Quimica dos materiais

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Química dos materiais
Rio, 15/08/2017 - Aula 3 - Metalurgia
Ligas Metálicas
Entende-se por liga mistura de aspecto metálico e homogêneo, de um ou mais metais entre si, ou com outros elementos. a composição química de cada liga deve-se levar em conta que as modificações estruturais podem ocorrer em diferentes temperaturas, em virtude da temperatura de fusão dos diferentes elementos da liga. As ligas podem ser classificadas de três formas:
·	Misturas mecânicas: quando os cristais dos metais componentes estão simplesmente misturados, como em uma liga de estanho e chumbo, que se forma no processo de solda.
·	Soluções sólidas: ocorrem com a interligação dos cristais durante a solidificação, como a liga de aço carbono.
·	Compostos químicos: os casos em que os metais formam uma composição diversa, como a liga de cobre e zinco.
Processos de Fabricação
todo elemento metálico só pode ser utilizado após passar por um processo de conformação, que é a alteração de um corpo metálico para outra forma definida. Os processos de conformação podem ser divididos em dois grupos:
·	processos metalúrgicos: Nos quais as modificações de forma estão relacionadas com altas temperaturas;
·	processos mecânicos: Nos quais as modificações são provocadas pela aplicação de tensões externas.
Dentre os processos mais comuns de conformação dos metais temos:
·	Laminação: muito utilizado atualmente, pois apresenta alta produtividade e excelente controle dimensional do elemento conformado. A laminação consiste na passagem de um corpo sólido entre dois cilindros que geram a mesma velocidade periférica, mas em sentidos contrários. O processo de laminação pode ocorrer a frio ou a quente. É utilizada para a fabricação de chapas, blocos e tarugos, etc.
·	Forjamento: processo em que se obtém a forma desejada, através do martelamento ou da aplicação gradativa de uma pressão. O forjamento pode ocorrer em processos a frio, ou a quente, mas a grande maioria das peças conformadas por forjamento ocorre por meio de processo a quente. Após o forjamento de uma peça é possível que ela receba tratamento térmico para que suas propriedades mecânicas sejam melhoradas e seu desempenho seja melhor. É empregado para a produção de peças como, eixo manivelas, bielas, discos de turbinas, engrenagens, rodas, cabeças de parafusos, etc.
·	Trefilação: se realiza pela operação de condução de um fio, barra ou tubo através de uma ferramenta chamada de fieira. A passagem do fio pela fieira provoca redução de sua seção e, como a operação é normalmente realizada a frio, ocorre o encruamento com a alteração das propriedades mecânicas do material do fio. É empregado para a fabricação de barras, tubos, arames e fios de metais ferrosos e não ferrosos. 
·	Extrusão: é reduzida ou modificada a seção transversal de um corpo metálico, através da aplicação de altas tensões de compressão. A extrusão pode ocorrer por meio de processo a quente. A extrusão é utilizada para a fabricação de perfis de seção circular, quadrada, hexagonal etc.
1.	Estampagem: consiste na conformação de peças a partir da aplicação de tensões em um plano vertical. Geralmente, essas tensões são aplicadas através de prensas. é utilizada para a fabricação de artefatos metálicos que necessitem de conformação a frio. ex: telhas metálicas e terminais elétricos.
·	Usinagem: é muito utilizado atualmente, cerca de 80% dos materiais metálicos passam por esse processo. Consiste em produzir formas com elevada tolerância dimensional, bom acabamento superficial e muitas vezes de geometrias complexas. é considerada como processo secundário. é utilizada para a fabricação de peças ou componentes como: eixos, parafusos, rodas dentadas, pinos, polias, peças automobilísticas etc. As técnicas mais utilizadas para a usinagem de peças são:
·	torneamento, aplainamento, furação, mandrilamento, fresamento, serramento, brochamento, roscamento, retificação etc.
·	Fundição: Consiste basicamente na obtenção de objetos, na forma final, a partir do uso de um metal líquido ou viscoso, depositado em um molde preparado, sendo que, a peça fundida é o produto obtido quando o líquido ou o metal viscoso se solidifica. Podem-se obter peças de pouca ou muita complexidade, com a existência de concavidades e reentrâncias ou não, além de peças extremante leves ou extremamente pesadas.
Processo térmico
Consiste no aquecimento e resfriamento das peças, com o objetivo de alterar suas propriedades mecânicas, a fim de aumentar o desempenho de tais materiais. Os tratamentos térmicos comumente aplicados a ligas metálicas são classificados em:
·	Normalização: É uma das variedades do recozimento, sendo que a principal diferença é que o resfriamento das peças ocorre ao ar livre. O objetivo é melhorar a microestrutura da peça, aumentando suas propriedades mecânicas e que, inclusive, podem receber outro processo de tratamento térmico.
·	Recozimento: situação em que o aço é submetido a aquecimento, mantido a uma determinada temperatura e resfriado lentamente junto ao forno ou em uma caixa de areia. As principais finalidades do recozimento são:
 diminuir a dureza e elevar a ductilidade do material, diminuir as tensões internas resultantes do processo de forjamento ou estampagem, eliminar a fragilidade e elevar a resistência mecânica ao choque, eliminar a heterogeneidade estrutural na composição que surge como resultado da segregação e mudar as propriedades do metal endurecido.
·	Têmpera: visa ao aumento da dureza e da resistência das peças. Ocorre pelo aquecimento da peça até uma temperatura determinada e, posteriormente, mantêm-se a temperatura da peça por um determinado período, em seguida, esfria-se a mesma em diferentes meios, como: solução de soda cáustica, sal, óleo, salitre e/ou chumbo. 
·	Revenido: se emprega depois da têmpera e visa diminuir a fragilidade das peças, além de torná-las mais maleáveis para o processo de usinagem. Ocorre pelo aquecimento da peça até uma temperatura determinada e manutenção da mesma a essa temperatura por um intervalo de tempo; em seguida, esfria-se a peça em água, óleo ou outro meio refrigerante. O processo de revenido pode ser classificado em três:
1.	No revenido baixo, que ocorre com o aquecimento em torno de 150 a 200ºC, os principais resultados obtidos são a eliminação das tensões residuais, a diminuição da fragilidade das peças e o aumento exponencial da dureza das mesmas;
2.	No revenido médio, que ocorre com o aquecimento em torno de 350 a 500ºC, os principais resultados obtidos são o aumento da ductilidade das peças, mantendo um nível de dureza satisfatório; 
3.	no revenido alto, que ocorre com o aquecimento em torno de 500 a 650ºC, os principais resultados obtidos são o aumento exponencial da ductilidade das peças, mantendo um nível de dureza suficiente.
Corrosão
Entende-se como a deterioração de um material, geralmente metálico, que pode ocorrer por uma ação química ou eletroquímica, do meio ambiente, associada ou não, a esforços mecânicos. O processo de corrosão pode se apresentar de diferentes maneiras, que são identificadas em função da aparência ou da forma de ataque e as diferentes causas da corrosão e seus mecanismos. 
Classifica-se a corrosão em:
1.	Eletroquímica: É um processo espontâneo, podendo ocorrer quando o metal está em contato com um eletrólito. É mais frequente na natureza, ocorrendo necessariamente na presença de água. Fatores mecânicos (vibrações e erosão), físicos (variação de temperatura), biológicos (bactérias) ou químicos (em geral ácidos e sais) são os responsáveis por esse processo. São exemplos aceleradores da corrosão: Atmosfera, Águas naturais, Solo, Produtos químicos e Solventes orgânicos.
2.	Química: A corrosão química (conhecida como seca, por não necessitar de água), refere-se ao ataque de um agente químico diretamente sobre o material, sem transferência de elétrons de uma área para outra. 
3.	Eletrolítica: Acontece com a aplicação externa de uma corrente elétrica. Não é um processo espontâneo. Se não houver aterramento ou isolamento adequado, correntesde fuga são formadas, formando pequenos furos nas instalações ao escaparem para o solo. Ex: cabos telefônicos, tubulações de água e petróleo.
Rio, 22/08/2017 - Aula 4 - Cerâmicas e Vidros
Cerâmicas
é obtido pela moldagem, secagem e cozimento de argila ou mistura de solos argilosos. A matéria-prima base para a fabricação de peças cerâmicas é a argila. A argila é um material terroso natural, que quando se mistura com água adquire comportamento altamente plástico. As argilas são constituídas essencialmente de partículas cristalinas extremamente pequenas que recebem o nome de argilominerais.
Os argilominerais classificam-se da seguinte forma: Amorfos- grupo das alofanas e cristalinos
Elas aparecem na superfície de rochas, resultante da decomposição superficial das mesmas, nos veios e trincas de rochas e nas camadas sedimentares, onde foram depositadaspor ventos e chuvas.
As argilas podem ser tipificadas da seguinte forma:
·	De cozimento branco: caulim e argilas plásticas
·	Refratárias e altamente aluminosas
·	Para produtos de grés.
·	Para materiais cerâmicos estruturais, amarelas ou vermelhas.
Propriedades físicas das cerâmicas
·	PLASTICIDADE DAS ARGILAS: Ao se juntar água lentamente aos argilominerais percebe-se que eles apresentam dois comportamentos, denominados de fase: Na primeira fase, a argila desagrega facilmente; Na segunda fase ela fica com característica mole.
·	RETRAÇÃO DAS ARGILAS: Em função da perda de água por evaporação. Isso ocorre gradativamente, sendo que a evaporação ocorre, em primeiro, na superfície do objeto, e por capilaridade, a água existente no interior, evapora através da superfície. O vazio que fica no interior em função da perda de água leva à retração.
·	EFEITO DO CALOR SOBRE AS ARGILAS: as argilas sofrem alterações físicas de acordo com as temperaturas a que elas ficam expostas, sendo que o aquecimento entre 20 e 150ºC leva à perda de água por capilaridade e amassamento. Entre 150 e 600ºC começa a ocorrer o enrijecimento em função da perda de água absorvida. A partir do aquecimento acima de 600ºC, iniciam-se as reações químicas.
Fabricação das cerâmicas
A fabricação dos materiais cerâmicos segue a seguinte ordem: Extração do barro, Preparo da matéria-prima, Moldagem, Secagem e Cozimento.
Uso na Engenharia
Os produtos mais comumente utilizados na Engenharia são:
·	Tijolos: São classificados basicamente em dois tipos: comuns e especiais.
·	Blocos cerâmicos ou tijolo baiano: é fabricado em um processo controlado de matérias-primas.
·	Telhas cerâmicas ou telhas comuns: são fabricadas com diversos tipos de materiais. Podem ser agrupadas em dois tipos: As de encaixe onde os modelos são romana, francesa e termoplan. As telhas cerâmicas de capa e canal apresentam formato meia cana.
·	Tijoleiras e Ladrilhos: São tijolos de pequena espessura. São empregados em pavimentações e revestimentos.
·	Materiais de grés cerâmico: Apresentam-se de três formas:
1.	Alta vitrificação: azulejos, pastilhas e louça sanitária;
2.	Manilha de grés: manilhas, conexões e tubos;
3.	Ladrilhos de grés: também conhecidos como lito-cerâmica.
·	Materiais de louça branca: São feitos com pó de louça, proveniente de argila branca. Apresentam alta dureza, granulometria fina e uniforme, com a superfície normalmente vidrada. Ex: Calcária (louça de mesa e artística), Feldispática (azulejos e cerâmicas sanitárias), Mista e De talco. Destaca-se para o uso desses materiais a fabricação de Azulejos e Pastilhas de louça.
Vidros
As principais matérias primas utilizadas na fabricação do vidro são: Areia, Calcário, Dolomita, Feldspato, Boratos e Alumina calcinada.
Outros compostos são utilizados em menor escala para o processo de fabricação do vidro como:
·	Agentes afinantes: A finalidade dos agentes afinantes é fazer com que os gases que se formam durante o processo de fusão, se desprendam, mantendo a estrutura do vidro homogênea.
·	Colorantes e descolorantes: Para conferir cor ao vidro é adicionada a sua composição uma combinação de óxido colorante, como, óxido de ferro, cobalto, manganês, níquel, cromo etc. Para um vidro transparente é só impedir a presença desses óxidos.
Propriedades do Vidro
As propriedades que o vidro apresenta são:
·	VISCOSIDADE: É a propriedade mais importante para a fabricação do vidro.
·	TENSÃO SUPERFICIAL: Interfere no desprendimento de gases durante a fusão, no encolhimento e formação de rugas durante a moldagem.
·	TENSÕES INTERNAS E RECOZIMENTO: Resultam no gradiente de temperatura durante o resfriamento e podem tornar os vidros quebradiços e birefrigerante. 
·	CALOR ESPECÍFICO: Cresce com a temperatura e a viscosidade podendo ser na ordem de 40 a 1.000ºC.
·	DILATAÇÃO TÉRMICA: Esse parâmetro apresenta uma variação linear com a temperatura, subindo bruscamente no ponto de transformação do vidro.
·	RESISTÊNCIA AO CHOQUE TÉRMICO: O principal fator de rupturas é a dilatação térmica. O módulo de elasticidade do vidro resiste melhor ao aquecimento brusco do que ao resfriamento.
·	CONDUTIVIDADE TÉRMICA: Propriedade de conduzir calor por condução; aumenta com a temperatura e a pressão empregadas no processo de produção.
·	TEMPERATURA DE AMOLECIMENTO: É a temperatura de deformação.
·	PESO ESPECÍFICO: Geralmente apresenta os seguintes valores: 2,20 g/cm³ para vidro de quartzo; 2,46 g/cm³ para vidro de garrafas e 2,50 g/cm³ para vidro plano.
·	DUREZA: Consiste na resistência do vidro quando submetido a uma carga aplicada por um diamante, sendo verificada degradação provocada na área de contato. A dureza depende da composição, do recozimento e do estado da superfície.
·	VELOCIDADE DO SOM: Propriedade do vidro em conduzir ondas sonoras, geralmente varia de 500 a 5.200 m/seg.
·	PERMEABILIDADE GASOSA: O vidro é permeável à maioria dos gases presentes na atmosfera, quando em temperaturas normais, contudo com o aumento da temperatura permite a passagem do H2, CO2 e O2.
Processo de fabricação
O vidro é obtido a partir da fusão das matérias-primas. Esse processo ocorre em fornos, que produzem calor, dentro da necessidade que se deseja fundir os materiais.
Rio, 29/08/2017 - Aula 5 - Polímeros
Introdução
polímero: se entende como sendo a macromolécula formada por muitas unidades de repetição denominadas meros, unidas umas às outras por meio de uma ligação covalente. Os polímeros são formados a partir dos monômeros, que são uma molécula com uma unidade de repetição. Os polímeros são macromoléculas que se caracterizam por seu tamanho, estrutura química interações intra e intermoleculares. O número de meros da cadeia polimérica é denominado de grau de polimerização.
ex de Polímero linear: 
a) modelo de macromolécula completa, com peso molecular aproximado de 30.000;
b) modelo atômico de Stuart;
c) Fórmula molecular de um trecho de macromolécula.
Com a elevação da temperatura ocorre o aumento desses movimentos, que conferem ao material um comportamento de se tornar mais macio. Os polímeros de baixo peso molecular são chamados de oligômeros, apresentam-se como produtos viscosos, de peso molecular na ordem de 103.
Pode-se dividir os polímeros em três grandes classes: plástico, borrachas e fibras. Uma classificação mais abrangente cita ainda: revestimentos, adesivos, espumas e películas.
Muitos polímeros são variações e/ou desenvolvimentos sobre moléculas já conhecidas podendo ser divididos em quatro diferentes classificações:
1.	QUANTO À ESTRUTURA QUÍMICA: através da estrutura química do seu mero. Duas subdivisões são possíveis, em princípio:
·	Polímeros de cadeia carbônica: poliolefinas, polímeros de dienos, polímeros clorados, etc.
·	Polímeros de cadeia heterogênea: poliésteres, policarbonato, aminoplásticos, derivados de celulose e siliconas.
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2.	QUANTO AO MÉTODO DE PREPARAÇÃO: através das reações do seu mero, na formação do polímero. Divide-se em duas grandes classes: polímeros de adição e polímeros de condensação.
3.	QUANTO AO COMPORTAMENTO MECÂNICO: Os polímeros podem ser classificados em três grandes classes:
·	Plásticos: apresenta-se como ummaterial sólido na temperatura de utilização, normalmente à temperatura ambiente, podem ser subdivididos em: termoplástico, termorrígido baroplástico;
·	Elastômetros: na temperatura ambiente podem deformar, no mínimo duas vezes, o seu comprimento inicial, retomando a medida original rapidamente depois de retirado o esforço;
·	Fibras: A orientação das cadeias e dos cristais, aumenta a resistência mecânica desta classe de materiais, tornando-os possíveis de serem usados na forma de fios finos. exemplos: as fibras de poliacrilonitrila (PAN), os náilons, o poliéster (PET) etc.
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4.	QUANTO AO DESEMPENHO MECÂNICO: levando em consideração o desempenho mecânico quando usado em um item ou peça. Podem ser classificados em quatro classes:
·	Termoplásticos convencionais: são de baixo custo, baixo nível de exigência mecânica, alta produção, facilidade de processamento etc. exemplos: as poliolefinas (LDPE, HDPE, PP), o poliestireno (PS) e o policloreto de vinila (PVC);
·	Termoplásticos especiais: são de custo levemente superior aos convencionais, mas com algumas características um pouco melhores. ex: os copolímeros de etileno-acetato de vinila (EVA) e estireno-acrilonitrila (SAN), e os homopolímeros de politetrafluoroetileno (PTFE) e polimetacrilato de metila (PMMA).
·	Termoplásticos de engenharia (TE): a confecção de peças de bom desempenho para aplicações em dispositivos mecânicos exige do polímero alta resistência mecânica , boa tenacidade e excelente estabilidade dimensional. exemplos: as poliamidas (náilons), os poliésteres termoplásticos, poliacetais, o policarbonato (PC), etc.
·	Termoplásticos de engenharia especiais: em aplicações em que alta temperatura é a exigência maior são utilizados polímeros com grande quantidade de anéis aromáticos na cadeia principal, a qual aumenta a estabilidade térmica para uso ininterrupto a temperaturas acima de 150°C. exemplos: polímeros contendo enxofre, polisulfeto de fenileno (PPS), poliamidas (poli-imida poliamida), alguns poliuretanos, etc.
Propriedades Mecânicas
são especificadas pelos mesmos parâmetros usados para os metais, obtendo os valores do módulo de elasticidade, do limite de resistência à tração e das resistências ao impacto e à fadiga, sendo que para muitos polímeros, utiliza-se de gráficos tensão-deformação para a caracterização de alguns destes parâmetros mecânicos.
Propriedades Térmicas
caracterizam os polímeros como termoplásticos ou termofixos e das transições térmicas dos polímeros, características: a baixa condutividade térmica e os altos coeficientes de dilatação térmica linear, quando comparados a materiais não poliméricos.	
Propriedades Óticas
Pode ser considerada pelos polímeros a transparência, podendo ser encontrada em polímeros amorfos ou com muito baixo grau de cristalinidade, quantitativamente expressa pela transmitância. Materiais poliméricos muito cristalinos tornam-se translúcidos ou semitransparentes, ou mesmo opacos.
Propriedades Químicas
podem se apresentar muito sensíveis às interações químicas como o ambiente, ou seja, na presença de água, oxigênio, solventes orgânicos etc. Dentre as propriedades químicas mais importantes, podemos destacar:
·	OXIDAÇÃO: é muito encontrada em macromoléculas contendo apenas ligações simples entre átomos de carbono. Ex.: devido a centelhas elétricas, nas imediações de tomadas, forma-se ozônio;
·	CALOR: é maior abaixo da temperatura de transição vítrea, e é menor com a presença de oxigênio pela ruptura das ligações covalentes dos átomos nas cadeias macromoleculares. Ex.: PVC.
·	RAIOS ULTRAVIOLETA: é menor em macromoléculas com dupla ligação entre átomos de carbono. Ex.: fissuras e rachaduras com a fragmentação do polipropileno ou polietileno, quando expostos à luz do Sol.
·	UMIDADE: Polímeros que absorvem água sofrem alteração de volume, que podem atrapalhar a aplicação na qual se exige a precisão. esses polímeros tambem podem sofrer o aumento do seu peso, assim devem passar por um sistema de pré-secagem antes de sua modelagem. 
·	ÁCIDOS: O contato com ácidos em geral, em meio aquoso, pode causar a parcial destruição das moléculas poliméricas.
·	BASES: Soluções alcalinas, usualmente aquosas, em maior ou menor concentração, são bastante agressivas a polímeros cuja estrutura apresente certos agrupamentos, como carboxila, hidroxila, fenólica e éster.
·	SOLVENTES E REAGENTES: as moléculas do solvente podem penetrar entre as cadeias macromoleculares, gerando interações físico-químicas. 
·	INFLAMABILIDADE: Quando é aquecido, ele sofre progressivamente modificações físico-químicas, que podem inclusive levar a sua decomposição total em produtos voláteis. No caso da madeira, o processo de decomposição deixa resíduo (cinzas). o processo de decomposição pela elevação da temperatura não ocorre, classificando esse polímero como incombustível.
Rio, 05/09/2017 - Aula 6 - Aplicação dos Polímeros