1- EXIGÊNCIAS DOS MATERIAIS UTILIZADOS EM ENGENHARIA

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EXIGÊNCIAS DOS MATERIAIS
UTILIZADOS EM ENGENHARIA
Os materiais à disposição dos engenheiros e projetistas são divididos em três
grupos principais:materiais metálicos, materiais polímeros emateriais cerâmicos.
Os materiais metálicos são caracterizados pelas propriedades como: elevada
dureza, alta plasticidade, grande resistência mecânica e alta condutibilidade térmica e
elétrica. São substâncias inorgânicas compostas por um ou mais elementos metálicos e
podem conter elementos não metálicos. Podemos encontrar materiais metálicos nos
mais diversos setores industriais, como: construção civil, indústria automobilística,
aeronáutica, eletrônica, biomédica, transportes, utensílios de cozinha etc.
Os materiais polímeros diferentemente dos materiais metálicos são maus
condutores de eletricidade. Em geral são usados como isolantes elétricos. A resistência
e a ductilidade variam muito, além de amolecerem ou se decomporem a baixas
temperaturas. Representam um grande número de substâncias, alguns materiais
orgânicos de ocorrência natural e outras sintéticas, ou seja, apresentam grande
quantidade de átomos carbono em sua composição. Conhecidos como plásticos,
podemos citar como exemplo: polietileno, nylon, polietileno tereftalato (PET), entre
outros.
Os materiais cerâmicos são constituídos por elementos metálicos e não-
metálicos e podem ser naturais ou sintéticos preparados à base de óxidos e/ou não
óxidos ligados por ligações de caráter misto (iônico-covalente). Subdividem-se em
alguns grupos: cerâmicas tradicionais, vidros, abrasivos, cimentos e cerâmicas
avançadas.
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Em geral, resistem a altas temperaturas, tem alta dureza, frágeis a impactos mecânicos
e são bons isolantes térmicos e elétricos. Tomamos como exemplos de materiais
cerâmicos: telhas, louças, porcelanas, azulejos, tijolos, entre outros.
Mas como podemos conhecer todas essas características e sabermos qual tipo
de material garante uma boa qualidade de aplicação no produto final? Para obtermos
sucesso em qualquer projeto, precisamos conhecer as propriedades dos materiais.
Afinal, quais são estas propriedades e como podemos obter esses dados?
Independente da aplicabilidade, os materiais estão sujeitos a qualquer tipo de
estímulo gerando assim uma resposta. De acordo com Callister (2016), o tipo e
magnitude dessa resposta é uma característica de um material, denominada
propriedade.
Callister (2016) afirma que as propriedades são divididas em seis categorias:
mecânica, elétrica, térmica, magnética, óptica e de deterioração. Neste capítulo
estudaremos as propriedades mecânicas, elétricas, térmicas e como estas podem ser
obtidas.
1. PROPRIEDADES MECÂNICAS
As propriedades mecânicas estão relacionadas com a deformação que o
material sofre quando uma força ou carga lhe é aplicada (CALLISTER, 2016). São
exemplos de propriedades mecânicas: resistência mecânica (permite que o material
seja capaz resistir a esforços como tração e compressão), elasticidade (capacidade do
material se deformar quando é aplicada uma carga e retomar a sua estrutura inicial
quando o esforço é retirado), plasticidade (capacidade do material se deformar
quando é aplicada uma carga e não retornam a sua posição de origem após a remoção
desta carga), dureza (medida da resistência de um material sob uma deformação
plástica localizada) e fragilidade (baixa resistência aos choques).
Dentre os ensaios disponíveis para obtenção das propriedades mecânicas
(tração, dureza, compressão e fadiga), os ensaios de dureza são frequentemente
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usados pelos seguintes motivos: são simples e baratos (não há necessidade de corpo
de prova especial), é não destrutivo (o corpo de prova não é deformado, deixando
apenas uma marca na peça) além disso, outras propriedades mecânicas podem ser
estimadas a partir dos dados de dureza.
CALLISTER (2016) apresenta quatro técnicas de ensaios de dureza: Brinell,
Microdureza Vickers, Microdureza Knoop, Rockwell e Rockwell Superficial. Os ensaios
de dureza Rockwell é o mais utilizado, por dois motivos: simples execução e não
exigem quaisquer habilidades especiais.
No sistema de dureza Rockwell, a carga é aplicada em duas etapas: pré-carga, a
fim de obter um contato firme entre o corpo de prova e o penetrador, e em seguida a
carga do ensaio é aplicada. A leitura do grau de dureza é realizada em um mostrador
acoplado à máquina de ensaio, Figura 1.
Figura 1 – Mostrador do grau de dureza. Fonte: Telecurso 2000.
Ao observarmos a Figura 1, notamos que existem duas escalas (vermelha e
preta). A leitura da escala está relacionada com o tipo de penetrador usado. Se
usarmos o penetrador cônico de diamante, a leitura deve se na escala externa do
mostrador (cor preta), e caso o penetrador for tipo esférico, a leitura deverá ser feita
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na escala interna (cor vermelha). Existem também, equipamentos com mostrador
digital, em que o valor é dado diretamente na escala determinada.
As escalas de dureza são determinadas em função do tipo de penetrador e o
valor da carga maior, Tabela 1. Neste ensaio utiliza-se uma pré-carga de 10 kgf e as
cargas principais são de 60, 100 e 150 kg (CALLISTER, 2016).
Símbolo da
Escala Indentador
Carga Principal
(��)
A Diamante 60
B Esfera com 1
16
in 100
C Diamante 150
D Diamante 100
E Esfera com 1
8
in 100
F Esfera com 1
16
in 60
G Esfera com 1
16
in 150
H Esfera com 1
8
in 60
K Esfera com 1
8
in 150
Tabela 1 – Escalas de Dureza Rockwell. Fonte: CALLISTER (2016).
Estas escalas não têm relação entre si. Assim, ao comparamos os valores de
dureza de uma amostra ela só pode ser comparada a outra material ensaiado na
mesma escala.
Ao especificar as durezas Rockwell, tanto o número da dureza quanto o símbolo
da escala devem ser indicados. Tomemos como exemplo a interpretação do resultado
64HRC, 64 é o valor da dureza, HR indica que o ensaio é de dureza Rockwell e a letra C
indica a escala empregada.
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Outra forma de caracterizar as propriedades mecânicas é através dos ensaios
de tração. Neste ensaio, em geral, o corpo de prova é deformado até a sua fratura, por
uma carga de tração, aplicada uniaxialmente ao logo do eixo do corpo de prova.
Normalmente, o corpo de prova tem a seção circular, como a forma de “osso de
cachorro”, Figura 2. Essa configuração foi adotada porque durante os ensaios, ocorre a
deformação na região central mais estreita e, para reduzir a ocorrência de fratura nas
extremidades do corpo (CALLISTER,2016).
Figura 2 – Exemplo de corpo de prova para ensaio de tração. Fonte: O autor.
A deformação do material por unidade de área, ou alongamento específico,
será determinado por,
� =
�� − ��
��
=
∆�
�0
em que �� é o comprimento instantâneo e �� é o comprimento da barra antes da carga
ser aplicada. A deformação do material não possui unidades, sendo em algumas vezes,
expressa em porcentagem, multiplicandoo valor da deformação por 100.
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2. PROPRIEDADES ELÉTRICAS
As propriedades elétricas é uma resposta quando um determinado material é
exposto a um campo elétrico. A condutividade elétrica corresponde à capacidade dos
materiais conduzir corrente elétrica, e a resistividade, a resistência que o material
oferece à passagem de corrente elétrica (GOTO, H.).
A Lei de Ohm relaciona a corrente � em ampère, com a voltagem aplicada � em
volt, conforme,
� = ��
onde � é a resistência do material em ohm.
A condutividade elétrica de um material, pode ser obtida da seguinte maneira,
� =
�
��
em que � é a distância entre os dois pontos que a voltagem é medida, em metros, e � a
área da seção transversal perpendicular à direção da corrente,�2. A unidade para � é
o inverso de ohm-metro.
De acordo com Callister (2016), uma forma de classificar os materiais sólidos é
conforme a facilidade com que eles conduzem corrente elétrica:
 Condutores: condutividade da ordem de 107 Ω� −1;
 Semi-condutores: condutividade entre 10−6 e 104 Ω� −1;
 Isolantes: condutividade entre 10−20 e 10−10 Ω� −1.
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3. PROPRIEDADES TÉRMICAS
As propriedades térmicas correspondem ao comportamento dos materiais
quando são submetidos a variações de temperatura. Elas podem ser classificadas
como ponto de fusão, temperatura em que o material passa do estado líquido para o
sólido, dilatação térmica, propriedade que faz que com os materiais aumentem de
tamanho a elevadas temperaturas e ainda, a condutividade térmica que é a
capacidade que determinados matérias têm de conduzir calor.
A condutividade térmica do material pode ser obtida conforme a lei de Fourier,
�'' =
�
�∆�
onde �'' é o fluxo de calor imposto, em Watts por metro quadrado, � a espessura da
amostra em metros, ∆� a diferença de temperatura, e � a condutividade térmica do
material em W/m°C. O valor de � é maior para os bons condutores e baixo para os
isolantes térmicos.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CALLISTER, Jr., W.D. Ciência e engenharia de materiais: Uma introdução – Rio de
Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 2016. 9. Ed
GOTO, Hudson; RIBEIRO, João Paulo Caixeta; CENTOFANTE, Roberta. Materiais da
Construção. Porto Alegre: SAGAH EDUCAÇÃO S.A, 2018. 303 p. ISBN 978-85-9502-772-
5.
Telecurso 2000 profissionalizante. Ensaios de materiais. São Paulo 1997. Aula 12.
Disponível em:
http://ftp.demec.ufpr.br/disciplinas/EngMec_NOTURNO/TM336/dureza%20rockwell.p
df. Acesso 04/09/2021.
Polímeros condutores. Disponível em:
http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc11/v11a03.pdf. Acesso 16/09/2021.