Introdução aos Materiais

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2 Sumário Classificação dos materiais 1 Metais 1 Ligas Metálicas 2 Tipos de Ligas Metálicas Superligas Cerâmicos 9 Polímeros 10 Compósitos 13 Materiais Avançados 15 2

3 Classificação dos materiais Os materiais sólidos são classificados segundo suas estruturas atômicas e ligações químicas predominantes. Dessa forma, são organizados em três grandes grupos: Metais; Polímeros; Cerâmicos. Além destes três, existem também os materiais classificados como compósitos, que nada mais são do que materiais constituídos por combinações de dois ou mais elementos pertecentes aos três grupos básicos. Outra classificação é a dos materiais avançados, ou seja, aqueles que são aplicados em altas tecnologias, como: Biomateriais; Semicondutores; Materiais inteligentes; Materiais nanoengenheirados. Metais De acordo com os conceitos da Química, um metal consiste em um elemento, substância ou liga que é caracterizado por sua boa condutividade elétrica e térmica, além de também possuir alto ponto de fusão e de ebulição. Qualquer metal pode ser definido também como um elemento químico que forma aglomerados de átomos com caráter metálico. Cada átomo de um metal exerce uma fraca atração nos elétrons mais externos (aqueles localizados na camada de valência), podendo também fluir livremente, proporcionando a formação de íons positivos (ou cátions) e o estabelecimento de ligações iônicas com nãometais. Essa capacidade dos elétrons fluirem livremente caracteriza o tipo de 1

4 ligação química que os metais fazem, que é conhecida, popularmente, como "nuvem de elétrons". Como os elétrons de valência apresentam fraca atração, a sua movimentação e a consequente formação de uma corrente elétrica tornamse mais fáceis, o que proporciona aos metais uma alta condutividade. A maioria dos metais é quimicamente estável, com exceção dos metais alcalinos e alcalino-terrosos, encontrados nas tabela periódica. Os materiais metálicos são normalmente encontrados como combinações de diferentes elementos metálicos (como o ferro, alumínio, cobre, etc.) podendo também ocorrer combinações com elementos não metálicos (carbono, nitrogênio e oxigênio). Como descrito anteriormente, o arranjo atômico ordenado e o grande número de elétrons livres atribuem ao metal uma alta condutividade elétrica e térmica, sendo estes também opacos a luz. Eles possuem boas características mecânicas, sendo relativamente rígidos, resistentes e dúcteis (possibilitando diversas aplicações estruturais). Porém, são mais densos do que os polímeros e os materiais cerâmicos. Alguns metais como, por exemplo, o Fe, Co e Ni apresentam propriedades magnéticas desejadas para diversas aplicações. duas primeiras colunas à esquerda da Ligas Metálicas São materiais formados por dois ou mais elementos, onde pelo menos um deles é um metal. Não existe um metal puro, todo material cristalino na realidade apresenta algum tipo de imperfeição e/ou impurezas. Quando é adicionado algum elemento, forma-se uma liga metálica. Na maioria das vezes, são confeccionadas para modificar ou acrescentar 2

5 propriedades diferentes dos metais que a constituem. Em uma solução sólida de ligas metálicas é possível distinguir o Solvente (maior quantidade) e o Soluto (menor quantidade). Tipos de Ligas Metálicas 1. Ligas Ferrosas: Os elementos desse grupo têm como característica a presença do elemento químico ferro como o seu principal constituinte. Os principais tipos integrantes desse grupo são apresentados na tabela 1. De uma forma geral, as ligas metálicas são divididas em dois grupos, as ligas ferrosas e as não-ferrosas. Tipo Aços Ferro Fundido Aço Patinável Tabela 1: Ligas ferrosas. Descrição Ligas de ferro-carbono com baixa porcentagem de carbono (em geral, inferior a 1%), podendo apresentar quantidades significativas de outros elementos de liga, como níquel, cromo, molibdênio, entre outros. Podem ser classificados como sendo de Alto, Médio e Baixo-carbono, dependendo da concentração. Outra liga ferro-carbono, entretanto possuem teores de carbono acima de 2, 14%. São materiais frágeis, o que torna a fundição a técnica de fabricação mais apropriada. Muito mais resistente e dúctil sob compressão, possui elevada resitência ao desgaste. Liga de ferro-carbono com pequenas concentrações de cobre. Quando oxidado, apresenta uma fina película (pátina) em sua superfícei que o protege da corrosão 3

6 2. Ligas Não-Ferrosas: Como o próprio nome diz, não apresentam ferro em sua constituição. Alguns tipos são listados na tabela 2. Tipo Ligas de Cobre Ligas de Alumínio Ligas de Magnésio Ligas de Titânio Ligas de Níquel Tabela 2: Ligas não-ferrosas. Descrição As mais comuns são o Latão e o Bronze. O latão, uma liga constituída por Cobre e Zinco, é muito utilizado desde a antiguidade, por apresentar alta resistência a corrosão em regiões próximas ao mar. Já o bronze (junção de cobre, alumínio, níquel, estanho e silício) também apresenta elevada resistência a corrosão, porém é mais resistente que o latão. Apresentam baixa densidade e elevada condutividade térmica e elétrica. Além disso, possuem alta resistência à corrosão e são de fácil conformação. Os elementos de liga mais comuns são cobre, silício, magnésio, manganês, zinco e lítio. Muito usada na área de aviação. Possuem reduzida massa específica, baixa resistência e módulo de elasticidade. Comumente utilizadas em aeronaves, mísseis, malas, entre outros. Ligas com excelente combinação de propriedades mecânicas, tem como desvantagens seu alto custo e o fato de ser reativo com outros metais quando submetido a elevadas temperaturas. Possuem elevada resitência a corrosão. Quando combinado com cobre e outros elementos (ferro, manganês, silício, enxofre, titânio ou alumínio, dependendo da necessidade), formam as chamadas ligas Monel, que substituem o aço inox em diversas aplicações, graças a sua elevada resistência mecânica e à corrosão 4

7 Superligas tântalo, nióbio, titânio, cromo, etc. As As ligas denominadas como superligas são aquelas que apresentam alto desempenho, associado a alta resistência mecânica e à corrosão, em elevadas temperaturas. As mais utilizadas são as confeccionadas a base de ferro, níquel ou cobalto, com a adição de elementos de liga como tungstênio, molibdênio, superligas são muito utilizadas na construção de turbinas aeronáuticas, veículos espaciais e componentes automivos. Atualmente, as ligas a base de níquel são as mais utilizadas em situações que apresentam temperaturas extremas (como motores à jato). O Inconel, superliga a base de Cr-Ni-Fe, possue grande aplicação nessas situações. Exemplo Petrobras Biocombustível Engenheiro(a) de Equipamentos Júnior - Terminais e Dutos - 52 Os aços rápidos para ferramentas e matrizes apresentam, em sua composição química, os elementos de liga tungstênio (W), molibdênio (Mo) e cobalto (Co). Justifica a presença desses elementos na composição química dos aços rápidos o fato de que o (A) Tungstênio e o molibdênio se dissolvem na estrutura cristalina, aumentando a resistência ao desgaste e à dureza, além de o cobalto formar carbonetos, produzindo a uniformidade da dureza, tanto a temperatura ambiente como a temperaturas elevadas. 5

8 (B) Tungstênio e o cobalto formam carbonetos que aumentam a resitência ao desgaste e à dureza, além de o molibdênio se dissolver na estrutura cristalina, produzindo a uniformidade da dureza, tanto a temperatura ambiente como a temperaturas elevadas. (C) Tungstênio e o molibdênio formam carbonetos que aumentam a resistência ao desgaste e à dureza, além de o cobalto se dissolver na estrutura cristalina, produzindo a uniformidade da dureza, tanto a temperatura ambiente como a temperaturas elevadas. (D) Cobalto e o molibdênio formam carbonetos que aumentam a resistência ao desgaste e à dureza, além de o tungstênio se dissolver na estrutura cristalina, produzindo a uniformidade da dureza, tanto a temperatura ambiente, como a temperaturas elevadas. (E) Cobalto e o molibdênio se dissolvem na estrutura cristalina, aumentando a resistência ao desgaste e à dureza, além de o tungstênio formar carbonetos, produzindo a uniformidade da dureza, tanto a temperatura ambiente como a temperaturas elevadas. Solução: Aços rápidos, também conhecidos como aços ferramentas são geralmente compostos de pó de carboneto de tungstênio e molibdênio, usado para criar ferramentas e matrizes. Uma vez misturados com cobalto e aglutinante, carboneto de tungstênio é prensado e sintetizado. Resposta: C 6

9 Exemplo Petrobras Biocombustível Engenheiro(a) de Equipamentos Júnior - Terminais e Dutos - 53 A liga de alumínio 2024O foi especificada para uma aplicação na qual um componente mecânico estrutural estará submetido a condições tais que será necessário desenvolver proteção contra corrosão e alta resistência mecânica, além de seu processo de fabricação envolver soldagem. A especificação descrita está Dado: Composição química média do Al 2024O (Cu=4,5%; Si=0,5%; Fe=0,5%; Mn=0,5%; Mg=1,5%; Zn=0,25%; Cr=0,10%). (A) Certa, porque o alto teor de Cu aumenta a resistência mecânica do alumínio. (B) Certa, porque o alto teor de Cu melhora a soldabilidade e a resistência à corrosão do alumínio. (C) Certa, porque o alto teor de Mg aumenta a resistência mecânica e melhora a soldabilidade do alumínio. (D) Errada, porque o baixo teor de Cr diminui a resistência à corrosão do alumínio. (E) Errada, porque o alto teor de Cu prejudica a soldabilidade e a resistência à corrosão do alumínio. Solução: 7

10 Ligas de AlCu apresentam alta resistência mecânica, resistência à corrosão, conformabilidade limitada e, geralmente, são soldadas por resistência. A adição do Cu aumenta a usinabilidade e, para aumentar a resistência à corrosão, é utilizado Si. Resposta: A Exemplo Petrobras Engenheiro de Inspeção - 37 Bronzes constituem um dos grupos mais importantes de ligas não ferrosas por apresentarem elevada resistência à corrosão marítima. Os bronzes são constituídos com os metais cobre, estanho, prata, níquel e antimônio. O elemento com teor acima de 50% em massa nos bronzes é (A) cobre. (B) estanho. (C) prata. (D) níquel. (E) antimônio. Solução: O Bronze foi uma das principais ligas metálicas da historia. Foi utilizado na fabricação das primeiras armas e ferramentas metálicas. 8

11 Pode conter proporções variáveis de prata, zinco, alumínio, antimônio, níquel, fósforo, chumbo, entre outros, com o objetivo de obter melhores características mecânicas, mas a base de sua constituição é o estanho e o cobre, sendo o estranho encontrado em um faixa de 2 a 11% e cobre sempre com um percentual maior que 50%. Resposta: A Cerâmicos Os materiais cerâmicos são formados por combinações entre metais e não metais (óxidos, carbonetos, argila cimento e vidro), ligados por ligações de caráter misto, iônico-covalente. Entretanto, suas ligações químicas podem ser também predominantemente iônicas ou covalentes. Os cerâmicos são geralmente rígidos, frágeis e possuem uma relativa resistência (costumam ser muito resistentes à compressão, mas pouso à tração), porém, devido a sua alta dureza, são suscetíveis à fraturas. A propriedade que se destaca dos materiais compósitos é sua alta capacidade de isolamento elétrico e térmico (resiste a altas temperaturas). A lista a seguir apresenta um resumo das características desse grupo: Alto ponto de fusão; São, geralmente, isolantes elétricos, embora possam existir materiais cerâmicos semicondutores, condutores e até mesmo supercondutores (estes dois últimos apenas em faixas específicas de temperatura); Comumente estáveis sob condições ambientais severas; 9

12 Duros e frágeis; Os principais materiais cerâmicos utilizados são: Tradicionais (provenientes de matérias primas argilosas): cerâmicas estruturais, louças, refratários, entre outros; Vidros e Vitro-Cerâmicas; Essa denominação foi criada por Berzelius em 1932 para designar compostos de pesos moleculares múltiplos. A matéria-prima para produção do polímero é o monômero, uma molécula com unidade de repetição. Materiais poliméricos são constituídos de macromoléculas orgânicas, sintéticas ou naturais. São estruturas moleculares muito grandes na forma de cadeias carbônicas. Abrasivos; Cimento; Avançadas : aplicações eletroeletrônicas, térmicas, mecânicas, ópticas, químicas, bio-médicas. Polímeros A palavra polímero origina-se do grego: Poli muitos e mero unidades de repetição Dependendo do tipo de monômero (estrutura química), número médio de meros por cadeia e do tipo de ligação covalente, os polímeros podem ser divididos em: Plásticos; Borrachas; Fibras. Constituído basicamente de átomos de carbono (C) e hidrogênio (H), podem 10

13 também conter outros elemento não metálicos. A ligação atômica entre os constituintes da cadeia é chamada de ligação forte (covalente) e entre cadeias de fraca, geralmente dipolar. micamente, além de não reativos em diversos ambientes. Apresentam baixa condutividade térmica e não são magnéticos. A lista a seguir apresenta um resumo das propriedades dos polímeros: Os polímeros podem ser ser classificados em: Naturais Orgânicos (exemplo: borracha, celulose); Naturais Inorgânicos (exemplo: diamantes, grafite, etc.); Sintéticos orgânicos (exemplo: processados, como o PVC, nylon); Sintéticos Inorgânicos (exemplo: policloreto de fosfonitrila). Geralmente são dúcteis e flexíveis (facilidade para conformar) e inertes qui- Possuem baixa densidade; São isolantes elétricos e térmicos; flexíveis; Apresentam alta resistencia à corrosão; Baixo ponto de fusão e, consequentemente, baixa resistência ao calor; Baixas propriedades mecânicas. Caiu no concurso! CEAGESP Engenheiro Nível I - Mecânica

14 Na utilização de polímeros derivados de petróleo como gaxetas, tubulações ou buchas em projetos de equipamentos na indústria mecânica, deve-se considerar que I. os polímeros termoplásticos podem ser utilizados em aplicações em que o material é aquecido e resfriado sem alterar suas propriedades, pois ao aquecer não ocorrem reações químicas. II. o náilon, por ser um termofixo, ao ser aquecido, transforma-se quimicamente e endurece, em um processo chamado de cura. É utilizado em aplicações em que o material é solicitado mecanicamente a uma alta temperatura; III. são utilizados estabilizadores para prevenir a degradação dos plásticos quando expostos à ação de luz e calor, à fratura por flexão continuada e à fratura por ação atmosférica prolongada. Está correto o contido em (A) I, apenas. (B) II, apenas. (C) II e III, apenas. (D) I e III, apenas. (E) I, II e III. Resposta: D 12

15 Compósitos Os Compósitos constituem uma classe de materiais constituídos por uma fase contínua (matriz) e uma fase dispersa (reforço ou modificador), contínua ou não. Material matriz: é o que confere estrutura ao material compósito, preenchendo os espaços vazios que ficam entre os materiais reforços e mantendo-os em suas posições relativas. Materiais reforços: são os que realçam propriedades mecânicas, eletromagnéticas ou químicas do material compósito como um todo. Os compósitos são encontrados com diferentes tipos de matrizes: Termofixas, termoplásticas, poliméricas, metálicas, cerâmicas e ainda reforçadas com fibras, particulados ou espumas. Eles são constituídos de dois ou mais tipos de materiais fisicamente distintos, como os metais, polímeros e cerâmicos. A maioria dos compósitos são artificiais, como o Kevlar, mas também existem na natureza compostos naturais como o osso e a madeira. Esse material tem como característica adquirir parcialmente as diferentes propriedades de seus constituintes. Suas fases são formadas por fibras ou placas dispostas em uma, sendo mecanicamente separáveis. As características mecânicas dos materiais compósitos são superiores a de seus componentes quando esses são utilizados separadamente. Devido a sua alta diversidade, há um grande número de aplicações: transporte, marinha, construção civil, eletro eletrônica, aeroespacial. 13

16 Exemplo Petrobras Engenheiro de Inspeção - 40 São materiais industriais considerados não metálicos: (A) carbeto de tungstênio, óxido de alumínio e fibra de vidro. (B) carbeto de nióbio, nióbio e fluoreto de cálcio (C) cobre, óxido de zinco, poliestireno. (D) polietileno, magnésio e carbonato de cálcio. (E) silício, molibdênio e cobalto. Solução: (A): - Carbeto de tungstênio: Material Cerâmico. - Óxido de alumínio: Material Cerâmico (alumina). -Fibra de vidro: Material Compósito. (B): - Carbeto de nióbio: Material Cerâmico. - Nióbio: Material Metálico. - Fluoreto de cálcio: Material Compósito. (C): - Cobre: Material Metálico. - Óxido de zinco: Material Compósito. - Poliestireno: Material Polimérico. 14

17 (D): - Polietileno: Material Polimérico. - Magnésio: Material Metálico. - Carbonato de cálcio zinco: Material Compósito. (E): - Silício: Material Metálico. - Molibdênio: Material Metálico. - Cobalto: Material Metálico. Resposta: A Materiais Avançados classificados como "Materiais Avançados". Os Materiais Avançados são aqueles Há também outros tipos de materiais, que estão em constante desenvolvimento, como os materiais semicondutores, biomateriais, materiais pizoelétricos e nanoengenheirados. Estes são que, como resultado do desenvolvimentos de projetos inovadores, técnicas de produção e/ou de processamento, apresentam novas estruturas com propriedades superiores. Eles são utilizados em aplicações de alta tecnologia. 15