Seleção de Materiais - Propriedades Mecânicas e Elétricas

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A seleção de materiais envolve compreender que é necessário relacionar viabilidade econômica no desenvolvimento do produto com as propriedades que o produto deverá possuir para atender às necessidades de utilização e outros critérios que por ventura sejam exigidos, por exemplo, limitações de fornecedores, exigência de clientes ou respeito a alguma legislação ambiental.
Materiais em Projeto
O desenvolvimento de produtos possui diversas etapas de projeto, desde verificar o portfólio de produtos quanto à viabilidade de mercado, incluindo a análise de maquinário necessário para criação do produto e passando pela análise dos materiais que serão utilizados no desenvolvimento do produto, até a embalagem.
Os materiais são avaliados no projeto considerando aspectos econômicos, como disponibilidade de fornecedores locais, visto que quanto maior a distância do fornecedor, maior será a chance de encarecer o valor. Ainda dentro dos aspectos econômicos, são considerados os processos de fabricação que o material exige e as propriedades mecânicas. Por exemplo, para um determinado produto é verificado que três tipos de ligas metálicas atendem às necessidades de resistência mecânica do produto final, porém a primeira liga possui um preço muito elevado em comparação com as outras e a segunda necessita que seja processada por uma técnica que exige um maquinário cujo preço é muito elevado. Assim, nesse caso, a melhor escolha será a terceira liga, pois possui preço mais acessível e não exige um processamento oneroso.
Além das questões econômicas, é fundamental analisar o material conforme suas características mecânicas, ou seja, se a escolha do material contempla o uso para qual o produto será submetido. Para isso, devem-se incluir as condições de resistência a intempéries locais. Quando não há um minucioso trabalho de pesquisa para identificar as condições em que o material estará submetido, podem ocorrer acidentes. Um exemplo é o desabamento de parte do viaduto da BR 116 (Régis Bittencourt), em 2005. Esse acidente resultou na morte de um caminhoneiro que passava no local no momento em que a estrutura cedeu. Na imagem a seguir, é possível observar que esse trecho da rodovia possuía dois viadutos paralelos, sendo que parte do viaduto sentido Paraná desabou na encosta da represa do Capivari (CENACID, 2005).
Figura 1.1 - Vista da parte do viaduto da BR 116 que desabou em 2005
Fonte: CENACID (2005).
No estudo sobre materiais, temos a ciência dos materiais e a engenharia de materiais. Em resumo, a ciência dos materiais contempla os conhecimentos básicos sobre estrutura interna dos materiais, bem como as propriedades e as formas de processamento. Já a engenharia de materiais consiste na aplicação da ciência dos materiais no desenvolvimento de produtos. A maioria dos materiais utilizados na engenharia de materiais pode ser catalogada em materiais metálicos e materiais não metálicos, sendo que os materiais não metálicos podem ser materiais cerâmicos ou materiais poliméricos (SMITH; HASHEMI, 2012). Vale lembrar que materiais poliméricos são todos os materiais compostos por polímeros.
Figura 1.2 - Relação entre as ciências dos materiais e outras áreas
Fonte: Adaptado de Smith e Hashemi (2012, p. 4).
A partir da Figura 1.2, percebemos a relação entre engenharia e ciência dos materiais com outras áreas. A ciência dos materiais pode ser aplicada, por exemplo, na medicina, com os biomateriais e os materiais que compõem equipamentos médicos, e também na geologia, com o aperfeiçoamento dos materiais utilizados para fazer as brocas de perfuração geológica.
A Evolução dos Materiais
O homem pré-histórico utilizava os materiais disponíveis na natureza, como pedras, conchas e madeira, para sobreviver. Há indícios de pedras lascadas com formato pontiagudo que indicam que, em alguns momentos, houve um interesse em aperfeiçoar o material disponível para atender a uma necessidade (nesse caso, a necessidade da caça).
Figura 1.3 - Pedra lascada exposta no Museu da Natureza na Serra da Capivara (Piauí)
Fonte: Mario Cesar Mendonça Gomes / Wikimedia Commons.
Historicamente, o desenvolvimento das civilizações se sustentou no desenvolvimento de ferramentas para o trabalho humano (no trabalho com animais, na agricultura ou demais atividades econômicas) e na fabricação de armas. Conforme resultado de indícios arqueológicos encontrados até o presente momento,  temos as idades dos metais como a última fase da pré-história. A partir desse início da metalurgia, a humanidade aperfeiçoou técnicas e materiais. Veja a seguir o infográfico sobre os materiais ao longo da história.
IDADE DA PEDRA
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Quando o homem primitivo utilizava pedras para criar suas ferramentas, sendo denominada de “Nova idade da pedra” o período em que havia um trabalho de lascar e polir as pedras, aproximadamente de 8.000 a. C.
IDADE DO COBRE
Marca o início da idade dos metais aproximadamente 6.500 a.C.
IDADE DO BRONZE
O bronze é uma liga metálica resultante da união entre estanho e cobre aproximadamente 3.000 a. C.
IDADE DO FERRO
Aproximadamente 1200 a. C., a partir do trabalho com ferro que surgiu o aço.
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Fonte: (Britannica Escola, 2020).
Ao longo da história da humanidade ocorreram várias tentativas de aperfeiçoar processos de fabricação e de tratamento dos materiais. Nas últimas décadas, com o advento da internet, que facilitou o acesso à informação e o compartilhamento rápido de pesquisas, houve uma maior difusão de pesquisas voltadas à evolução dos processos de criação e processamento dos materiais. Isso é evidenciado em linhas de pesquisa voltadas para os biomateriais e materiais compósitos.
Os biomateriais são materiais que precisam ser biocompatíveis com o organismo humano, como os que são utilizados para implantes. O termo biocompatível define os materiais que não produzem substâncias tóxicas quando em contato com fluidos e tecidos vivos; não são necessariamente inertes. Um exemplo são os fios de sutura para cirurgias internas que são absorvidos com o tempo (há uma reação, mas ela não é tóxica).
Já os compósitos são um grupo de materiais que podem ser aplicados em diversas áreas. Eles consistem na associação de dois ou mais tipos de materiais, por exemplo, o compósito plástico e fibra de coco, que é utilizado atualmente para criar vasos de plantas.
Na evolução dos materiais, há um grupo conhecido como materiais inteligentes, que alteram suas propriedades (mecânicas, elétricas ou de forma) conforme os estímulos que recebem. Esses estímulos podem ser alteração na temperatura, tensão, luz, umidade, campo elétrico ou magnético. Um exemplo são os metais memória que, em função de algum estímulo pré-programado, retornam ao formato da programação. Uma aplicação de metal memória de forma são os stents , reforço expansível. Trata-se de estruturas metálicas utilizadas para desobstruir artérias ou conter aneurismas. O stent é um metal com memória de forma que, na temperatura ambiente, apresenta-se linear (normalmente como uma estrutura tubular) e, em contato com a temperatura corporal, muda a sua forma para o formato de uma mola, desobstruindo a artéria. Isso só é possível porque a liga metálica com memória de forma (por exemplo, a liga cromo-cobalto e o nitinol, que é uma liga de níquel com titânio) foi programada para reagir assim com relação ao estímulo da temperatura corporal (SMITH; HASHEMI, 2012) e (AL-MUBARAK et al ., 2004).
Há materiais que geram um campo elétrico quando estimulados por uma força mecânica. Essa característica é denominada piezeletricidade, e os materiais que a possuem são conhecidos como materiais piezelétricos. Essa reação pode ser estimulada inversamente, ou seja, ao submeter esses materiais a um campo elétrico externo, haverá uma resposta mecânica (SMITH; HASHEMI, 2012). Um exemplo são os buzzers (transdutores piezoelétricos), mecanismos que podem ser utilizados em uma placa de arduino que, ao receber o estímulo externo de um campo elétrico, cria uma vibração gerando um som.
Os nanomateriais são estruturas com dimensões da ordem do nanômetro (10−9m10−9�)e podem ser compostos de metais, polímeros, cerâmicos ou compósitos. A utilização de estruturas tão pequenas possibilita o aperfeiçoamento de propriedades mecânicas, elétricas e magnéticas, como no caso dos grãos magnéticos que são utilizados no drivers de discos rígidos (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2018).
Leia o trecho a seguir.
“Os materiais inteligentes são um grupo de novos materiais de última geração que estão sendo atualmente desenvolvidos e que terão uma influência significativa sobre muitas das nossas tecnologias. O adjetivo inteligente implica que esses materiais são capazes de sentir mudanças nos seus ambientes e, assim, responder a essas mudanças segundo maneiras predeterminadas – características que também são encontradas nos organismos vivos”.
CALLISTER JR, W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e engenharia de materiais : uma introdução. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2018. p. 11.
Ao longo da história da humanidade foram aprimoradas as técnicas de utilização dos materiais, incluindo aperfeiçoamento da fabricação. Considerando a evolução dos materiais, assinale a alternativa que apresenta corretamente a nomenclatura utilizada como característica dos materiais que não liberam substâncias tóxicas quando em contato com fluidos corporais.
Parte superior do formulário
a) Compósito.
b) Memória de forma.
c) Biomaterial.
d) Biocompatível.
e) Piezeletricidade.
Parte inferior do formulário
As  propriedades mecânicas dos metais descrevem como cada material metálico reage em relação a estímulos externos, como mudança de temperatura, de umidade, de pressão, de ph ou em caso de impacto. A época da Segunda Guerra Mundial foi um momento em que se buscou construir navios de forma mais rápida, sem uma criteriosa análise científica, a fim de combater as tropas alemãs. O problema foi que os primeiros navios da Classe Liberty apresentaram falhas catastróficas, visto que trincas nos navios se propagaram tão rapidamente e de forma tão severa que eles se partiram ao meio.
Figura 1.4 - Fratura do navio Liberty
Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2018, p. 5).
Após uma sequência de ocorrências catastróficas, foram buscar entender o que poderia ter afetado a estrutura. Os navios da classe Liberty foram construídos no Atlântico Norte, onde as chapas metálicas do casco ficavam na transição dúctil para frágil, ou seja, a temperatura em que estava submetido o navio facilitava a fragilidade e a consequente formação de trincas. Além disso, as chapas foram soldadas em vez de rebitadas para agilizar o processo de fabricação dos navios e os cantos das escotilhas tinham um formato que fazia com que se tornassem pontos de concentração de tensões facilitando a geração de trincas (CALLISTER JR; RETHWISCH, 2018).
Existem diversos ensaios para definir propriedades mecânicas dos materiais, todos conforme normas ASTM ( American Society for Testing and Materials ), para que, independentemente do local, do laboratório e das barreiras linguísticas, exista a possibilidade de serem repetidos da mesma forma e mantendo os mesmos padrões. Os principais ensaios realizados nos metais são ensaios de: tração, compressão, flexão, dureza, fluência, impacto, fadiga e envelhecimento acelerado.
Conceito de Tensão-Deformação
Quando uma estrutura metálica é tracionada (tensionada positivo, que é o mesmo que esticada) em um único sentido, ocorre uma deformação da estrutura, mas o que é analisado é se essa deformação continua após a retirada da força que estava tracionando, pois se a estrutura retorna às dimensões iniciais (antes de ser submetida à força de tração), é denominada deformação elástica. Quando a estrutura metálica não retorna às dimensões iniciais, é denominada deformação plástica (SMITH; HASHEMI, 2012). Essa característica de deformação plástica de alguns metais é utilizada na estampagem (processo de fabricação), em que chapas metálicas são pressionadas em formas para se obter o formato desejado (como paralamas ou portas de veículos).
Figura 1.5 - Gráfico de resistência à tração
Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2018, p. 7).
O ensaio de tração consiste em submeter um corpo de prova do material que se deseja testar, de forma que suas extremidades estejam fixadas e sejam esticadas gradativamente até a ruptura do material. Os parâmetros tensão de engenharia (σ�) e deformação de engenharia (ϵ�) dependem da área transversal da seção da amostra (A0�0), da força instantânea aplicada na direção perpendicular à seção transversal (F), do comprimento inicial do corpo de prova (l0�0) e do comprimento durante a aplicação da força de tração (l�). Onde,
Tensão da engenharia é σ=FA0�=��0
Deformação de engenharia é ϵ=l−l0l0=Δl (variaa~o do comprimento da amostra)l0 (comprimento inicial da amostra)�=�−�0�0=Δ� (������~� �� ����������� �� �������)�0 (����������� ������� �� �������)
Na prática, os valores de deformação de engenharia são multiplicados por 100, sendo descritos como deformação percentual ou alongamento percentual.
Figura 1.6 - Corpo de prova para ensaio de tração
Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2018, p. 158).
O corpo de prova, conforme a descrição da figura 1.6, é colocado no equipamento de ensaio de tensão-deformação por tração, conforme representado a seguir.
Figura 1.7 - Modelo de equipamento para ensaio de tensão-deformação sob tração
Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2018, p. 158).
Por exemplo, considere um corpo de prova de alumínio comercialmente puro, com 1,30 mm de largura, 0,10 cm de espessura e 20,3 mm de comprimento, que foi submetido a uma força de 11.120 N. São marcados dois pontos no centro da amostra no sentido longitudinal (o mesmo sentido onde será aplicada a força). A distância entre esses dois pontos é de 5,0 mm inicialmente e, depois de aplicada uma força de tração, a distância entre as marcas passa para 6,5 mm. Calcule a deformação e a tensão de engenharia.
Solução: primeiro é importante destacar que nem todas as medidas estão com a mesma unidade, então vamos reescrever usando todas as medidas em milímetros e identificar quais são os valores das variáveis:
Tensão da engenharia é σ=FA0�=��0 e deformação de engenharia é ϵ=l−l0l0�=�−�0�0. Sabendo que  A0=(1,30 mm ×1,0 mm)=1,30 mm2�0=(1,30 �� ×1,0 ��)=1,30 ��2, F=11.120 N�=11.120 �, l=6,5 mm�=6,5 �� e l0=5,0 mm�0=5,0 ��, a tensão da engenharia é σ=FA0=11.120 N1,30mm2=8.553,85 N/mm2�=��0=11.120 �1,30��2=8.553,85 �/��2. A deformação de engenharia é ϵ=l−l0l0=6,5 mm − 5,0 mm 5,0 mm=1,5 mm5,0 mm=0,3, �=�−�0�0=6,5 �� − 5,0 �� 5,0 ��=1,5 ��5,0 ��=0,3, sendo o alongamento percentual =0,3 ×100=0,3 ×100.
Usualmente, esses dados são fornecidos em forma de tabela (são dados das ligas metálicas conhecidas) e são calculados dessa forma por ensaios nos casos do desenvolvimento de novos materiais, como compósitos.
Os resultados obtidos no ensaio são descritos na forma de gráfico de tensão-deformação, que pode ser observado a seguir. Observe que, ao longo da curva, são representadas as mudanças no corpo de prova, desde a deformação elástica, passando pela deformação plástica até o ponto de fratura.
Figura 1.8 - Gráfico de tensão-deformação até o ponto de ruptura do corpo de prova
Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2018, p. 166).
Como as forças aplicadas nas extremidades do corpo de prova são iguais, há um estrangulamento no centro do corpo de prova até a fratura. Veja que só uma região central é deformada. Essa ocorrência é denominada estricção, o que, em algumas referências, é chamada de “pescoço”. É nessa área que ocorrerá a fratura.
A ductilidade descreve o grau de deformação plástica (aquela deformação irreversível, que não volta após a redução da carga de tensão) que ocorre no material no momento da fratura, e é medido em função do alongamento percentual. A ductilidade aumenta com o aumento da temperatura, enquanto que o limite de resistência à tração diminui (CALLISTER; RETHWISCH, 2018). Por isso, a ductilidade pode ser descrita como alongamento percentual  ou na forma de redução percentual na área , onde Af�� é a área da seção transversal no ponto de fratura e A0�0 é a área da seçãotransversal inicial.
A maioria dos metais e ligas metálicas apresenta uma relação linear entre tensão e deformação na área elástica do diagrama de tensão-deformação de engenharia. Essa relação é definida pela lei de Hooke na forma de σ=Eϵ�=��, sabendo que σ� é tensão da engenharia, ϵ� é deformação de engenharia e E�  é o módulo de elasticidade (também conhecido como módulo de Young). A medida E� descreve a rigidez de um material. Por exemplo, o módulo de elasticidade do aço é de 207 GPa (independente do tratamento térmico ou teor de carbono). Quando a tensão aplicada resulta em uma deformação plástica significativa, é denominada tensão de escoamento. Quando não há um ponto bem definido entre a deformação elástica e a deformação plástica no gráfico de tensão-deformação, é feita a opção de utilizar um ponto no início da  tensão de escoamento. Quando já ocorreu uma certa deformação plástica, geralmente 0,2% de deformação plástica (mas isso varia, por exemplo no Reino Unido o limite convencional é 0,1%).
Figura 1.9 - Diagrama de tensão-deformação de latão
Fonte: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2018, p. 167).
A tensão de escoamento a 0,2% é conhecida como tensão limite convencional de elasticidade a 0,2%, que é definida no diagrama de tensão-deformação de engenharia. Para obter a tensão de escoamento a partir do diagrama de tensão-deformação, primeiro é necessário traçar uma reta paralela à região elástica passando pelo ponto correspondente a 0,2%, ou seja, 0,2100=0,0020,2100=0,002 m/m, que é igual a 0,002 mm/mm. O local onde essa reta interceptar o gráfico será o ponto no qual deverá ser traçada uma perpendicular para obter o valor de tensão de escoamento, que, nesse caso, corresponde a  250 MPa.
Outro fator importante é o coeficiente de Poisson (v�), que representa a razão negativa das deformações transversal e longitudinal, em que v= −ϵxϵz= −ϵyϵz�= −����= −����. Os valores do coeficiente de Poisson são tabelados e de fácil consulta. Os materiais metálicos, por exemplo, ficam na faixa de 0,25 e 0,35.
A resiliência consiste na habilidade dos materiais de absorver a energia quando são deformados elasticamente. Após a retirada da carga, é possível recuperar essa energia. O módulo de resiliência corresponde à energia de deformação por unidade de volume necessária para tensionar o material desde o estado sem carga até sua resistência ao escoamento.
A tenacidade consiste na habilidade de um material absorver a energia e se deformar plasticamente antes de fraturar. É a propriedade que é analisada nos ensaios de impacto.
A tensão verdadeira é definida por σV=FAi��=���, pois corresponde à carga instantânea (F�) aplicada, dividida pela área instantânea da seção transversal (Ai��). Já a deformação verdadeira, ϵV=ln lil0��=�� ���0 ou ϵV=ln A0Af��=�� �0��,  corresponde ao logaritmo natural da razão entre os comprimentos instantâneo (li��) e original (l0�0) do corpo de prova (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2018) e (NEWELL, 2010).
Por exemplo, um corpo de prova de aço é testado sob tração até sua fratura, tendo sido determinado que ele tem resistência à fratura, expressa em tensão de engenharia, σf�� de 460 MPa. Considerando que A0=128 mm2�0=128 ��2 e Af=89 mm2��=89 ��2, determine a tensão verdadeira σv�� e a deformação verdadeira ϵV��.
Solução: Primeiro, é preciso identificar os valores que serão utilizados. Vamos obter F, �, que é F=σf⋅A0=(460×106 N/m2)(128 mm2)(1 m2106 mm2)=58.800 N�=��⋅�0=(460×106 �/�2)(128 ��2)(1 �2106 ��2)=58.800 �
Observe que Af�� corresponde à área instantânea no momento da ruptura.
Agora, vamos definir a tensão verdadeira: σv=58.800 N(89 mm2)(1 m2106 mm2)=660×106 N/m2��=58.800 �(89 ��2)(1 �2106 ��2)=660×106 �/�2
Vimos que a deformação verdadeira é ϵV=ln lil0��=�� ���0, contudo ela também pode ser escrita como ϵV=ln A0Af��=�� �0��, logo ϵV=ln 12889=ln 1,4=0,36.��=�� 12889=�� 1,4=0,36.
Há também o ensaio de tensão-deformação sob compressão, similar ao de tração, porém o sentido da força é contrário, comprimindo o corpo de prova.
Dureza
A dureza de um material depende da resistência à abrasão (desgaste por fricção), ou seja, consiste na resistência da superfície do material à penetração de um material conhecido como indentador. Existem alguns tipos de ensaio de dureza em que o cálculo para dureza do material dependerá do formato do indentador, que poderá ser esférico, piramidal ou cônico e de material cuja dureza seja conhecida, com alta dureza, como carboneto de tungstênio ou diamante. O ensaio consiste em aplicar, lentamente, uma carga ao indentador sobre a amostra de metal e depois analisar a marca para calcular a dureza. Quanto mais macio, mais profunda será a marca formada (NEWELL, 2010) e (SMITH; HASHEMI, 2012). Como é realizada uma marca com o indentador na amostra, não ocorre dano catastrófico (não há fratura), ou seja, é um ensaio mecânico não destrutivo.
O ensaio Rockwell consiste na possibilidade de uso de vários indentadores combinados com várias possibilidades de cargas, que podem ser aplicadas em ligas metálicas e alguns tipos de polímeros. O cálculo de dureza é definido pela diferença na profundidade do indentador com uma carga inicial baixa e uma carga final maior.
Figura 1.10 - Máquina de ensaio de dureza Rockwell
Fonte: Smith e Hashemi (2012, p. 169).
No ensaio Brinell, o indentador é uma esfera de aço ou carboneto de tungstênio com 10 mm de diâmetro. No ensaio Vickers, o indentador é uma pirâmide de base quadrada. No ensaio de microdureza Knoop, o indentador é de diamante, com uma forma piramidal, com base em forma de losango (SMITH; HASHEMI, 2012). Os ensaios de microdureza são utilizados para medir a dureza de amostras muito pequenas e de materiais muito frágeis, como materiais cerâmicos.
Variabilidade nas Propriedades dos Materiais
A variabilidade nas propriedades dos materiais trata do fato de que algumas propriedades aferidas para os materiais não são exatas. Isso ocorre porque podem haver pequenas imprecisões de calibração ou falhas na homogeneidade das amostras. Quando ocorre essa variação, é realizada uma média e calcula-se o desvio-padrão (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2018).
Fatores de Projeto e Segurança
Os fatores de projeto e segurança envolvem procedimentos de projeto para proteção contra falhas, considerando a variação das propriedades mecânicas dos materiais, para que não ocorram falhas e consequentes acidentes ambientais ou que possam vitimar pessoas. Ao longo do século XX, o procedimento consistia em reduzir a tensão aplicada por um fator de segurança de projeto, que ainda é considerado um procedimento aceitável em alguns casos estruturais. No geral, quanto mais o produto pode interferir na vida das pessoas, maior será o coeficiente de segurança (um fator de segurança) aplicado aos materiais que compõem o produto (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2018). Por exemplo, o elevador cujos cabos são projetados para receber uma tração de sete vezes o peso recomendado (ou mais), nesse caso, possui um coeficiente de segurança mínimo de 7 (MACHADO, 2016).
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As incertezas nas propriedades mecânicas aferidas e nas tensões aplicadas em serviço resultam nos fatores de projeto e segurança.
Em situações estáticas e menos críticas utilizando materiais dúcteis, é utilizada a tensão de projeto σp=N′×σc��=�′×��, em que σc�� é o nível de tensão calculado e N′�′ é o fator de projeto (o valor varia conforme a aplicação do material, mas sempre é maior que 1). Já a tensão de trabalho, σt=σlN��=��� (também conhecida como tensão admissível), pode ser utilizada no lugar da tensão de projeto. Ela depende da resistência ao escoamento do material, em que N� é o fator de segurança. Os valores de N� variam conforme a aplicação do produto, considerando diversos aspectos de projeto, mas, principalmente, o risco de perdas de vida em função de possíveis falhas.
Considere um corpo de prova de uma liga metálica com 1,30 mm de largura, 0,10 cm de espessura e 20,3 mm de comprimento que foi submetido a uma força de 10.000 N. São marcados dois pontos no centro da amostra no sentido longitudinal (o mesmosentido em que será aplicada a força). A distância entre esses dois pontos é de 4,0 mm inicialmente e, depois de aplicada uma força de tração, a distância entre as marcas passa para 6,4 mm. Qual o valor da ductilidade dessa liga metálica?
Parte superior do formulário
a) 7.692,3 N/mm27.692,3 �/��2.
b) 8.553,85 N/mm28.553,85 �/��2.
c) 0,3.
d) 60%.
e) 0,6.
Parte inferior do formulário
As propriedades elétricas dos materiais estudam o comportamento dos materiais quando submetidos a um estímulo externo correspondente a um campo elétrico, por exemplo. Dentro das propriedades elétricas dos materiais, são avaliadas as características relacionadas à condutividade elétrica, à ferroeletricidade e à piezoeletricidade.
Condutividade Elétrica
A condutividade elétrica é a capacidade do material de permitir o transporte de cargas elétricas. São chamados de condutores os materiais em que esse transporte ocorre facilmente, o que, por sinal, é uma característica dos metais. São denominados isolantes os materiais em que não há transporte de carga elétrica; e semicondutores os materiais que possuem valores intermediários para transporte de cargas elétricas (entre isolantes e condutores) (SANTOS, 2015). Na maioria dos materiais, os elétrons livres são agitados na presença de uma corrente elétrica.
A banda de energia eletrônica do material define o número de elétrons livres, por isso que esta depende de como se dá o arranjo das bandas mais externas com as demais bandas. Para compreender o conceito de bandas, é necessário relembrar a distribuição eletrônica conforme o diagrama de Linus Pauling, com os subníveis s�, p�, d� e f�. Os elétrons nos níveis mais baixos são firmemente ligados e formam o grupo dos elétrons centrais.
Figura 1.11 - (a) níveis de energia em um único átomo de sódio; (b) configuração eletrônica em um átomo de sódio
Fonte: Santos (2015, p. 541).
Nos materiais isolantes, os elétrons são fortemente ligados ao átomo através de ligações iônicas ou covalentes, não há elétrons livres para permitir a condução de eletricidade. “Uma banda eletrônica é uma série de estados eletrônicos com espaçamento próximo uns dos outros em termos de energia, e pode existir uma dessas bandas para cada subcamada eletrônica encontrada no átomo isolado.” (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2018, p. 710)
Quanto mais os átomos se aproximam, cada um dos estados atômicos 1s1� e 2s2� se divide para formar a banda de energia eletrônica, que consiste em 12 estados.
Figura 1.12 - Energia dos elétrons em função da separação interatômica para um agregado de 12 átomos
Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2018, p. 668).
Para os metais, há dois tipos de banda possíveis quando são ocupados os estados eletrônicos antes e depois de uma excitação dos elétrons.
Figura 1.13 - Em um metal, a ocupação dos estados eletrônicos pode ocorrer antes (a) e depois (b) de uma excitação dos elétrons
Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2018, p. 671).
Nos semicondutores e nos isolantes, as estruturas das bandas são semelhantes, pois em ambos os casos existe uma zona proibida em que há um espaçamento acima do normal entre as bandas. Esse espaçamento é estreito nos semicondutores e nos isolantes é relativamente grande. Esses espaços, ou “buracos” de ausência de elétrons na camada de valência, também podem participar do processo de condução.
Os semicondutores podem ser classificados como intrínsecos e extrínsecos. Nos intrínsecos, as propriedades elétricas dependem do fato do material se apresentar na forma pura, sendo iguais as concentrações de elétrons e espaçamentos (buracos). Já nos semicondutores extrínsecos, o comportamento elétrico depende da presença de impurezas. A classificação destes depende de os elétrons (extrínseco tipo n�) ou os espaçamentos (extrínseco tipo p�) serem os portadores da carga dominante. Há classificação para as impurezas: as que contribuem para um excesso de elétrons são as impurezas doadoras; e as que introduzem um excesso de espaçamentos (buracos) são classificadas como impurezas receptoras. O aumento da temperatura e o aumento do teor de impurezas diminuem a mobilidade dos elétrons e buracos nos semicondutores extrínsecos.
A condutividade elétrica de um semicondutor intrínseco é σ=n|e|μe +p|e|μb�=�|�|�� +�|�|��, em que p� é o número de buracos por metro cúbico, μb�� é a mobilidade dos buracos, μe�� é a mobilidade dos elétrons, n� é a concentração e e� é a carga elétrica (1,6 ×10−19C1,6 ×10−19�).
Nas temperaturas baixas, a concentração dos elétrons cai drasticamente e essa ocorrência é conhecida como freeze out :
Em baixas temperaturas, abaixo de aproximadamente 100 K, a concentração de elétrons cai drasticamente com a diminuição da temperatura e se aproxima de zero em 0 K. Ao longo dessas temperaturas, a energia térmica é insuficiente para excitar os elétrons do nível doador do P para a banda de condução. Essa é denominada região de temperatura de congelamento (freeze out), uma vez que os portadores carregados (isto é, os elétrons) estão “congelados” junto aos átomos de dopagem (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2018, p. 710).
Por meio de duas placas metálicas é possível criar um capacitor de placas paralelas, aplicando uma voltagem, sendo que uma placa será carregada negativamente e a outra positivamente. A capacitância será C=QV�=�� (em coulomb por volt = farad), em que Q� é a quantia de carga armazenada em cada placa e V� a voltagem aplicada no capacitor. Contudo, existe uma constante universal denominada permissividade que está relacionada com a susceptibilidade elétrica de um material, ou seja, à habilidade de um material se polarizar em função do estímulo de um campo elétrico. A constante dielétrica de um material é como a característica em resistir à polarização a partir do estímulo de um campo elétrico, por isso é propriedade dos materiais isolantes. Também conhecida como permissividade relativa (ϵr��), a constante dielétrica é definida como ϵr=ϵϵ0��=��0 , em que ϵ0�0 é a permissividade no vácuo (valor constante igual a 8,85 × 10−12 F/m8,85 × 10−12 �/�) e ϵ� é a permissividade do material.
Caso seja inserido algum material entre as placas, a capacitância será alterada, podendo diminuir ou aumentar dependendo do material entre elas, se for condutor ou isolante. Essa é a base para criação de sensores capacitivos.
A característica dos materiais aumentarem a capacidade de armazenamento de cargas dos capacitores ocorre em decorrência da polarização (que consiste no deslocamento reversível das nuvens eletrônicas pelo material em decorrência de um estímulo externo), que pode ser eletrônica (ocorre para todo o átomo), iônica (ocorre somente em materiais iônicos) ou de orientação (ocorre somente em substâncias que apresentam dipolos permanentes).
Ferroeletricidade e Piezoeletricidade
Ferroeletricidade é o nome da característica também conhecida como polarização espontânea, em que um material se polariza sem a presença de um campo elétrico. Existem materiais como o titanato de bário que, quando aquecidos acima de 120 °C, perdem o comportamento de ferroelétricos. Alguns outros materiais ferroelétricos são: niobato de potássio, sal de Rochelle e zirconato-titanato de chumbo.
Já a característica de piezoeletricidade corresponde ao fenômeno de, ao receber um estímulo externo de um campo elétrico, o material reagir com um comportamento mecânico de vibração. É função que vale a recíproca, ou seja, quando recebe o estímulo externo de uma vibração mecânica (como um toque), responde com um campo elétrico. Um exemplo são os buzzers , que normalmente são utilizados em placas de arduino. Eles enviam o sinal elétrico que é convertido em som (pela vibração mecânica) e são utilizados nos mais diversos projetos de automação, tendo como função emitir som (com diferentes frequências). Alguns exemplos de materiais piezoelétricos são: zirconato de chumbo, titanato de bário, titanato de chumbo e niobato de potássio.
Leia o trecho a seguir.
“Mais recentemente, o uso de dispositivos [...] cresceu drasticamente como consequência do aumento na automatização e da atraçãopor parte dos consumidores em relação a aparelhos sofisticados modernos. Os dispositivos piezoelétricos estão sendo usados em muitas das aplicações atuais, incluindo nas indústrias: automotiva — balanceamento de rodas, alarmes de cinto de segurança, indicadores de desgaste da banda de rolamento de pneus, portas sem chave e sensores de air-bag ; computadores/eletrônica — microfones, alto-falantes, [...]”.
CALLISTER JR, W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e engenharia de materiais : uma introdução. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2018. p. 708.
A citação apresentada trata de algumas das aplicações dos materiais que, ao receberem um estímulo externo de um campo elétrico, respondem com um comportamento mecânico, vibrando e gerando som, sendo que também ocorre o inverso. Assinale a alternativa que apresenta corretamente o nome dessa característica.
Parte superior do formulário
a) Polarização.
b) Condutividade.
c) Ferroeletricidade.
d) Piezoeletricidade.
e) Permissividade.
Parte inferior do formulário
FILME
Piezoeletricidade
Ano: 2011
Comentário: É apresentada uma animação que esclarece o funcionamento da piezoeletricidade, com destaque para animação que representa o piezoelétrico invertido e a geração de ultrassom. Assista ao vídeo a seguir.
TRAILER
LIVRO
Materiais e Design
Editora: Elsevier
Autor: Michael Ashby e Kara Johson
ISBN: 978-85-352-3842-6
Comentário: Esse livro aborda diversas questões referentes à escolha de material quando se está desenvolvendo um produto, como as relações das propriedades mecânicas dos materiais com a aplicação do produto, análise da viabilidade econômica e até inclusão de perspectivas ambientais.
Há muitos avanços na área de materiais, mas mesmo com todos esses avanços é imprescindível conhecer as propriedades dos materiais, em especial dos metálicos. Isso possibilita escolher qual utilizar em um projeto ou em um produto, pois suas características mecânicas e elétricas descrevem as respostas que darão em função dos estímulos externos. Com isso, podem ser evitadas falhas que venham a gerar aumento de custos operacionais, perda de insumos, inviabilidade do uso do produto ou o pior, que são as perdas humanas.
referências
Referências Bibliográficas
AL-MUBARAK et al . Carotid Artery Stenting : Current Practice and Techniques. Editora Lippincott Williams & Wilkins, 2004.
CALLISTER JR., W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e engenharia de materiais : uma introdução. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2018.
CENACID. Deslizamento e queda de ponte sobre a represa Capivari-Cachoeira em Campina Grande do Sul – PR, 25 jan. 2005. Centro de Apoio Científico em Desastres , UFPR. Disponível em: http://www.cenacid.ufpr.br/portal/missao/deslizamento-e-queda-de-ponte-sobre-a-represa-capivari-cachoeira-campina-grande-do-sul-pr-250105/ . Acesso em: 8 abr. 2020.
IDADE do bronze. Britannica Escola , 2020. Disponível em: https://escola.britannica.com.br/artigo/Idade-do-Bronze/480850 . Acesso em: 9 abr. 2020.
MACHADO, L. C. Elevador para deslocamento de pequenas cargas . Projeto de Graduação, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal Fluminense, 2016. Disponível em: https://app.uff.br/riuff/bitstream/1/1785/1/LeonardoCardosoMachadoSemAssinatura.pdf . Acesso em: 10 abr. 2020.
NEWELL, J. Fundamentos da moderna engenharia e ciência dos materiais . Rio de Janeiro: LTC, 2010.
PANITZ, M. A. Dicionário técnico : português-inglês. Porto Alegre: EDIPUCRS, 2003.
SANTOS, G. A. dos. Tecnologia dos materiais metálicos : propriedades, estruturas e processos de obtenção. São Paulo: Érica, 2015.
SMITH, W. F.; HASHEMI, J. Fundamentos de engenharia e ciência dos materiais . 5. ed. Editora McGraw-Hill, 2012.