CIENCIAS DOS MATERIAIS

Prévia do material em texto

Classificação dos materiais
Profa. Daniela Becker
Classificação dos materiais
„ A classificação tradicional dos 
materiais é geralmente baseada 
na estrutura atômica e química 
destes.
Classificação dos materiais
„ Metais
„ Cerâmicos
„ Polímeros
„ Compósitos
„ Semicondutores
„ Biomateriais
Classificação dos Materiais
„ Metais
„ Materiais metálicos são geralmente
uma combinação de elementos
metálicos.
„ Os elétrons não estão ligados a 
nenhum átomo em particular e por
isso são bons condutores de calor e 
eletricidade
„ Não são transparentes à luz visível
„ Têm aparência lustrosa quando
polidos
„ Geralmente são resistentes e 
deformáveis
„ São muito utilizados para aplicações
estruturais
Classificação dos metais
„ Ligas ferrosas
‰ Aços com baixo, médio e alto teor de carbono
‰ Aços inoxdiváveis (liga de cromo)
‰ Aço liga
„ Ferros fundidos
‰ Ferros cinzento, nodular e branco
„ Ligas não ferrosas
‰ Cobre e suas ligas
‰ Alumínio e suas ligas
Classificação dos aços
QUANTO A COMPOSIÇÃO
„ Aço-CarbonoÎ - sem elemento de liga
(elementos residuais: Si, Mn, P, S)
Alto, baixo e médio teor de carbono
„ Aço Liga baixa liga (máximo 3-3,5%) 
média liga
alta liga (teor total mínimo de 10-
12%)
Propriedades dos aços-carbono
„ A resistência aumenta com o teor de Carbono
„ A ductilidade diminui com o teor de Carbono
„ São aços de relativa baixa dureza
„ Oxidam-se facilmente
„ Suas propriedades deterioram-se a baixas e 
altas temperaturas
„ São os mais usados e de mais baixo custo
Propriedades dos aços baixo carbono
AÇO BAIXO CARBONOÎ< 0,3% C
„ Estrutura é usualmente ferrítica e perlítica
„ São fáceis de conformar e soldar
„ São aços de baixa dureza e alta ductilidade
Propriedades dos aços médio carbono
AÇO MÉDIO CARBONOÎ 0,3-0,8% C
„ São aços de boa temperabilidade em água
„ Apresentam a melhor combinação de 
tenacidade e ductilidade e resistência 
mecânica e dureza
„ São os aços mais comuns, tendo inúmeras 
aplicações em construção mecânica
Propriedades dos aços médio carbono
AÇO ALTO CARBONOÎ > 0,8% C
„ Apresentam baixa conformabilidade e 
tenacidade
„ Apresentam alta dureza e elevada 
resistência ao desgaste
„ Quando temperados são frágeis
Aços ligados
ELEMENTOS DE LIGA MAIS COMUNS
„ Cr
„ Ni
„ V
„ Mo
„ W
„ Co
„ B
„ Cu
„ Mn, Si, P, S (residuais)
Efeito dos elementos de liga
„ Aumentam a dureza e a resistência 
„ Conferem propriedades especiais como:
‰ Resistência à corrosão
‰ Estabilidade à baixas e altas temperaturas
‰ Controlam o tamanho de grão
‰ Melhoram a conformabilidade
‰ Melhoram as propriedades elétricas e 
magnéticas
‰ Diminuem o peso (relativo à resistência 
específica)
NÍQUEL
„ Aumenta a resistência ao impacto (2-5% Ni)
„ Aumenta consideravelmente a resistência à
corrosão em aços baixo carbono (12-20% 
Ni)
„ Com 36% de Ni (INVAR) tem-se coeficiente 
de expansão térmica próximo de zero.
Usado como sensores em aparelhos de precisão
CROMO
„ Aumenta a resistência à corrosão e ao calor
„ Aumenta a resistência ao desgaste (devido à
formação de carbetos de cromo)
„ Em aços baixa liga aumenta a resistência e a 
dureza
„ É normalmente adicionado com Ni (1:2)
TUNGSTÊNIO
„ Mantém a dureza a altas temperaturas
„ Forma partículas duras e resistentes ao 
desgaste à altas temperaturas
Presente em aços para ferramentas
Sistema de classificação dos aços
AISI-SAE XXXX
1XXX Î Aço-carbono
10XX Î Aço-carbono comum
11XX Î teores diferenciados de S
12XX Î teores diferenciados de S e P
13XX Î alto teor de Mn (1,6-1,9%)
Sistema de classificação dos aços
2XXX Î Aço ao Níquel
3XXX Î Aço ao Níquel e Cromo
4XXX Î Aço ao Molibidênio
40XX Î Mo 0,15-0,3%
41XX Î Mo, Cr
43XX Î Mo, Cr, Ni
5XXX Î Aço ao Cromo
6XXX Î Aço ao Cromo e Vanádio
8XXX Î Aço ao Níquel, Cromo e Molibidênio
9XXX Î Outros
Ferros fundidos
„ Formam uma classe de ligas ferrosas que 
possui teores de carbono acima de 2,14% 
(3,0 a 4,5%C);
„ Temperaturas de fusão mais baixas (1150 e 
1300ºC) 
Ferro Cinzento
„ 2,5 a 4,0%C e 1,0 a 3,0%Si
„ É fraco e frágil quando submetido a tração
„ São eficientes no amortecimento de energia 
vibracional
„ Elevada resistência ao desgaste
„ Baixo custo
Ferro nodular
„ Adição de pequenas quantidade de magnésio 
e/ou cério
„ Mais resistentes e dúcteis
„ Aplicação: válvulas, corpos de bombas, 
virabrequins, engrenagens e outros 
componentes automotivos e de máquinas
Ferro Branco
„ Ferros fundidos com baixo teor de sílicio
(<0,1%) e taxas de resfriamento rápidas
„ Extremamente duro e frágil (impossível de 
ser usinado)
„ Aplicações que necessitam um superfície 
muito dura e muito resistência à abrasão
Limitação dos aços e outras ligas ferrosas
„ Densidade relativamente alta
„ Condutividade elétrica comparativamente 
baixa
„ Suscetibilidade inerente à corrosão em 
alguns ambientes
Cobre e suas ligas
„ O cobre quando não se encontra na forma de 
liga é muito mole e dúctil
„ Altamente resistente a corrosão
„ A maioria das liga de Cu não podem ser 
endurecidas ou ter a sua resistência melhora 
por tratamento térmico
„ Latões – Zn é o elemento de liga 
predominante
„ Bronze – vários elementos incluindo estanho, 
Al, Si e o Ni
Al e suas ligas
„ Densidade relativamente baixa (2,7g/cm3);
„ Condutividade elétrica e térmica elevadas
„ Resistência a corrosão
„ Alta ductibilidade (mesmo em temperaturas 
baixas)
„ Baixa temperatura de fusão (660ºC)
„ Elementos de liga Cu, Mg, Si, Mn e o Zn
Ti e suas ligas
„ O metal puro tem densidade relativamente 
baixa, elevado ponto de fusão e alto módulo 
de elasticidade
„ As ligas são extremamente resistentes
„ Limitação – reatividade química com outros 
materiais a temperaturas elevadas
Classificação dos Materiais
„ Cerâmicas „ Materiais cerâmicos são geralmente
uma combinação de elementos
metálicos e não-metálicos.
„ Geralmente são óxidos, nitretos e 
carbetos
„ São geralmente isolantes de calor e 
eletricidade
„ São mais resistêntes à altas
temperaturas e à ambientes severos
que metais e polímeros
„ Com relação às propriedades
mecânicas as cerâmicas são duras, 
porém frágeis
ALUMINA
Materiais Cerâmicos
„ Vidros
„ Produtos a base de argila
„ Refratários
„ Cimentos
„ Cerâmicas avançadas
Vidros
„ Usados em enormes quantidades
„ Todos os vidros importantes são à base se 
sílica (SiO2)
„ Principais
‰ Vidro comum de janela
‰ Vidros de borossilicatos resistentes à temperatura
Produtos a base de argila
„ Facilidade de conformação
„ São aluminosilicatos (Al2O3 e SiO2)
„ Produtos estruturais
„ Porcelana
„ Louça e objetos de cerâmica
„ tijolo
Refratários
„ Capacidade de resistir a temperaturas 
elevadas sem fundir ou decompor
„ Capacidade de permanecer não-reativo e 
inerte quando expostos a ambientes severos
„ São divididos em : argila refratária, sílica 
básica e refratários especiais
Cimentos
„ Cimentos inorgânicos: cimento, gesso-de-
paris e cal
„ A característica destes materiais é que 
quando misturados a em água formam uma 
pasta
Cerâmicas Avançadas
„ Materiais cerâmicos que apresentam 
propriedades elétricas, magnética e óticas
„ Aplicações: motores a combustão interna e 
de turbina, chapas de blindagem, 
embalagens de componentes eletrônicos, 
ferramentas de corte e para conversão, 
armazenamento e geração de energia
„ Exemplos: Alumina densa, carboneto, nitreto
de silício, zircônia cúbica
Classificação dos Materiais
„ Polímeros Materiais poliméricos são geralmente
compostos orgânicos baseados em
carbono, hidrogênio e outros
elementos não-metálicos.
„ São constituídos de moléculas muitograndes (macro-moléculas)
„ Tipicamente, esses materiais
apresentam baixa densidade e 
podem ser extremamente flexíveis
„ Materiais poliméricos incluem
plásticos e borrachas
Conceitos
temperatura
pressão
ativadores
catalisadores
Monômero 
(gás / líquido)
Polímero 
(sólido)
MONÔMERO = molécula pequena
MERO = unidade (estrutura química) de repetição da 
molécula
OLIGÔMERO = molécula com poucos meros
POLÍMERO = macromolécula com muitos meros
„ HomopolímeroÎapenas um único tipo de 
mero
„ CopolímeroÎdois ou mais meros
Em relação ao número de diferentes meros
Exemplos de copolímeros
„ ABS (terpolímero de acrilonitrila, butadieno
estireno) – muito utilizado na indústria 
automobilística (peças sujeitas a grandes 
esforços mecânicos)
„ SAN (copolímero de estireno acrilonitrila) –
peças de alta transparência e que pode 
entrar em contato com alimentos (copos de 
liquidificadores, partes internas de 
refrigerador
„ PoliolefinasÎpolipropileno, polibutadieno, 
poliestireno
„ PoliésteresÎpoli(tereftalato de etileno), 
policarbonato
„ PoliéteresÎpoli(óxido de etileno), poli(óxido
de fenileno)
Em relação a estrutura química dos meros
„ PoliamidasÎnylon, polimida
„ Polímeros celulósicosÎnitrato de celulose, acetato
de celulose
„ Polímeros acrílicosÎpoli(metacrilato de metila), 
poliacrilonitrila
„ Polímeros vinílicosÎpoli(acetato de vinila), 
poli(álcool vinílico)
„ Poliuretano
„ Resinas formaldeídas
Classificação quanto a fusibilidade
„ Refere-se ao comportamento ao serem
aquecidos
‰ Termoplásticos
‰ Termorígidos
Classificação – fusibilidade (comportamento 
térmico)
„ Termoplástico
Classificação – fusibilidade
„ Termofixo
Classificação quanto ao comportamento
mecânico
„ Plásticos –
‰ São materiais em que algum estágio da fabricação são
fluídos, podendo ser moldados por aquecimento, pressão, 
ou ambos
„ Elastômeros (ou borrachas)
‰ São materiais de origem natural ou sintética que, após
sofrerem deformação sob ação de uma força, retornam a 
sua forma original quando esta força é removida
„ Fibras
‰ São corpos em que a razão entre comprimento e as 
dimensões laterais são muito elevadas
Classificação dos materiais
Cadeia Molecular Orgânica 
de Comprimentos Elevados
Dúctil, Baixa Resistência 
Mecânica, Baixa Dureza, 
Flexível, Baixa Estabilidade 
Térmica, Transparentes em 
Alguns Casos
POLIMÉRICOS
(Plásticos)
Óxidos, Silicatos, Nitretos, 
Aluminatos,
etc.
Frágil, Isolante Térmico e 
Elétrico, Alta Estabilidade 
Térmica, Dureza Elevada
Transparentes em Alguns Casos
CERÂMICOS
Átomos Metálicos e Não-
Metálicos
Dúctil, Resistência Mecânica 
Elevada, Condutor Elétrico e 
Térmico, Dureza Elevada, 
Opaco
METÁLICOS
CONSTITUINTES TÍPICOSCARACTERÍSTICASTIPO DE 
MATERIAL
Classificação dos Materiais
„ Compósitos „ Materiais compósitos são
constituídos de mais de um tipo de 
material insolúveis entre si.
„ Os compósitos são “desenhados”
para apresentarem a combinação
das melhores características de 
cada material constituinte
„ Muitos dos recentes desenvolvimento
em materiais envolvem materiais
compósitos
„ Um exemplo classico é o compósito
de matriz polimérica com fibra de 
vidro. O material compósito
apresenta a resistência da fibra de 
vidro associado a flexibilidade do 
polímero
Exemplos
„ Polímero com fibra de vidro, fibra de 
carbono, fibra natural e outros
„ Cimentos armado, cermet
„ Pneus de banda de aço
„ Semicondutores „ Materiais semicondutores
apresentam propriedades
elétricas que são intermediárias
entre metais e isolantes
„ Além disso, as características
elétricas são extremamente
sensíveis à presença de 
pequenas quantidades de 
impurezas, cuja concentração
pode ser controlada em
pequenas regiões do material 
„ Os semicondutores tornaram
possível o advento do circuito
integrado que revolucionou as 
indústrias de eletrônica e 
computadores
Classificação dos Materiais
Alguns exemplos
„ Silício
‰ um material semicondutor muito abundante, tem um 
interesse muito especial na indústria eletrônica e 
microeletrônica, como material básico para a produção de 
transistores para chips, células solares e em diversas 
variedades de circuitos eletrônicos. 
„ Germânio
‰ Fibra óptica. 
‰ Eletrônica: Radares, amplificadores de guitarras elétricas, 
ligas metálicas de SiGe em circuitos integrados de alta 
velocidade 
Classificação dos Materiais
„ Biomateriais „ Biomateriais são empregados em
componentes para implantes de 
partes em seres humanos
„ Esses materiais não devem
produzir substâncias tóxicas e 
devem ser compatíveis com o 
tecido humano (isto é, não deve
causar rejeição).
„ Metais, cerâmicos, compósitos e 
polímeros podem ser usados como
biomateriais.
Exemplos
„ Metais –
‰ aços inoxidáveis, 
principalmente os 
austeníticos (ortopedia –
confecção de próteses 
articuladas e elementos 
estruturais)
Cerâmicas
Tipos de biocerâmicas
¾ Bioinertes
¾ Bioativas
¾ Reabsorvível
Material que induz cresicmento tecidual 
(osteoindução / osteocondução) (vidros e vitrocerâmicos, fosfato 
de cálcio
Material que biodegrada no organismo, sendo que os 
produtos da degradação são metabolizados sem causar 
efeitos nocivos
Material que permanece no organismo sem induzir resposta 
tecidual significativa (Alumina, Zirconia, Carbono)
Polímeros
Vantagens do uso de biomateriais poliméricos
9 Facilidade de fabricação em diversos formatos, permitindo bom 
acabamento; 
9 Elevada eficiência dos processos de fabricação, permite elevada 
produtividade;
9 Diversidade de propriedades;
9 Baixa densidade;
9 Baixo consumo energético p/ processamento;
9 Resistência a corrosão
9 Comportamento elastomérico;
9 Possibilidade de polimerização “in situ”;