UNIDADE 1 CIÊNCIA DOS MATERIAIS

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UNIDADE 1: CIÊNCIA DOS MATERIAIS
A importância e história dos materiais de construção:
Os materiais sempre tiveram um papel fundamental na vida da humanidade. As civilizações antigas foram designadas de acordo com o domínio dos materiais, idade da pedra, idade do ferro, etc. No início o homem só tinha acesso aos materiais naturais, tais como pedras, madeira, ossos e peles. A noção inicial baseava-se na dureza. Após o domínio do fogo, tomou-se noção dos materiais inflamáveis e não inflamáveis bem como outras transformações decorrentes da temperatura. Com o passar do tempo foi se descobrindo a possibilidade de criação de novos materiais, como cerâmica e outros metais. Em seguida os tratamentos térmicos e outros processos também tiveram grande importância.
O uso racional, adequado, tecnicamente aconselhável e economicamente viável, só é alcançado com o conhecimento tão perfeito quanto possível das propriedades dos materiais, suas vantagens e suas eventuais deficiências, de tal modo que seja permitido um cotejo entre várias soluções possíveis, escolhendo-se a melhor, tanto do ponto de vista técnico como econômico.
 Os materiais usados em construções se destinam a diversos fins, tais como acabamentos, estruturas, vedação, impermeabilizantes, etc., sendo que cada um deles exige características próprias para o fim a que se destinam.
Introdução à Ciência dos Materiais
Atrações interatômicas:
A Ciência dos Materiais estuda as inter-relações que existem entre a estrutura de um material e suas propriedades mecânicas, elétricas, magnéticas, químicas e outras. Um conceito básico para o estudo de qualquer material é o conceito de microestrutura, definida como o arranjo básico dos núcleos e elétrons do material e dos defeitos existentes em escala atômica. A microestrutura afeta profundamente as propriedades de um material e consequentemente sua aplicabilidade em situações práticas. O estudo da correlação entre a microestrutura e as propriedades macroscópicas dos materiais constitui o objetivo básico da Ciência dos Materiais.
As atrações interatômicas são causadas pela estrutura eletrônicas dos átomos. As atrações interatômicas mantém os átomos unidos formando os materiais sólidos.
Por exemplo: Uma peça de cobre contém 8,4 x 10²² átomos por cm³. Sob tais condições , as forças de atração que mantém os átomos ligados são fortes o bastante para aceitar deformações e suportar as vibrações térmicas.
 As forças de atração entre os átomos mantém os mesmos unidos e são responsáveis pelas ligações químicas. As forças de atração são devidas a atração coulombiana entre as diferentes espécies de íons de cargas opostas, criadas nas ligações químicas.
Atração Coulombiana: A força eletromagnética , ou força coulombiana, resulta da ação das atrações e repulsões elétricas e magnéticas de corpos distantes entre si. A força coulombiana é a única que pode ligar átomos. A combinação de forças atrativas e repulsivas cria uma estrutura molecular estável.
A estrutura dos sólidos
O estado sólido é um dos três estados físicos da matéria que, à diferença do estado líquido e do gasoso, se caracteriza por uma relativa ordenação espacial dos seus átomos numa estrutura a três dimensões (tridimensional).
 Estrutura cristalina do NaCl - (sal comum) cloreto de sódio
Os corpos sólidos apresentam uma série de propriedades distintas dos líquidos e dos gases. É o caso de sua capacidade para suportar tensões, tanto no sentido paralelo como no perpendicular a uma das suas superfícies. A resistência oferecida a tais forças antes de chegar ao ponto de deformação ou ruptura depende, contudo, da natureza dos átomos que constituem a substância, bem como da forma como se ordenam e das forças de ligação que atuam no seu interior.
A passagem de uma substância para o estado sólido a partir do estado líquido ou gasoso acontece geralmente devido a um arrefecimento (diminuição da sua temperatura) ou devido a um aumento da pressão externa. A passagem do estado líquido ao sólido denomina-se solidificação ou cristalização, e a mudança inversa de estado recebe o nome de fusão. Ambos os processos envolvem uma variação intrínseca e idêntica de equilíbrio energético, constante para cada material e conhecida como calor de fusão. A passagem direta de sólido a gás, ou sublimação, realiza-se a baixas pressões.
Classificação dos sólido:
Os sólidos podem ser divididos em duas categorias: Sólidos cristalinos e sólidos amorfos.
Sólidos cristalinos
Num sólido cristalino, o arranjo dos átomos, moléculas ou íons é tal, que a soma das forças atrativas globais tem um valor máximo. Estes sólidos apresentam uma organização interna uniforme. 
Nestes sólidos, as unidades estruturais constituintes da matéria (átomos, moléculas ou íons) podem ligar-se através de ligações químicas. 
No processo de solidificação dos sólidos cristalinos, os átomos ou moléculas fundamentais que os compõem se dispõem espacialmente numa forma geométrica ordenada. Os microcristais básicos, células componentes das redes cristalinas do sólido, assumem formas cúbicas, rômbicas, tetragonais, hexagonais ou prismáticas irregulares. O retículo espacial, ou rede, unidade do sistema de cristalização do sólido, repete-se indefinidamente nas três direções do espaço até alcançar as suas bordas exteriores. Dessa forma, ao fraturar-se um sólido de cristalização perfeita, deve reproduzir em cada um dos seus fragmentos a geometria do corpo no mesmo sistema cristalino.
Quatro tipos de sólidos cristalinos:
(1) metais e ligas metálicas;
(2) cristais iônicos;
(3) cristais covalentes;
(4) cristais moleculares.
Metais e ligas metálicas: caracterizam-se principalmente por apresentarem elevada condutividade da eletricidade e do calor. Essas características explicam-se pela relativa liberdade de movimentos dos elétrons (partículas elementares de carga negativa) que ficam livres na rede ao se configurarem as ligações entre os átomos do metal.
Os cristais iônicos: são agregados de íons: átomos ou moléculas que, durante transformações químicas, perderam ou capturaram elétrons e ficaram eletricamente carregados. Os íons positivos e negativos distribuem-se de forma intercalada, razão pela qual as ligações resultantes se fundamentam nas forças compensadas de atração eletrostática existente entre eles. A rede dos cristais iônicos constitui um sal cuja condutividade elétrica e calorífica normalmente aumenta de forma proporcional à temperatura.
Os cristais covalentes: como o diamante, o silício e o germânio, apresentam alta dureza e, frequentemente, brilho. Ao contrário dos cristais iônicos ou salinos, comportam-se em geral como isolantes elétricos devido à ausência parcial ou total de cargas elétricas na sua estrutura.
Os cristais moleculares: são substâncias que procedem de fases gasosas de acentuada estabilidade (como o dióxido de carbono, por exemplo). Exemplos deste tipo de cristais são o hélio seco e o dióxido de carbono solidificado, as formas sólidas dos gases nobres e numerosos compostos orgânicos constituídos basicamente por átomos de carbono e hidrogênio.
Alguns cristais moleculares e covalentes, assim como certas ligas metálicas e sais iônicos, são substâncias isolantes, não condutoras de corrente elétrica a baixas temperaturas. Ao aumentar-se a temperatura acima de certo valor, contudo, a sua condutividade aumenta sensivelmente. Esses materiais, que constituem intrinsecamente conectores e interruptores elétricos, em função da temperatura a que são submetidos, recebem o nome de semicondutores. Desde a segunda metade do século XX, estes materiais alcançaram importância transcendental na tecnologia eletrônica e cibernética.
Sólidos amorfos ou não cristalinos
Sólidos não cristalinos ou amorfos: ausência de um padrão de cristalização caracteriza os chamados sólidos não cristalinos ou amorfos. Entre eles destacam-se os plásticos, os vidros, os sabões, as parafinas e muitos outros compostos orgânicos e inorgânicos. A disposição interna dos componentes materiais dos sólidos amorfos é em grande partealeatória, semelhante à dos líquidos, que mantêm fixas, contudo, as distâncias de suas ligações moleculares.
 Estrutura amorfa 
A propriedade mais destacada dos sólidos amorfos é a falta de um ponto fixo de fusão, de modo que sua passagem para o estado líquido se verifica ao longo de um intervalo de temperaturas durante o qual adotam o chamado estado plástico. Algumas das aplicações dos vidros e dos materiais plásticos derivam de sua qualidade de serem facilmente moldáveis quando submetidos a aumentos de temperatura.
CIÊNCIA DAS SUPERFÍCIES:
Estudo dos fenômenos físicos e químicos que ocorrem na interface de duas fases. 
FENOMENOS DE SUPERFÍCIE: 
Fase: porção homogênea de um sistema na qual as propriedades se mantém constantes. 
Interface: região tridimensional intermediaria entre duas fases em contacto. 
Superfície: conceito geométrico bidimensional e aparente. Fronteira entre duas fases
As Propriedades dos materiais podem ser:
Propriedades físicas
Propriedades químicas
O estudo das propriedades físicas e químicas dos materiais ajuda a compreender as transformações que ocorrem na natureza, como, por exemplo, a formação de fósseis, a atividade vulcânica, a constituição das rochas, a formação de grutas calcárias, a degradação de monumentos de pedra calcária pela erosão e pelas chuvas ácidas, a precipitação de sal nas salinas, enfim, a atividade natural da Terra e a que é devida à intervenção humana. Os químicos e físicos trabalham ao lado de engenheiros, médicos, biólogos, bioquímicos e outros, estudando as propriedades dos materiais conhecidos, com vista a adequá-los para certos fins e a produzir novos materiais, tendo em vista a melhor qualidade de vida e a sustentabilidade do planeta."
Propriedades físicas : As propriedades físicas são características dos materiais. Apercebemo-nos delas pela análise do comportamento dos materiais na presença de determinados fenômenos físicos. As propriedades físicas podem ser determinadas, sem que existam alterações na constituição dos materiais analisados. 
Propriedades químicas : As propriedades químicas são comportamentos característicos de uma substância quando esta se encontra na presença de uma outra substância. Para investigar as propriedades químicas teremos que proceder a transformações químicas (realizando ensaios químicos) e geralmente não é possível recuperar a amostra utilizada (porque ela sofre transformações dando origem a outras substâncias).
Propriedades Mecânicas
Para o estudo dos ensaios mecânicos são necessários previamente o entendimento e o conhecimento de alguns conceitos importantes. Todo material sólido quando submetido a esforços externos tem a capacidade de deformar-se. As propriedades mecânicas dos materiais definem o comportamento do material (resposta) quando sujeito a cargas externas, sua capacidade de resistir ou transmitir esses esforços sem se fraturar ou deformar de forma incontrolada.
Por que estudar as propriedades mecânicas dos materiais? Para os engenheiros compreenderem como as várias propriedades mecânicas são medidas e o que essas propriedades representam: elas podem ser necessárias para o projeto de estruturas/componentes materiais pré-determinados, a fim de que não ocorram níveis inaceitáveis de deformação e/ou falhas.
As propriedades mecânicas dos materiais são verificadas pela execução de experimentos de laboratório cuidadosamente programados, que reproduzem o mais fielmente possível as condições de serviço. Dentre os fatores a serem considerados incluem-se a natureza da carga aplicada e a duração da sua aplicação, bem como as condições ambientais. A carga pode ser de tração, compressiva, ou de cisalhamento, e a sua magnitude pode ser constante ao longo do tempo ou então flutuar continuamente.
Propriedades Mecânicas importantes:
Algumas propriedades mecânicas importantes que podemos citar são; elasticidade, plasticidade, dureza, resiliência, ductibilidade, tenacidade, etc.
Elasticidade/comportamento elástico: Vimos que todo material quando submetido a solicitações externas deforma-se, o comportamento elástico de um material é a capacidade que o mesmo tem em retornar sua forma e dimensões originais quando retirado os esforços externos sobre ele.
Plasticidade /comportamento plástico - O material já não consegue recuperar sua forma e dimensões originais pois o mesmo é submetido a tensões que ultrapassam um certo limite (chamada de limite elástico) no qual o material sofre um deformação permanente.
Ductibilidade - É a capacidade que um material tem em deforma-se plasticamente até sua ruptura. Um material que se rompe sem sofrer uma quantidade significativa de carga no regime plástico é denominado de frágil. 
Tenacidade - É a capacidade que um material tem em absorver energia ate a sua ruptura. Também pode ser definida como a energia mecânica necessária para levar um material a ruptura.
Resiliência - É a capacidade que o material tem em absorver energia no regime elástico (quando é deformado elasticamente).
Ensaios mecânicos:
Anteriormente avaliava-se a qualidade de um objeto através do seu uso contínuo, um desgaste rápido que levasse algum defeito da ferramenta era o método para avaliar a sua adequação ao uso. A avaliação era feita depois que o produto estivesse pronto. Nesse ponto entra os chamados “ensaios mecânicos”. As propriedades mecânicas de um material são determinado a partir de ensaios mecânicos. Esses ensaios são realizados a partir de CP (corpos de prova) com dimensões e forma especificadas em normas técnicas. Os ensaios mecânicos simulam esforços que os materiais irão sofrer sobre condições reais de “trabalho”.
Ensaios mecânicos - normas técnicas mais comuns:
ABNT (Associação Brasileira de Normas técnicas)
ASTM (American Society for Testing and Materials) 
ensaio mecânico -Corpos de prova:
Corpos de prova: são amostras do material padronizado por normas técnicas que são submetidos a um tipo especifico de ensaio.
Corpo de prova para concreto
Corpo de Prova para o Ensaio de Tração 
Todo ensaio mecânico pode ser classificado em:
Ensaios Mecânicos Destrutivos: A amostra testada (corpo de prova) é deformada permanentemente até sua fratura e deixam algum sinal no CP, mesmo que não fique inutilizado.
Alguns Ensaios Mecânicos Destrutivos estão listados abaixo:
Tração - ensaio de tração é o tipo de ensaio destrutivo utilizado com mais frequência (comum) nas industrias.
Ensaio de tração : um corpo de prova ou provete é submetido a um esforço que tende a alongá-lo ou esticá-lo até à ruptura. Geralmente, o ensaio é realizado num corpo de prova de formas e dimensões padronizadas, para que os resultados obtidos possam ser comparados ou, se necessário, reproduzidos. Este é fixado numa máquina de ensaios que aplica esforços crescentes na sua direção axial, sendo medidas as deformações correspondentes. Os esforços ou cargas são mensurados na própria máquina, e, normalmente, o ensaio ocorre até a ruptura do material (ensaio destrutivo).
 
Diagrama tensão-deformação obtido por meio de um ensaio de tração
1. Tensão Máxima de Tração
2. Tensão de Escoamento 
3. Tensão de Ruptura
4. Região de Encruamento 
5. Região de "Estricção”
 
Dispositivo usado para conduzir ensaios tensão-deformação por tração. O corpo de prova é alongado pelo travessão móvel; uma célula de carga e um extensômetro medem, respectivamente, a magnitude da carga aplicada e o alongamento.
Com esse tipo de ensaio, pode-se afirmar que praticamente as deformações promovidas no material são uniformemente distribuídas em toda a sua extensão.
 Compressão:
 
O ensaio de compressão é feito em corpo-de-prova cilíndrico que deve ser posicionado de modo que, quando estiver centrado, seu eixo coincida com o da máquina de ensaio, de modo que a resultante das forças passe pelo centro. Além da carga de ruptura interessa saber o tipo de ruptura. O atrito no contato das placas de aço da máquina de ensaio com o corpo-de-prova pode causar impedimentoà livre deformação transversal, devido à grande rigidez dessas placas de aço. No Brasil, a resistência à compressão dos concretos é avaliada por meio de corpos-de-prova cilíndricos com dimensões de 15 cm de diâmetro por 30 cm de altura , moldados conforme a NBR 5738/03. Para concretos de resistências à compressão elevadas (> 50 MPa) podem ser moldados corpos-de-prova menores, com dimensões 10 cm por 20 cm . O ensaio para determinar a resistência é feito numa prensa na idade de 28 dias a partir da moldagem, conforme a NBR 5739/94 .
O q u e a c o m p r e s s ã o e a t r a ç ã o t ê m e m c o m u m?
De modo geral, podemos dizer que a compressão é um esforço axial, que tende a provocar um encurtamento do corpo submetido a este esforço. Nos ensaios de compressão, os corpos de prova são submetidos a uma força axial para dentro,distribuída de modo uniforme em toda a seção transversal do corpo de prova.Do mesmo modo que o ensaio de tração, o ensaio de compressão pode ser executado na máquina universal de ensaios, com a adaptação de duas placas lisas - uma fixa e outra móvel. É entre elas que o corpo de prova é apoiado e mantido firme durante a compressão. As relações que valem para a tração valem também para a compressão. Isso significa que um corpo submetido a compressão também sofre uma deformação elástica e a seguir uma deformação plástica. Na fase de deformação elástica, o corpo volta ao tamanho original quando se retira a carga de compressão.
Fluência: é a deformação plástica que ocorre num material, sob tensão constante ou quase constante, em função do tempo (tempo em geral muito grande). A temperatura tem um papel importantíssimo nesse fenômeno. A fluência ocorre devido à movimentação de falhas, que sempre existem na estrutura cristalina dos metais. Não haveria fluência se estas falhas não existissem. Existem metais que exibem o fenômeno de fluência mesmo à temperatura ambiente, enquanto outros resistem a essa deformação mesmo a temperatura elevadas. As exigências de uso têm levado ao desenvolvimento de novas ligas que resistam melhor a esse tipo de deformação. A necessidade de testar esses novos materiais, expostos a altas temperaturas ao longo do tempo, define a importância deste ensaio. Os ensaios que analisamos anteriormente são feitos num curto espaço de tempo, isto é, os corpos de prova ou peças são submetidos a um determinado esforço por alguns segundos ou, no máximo, minutos. Porém, nas condições reais de uso, os produtos sofrem solicitações diversas por longos períodos de tempo. O uso mostra que, em algumas situações, os produtos apresentam deformação permanente mesmo sofrendo solicitações abaixo do seu limite elástico. Essas deformações ocorrem mais frequentemente em situações de uso do produto que envolvam altas temperaturas. E quanto maior a temperatura, maior a velocidade da deformação. Nos ensaios de fluência, o controle da temperatura é muito importante. Verificou-se que pequenas variações de temperatura podem causar significativas alterações na velocidade de fluência. Exemplo disso é o aço carbono submetido ao ensaio de fluência, a uma tensão de 3,5 kgf/mm2, durante 1 .000 horas: à temperatura de 500 ºC, apresenta uma deformação de 0,04% e à temperatura de 540 ºC apresenta uma deformação de 4%.
Dobramento: O ensaio de dobramento caracteriza através de um esforço de flexão no corpo de prova, qualitativamente a ductilidade do material, e nos casos de ensaio de dobramento de juntas soldadas, este ensaio evidencia ainda a presença de defeitos de soldagens, sendo os mais comuns a falta de fusão, inclusões metálicas e não metálicas e poros. É um ensaio de simples execução, podendo ser realizado em campo sem a necessidade de equipamentos especiais. No ensaio, um corpo de prova de seção qualquer (circular, quadrada, retangular) é assentado entre dois apoios afastados a uma distancia especifica estabelecida em norma, e por intermédio de um cutelo, aplica-se uma força de flexão no centro do corpo de prova até que seja atingido certo ângulo de dobramento. A carga aplicada neste ensaio não é uma informação de grande relevância, sendo mais importantes o ângulo final do corpo de prova (pois determina a severidade do ensaio), e a característica final da face tracionada. Quando a força aplicada provoca somente uma deformação elástica no material, dizemos que se trata de um esforço de flexão. Quando produz uma deformação plástica, temos um esforço de dobramento.Na verdade, flexão e dobramento são etapas diferentes da aplicação de um mesmo esforço, sendo a flexão associada à fase elástica e o dobramento à fase plástica. Em algumas aplicações industriais envolvendo materiais de alta resistência é muito importante conhecer o comportamento do material quando submetido a esforços de flexão. Nesses casos, o ensaio é interrompido no final da fase elástica e são avaliadas as propriedades mecânicas dessa fase, tais como módulo de elasticidade e a rigidez do material. Quando se trata de materiais dúcteis, é mais importante conhecer como o material suporta o dobramento. Nesses casos, é feito diretamente o ensaio de dobramento, que fornece apenas dados qualitativos. Em geral, de acordo com a norma que especifica o ensaio, será considerado como aprovado, o material que não apresentar trincas, fissuras, fendas e nem fraturar. Além disso, em função da norma a ser aplicada e geometria da amostra, o ensaio poderá ser do tipo dobramento lateral, ou dobramento de face e raiz.
 
 Exemplo de Apoio e Cutelo para Ensaio de Dobramento.
Dureza: Outra propriedade mecânica que pode ser importante considerar é a dureza, que é uma medida da resistência de um material a uma deformação plástica localizada (por exemplo, uma pequena impressão ou risco). Os primeiros ensaios de dureza eram baseados em minerais naturais, com uma escala construída unicamente em função da habilidade de um material em riscar outro mais macio. Técnicas quantitativas para a determinação da dureza foram desenvolvidas ao longo dos anos, nas quais um pequeno penetrador é forçado contra a superfície de um material a ser testado, sob condições controladas de carga e taxa de aplicação. Faz-se a medida da profundidade ou do tamanho da impressão resultante, a qual pó usa vez é relacionada a um número índice de dureza: quanto mais macio o material, maior e mais profunda é a impressão e menor é o número índice de dureza. As durezas medidas são apenas relativas (ao invés de absolutas), e deve-se tomar cuidado ao se comparar valores determinados segundo técnicas diferentes.
Os ensaios de dureza são realizados com mais frequência do que qualquer outro ensaio mecânico por diversas razões:
simples e barato;
não destrutivo;
pode-se estimar outras propriedades a partir da dureza do material.
Ensaios de dureza Rockwell Os ensaios Rockwell constituem o método mais comumente utilizado para medir a dureza, pois eles são muito simples de executar e não exigem qualquer habilidade especial. Os penetradores incluem bolas de aço esféricas endurecidas, com diâmetros de 1 /1 6, 1 /8, 1 /4 e 1 /2 polegada, e um penetrador cônico de diamante para os metais mais duros.
Ensaios Mecânicos não Destrutivos: são ensaios que não provocam nenhum tipo de alteração nas propriedades do CP.
Alguns Ensaios Não Destrutivos estão listados abaixo:
Líquido Penetrante
Emissão Acústica
Exame Visual
Ensaio radiográfico