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Mec. de Endur. - 8 - Compósitos

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Mec. de Endur. - 8 - Compósitos

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,