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CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS AULA 03 – Classificação dos Materiais e Propriedades • Os materiais metálicos apresentam MÓDULO DE ELASTICIDADE INTERMEDIÁRIOS, são DÚCTEIS e MALEÁVEIS. • Apresentam TEMPERATURA DE FUSÃO INTERMEDIÁRIOS • O ALONGAMENTO ELÁSTICO e PLÁSTICO são pronunciados • A trabalhabilidade de materiais metálicos CRESCE com o AUMENTO DA TEMPERATURA. Materiais Metálicos • A deformação permanente de materiais metálicos é influenciada pela presença de imperfeições cristalinas DISCORDÂNCIAS • PROPRIEDADES MECÂNICAS podem ser manipuladas pela formação de LIGAS METÁLICAS Materiais Metálicos • Os materiais cerâmicos, de uma maneira genérica, apresentam ALTO MÓDULO DE ELASTICIDADE, são FRÁGEIS e muito DUROS. • A resistência à tração dos materiais frágeis é muito menor que as respectivas, resistência à compressão e módulo de ruptura. • O ALONGAMENTO PLÁSTICO da maioria dos materiais cerâmicos à temperatura ambiente é praticamente DESPREZÍVEL. • O alongamento plástico dos materiais cerâmicos CRESCE com o AUMENTO DA TEMPERATURA de ensaio. Materiais Cerâmicos • Muitos materiais cerâmicos quando ensaiado em ALTAS TEMPERATURAS e com cargas baixas e constantes deformam-se plasticamente por FLUÊNCIA. • A presença de FASE VÍTREA e POROSIDADE nas cerâmicas tradicionais REDUZ consideravelmente a RESISTÊNCIA mecânica. • O PROCESSO DE FRATURA FRÁGIL consiste na formação e na propagação de trincas através da seção reta do material em uma direção perpendicular à carga aplicada. O crescimento da trinca em cerâmicas cristalinas se dá geralmente TRANSGRANULAR e ao longo de planos de CLIVAGEM específicos, ou seja, os planos com maior densidade atômica. Materiais Cerâmicos • Os materiais poliméricos apresentam COMPORTAMENTO MECÂNICO POUCO UNIFORME. • Um material TERMORRÍGIDO ou um TERMOPLÁSTICO vítreo apresentam um comportamento tão FRÁGIL que lembra o comportamento mecânico de um material cerâmico. • TERMOPLÁSTICOS parcialmente cristalinos apresentam curvas de tensão versus deformação no ensaio de tração que LEMBRAM OS METAIS DÚCTEIS. • ELASTÔMEROS apresentam um comportamento atípico. Eles apresentam uma região ELÁSTICA MUITO EXTENSA. Além disso, esta região elástica NÃO É TOTALMENTE LINEAR, ao contrário da maioria dos sólidos Materiais Poliméricos A curva A é típica de uma resina termorrígida, a curva B é típica de um termoplástico parcialmente cristalino e a curva C é típica de um elastômero. Além dos diferentes níveis de alongamento, o leitor deve observar os diferentes níveis de resistência dos três materiais. PROPRIEDADES MECÂNICAS 𝝈 = 𝑭 𝑨 TENSÃO NORMAL TRAÇÃO COMPRESSÃO Lei de Hooke 𝝈 = 𝜺. 𝑬 A constante de proporcionalidade E é o módulo de elasticidade ou módulo de Young. Fenômeno da variação linear, ALONGAMENTO: • Quanto MAIOR a CARGA normal aplicada, e o comprimento inicial da peça, MAIOR o ALONGAMENTO. • Quanto MAIOR a ÁREA da seção transversal e a RIGIDEZ do material, MENOS o ALONGAMENTO, resultando daí a equação: ∆𝐿 = 𝐹.𝑙 𝐴.𝐸 como, 𝝈 = 𝑭 𝑨 , logo, ∆𝑳 = 𝝈.𝒍 𝑬 . • Alongamento + tração • Alongamento - compressão MÓDULO DE ELASTICIDADE OU MÓDULO DE YOUNG MEDE A RIGIDEZ DO MATERIAL PROPRIEDADES MECÂNICAS DEFORMAÇÃO LONGITUDINAL Consiste na deformação que ocorre em UMA UNIDADE DE COMPRIMENTO (u.c) de uma peça submetida à ação de CARGA AXIAL. Sendo definida pelas relações: 𝜺 = ∆𝑳 𝒍 = 𝝈 𝑬 DEFORMAÇÃO TRANSVERSAL Determina-se através do produto entre a deformação unitária (ε) e o COEFICIENTE DE POISSON (ν). 𝜺𝒕 = −𝝂𝜺 Como, 𝜺 = ∆𝑳 𝒍 = 𝝈 𝑬 Podemos escrever, 𝜺𝒕 = 𝝂𝝈 𝑬 ou 𝜺𝒕 = −𝝂 𝜟𝑳 𝒍 . O coeficiente de Poisson é um parâmetro definido como sendo a razão entre as deformações lateral e axial, ou seja, 𝝂 = − 𝜺𝒙 𝜺𝒛 = − 𝜺𝒚 𝜺𝒛 COEFICIENTE DE POISSON MEDE A DEFORMAÇÃO TRANSVERSAL (EM RELAÇÃO À DIREÇÃO LONGITUDINAL DE APLICAÇÃO DA CARGA) DE UM MATERIAL HOMOGÊNEO E ISOTRÓPICO DEFORMAÇÃO ELÁSTICA • O coeficiente angular do segmento linear da curva tensão x deformação corresponde ao módulo de elasticidade (E). • A deformação elástica não é permanente, o que significa que quando a carga aplicada é liberada, a peça retorna à sua forma original. • Em uma escala atômica, a deformação elástica macroscópica é manifestada como pequenas alterações no espaçamento interatômico e na extensão de ligações interatômicas. medida da resistência à separação de átomos adjacentes forças de ligação interatômica. O processo de deformação no qual a tensão e a deformação são proporcionais é chamado de deformação elástica; um gráfico da tensão em função da deformação resulta em uma relação linear. 𝜎𝑦 = 𝜎𝑒𝑠𝑐 = 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑒 𝐸𝑠𝑐𝑜𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝜎𝑎𝑑𝑚 = 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝐴𝑑𝑚𝑖𝑠𝑠í𝑣𝑒𝑙 𝜎𝑅 = 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑒 𝑅𝑢𝑝𝑡𝑢𝑟𝑎 DEFORMAÇÃO ELÁSTICA • Com o emprego de tensões compressivas, cisalhantes ou torcionais também é induzido o comportamento elástico. • A tensão e a deformação de cisalhamento são proporcionais uma à outra através da seguinte expressão: 𝝉 = 𝑮. 𝜸 • Para materiais isotrópicos, os módulos de cisalhamento e de elasticidade estão relacionados entre si e com o coeficiente de Poisson de acordo com a expressão: 𝑬 = 𝟐. 𝑮. 𝟏 + 𝝂 A deformação elástica não ocorre somente por tração, mas em todos os tipos de esforços. E pode ser prevista por meios matemáticos. DEFORMAÇÃO PLÁSTICA • A partir de uma perspectiva atômica, a deformação plástica corresponde à QUEBRA de LIGAÇÕES com os átomos vizinhos originais e em seguida formação de NOVAS LIGAÇÕES com novos átomos vizinhos, uma vez que um grande número de átomos ou moléculas se move em relação uns aos outros; com a remoção da tensão, eles não retornam às suas posições originais. • Nos sólidos CRISTALINOS a deformação ocorre mediante um processo chamado de ESCORREGAMENTO, que envolve o MOVIMENTO de DISCORDÂNCIAS, • Já em sólidos NÃO CRISTALINOS ocorre mediante um mecanismo de ESCOAMENTO VISCOSO. A medida que o material é deformado fora do regime elástico, a tensão não é mais proporcional à deformação, ocorrendo então uma deformação permanente e não recuperável, ou deformação plástica. MATERIAIS DÚCTEIS E FRÁGEIS • O material é classificado como DÚCTIL, quando submetido a ensaio de tração, APRESENTA DEFORMAÇÃO PLÁSTICA, PRECEDIDA POR UMA DEFORMAÇÃO ELÁSTICA, para atingir o rompimento. • A ductilidade pode ser expressa quantitativamente tanto como alongamento percentual como redução de área percentual (coeficiente residual de estricção): 𝑨𝑳% = 𝒍𝒇 − 𝒍𝟎 𝒍𝟎 . 𝟏𝟎𝟎 • O material é classificado como FRÁGIL, quando submetido a ensaio de tração NÃO APRESENTA DEFORMAÇÃO PLÁSTICA, passando da deformação elástica para o rompimento. ESCOAMENTO E LIMITE DE ESCOAMENTO • O nível de tensão onde a deformação plástica tem início, ou onde ocorre o fenômeno do ESCOAMENTO, a tensão relacionada com este ponto é chamada de TENSÃO LIMITE DE ESCOAMENTO. • Para materiais com comportamento de deformação ELASTOPLÁSTICA GRADUAL, foi estabelecida uma convenção para a determinação do limite de escoamento, onde uma linha reta é construída paralelamente à porção elástica da curva tensão- deformação, A PARTIR DE UMA PRÉ- DEFORMAÇÃO ESPECÍFICA, GERALMENTE DE 0,002. • Para aqueles materiais que possuem uma REGIÃO ELÁSTICA NÃO LINEAR a identificação destatensão graficamente, a prática usual consiste em se definir a tensão limite de escoamento como sendo a tensão necessária para produzir uma determinada quantidade de deformação (=0,005). • No ensaio de tração a medida que aumentamos a intensidade de carga normal aplicada, observamos que a peça apresenta alongamento na sua direção longitudinal e uma redução na seção transversal. • Na fase de DEFORMAÇÃO PLÁSTICA do material, essa redução da seção transversal começa a se acentuar, apresentando ESTRANGULAMENTO DA SEÇÃO NA REGIÃO DE RUPTURA. • Essa propriedade mecânica é denominada ESTRICÇÃO, sendo determinada através da expressão (redução de área): 𝝋 = 𝑨𝟎 − 𝑨𝒇 𝑨𝟎 . 𝟏𝟎𝟎 ESTRICÇÃO LIMITE DE RESISTÊNCIA À TRAÇÃO • Após o escoamento, a TENSÃO necessária para continuar a deformação plástica AUMENTA até um valor máximo, e então DIMINUI até a fratura do material. • O limite de escoamento à tração é a tensão no PONTO MÁXIMO DA CURVA TENSÃO-DEFORMAÇÃO DE ENGENHARIA. Este corresponde à tensão máxima que pode ser sustentada por uma estrutura que se encontra sob tração. • Toda deformação até este ponto é uniforme, contudo, nessa tensão máxima, uma PEQUENA CONSTRIÇÃO, ou pescoço, começa a se formar em algum ponto determinado, e toda a deformação subsequente fica confinada neste pescoço. TENSÃO – DEFORMAÇÃO VERDADEIRA • A diminuição da tensão necessária para continuar a deformação após o ponto máximo, parece indicar que o material está se tornado mais fraco, na realidade, ele está AUMENTANDO EM RESISTÊNCIA. • Contudo a ÁREA DA SEÇÃO RETA ESTÁ DIMINUINDO rapidamente na região do pescoço, onde a deformação está ocorrendo. • Isso resulta em uma REDUÇÃO na capacidade do corpo de prova em SUPORTAR CARGA. 𝝈𝒗 = 𝑭 𝑨𝒊 𝜺𝒗 = 𝒍𝒏 𝒍𝒊 𝒍𝟎 𝑨𝒊𝒍𝒊 = 𝑨𝟎𝒍𝟎 𝝈𝒗 = 𝝈 𝟏 + 𝜺 𝜺𝒗 = 𝒍𝒏 𝟏 + 𝜺 RESILIÊNCIA • A resiliência é a capacidade de um MATERIAL ABSORVER ENERGIA quando ele é deformado elasticamente e depois, com o descarregamento, ter essa ENERGIA RECUPERADA. • A propriedade associada ao módulo de resiliência, que representa a energia de deformação por unidade de volume exigida para tensionar um material desde um estado com ausência de carga até a sua TENSÃO LIMITE DE ESCOAMENTO. 𝑼𝒓 = 𝟎 𝜺𝒆 𝝈𝒅𝜺 • Supondo uma região elástica linear: 𝑼𝒓 = 𝟏 𝟐𝝈𝒆𝜺𝒆 TENACIDADE A tenacidade é um termo mecânico que representa uma MEDIDA DA HABILIDADE DE UM MATERIAL EM ABSORVER ENERGIA ATÉ A SUA FRATURA. • TENACIDADE À FRATURA é a resistência do material à propagação de uma trinca presente. ANELASTICIDADE • O COMPORTAMENTO ELÁSTICO DEPENDENTE DO TEMPO é conhecido por anelasticidade • a deformação elástica irá continuar após a aplicação da tensão, e com a liberação da carga será necessária a passagem de um tempo finito para que se dê a recuperação completa. • Isto é devido aos processos microscópicos e atomísticos dependentes do tempo que acompanham o processo de deformação. • Para os METAIS a componente anelástica é normalmente pequena, sendo DESPREZADA com frequência. • Para materiais POLIMÉRICOS a sua magnitude é SIGNIFICATIVA; neste caso, essa componente é conhecida por comportamento viscoelástico. DUREZA É uma medida da resistência de um material a uma DEFORMAÇÃO PLÁSTICA LOCALIZADA • Qualquer porosidade residual terá uma INFLUÊNCIA NEGATIVA tanto sobre as propriedades elásticas como sobre a resistência. 𝑬 = 𝑬𝟎 𝟏 + 𝟏, 𝟗𝑷 + 𝟎, 𝟗𝑷 𝟐 A porosidade exerce um efeito negativo sobre a resistência à flexão por dois motivos: 1. Os POROS REDUZEM A ÁREA DE SEÇÃO RETA através da qual uma carga é aplicada, 1. Eles também atuam como CONCENTRADORES de TENSÕES. Influência da Porosidade • A influência da porosidade sobre a resistência é relativamente drástica; por exemplo, não é incomum que uma POROSIDADE DE 10%VOL seja responsável por uma DIMINUIÇÃO EM 50% NA RESISTÊNCIA à flexão em relação ao valor medido para o material sem porosidade. 𝝈𝒓𝒇 = 𝝈𝟎𝒆𝒙𝒑 −𝒏𝑷 Influência da Porosidade LEI DE OHM 𝐕 = 𝑹. 𝒊 , onde i é a corrente, V é a voltagem e R é a Resistência Elétrica RESISTIVIDADE ELÉTRICA, ρ (Ωm) 𝝆 = 𝑹 𝑨 𝒍 , onde A é a área da seção reta perpendicular à direção da corrente e l é a distância entre dois pontos em que a tensão é medida. Condutividade elétrica, σ ((Ωm)-1 ), indica a facilidade com que um material conduz corrente elétrica e é o inverso da resistividade 𝝈 = 𝟏 𝝆 A condutividade elétrica é, dentre as propriedades dos materiais, a que apresenta valores mais característicos e distantes. PROPRIEDADES ELÉTRICA CONDUTIVIDADE ELÉTRICA Resulta do MOVIMENTO DE PARTÍCULAS eletricamente carregadas em resposta a forças que atuam sobre elas a partir de um CAMPO ELÉTRICO aplicado externamente. As partículas POSITIVAS são aceleradas NA DIREÇÃO DO CAMPO, enquanto as partículas NEGATIVAS são aceleradas na DIREÇÃO OPOSTA. No interior na maioria dos materiais sólidos, uma corrente tem origem a partir do ESCOAMENTO DE ELÉTRONS, a qual é conhecida por condução eletrônica. Além disso, nos materiais iônicos é possível um MOVIMENTO LÍQUIDO DE ÍONS carregados, o que produz uma corrente; tal fenômeno é conhecido por condução iônica. CONDUÇÃO ELETRÔNICA E IÔNICA Em uma determinada banda de energia, semi-preenchida e a 0 K, o nível de Fermi, EF, é a energia do estado de mais alta energia. (a) metais tais como o cobre, onde existem estados eletrônicos disponíveis acima e adjacentes aos estados preenchidos, na mesma banda. (b) metais tais como o magnésio, onde existe uma superposição entre as bandas mais externas preenchidas e vazias. (c) materiais isolantes; a banda de valência preenchida está separada da banda de condução vazia por um espaçamento entre bandas relativamente grande (>2 eV) . (d) materiais semicondutores, que é a mesma exibida pelos materiais isolantes, exceto pelo fato de que, neste caso, o espaçamento entre bandas é relativamente estreito (< 2eV). A condutividade elétrica dos materiais SEMICONDUTORES não é tão alta quanto aquela apresentada pelos metais; de qualquer forma, eles possuem algumas CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS ÚNICAS que os torna especialmente úteis. As propriedades elétricas desses materiais são extremamente SENSÍVEIS à presença de mesmo PEQUENAS CONCENTRAÇÕES de IMPUREZAS. Semicondutor intrínseco Semicondutor extrínseco SEMICONDUTIVIDADE Quando um sólido ABSORVE ENERGIA na forma de calor, sua temperatura é elevada e suas DIMENSÕES AUMENTAM. A ENERGIA pode ser TRANSPORTADA PARA a região mais FRIA da amostra se existir um gradiente de temperatura e finalmente a peça pode fundir. A capacidade de calor, expansão térmica e condutividade térmica são propriedades frequentemente críticas na utilização prática dos sólidos. PROPRIEDADES TÉRMICAS As propriedades térmicas são as respostas dos materiais a uma aplicação de calor. No ZERO ABSOLUTO os átomos no material com ENERGIA MÍNIMA. Aplicado calor os átomos GANHAM ENERGIA TÉRMICA e VIBRAM com uma amplitude e frequência. A VIBRAÇÃO de cada átomo é TRANSFERIDA para o átomo VIZINHO e produz uma onda ELÁSTICA CHAMADA FÔNON. A energia de um fônon : 𝑬 = 𝒉. 𝝂 Onde h é a constante de Planck e ν é a frequência do fônon. Assim o material ganha ou perde calor ganhando ou perdendo fônons. Em ALTAS TEMPERATURAS, a capacidade de calor para um determinado volume do material se aproxima de: 𝑪𝒑 = 𝟑𝑹 = 𝟔 𝒄𝒂𝒍 𝒎𝒐𝒍 . 𝑲 Onde R= 1,987 cal/mol (constante dos gases) CAPACIDADE DE CALOR É a propriedade indicativa da habilidade do material de absorver calor da vizinhança externa. Ela representa a quantidade de energia necessária para o aumento de temperatura do material em um grau. 𝐂 = 𝐝𝐐 𝐝𝐓 Onde dQ é a energia necessária para produzir uma variação de temperatura dT. (J/mol.K; cal/mol. K) A relação entre o calor específico (c) e a capacidade de calor (C) é: 𝒄 = 𝑪 𝑷𝑨 Onde PA é o peso atômico. CALOR ESPECÍFICO Energia necessária para elevar a temperatura de uma massa particular do material em um grau. O COEFICIENTE DE EXPANSÃO LINEAR é uma propriedade do material indicativa da extensão com que o material expande sob aquecimento, e suas unidades são °C-1. A mudança no volume pode ser computada por: 𝜟𝑽 𝑽𝟎 = 𝜶𝑽𝜟𝑻 Onde ΔV e V0 são a variação de volume e volume inicial na temperatura inicial respectivamente. αv é o coeficiente de expansão térmica volumétrica. Para materiais com expansão térmica isotrópica αv = 3 α1 Na escala atômica, a EXPANSÃO TÉRMICA REFLETE O AUMENTO NA DISTÂNCIA MÉDIA ENTRE ÁTOMOS. Este fenômeno pode ser entendido consultando a curva de energia potencial x distancia interatomica para um material sólido. EXPANSÃO TÉRMICA As maiorias dos materiais sólidos expandem quando aquecidos e contraem quando resfriados. A variação no comprimento com a temperatura, para um material sólido, pode ser expressa como: 𝜟𝒍 𝒍𝟎 = 𝜶𝟏𝜟𝑻 Onde l0 é o comprimento inicial na temperatura T0; lf é o comprimento final na temperatura Tf e α1 é o coeficiente de expansão linear. a) gráfico de energia potencial x distância interatômica, demonstrando o aumento da temperatura. Com o aquecimento, a separação interatômica aumenta de r0 para r1 para r2, e assim por diante. b) para o poço de energia simétrico não ocorre o aumento da distância com a temperatura. As unidades de q e K são respectivamente, W/m-K. A equação ao lado é valida somente para o FLUXO DE CALOR NO REGIME ESTACIONÁRIO, ou seja, para situações onde o fluxo de calor não varia com o tempo. O SINAL NEGATIVO da expressão indica que o CALOR FLUI DA REGIÃO QUENTE PARA A FRIA, ou seja, no sentido da diminuição do gradiente de temperatura. A equação é similar à primeira lei de Fick para a difusão atômica. Por estas expressões, K é análogo ao coeficiente de difusão D, e o gradiente de temperatura é análogo ao gradiente de concentração. CONDUTIVIDADE TÉRMICA É a medida da taxa com que o calor é transferido através do material. Relaciona o calor transferido Q, através de um plano de área A, por segundo, quando um gradiente 𝜟𝑻 𝜟𝒙 existe. 𝑸 𝑨 = 𝑲. 𝜟𝑻 𝜟𝒙 Também definida como: 𝒒 = −𝑲 𝒅𝑻 𝒅𝒙 Onde q é o fluxo de calor, por unidade de tempo, por unidade de área. A energia térmica associada com os FÔNONS ou ondas provocadas pela VIBRAÇÃO DA REDE é transportada na direção do movimento dos mesmos, da região de alta para a de baixa temperatura. A condução térmica via movimentação de ELÉTRONS é feita pelos elétrons livres que na região quente tem a sua energia cinética é transferida para os átomos, como ENERGIA VIBRACIONAL, como uma consequência da COLISÃO destes COM OS FÔNONS OU IMPERFEIÇÕES no cristal. MECANISMOS DE CONDUÇÃO DE CALOR O calor é transportado em materiais sólidos por 2 mecanismos: vibração da rede e por elétrons livres. A condutividade total é a soma das duas contribuições. 𝑲 = 𝑲𝒓 +𝑲𝒆 Onde Kr e Ke representam a condutividade por vibração da rede e por elétrons, respectivamente: usualmente um ou outro mecanismo predomina. METAIS : por ELÉTRONS é muito mais eficiente do que pela vibração da rede, porque os elétrons NÃO SÃO ESPALHADOS tão facilmente quanto os fônons e tem mais altas velocidades. São BONS CONDUTORES por causa do alto número de elétrons livres. CERÂMICAS : são ISOLANTES TÉRMICOS porque eles não possuem um grande número de elétrons livres FÔNONS são responsáveis pela condução térmica, Ke é muito menor do que Kr. Os fônons são MENOS EFETIVOS que os elétrons livres no transporte de energia térmica por causa DO ESPALHAMENTO DO FÔNON PELAS IMPERFEIÇÕES da rede. POLÍMEROS: A condutividade térmica de polímeros é da ordem de 0,3 W/m-K. Para estes materiais, a TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA é acompanhada pela VIBRAÇÃO e ROTAÇÃO das CADEIAS MOLECULARES. A magnitude da condutividade térmica DEPENDE do grau de CRISTALINIDADE; um polímero com alta cristalinidade e estrutura ordenada terá mais alta condutividade que o semelhante amorfo. MECANISMOS DE CONDUÇÃO DE CALOR
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