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ENG06638-Introdução à engenharia metalúrgica Nestor Cezar Heck / UFRGS – DEMET 1 1 - Materiais Define-se material como sendo aquilo que empregamos na confecção de bens materiais tais como: habitações, veículos, máquinas e equipamentos, utensílios, etc. 1-1. Classificações Os materiais são classificados tecnicamente em três classes principais independentes e uma composta (ver Figura 1-1), denominadas, respectivamente: polímeros, cerâmicas, metais e compósitos. Os materiais metálicos compõem o tema central da metalurgia. Figura 1-1: Classificação técnica dos materiais Dentro dessa ótica, J.W. Bullard (http://www.mse.uiuc.edu/info/mse182/t41.html), da Universidade de Illinois, EUA, apresenta as principais subclasses dessa classificação: Classe Subclasse Metais A. Ferro e aço; B. Ligas não-ferrosas e superligas (aplicações aeroespaciais) C. Compostos intermetálicos (materiais estruturais de alta temperatura) Cerâmicas A. Cerâmicas estruturais (materiais estruturais de alta temperatura) B. Refratários (materiais resistentes à corrosão, isolantes térmicos) C. Cerâmica branca (porcelanas) D. Vidros E. Cerâmicas para aplicações elétricas (capacitores, isolantes, transdutores, etc.) F. Cerâmicas ligadas quimicamente (cimento e concreto) Polímeros A. Plásticos B. Cristais líquidos C. Adesivos Compósitos A. Compósitos particulados (pequenas partículas dispersas em um material diferente) B. Compósitos laminados (tacos de golfe, raquetes de tênis) C. Compósitos reinforçados com fibras (fibra de vidro, fibra de carbono) Tabela 1-I: Principais subclasses de materiais (adaptado) ENG06638-Introdução à engenharia metalúrgica Nestor Cezar Heck / UFRGS – DEMET 2 A maioria das classificações dos materiais nasceu num tempo em que as propriedades mecânicas estavam em primeiro plano. Assim, a primeira associação de materiais é feita tendo-se em vista normalmente uma determinada propriedade mecânica ou estrutural: dureza, resistência, fragilidade, etc. Outras classificações podem ser feitas como, por exemplo, com base na Química (Tabela 1-II). Ligação Menor partícula Estrutura Metais metálica átomo cristalina Semicondutores covalente, (iônica) átomo cristalina (raram. amorfa) Cerâmicos covalente, iônica molécula cristalina Vidros covalente, iônica molécula amorfa Polímeros covalente, lig. secundárias cadeia de moléculas amorfa (raram. cristalina) Tabela 1-II: Classificação química dos materiais Uma classificação moderna e muito interessante dos materiais é aquela onde eles são divididos em apenas dois grandes grupos: materiais estruturais: que são todos os materiais para os quais as propriedades mecânicas têm um papel fundamental; e materiais funcionais: que servem para cumprir um grupo de funções como, por exemplo, materiais ‘semicondutores’, materiais magnéticos, materiais condutores de eletricidade, luz, etc. Lembre-se, contudo, que a natureza é refratária às classificações e que uma classificação totalmente isenta de exceções é virtualmente inexistente. 1-2. Propriedades Os materiais são usados por causa de suas boas propriedades. Usamos vidro nas vidraças porque é transparente à luz visível, aço nos automóveis por causa da sua boa resistência mecânica, cobre nos condutores elétricos por causa da sua boa condutividade elétrica. Naturalmente o valor de uma propriedade varia mesmo entre os materiais de uma mesma classe, contudo, é possível observar-se certo grau de correlação entre as classes de materiais e as propriedades. A magnitude de algumas propriedades (mecânicas) interessantes, para as quatro diferentes classes de materiais, pode ser vista na Tabela 1-III. Propriedade Unidade Metais Cerâmicas Polímeros Compósitos* Densidade Mg**/m3 2-10 1-5 1-2 1,5-2,0 Mód. de Young GPa 50-200 10-1000 0,01-10 10-200 Res. à tração MPa 50-2000 1-800 5-100 100-1000 * com matriz polimérica ** Mg = megagrama ou tonelada (métrica) Tabela 1-III: Faixas de algumas propriedades, por classe de material Fonte: Ashby e Jones, Eng. Mat.2, p.376 Duas propriedades mecânicas citadas acima estão relacionadas com o nível de tensão (que possui as unidades da pressão): o módulo de Young e a resistência mecânica à tração. Elas exemplificam a grande relevância que a tensão tem no estudo dos materiais. ENG06638-Introdução à engenharia metalúrgica Nestor Cezar Heck / UFRGS – DEMET 3 1-3. Materiais metálicos: características e aplicações Bullard (http://www.mse.uiuc.edu/info/mse182/t41.html) sintetizou as principais características, aplicações e exemplos dos materiais da classe dos metais (adaptado): Características básicas: átomos organizados numa estrutura repetitiva regular (cristal); relativamente resistente (propriedade mecânica); denso; maleável ou dúctil: alta plasticidade; resistente à fratura: alta tenacidade; excelente condutor de eletricidade e calor; opaco à luz visível; aparência com (o assim chamado) brilho metálico. Aplicações: condução de eletricidade: fiação elétrica; estruturas: construção civil, pontes, pavilhões industriais, etc.; automóveis: corpo, chassis, molas, bloco do motor, etc.; aeroplanos: componentes do motor, fuselagem, conjuntos de trem de pouso, etc.; trens: trilhos, componentes do motor, corpo, rodas; máquinas e ferramenta: brocas, martelos, chaves-de-fenda, lâminas de serra, etc.; materiais com memória de forma: próteses dentárias corretoras de mau posicionamento; magnetos; catalisadores. Exemplos de metais e ligas empregados freqüentemente: elementos metálicos ‘puros’: Cu, Zn, Al, etc.; ligas: Cu-Sn (bronze), Cu-Zn (latão), Fe-C (aço), Pb-Sn (solda), NiTi (Nitinol); compostos intermetálicos: WC (‘widia’). 1-4. Principais razões para a aplicação dos materiais metálicos Natureza da propriedade Exemplos: Propriedades físicas Condutividade elétrica e térmica, refratariedade, cor, brilho, densidade; Propriedades mecânicas Resistência em alta e baixa temperatura, conformabilidade, tenacidade, ductilidade, dureza; Propriedades químicas Susceptibilidade à corrosão (aquosa e oxidação em alta temperatura); Formação de ligas com outros metais e soldagem; Conhecimento científico De como conformar, como tratar (dar propriedades interssantes), etc.; Fatores de produção Abundância e oferta confiável de matérias primas; suprimento garantido; métodos extrativos conhecidos; e, processos de produção não-poluentes; Mercado confiável para "produtos metálicos" ENG06638-Introdução à engenharia metalúrgica Nestor Cezar Heck / UFRGS – DEMET 4 Fatores ambientais Durabilidade; Reciclabilidade do material; Degradação rápida e sem perigos; Produtos da decomposição conhecidos. Fatores de custo De produção da mercadoria metálica; De manutenção De reposição 1-5. A competição entre os materiais e os casos mais difíceis Materiais de diferentes classes (ou, mesmo, da mesma classe) competem entre si nas diferentes aplicações que lhes podemos dar em utensílios, mecanismos, habitações, móveis, meios de transporte, etc. Fora dessa região de franca competição, há duas áreas, em campos opostos, onde existem dificuldades em se aplicar materiais; elas são: (i) a região das aplicações sem materiais sucedâneos e, (ii) a das aplicações ainda sem materiais ‘ideais’ ou eficientes. Um exemplo do primeiro é dado pelo tungstênio em filamentos de lâmpadas incandescentes e, do segundo, é dado pelo vidro em janelas blindadas!
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