Prof. Luiz Cláudio Cândido MECANISMOS DE ENDURECIMENTO Prof. Leonardo Barbosa Godefroid candido@em.ufop.br leonardo@em.ufop.br ENDURECIMENTO POR MATERIAIS COMPÓSITOS Endurecimento por materiais compósitos - Introdução - Classificação, características e aplicações - Comportamento mecânico ENDURECIMENTO POR MATERIAIS COMPÓSITOS Introdução A palavra “compósito” para materiais compósitos significa que duas ou mais fases distintas são combinadas numa escala macroscópica, convenientemente arranjadas ou distribuídas, para formar um material com boas propriedades para aplicação na Engenharia. Geralmente, a fase contínua é referida como matriz, enquanto que a fase distribuída é chamada de reforço. Basicamente, três aspectos determinam as características do material compósito : o reforço, a matriz e a interface entre eles. Os materiais compósitos são, em alguma literatura, chamados de materiais conjugados. Materiais compósitos têm uma longa história de utilização. O início é desconhecido, mas a história contém diversas referências: a palha usada para aumentar a resistência de tijolos de lama, pelos judeus; madeira compensada para aumentar a resistência mecânica e a resistência à expansão térmica e evitar umidade, pelos egípcios; espadas medievais construídas de diversas camadas, etc. Algumas propriedades que podem ser melhoradas pela formação de um material compósito são: resistência mecânica, rigidez, resistência à corrosão, peso, vida à fadiga, comportamento dependente da temperatura, isolamento térmico, condutividade térmica, isolamento acústico, resistência ao desgaste, beleza, etc. Superioridade dos materiais compósitos, em comparação com materiais convencionais, quando se compara a resistência mecânica e a resistência específica. Superioridade dos materiais compósitos, em comparação com materiais convencionais, quando se compara a resistência mecânica e a resistência específica. Resistência específica e módulo específico para uma série de materiais. DRA = alumínio reforçado por partículas; DRTi = titânio reforçado por partículas; Al(f) = alumínio reforçado por fibras; Ti(f) = titânio reforçado por fibras; Q/I = laminado quase-isotrópico; P = fibras de poliacrilonitrila; A = fibras de aramida. Classificação e características Materiais Compósitos Compósitos de Matriz Polimérica - PMC Compósitos de Matriz Metálica - MMC Compósitos de Matriz Cerâmica - CMC Uma classificação para os materiais compósitos refere-se ao tipo de matriz empregada : Materiais Compósitos Compósitos reforçados por partículas Compósitos reforçados por fibras Compósitos estruturais Partículas grandes Dispersão Contínuas Descontínuas (curtas) Laminados Painéis sandwich Pode-se classificar também os materiais compósitos de acordo com o tipo de reforço empregado : Classificação e características a) Compósitos Fibrosos Tecnologicamente, os compósitos fibrosos são os mais importantes materiais compósitos. Eles utilizam fibras como fase dispersa, especialmente preparadas para dar uma densidade de discordâncias bem baixa, e conseqüentemente uma elevada resistência mecânica. Outras propriedades importantes são o elevado módulo de elasticidade e a baixa densidade. De acordo com o comprimento das fibras, podemos ter compósitos com fibras contínuas (longas) ou com fibras descontínuas (curtas). Classificação e características Compósitos Fibrosos Classificação e características Elemento Ponto de fusão (°C) Densidade (g/cm3) Limite de Resistência (GPa) Módulo de Elasticidade (GPa) Vidro-S 840 2,50 4,6 84 Carbono 3000 1,90 2,0 390 Boro 2040 2,55 3,5 415 SiC 2200 2,80 2,8 200 Kevlar --- 1,45 3,5 125 Propriedades de algumas fibras. Compósitos Fibrosos Nestes compósitos, a matriz tem densidade, rigidez e resistência mecânica bem menores do que as fibras. Suas funções são: suporte, proteção, transferência de carga, etc. Exemplos típicos de matriz são : Matriz metálica: alumínio e suas ligas, ligas de titânio, ligas de magnésio, cobre. Matriz polimérica: resinas epoxi, fenólica e poliester. Matriz cerâmica: compostos intermetálicos, como disiliceto de molibdênio e alumineto de níquel e titânio, e cerâmicos cristalinos, como alumina e carboneto de silício. Classificação e características (a) Alumínio reforçado com fibras de boro. Vf = 10%.; (b) Poliester reforçado com fibras de carbono. Vf = 50%. Compósitos Fibrosos Classificação e características b) Compósitos particulados Estes compósitos são constituídos por partículas em suspensão de um ou mais materiais em uma matriz de outro material. Conforme a combinação, pode-se ter: a) partícula não metálica em matriz não metálica concreto, blocos de mica em resina orgânica (isolamento elétrico). b) partícula metálica em matriz metálica chumbo em cobre e aço (usinabilidade). c) partícula metálica em matriz não metálica pó de alumínio em tinta (proteção contra corrosão). d) partícula não metálica em matriz metálica cermet (partícula cerâmica a base de óxido e carboneto em matriz metálica - ferramentas em altas temperaturas). Classificação e características Compósitos particulados Classificação e características Exemplo de compósito particulado: Alumínio reforçado com partículas de SiC. Vf = 17%. Compósitos particulados Se as partículas de reforço são bem finas, bem duras, inertes e encontram-se dispersas de forma homogênea numa matriz metálica, forma-se o compósito reforçado por dispersão. Trata-se de um endurecimento por interação entre discordâncias e partículas, semelhante ao endurecimento por precipitação. Uma diferença básica entre estes dois métodos de endurecimento é a inexistência de reação entre as partículas e a matriz para o compósito reforçado por dispersão, inclusive em elevadas temperaturas. As partículas dispersas podem ser metálicas ou não metálicas. Classificação e características c) Compósitos estruturais Um compósito estrutural é normalmente composto simultaneamente de materiais homogêneos e compósitos, sendo que suas propriedades dependem não somente das propriedades de seus constituintes mas também do projeto geométrico de seus elementos estruturais. Classificação e características Um compósito estrutural laminado é constituído por lâminas bidimensionais, que apresentam uma direção preferencial para elevada resistência mecânica. As camadas são empilhadas e posteriormente cementadas juntas, de tal forma que a direção de maior resistência varia com cada camada. Desta forma, este material compósito vai apresentar uma relativa elevada resistência em diversas direções no plano bidimensional. Pode-se construir um compósito estrutural laminado a partir de um empilhamento alternado de material homogêneo e compósito. Um exemplo típico de grande aplicação na indústria aeronáutica é o chamado ARALL (aramid aluminum laminate), que consiste de finas camadas de ligas de alumínio e de compósito epoxi/aramida, unidas por um adesivo. Compósitos estruturais Figura 7.88(a) : Compósito laminado, com camadas em diferentes orientações de fibras. Figura 7.88(b) : Compósito ARALL. (a) Compósito laminado, com camadas em diferentes orientações de fibras. (b) compósito ARALL. Classificação e características Compósitos Estruturais Uma outra configuração interessante para compósitos laminados consiste no empilhamento de camadas alternadas de diversos metais, unidos posteriormente por laminação ou forjamento a quente. Algumas aplicações: estruturas de aviões, juntas de conexão em anodos de células para produção de alumínio, telhados, fios, equipamentos de processamento químico, invólucro de balas, cunhagens de moeda, placas de blindagem de dureza dupla, estruturas navais, etc. Classificação e características Um compósito estrutural tipo painel sandwich consiste de duas camadas externas de material resistente, separadas por uma camada de material de baixa densidade, com menor rigidez e resistência. Estruturalmente,