Materiais de Engenharia
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Materiais de Engenharia

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forno está
entre 1100 e 1000°C. Uma camada fluida de vidro flutua (“floating”) sobre
estanho líquido. A temperatura de saída da zona de “floating” situa-se por
volta de 600°C. Os vidros planos tem temperatura de transição vítrea entre
540 e 520ºC.

SÓLIDOS AMORFOS 209

Materiais orgânicos amorfos

Os materiais orgânicos são freqüentemente constituídos de enormes
cadeias ou macromoléculas. As ligações químicas no interior da cadeia são
geralmente ligações covalentes muito fortes. As ligações intercadeias são em
geral ligações secundárias fracas. Além disto, deve-se mencionar que as liga-
ções covalentes são direcionais. Pelas razões mencionadas, pode-se esperar
que os materiais orgânicos tenham enorme dificuldade de cristalização. Em
alguns casos, as macromoléculas têm um arranjo tridimensional e totalmente
amorfo, conforme ilustra a figura 11.7. Este é o caso dos polímeros termorí-
gidos. Os polímeros termoplásticos também podem ser obtidos completa-
mente amorfos, mas apresentam maior propensão à cristalização. Eles serão
discutidos no próximo capítulo (sólidos parcialmente cristalinos).

A temperatura de fusão de um polímero termoplástico como o polietile-
no situa-se entre 140 e 100ºC, dependendo do grau de cristalinidade e sua
temperatura de transição vítrea situa-se entre -90 e -110ºC. No caso do poli-
tetraflúoretileno (PTFE) a temperatura de fusão situa-se por volta de 327ºC e
a temperatura de transição vítrea situa-se por volta de -90ºC. Alguns termo-
plásticos amorfos, tais como o poliestireno (74 a 105ºC) e o PMMA (85 a
105ºC) apresentam temperaturas de transição vítrea mais altas.

Figura 11.7 — Arranjo tridimensional da baquelite. Os círculos escuros
representam o C6H4OH e os círculos claros representam o CH2 .

210 CAPÍTULO 11

Exercícios

1. A ocorrência de sólidos amorfos na natureza é muito freqüente ou pouco
freqüente? Dê exemplos.
2. Você espera que um vidro metálico seja transparente à luz? Justifique sua
resposta.
3. Quais as principais diferenças entre o ponto de fusão e a temperatura de
transição vítrea (Tg ou Tv)?
4. Os difratogramas de sólidos amorfos em geral apresentam alguns picos
muito largos, sendo que um deles é muito mais intenso que os outros. Justifi-
que fisicamente a presença deste pico mais intenso nos sólidos amorfos.
5. Suponha que você dispõe de um difratômetro de raios x que permite a
obtenção de difratogramas em várias temperaturas. Existem diferenças signi-
ficativas entre os difratogramas de um sólido amorfo obtidos um pouco aci-
ma de Tg e um pouco abaixo da referida temperatura ?
6. De um modo geral, os metais puros têm maior propensão à cristalização
que as ligas metálicas. Justifique.
7. De um modo geral, os polímeros termoplásticos têm maior propensão à
cristalização que os polímeros termorígidos ou termofixos. Justifique.
8. Deseja-se produzir uma corrida de 120 Kg de vidro de sílica, cal e soda
com a seguinte composição em peso: 80% de SiO2 , 15% de Na2O e 5% de
CaO. A soda e a cal são adicionadas ao quartzo (SiO2) na forma de Na2CO3 e
CaCO3 , respectivamente. Durante o aquecimento estas matérias primas se
decompõe liberando CO2. Calcule as massas das matérias primas necessárias.
Suponha conhecidas as massas atômicas dos elementos envolvidos.
9.Discuta os efeitos do Na2O no ponto de fusão, na viscosidade e na estrutura
da sílica.
10. Um vidro quando aquecido tende a se cristalizar. Este processo de crista-
lização é chamado de devitrificação. Por exemplo, um vidro de janela se
aquecido acima de 500°C sofre devitrificação. A devitrificação de um vidro é
desejável ou indesejável?
11. As fibras de vidro têm resistência mecânica muito maior que os vidros
comuns e por esta razão elas são freqüentemente utilizadas como reforço na
obtenção de materiais compósitos de matriz polimérica. Considere uma fibra
de vidro com a mesma composição química que uma placa de vidro de
janela. Justifique a enorme diferença de resistência mecânica entre a fibra e a
placa.

SÓLIDOS AMORFOS 211

12. O que é vidro temperado?
13. Apresente três maneiras de aumento de resistência mecânica dos vidros
inorgânicos tradicionais.
14. Por que geralmente os vidros de sílica, cal e soda são frágeis e os vidros
metálicos são tenazes?
15. Os vidros metálicos são relativamente pouco utilizados em engenharia.
Justifique.
16. A densidade dos vidros metálicos é cerca de (apenas) 2% menor do que a
das ligas cristalinas correspondentes, enquanto a variação de densidade dos
vidros não metálicos é da ordem de 10%. Justifique a diferença.
17. Considere uma liga metálica que pode ser obtida tanto no estado cristali-
no como no amorfo. Compare as propriedades mecânicas, elétricas e quími-
cas dos dois materiais.

Bibliografia consultada

ANDRÉ GUINIER; The structure of matter, Edward Arnold, London, 1984.
VERNON B. JOHN; Engineering Materials, Macmillan, London, 1990.
ARTHUR E. WOODWARD; Understanding polymer morphology, Hanser, Munich,

1995.
RAYMOND A. HIGGINS; Propriedades e estruturas dos materiais em engenharia,

DIFEL, São Paulo, 1982.
ERHARD HORNBOGEN; Werkstoffe, Fünfte Auflage, Springer-Verlag, Berlin,

1991.

212 CAPÍTULO 11

Sólidos Parcialmente Cristalinos

A microestrutura de um material parcialmente cristalino consiste em
uma mistura de fases cristalinas e regiões amorfas. Esta mistura de fases
cristalinas e amorfa representa, em praticamente todos os casos conhecidos,
um equilíbrio metaestável. Os materiais parcialmente cristalinos também são
relativamente freqüentes e ocorrem nos três grupos de materiais (metálicos,
cerâmicos e poliméricos).

É importante chamar a atenção do leitor para o fato de que materiais
parcialmente cristalinos não devem ser confundidos com materiais quase-
cristalinos, discutidos no capítulo IV.

Materiais metálicos parcialmente cristalinos

Conforme já foi mencionado várias vezes neste texto, os materiais me-
tálicos têm enorme propensão à cristalização e são disponíveis predominante-
mente como sólidos cristalinos, ou melhor, policristalinos. Por outro lado,
alguns materiais metálicos podem ser obtidos no estado completamente
amorfo, conforme discutido no capítulo anterior. Estes materiais amorfos,
quando aquecidos, iniciam o processo de cristalização. Em um estado inter-
mediário deste processo pode-se obter uma mistura de fases cristalinas e
amorfas.

Uma classe especial de materiais parcialmente cristalinos é formada
pelos nanocristais. De uma maneira simplificada, os materiais nanocristali-
nos são policristais com grãos muito pequenos, com dimensões de nanome-
tros, conforme ilustra a figura 12.1.

Nesta classe de materiais, a quantidade de material nas vizinhanças dos
contornos de grão pode atingir valores muito altos, da ordem de dezenas de
porcento. Em materiais com tamanho de grão “normal”, digamos, com diâ-

12

213

metro médio da ordem de dezenas de micrometros, a quantidade de átomos
“pertencentes” aos contornos de grão é menor que 0,0001%. Conforme foi
mencionado no capítulo X, as regiões do contorno de grão podem ser consi-
deradas amorfas e por conseqüência os materiais nanocristalinos podem ser
considerados como materiais parcialmente cristalinos.

Os materiais nanocristalinos podem ser obtidos por meio de diversas
técnicas, destacando-se entre elas a condensação sob atmosfera inerte, meca-
nosíntese (“mechanical alloying”) e cristalização de ligas obtidas por solidifi-
cação ultra-rápida.

Os nanocristais apresentam propriedades bastante diferentes dos seus
correspondentes cristalinos e amorfos. A presença de uma grande quantidade
de contornos de grão facilita a movimentação atômica (difusão) no seu inte-
rior. Estas altas difusividades facilitam a deformação plástica e possibilitam,
por exemplo, a obtenção de materiais cerâmicos com excelentes ductilidade e
tenacidade. Os materiais nanocristalinos são também muito reativos.

A figura 12.2 compara os difratogramas de raios x de uma mesma
substância em três condições: policristalina, nanocristalina e amorfa.

Figura 12.1 — Modelo bidimensional para um material nanocristalino