3ª aula de materiais 2013.

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3ª Aula de Materiais - 2013
 Curso de Engenharia Mecânica
 Prof. Engº Gutembergue da Silva Arruda
1.Ref.: Livro: Ciência e Engenharia dos Materiais
Autores: Donald R. Askeland / Pradeep P. Phulé
 2.Ref.: Livro: Ciência e Engenharia dos Materiais
 Autores: William D. Callister, Jr.
Propriedades dos Materiais
As propriedades dos materiais dependem da composição química e da microestrutura. A composição, a natureza das ligações, a estrutura cristalina e os defeitos (tais como discordâncias, tamanho dos grãos etc.) de um material têm grande influência na resistência mecânica e ductilidade dos materiais metálicos.
Além desses fatores, existem outros, como por exemplo, baixas temperaturas, fragilizam vários metais e polímeros.
Dois acidentes de ônibus espacial estiveram associados ao comportamento dos materiais: as baixas temperaturas existentes na atmosfera contribuíram para aumentar a fragilidade do polímero utilizado em anéis de vedação, causando o acidente do ônibus espacial Challenger, em 1986. Além deste, a perda do ônibus espacial Columbia, em 2003, deveu-se ao impacto de fragmentos sobre as placas cerâmicas e à falha de compósito carbono-carbono.
Da mesma forma, a composição química do aço empregado no Titanic e as tensões residuais associadas ao processo de fabricação resultaram num aço pouco tenaz para aplicação em águas a baixas temperaturas. Esses fatores contribuíram para as extensas avarias no casco do navio. Além disso, alguns pesquisadores demonstraram que rebites pouco resistentes e falhas de projeto também favoreceram o naufrágio.
Nosso estudo tem como objetivo apresentar os conceitos básicos associados às propriedades mecânicas dos materiais, como: dureza, tensão, deformação, deformação elástica e plástica, viscoelasticidade, taxas de deformação etc. Vamos também analisar alguns procedimentos básicos de testes que os engenheiros utilizam para avaliar várias dessas propriedades. Esses conceitos serão aplicados em casos reais de engenharia.
Importância Tecnológica
Na produção de aviões (ligas de alumínio, ou compósitos reforçados com carbono usados em componentes aeronáuticos devem ser leves, resistentes e capazes de suportar cargas mecânicas cíclicas durante longos períodos de tempo); 
- Os aços utilizados na construção de estruturas, como edifícios e pontes, devem ter resistência adequada, de modo que não comprometam a seguranças das edificações;
- Os plásticos empregados na fabricação de tubos, válvulas, pisos e outros elementos também devem ter resistência mecânica apropriada;
- Outros materiais, como a grafite pirolítica e as ligas de cobalto, cromo e tungstênio, utilizadas em próteses de válvulas cardíacas, não podem falhar;
- Em várias outras aplicações, as propriedades mecânicas do material também desempenham papel importante, mesmo quando a propriedade específica que determinou sua escolha não é de natureza mecânica. Uma fibra óptica, por exemplo, deve apresentar resistência para suportar as tensões mecânicas decorrentes do seu uso. 
Nas aplicações sujeitas a cargas mecânicas, selecionam-se os materiais pela compatibilidade de suas propriedades mecânicas com as especificações de projeto e as condições de serviço.
A primeira etapa do processo de seleção requer uma análise da aplicação para determinar as características mais importantes. O material deve ser resistente, rígido ou ductil? O componente estará sujeito a tensões elevadas ou forças intensas e súbitas, exposto a temperaturas elevadas, a solicitações cíclicas ou ainda a condições corrosivas ou abrasivas? 
Uma vez conhecidas as propriedades necessárias, pode-se fazer uma seleção preliminar do material utilizando banco de dados. É preciso, porém, saber como obter as propriedades nesses bancos, entender o que significam essas propriedades e compreender que as propriedades indicadas foram obtidas a partir de testes idealizados, que podem não se adequar exatamente às aplicações reais de engenharia.
Materiais com a mesma composição química podem ter propriedades mecânicas muito diferentes, determinadas pela sua microestrutura. Além disso, mudanças de temperatura, a natureza cíclica das tensões aplicadas, as alterações químicas causadas pela oxidação, corrosão ou erosão, as mudanças microestruturais causadas pela temperatura, o efeito de eventuais defeitos introduzidos durante a fabricação (tais como operações de usinagem, soldagem e corte) e outros fatores podem alterar o comportamento mecânico dos materiais.
As propriedades mecânicas dos materiais devem ser compreendidas, ainda, para que seja possível produzir materiais em formas úteis, empregando técnicas de processamento mecânico. O processamento de materiais, tal como no uso de aços e polímeros para fabricação de peças de automóveis, requer entendimento detalhado das propriedades em diferentes temperaturas e condições de solicitação mecânica. Um bom exemplo é o comportamento mecânico de aços e polímeros usados nos componentes aerodinâmicos de automóveis.
Terminologia das propriedades mecânicas
Os materiais estão agrupados em duas famílias:
Materiais ferrosos e não ferrosos;
Materiais não-metálicos naturais e sintéticos.
Essa divisão entre metálicos e não metálicos está diretamente ligada às propriedades desses materiais. Assim, os materiais metálicos apresentam plasticidade, isto é, podem ser deformados sem se quebrarem e conduzem bem o calor e a eletricidade.
Aliás, a condutividade tanto térmica quanto elétrica dos metais está estreitamente ligada à mobilidade dos elétrons dos átomos de sua estrutura. Os não-metálicos, por sua vez, são – na maioria dos casos – maus condutores de calor e eletricidade.
Materiais
Materiais
METÁLICOS
NÃO-METÁLICOS
Ferrosos
Não-ferrosos
Naturais
Sintéticos
Aço
Alumínio
Madeira
Vidro
Ferro Fundido
Cobre
Asbesto
Cerâmica
Zinco
Couro
Plástico
Magnésio
Borracha
Chumbo
Estanho
Titânio
Dureza, fragilidade, resistência, impermeabilidade, elasticidade, condução de calor... Todas essas capacidades próprias de cada material, e outras, são o que chamamos de propriedades.
As propriedades foram divididas em dois grupos:
- propriedades físicas;
- Propriedades químicas.
Propriedades físicas
Esse grupo de propriedades determina o comportamento do material em todas as circunstâncias do processo de fabricação e de utilização. Nele você tem as propriedades mecânicas, as propriedades térmicas e as propriedades elétricas.
As propriedades mecânicas aparecem quando o material está sujeito a esforços de natureza mecânica. Isso quer dizer que essas propriedades determinam a maior ou menor capacidade que o material tem para transmitir ou resistir aos esforços que lhe são aplicados.
Essa capacidade é necessária não só durante o processo de fabricação, mas também durante sua utilização. Do ponto de vista da indústria mecânica, esse conjunto de propriedades é considerado o mais importante para a escolha da matéria-prima.
Dentre as propriedades desse grupo, a mais importante é a resistência mecânica. Essa propriedade permite que o material seja capaz de resistir à ação de determinados tipos de esforços, como tração e compressão. Ela está ligada as forças internas de atração existentes entre as partículas que compõem o material. Quando as ligações covalentes unem um grande número de átomos, como no caso do carbono, a dureza do material é muito grande.
A resistência a tração, por exemplo, é uma propriedade bastante desejável nos cabos de aço de um guindaste. A elasticidade, por outro lado, deve estar presente em materiais para fabricação de molas de veículos.
A elasticidade é a capacidade que o material deve ter de se deformar, quando submetido a um esforço, e de voltar a forma original quando o esforço termina.
Um material também pode ter plasticidade. Isso quer dizer que, quando submetido a um esforço, ele
é capaz de se deformar e manter essa forma quando o esforço desaparece.
Essa propriedade é importante para os processos de fabricação que exigem conformação mecânica, como, por exemplo, na prensagem, para a fabricação de partes da carroçaria de veículos, na laminação, para a fabricação de chapas, na extrusão, para a fabricação de tubos.
A plasticidade pose se apresentar no material como maleabilidade e como ductilidade.
Dureza: é a resistência do material à penetração, à deformação plástica permanente, ao desgaste. Em geral, materiais duros são também frágeis.
 
- A fragilidade é também uma propriedade mecânica na qual o material apresenta baixa resistência ao choque.
Se você colocar dois cubos maciços do mesmo tamanho, sendo um de chumbo e um de plástico, em uma balança de dois pratos, será fácil perceber a propriedade DENSIDADE.
Propriedades térmicas:
Determinam o comportamento dos materiais quando submetidos a variações de temperatura. Isso acontece tanto no processamento do material quanto na sua utilização. É um dado muito importante, por exemplo, na fabricação de ferramentas de corte. As velocidades de corte elevadas geram aumento de temperatura e, por isso, a ferramenta precisa ser resistente a altas temperaturas. Ponto de fusão, ponto de ebulição, dilatação térmica, condutividade térmica, condutividade elétrica e resistividade, são exemplos de propriedades térmicas.
Propriedades químicas
As propriedades químicas são as que se manifestam quando o material entra em contato com outros materiais ou como ambiente. Elas se apresentam sob a forma de presença ou ausência de resistência à corrosão, aos ácidos, ás soluções salinas. 
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
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