOLANTE TÉRMICO E ELÉTRICO • ALTA DUCTILIDADE • BAIXA RESISTÊNCIA MECÂNICA • BAIXA DUREZA • BAIXA ESTABILIDADE TÉRMICA CADEIAS MOLECULARES ORGÂNICAS CERÂMICO • ALTA RESISTÊNCIA MECÂNICA • ALTA FRAGILIDADE • BOM ISOLANTE TÉRMICO E ELÉTRICO • ALTA TEMPERATURA DE FUSÃO • ALTA DUREZA ÓXIDOS SILICATOS NITRETOS Exemplo 1.5 12 Introdução O painel de um automóvel moderno é essencialmente fabricado com o uso de plásticos (material polimérico). Entretanto, os automóveis fabricados há mais de 20 anos tinham o mesmo painel fabricado a partir de materiais metálicos. Qual a razão que levou tal substituição. Solução Tal substituição foi efetuada em função de dois fatores: segurança e custos. Com o uso de plásticos, o painel se tornou mais seguro para os ocupantes do veículo em caso de acidente, pois esse materiais deformam-se mais facilmente que os materiais metálicos. Com o desenvolvimento da indústria petroquímica, os plásticos tiveram seu custo reduzido, bem como os processo de moldagem tornaram-se mais eficiente, o que resultou em um produto de preço reduzido. MATERIAIS COMPÓSITOS Os materiais compósitos, também denominados de materiais conjugados, podem ser descritos como a combinação de dois ou mais diferentes materiais, o que resulta em propriedades não apresentadas pelos constituintes individuais. Além disso, os materiais constituintes do material compósito não dissolvem um no outro e exibem um interface bem definida entre eles. Esses materiais podem ser divididos em materiais compósitos naturais ou tradicionais e em materiais compósitos avançados. No primeiro grupo enquadram-se a madeira, o concreto e o asfalto. Por outro lado, os materiais compósitos avançados surgiram há poucas décadas, como resultado de necessidades resultantes de avanços tecnológicos nas indústrias aeronáutica, naval e automobilística. Dentre os materiais compósitos mais comuns destacam-se os de matriz plástica reforçada com fibras de vidro ou carbono, ou ainda, as ligas de alumínio reforçadas com filamentos de boro. Exemplo 1.6 Um automóvel de competição de última geração é basicamente construído com o uso de materiais compósitos do tipo matriz plástica e reforço de fibras de carbono. Qual é a motivação para tal utilização? Solução Introdução 15 Prof. Dr. Rubens Caram Um tubo de cobre utilizado na condução de gases ou líquidos apresenta razoável resistência ao dobramento. Um procedimento simples para "amolecer" esse material é aquecê-lo sob fogo brando por alguns minutos. Qual é o fenômeno que ocorre durante esse procedimento. Solução Após a extrusão do cobre, que é necessária para obter a forma tubular, o arranjo dos átomos desse metal é profundamente alterado, transformando-o em uma estrutura denominada de encruada. Um material encruado tem sua resistência mecânica significativamente aumentada. A ação do calor permite rearranjar os átomos de cobre de acordo com a forma inicial, o que reduz novamente sua resistência mecânica. A natureza e o comportamento dos materiais em serviço estão basicamente associados aos tipos de átomos envolvidos e aos arranjos dos mesmos. Um material pode ser constituído por um ou mais tipos de elementos químicos. Entretanto, a forma com que tais elementos se arranjam no espaço determinará as características do material. Objetivando facilitar o estudo dos materiais em relação as suas estruturas, é possível classificar a mesma em quatro níveis: o subatômico, atômico, microscópico e tamanho de diversas estruturas, desde um corpo de prova até as partículas subatômicas, como apresenta a figura 1.6. O nível subatômico está relacionado à natureza do átomo individual, em relação ao comportamento e distribuição de seus elétrons em torno do núcleo. Além de serem determinantes no tocante às interações entre átomos e conseqüentemente, em relação ao tipo de ligação interatômica formada, o comportamento dos elétrons das camadas periféricas é fundamental na definição de propriedades ópticas, elétricas, térmicas e magnéticas. O fato de um elemento ser bom ou mau condutor elétrico, ou ainda, a possibilidade de um elemento reagir ou não com outros elementos, formando ligações covalente, metálica ou iônica, está ligado à distribuição eletrônica dos elétrons em suas camadas. O nível seguinte é definido como o atômico e está associado ao comportamento de um átomo em relação a outro átomo, ou seja, a interação entre átomos, as ligações entre os mesmos e a formação de estruturas e moléculas. As 16 Introdução ligações interatômicas dependem do comportamento do átomo ao nível subatômico e da natureza dessas dependerá o estado de agregação do material. Enquanto a combinação de um único elemento ou de vários elementos, leva ao arranjo cristalino, em outros casos, tal combinação pode resultar em estruturas amorfas. Por outro lado, dependendo do tipo de átomo envolvido, é possível obter as estruturas moleculares. Figura 1.6. Comparação entre o tamanho de diversas estruturas. O nível microscópico relaciona-se à análise de um conjunto de átomos ou moléculas arranjados no espaço na forma cristalina, amorfa ou molecular. Nesse nível são abordados os defeitos cristalinos como a formação de grãos e o movimento de discordâncias, que são vitais na definição do comportamento mecânico do material. Enquanto alguns produtos metálicos são propositadamente Microestrutura Estruturas de Engenharia 10-15 10-12 Subatômico Atômico Microscópico Macroscópico Arranjos Atômicos Escala (m) Átomos Moléculas Partículas Elementares Núcleo Níveis 10-9 10-6 10-3 10 0 10 3 Objeto Monômeros Polímeros Células Unitárias Contornos de Grão Grãos Circuitos Integrados Corpo de Prova Muralha da China Introdução 17 Prof. Dr. Rubens Caram fabricados com grãos cristalinos refinados, outros necessitam ser produzidos na forma monocristalina. O nível macroscópico relaciona-se às características e propriedades dos materiais em serviço. Por exemplo, o comportamento de um corpo de prova de uma liga de alumínio solicitada mecanicamente dependerá de fatores associados aos três níveis anteriores. Esse corpo de prova, ao ser submetido a um ensaio de tração, apresentará um comportamento ligado à distribuição de elétrons em suas camadas periféricas, que é responsável por suas ligações metálicas. Tal tipo de ligação permite o arranjo cristalino, que controlará as deformações elásticas e plásticas do material. Além disso, a natureza e intensidade dos defeitos cristalinos governarão o comportamento mecânico em relação à ductilidade, resistência mecânica, tensão de escoamento, etc. Problemas 1.1. Quais são as principais classes de materiais usados em engenharia? 1.2. Liste alguns materiais normalmente encontrados em engenharia de materiais. 1.3. Defina o que são materiais conjugados ou compósitos. 1.4. Dê exemplos de materiais que foram substituídos por outros em determinadas aplicações industriais. Explique as razões de tais substituições. 1.5. Atualmente, diversos componentes de motores de combustão interna são confeccionados a partir de materiais cerâmicos. Qual a principal vantagem do emprego destes materiais neste caso? 1.6. Considere uma aeronave moderna. Pesquise os novos materiais envolvidos na construção da mesma. 1.7. Considere um automóvel moderno. Liste alguns materiais não tradicionais envolvidos na construção do mesmo.