Materiais

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Materiais

ENG06638-Introdução à engenharia metalúrgica
Nestor Cezar Heck / UFRGS – DEMET
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1 - Materiais
Define-se material como sendo aquilo que empregamos na confecção de bens materiais tais
como: habitações, veículos, máquinas e equipamentos, utensílios, etc.
1-1. Classificações
Os materiais são classificados tecnicamente em três classes principais independentes e uma
composta (ver Figura 1-1), denominadas, respectivamente: polímeros, cerâmicas, metais e compósitos.
Os materiais metálicos compõem o tema central da metalurgia.
Figura 1-1: Classificação técnica dos materiais
Dentro dessa ótica, J.W. Bullard (http://www.mse.uiuc.edu/info/mse182/t41.html), da
Universidade de Illinois, EUA, apresenta as principais subclasses dessa classificação:
Classe
Metais
Cerâmicas
Polímeros
Compósitos
Subclasse
A. Ferro e aço;
B. Ligas não-ferrosas e superligas (aplicações aeroespaciais)
C. Compostos intermetálicos (materiais estruturais de alta temperatura)
A. Cerâmicas estruturais (materiais estruturais de alta temperatura)
B. Refratários (materiais resistentes à corrosão, isolantes térmicos)
C. Cerâmica branca (porcelanas)
D. Vidros
E. Cerâmicas para aplicações elétricas (capacitores, isolantes, transdutores, etc.)
F. Cerâmicas ligadas quimicamente (cimento e concreto)
A. Plásticos
B. Cristais líquidos
C. Adesivos
A. Compósitos particulados (pequenas partículas dispersas em um material diferente)
B. Compósitos laminados (tacos de golfe, raquetes de tênis)
C. Compósitos reinforçados com fibras (fibra de vidro, fibra de carbono)
Tabela 1-I: Principais subclasses de materiais (adaptado)
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A maioria das classificações dos materiais nasceu num tempo em que as propriedades
mecânicas estavam em primeiro plano. Assim, a primeira associação de materiais é feita tendo-se em
vista normalmente uma determinada propriedade mecânica ou estrutural: dureza, resistência,
fragilidade, etc. Outras classificações podem ser feitas como, por exemplo, com base na Química
(Tabela 1-II).
Metais
Semicondutores
Cerâmicos
Vidros
Polímeros
Ligação
metálica
covalente, (iônica)
covalente, iônica
covalente, iônica
covalente, lig. secundárias
Menor partícula
átomo
átomo
molécula
molécula
cadeia de moléculas
Estrutura
cristalina
cristalina (raram. amorfa)
cristalina
amorfa
amorfa (raram. cristalina)
Tabela 1-II: Classificação química dos materiais
Uma classificação moderna e muito interessante dos materiais é aquela onde eles são
divididos em apenas dois grandes grupos:

materiais estruturais: que são todos os materiais para os quais as propriedades mecânicas
têm um papel fundamental; e
materiais funcionais: que servem para cumprir um grupo de funções como, por exemplo,
materiais ‘semicondutores’, materiais magnéticos, materiais condutores de eletricidade,
luz, etc.
Lembre-se, contudo, que a natureza é refratária às classificações e que uma classificação
totalmente isenta de exceções é virtualmente inexistente.
1-2. Propriedades
Os materiais são usados por causa de suas boas propriedades. Usamos vidro nas vidraças
porque é transparente à luz visível, aço nos automóveis por causa da sua boa resistência mecânica,
cobre nos condutores elétricos por causa da sua boa condutividade elétrica.
Naturalmente o valor de uma propriedade varia mesmo entre os materiais de uma mesma
classe, contudo, é possível observar-se certo grau de correlação entre as classes de materiais e as
propriedades. A magnitude de algumas propriedades (mecânicas) interessantes, para as quatro
diferentes classes de materiais, pode ser vista na Tabela 1-III.
Propriedade
Densidade
Mód. de Young
Res. à tração
Unidade
Mg**/m3
GPa
MPa
Metais Cerâmicas Polímeros Compósitos*
2-10
1-5
1-2
1,5-2,0
50-200
10-1000
0,01-10
10-200
50-2000
1-800
5-100
100-1000
* com matriz polimérica
** Mg = megagrama ou tonelada (métrica)
Tabela 1-III: Faixas de algumas propriedades, por classe de material
Fonte: Ashby e Jones, Eng. Mat.2, p.376
Duas propriedades mecânicas citadas acima estão relacionadas com o nível de tensão (que
possui as unidades da pressão): o módulo de Young e a resistência mecânica à tração. Elas
exemplificam a grande relevância que a tensão tem no estudo dos materiais.
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1-3. Materiais metálicos: características e aplicações
Bullard (http://www.mse.uiuc.edu/info/mse182/t41.html) sintetizou as principais características,
aplicações e exemplos dos materiais da classe dos metais (adaptado):
Características básicas:

átomos organizados numa estrutura repetitiva regular (cristal);
relativamente resistente (propriedade mecânica);
denso;
maleável ou dúctil: alta plasticidade;
resistente à fratura: alta tenacidade;
excelente condutor de eletricidade e calor;
opaco à luz visível;
aparência com (o assim chamado) brilho metálico.
Aplicações:

condução de eletricidade: fiação elétrica;
estruturas: construção civil, pontes, pavilhões industriais, etc.;
automóveis: corpo, chassis, molas, bloco do motor, etc.;
aeroplanos: componentes do motor, fuselagem, conjuntos de trem de pouso, etc.;
trens: trilhos, componentes do motor, corpo, rodas;
máquinas e ferramenta: brocas, martelos, chaves-de-fenda, lâminas de serra, etc.;
materiais com memória de forma: próteses dentárias corretoras de mau posicionamento;
magnetos;
catalisadores.
Exemplos de metais e ligas empregados freqüentemente:

elementos metálicos ‘puros’: Cu, Zn, Al, etc.;
ligas: Cu-Sn (bronze), Cu-Zn (latão), Fe-C (aço), Pb-Sn (solda), NiTi (Nitinol);
compostos intermetálicos: WC (‘widia’).
1-4. Principais razões para a aplicação dos materiais metálicos
Natureza da
propriedade
Exemplos:
Propriedades
físicas
Propriedades
mecânicas
Propriedades
químicas
Conhecimento
científico
Fatores de
produção
Condutividade elétrica e térmica, refratariedade, cor, brilho, densidade;
Resistência em alta e baixa temperatura, conformabilidade, tenacidade, ductilidade,
dureza;
Susceptibilidade à corrosão (aquosa e oxidação em alta temperatura);
Formação de ligas com outros metais e soldagem;
De como conformar, como tratar (dar propriedades interssantes), etc.;
Abundância e oferta confiável de matérias primas; suprimento garantido; métodos
extrativos conhecidos; e, processos de produção não-poluentes;
Mercado confiável para "produtos metálicos"
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Fatores
ambientais
Durabilidade;
Reciclabilidade do material;
Degradação rápida e sem perigos;
Produtos da decomposição conhecidos.
Fatores de custo De produção da mercadoria metálica;
De manutenção
De reposição
1-5. A competição entre os materiais e os casos mais difíceis
Materiais de diferentes classes (ou, mesmo, da mesma classe) competem entre si nas
diferentes aplicações que lhes podemos dar em utensílios, mecanismos, habitações, móveis, meios de
transporte, etc.
Fora dessa região de franca competição, há duas áreas, em campos opostos, onde existem
dificuldades em se aplicar materiais; elas são: (i) a região das aplicações sem materiais sucedâneos e,
(ii) a das aplicações ainda sem materiais ‘ideais’ ou eficientes. Um exemplo do primeiro é dado pelo
tungstênio em filamentos de lâmpadas incandescentes e, do segundo, é dado pelo vidro em janelas
blindadas!