Materiais / Materiais I. Guia para Trabalho Laboratorial IDENTIFICAÇÃO DE MATERIAIS SÓLIDOS ATRAVÉS DA DENSIDADE

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1 Materiais / Materiais I Guia para Trabalho Laboratorial IDENTIFICAÇÃO DE MATERIAIS SÓLIDOS ATRAVÉS DA DENSIDADE 1. Introdução Os materiais para engenharia são convencionalmente classificados em cinco classes: metais, polímeros, vidros, cerâmicos e compósitos. Cada uma destas classes de materiais é caracterizada por um perfil de propriedades (como sejam a densidade, módulo de elasticidade, resistência mecânica, tenacidade, condutividade térmica) com uma gama característica de valores 1. A densidade dos materiais é uma propriedade determinante nas utilizações em que o peso final do componente condiciona a sua aplicabilidade. Um exemplo relevante é a selecção de materiais compósitos e ligas leves para o fabrico de componentes para a indústria aeronáutica. A densidade absoluta (ρ) de um material, também designada por massa volúmica, é o quociente entre a massa de uma amostra desse material (m) e o respectivo volume (V): m (1) ρ = [kg/m 3 ] a V A densidade é uma característica de cada material e é constante para um dado valor de pressão e temperatura. A densidade depende da eficiência do empacotamento dos átomos ou iões que constituem o material, do seu diâmetro e especialmente do seu peso atómico (que varia desde 1 para o hidrogénio para 238 para o urânio) 1,2. Ou seja, de modo geral os metais têm densidades elevadas porque os átomos metálicos são pesados e densamente empacotados. Os cerâmicos, vidros e os materiais poliméricos têm densidades menores porque os átomos que os constituem são mais leves e adoptam estruturas fracamente empacotadas. Como tal, a densidade dos materiais para engenharia (estima-se que existam actualmente cerca de materiais disponíveis 1 ) depende da sua composição (ou seja, se é formado por um ou mais do que um tipo de átomos) e do seu grau de compactação (materiais com elevada densidade de poros são constituídos por grande fracção de espaço não preenchido). A gama de valores de densidade dos cinco grupos de materiais para engenharia encontram-se representadas na Figura 1. a As unidades habitualmente utilizadas são g/cm 3. Ano lectivo

2 3x10 4 Cerâmicos e Vidros Metais Polímeros Compósitos ρ /kgm x10 3 3x WC TiC Zrc Al 2 O 3, MgO, Si 3 N 2, SiC Haletos alcalinos Rochas Vidro Cimento Gelo Platina Tungsténio Ouro Chumbo Prata Cobre Níquel Ferro, Aços Zinco Titânio Alumínio Berílio PTFE PVC Epóxidas PMMA Nylon PS PE Borrachas Cermets GFRP s CFRP s Madeiras 5x10 2 3x10 2 Espumas Fig. 1. Representação gráfica dos valores da densidade (ρ) de metais, vidros, cerâmicos, polímeros e compósitos 2. A densidade de um sólido não penetrável pode ser determinada experimentalmente de modo expedito com recurso ao Princípio de Arquimedes: um corpo imerso num fluído está sujeito a uma força vertical (impulsão), igual ao peso de fluído deslocado e com sentido oposto ao da força gravítica: I = g.ρ. (2) L V i onde I é a impulsão, g é a aceleração da gravidade, ρ L é a densidade do líquido e V i o volume da parte imersa do corpo. Como tal, a densidade de corpos sólidos pode ser determinada por medição da impulsão sofrida quando o corpo é imerso num líquido de densidade conhecida. Por aplicação deste princípio, a densidade de objectos sólidos constituídos por materiais mais densos que a água (ρ L = 1 g/cm 3 ) pode ser determinada através da seguinte expressão: Par ρ = (3) P P ar água Ano lectivo

3 onde P ar é o peso do objecto emerso (ao ar) e P água é o peso do objecto quando imerso em água. Quando o corpo tem densidade igual ou inferior à da água (corpo que flutua sobre a água) a sua imersão é conseguida através da utilização de um contrapeso e a densidade é calculada a partir da seguinte expressão: Par = PC Ptotal + Par ρ (4) onde P ar é o peso do corpo emerso, P c é o peso do contrapeso quando imerso e P total é o peso do conjunto (corpo + contrapeso) quando imerso. 2. Objectivo Determinação da densidade de vários materiais de engenharia através da aplicação experimental do Princípio de Arquimedes. Avaliação do efeito da geometria dos corpos no valor da densidade. Avaliação do efeito da porosidade dos corpos no valor da densidade dos materiais. 3. Procedimento Experimental 3.1 Material e Equipamento Balança (A&D, 1200G) Suporte para colocação das peças. Tina com água. Materiais com densidades diferentes: aço (geometria cilíndrica e osso-de-cão ), latão, ligas de alumínio (geometria cilíndrica e osso-de-cão ), de chumbo, e de titânio; mulite (amostra porosa e amostra densificada), poliestireno e madeira. 3.2 Método Experimental Ao efectuar a pesagem de amostras imersas, o suporte deve ser colocado em cima da balança. A tina com água deve ser colocada sobre a bancada Materiais mais densos que a água - Pesar as amostras dos vários materiais ao ar (P ar, Figura 2.a)). Ano lectivo

4 - Pesar as várias amostras imersas em água. As peças devem ser colocadas de forma a ficarem completamente imersas e a não tocarem nas paredes da tina (Figura 2.b)). (a) (b) Fig. 2. Determinação da densidade de um material que afunda na água 3 : (a) pesar a amostra ao ar, (b) pesar a amostra quando imersa em água Materiais menos densos que a água Se o material for menos denso que a água (flutua sobre a água) deve ser-lhe associado um contrapeso, para possibilitar a imersão. Neste caso serão efectuadas 3 medidas: Pesagem da amostra emersa (P ar, Figura 3.a)). Pesagem do contrapeso imerso (P c, Figura 3.b)). Pesagem do conjunto (amostra + contrapeso) imerso (P total, Figura 3.c)). (a) (b) (c) Ano lectivo

5 Fig. 3. Determinação da densidade de um material que flutua sobre a água 3 : (a) pesar a amostra ao ar, (b) adicionar um contrapeso e pesar apenas com o contrapeso imerso em água, (c) pesar o conjunto (amostra + contrapeso) imerso em água. 4. Questionário No final deste Trabalho deverá responder aos seguintes pontos: 1. Calcule a densidade experimental das amostras estudadas utilizando as Equações 3 e Determine a densidade teórica do Alumínio sabendo que a sua estrutura cristalina é CFC e o seu peso atómico é 26,9815 u.m.a.. 3. Compare os valores obtidos com os valores apresentados na Tabela I e justifique as discordâncias encontradas. Tab. I. Valores teóricos típicos da densidade para materiais metálicos e não metálicos 2. Material Densidade (g/cm 3 ) Ferro 7,9 Aço 7,5 8,1 Chumbo 11,3 Ligas de Chumbo 10,7 11,3 Cobre 8,9 Zinco 7,1 Latões 7,2 8,9 Titânio 4,5 Ligas de Titânio 4,3 5,1 Alumínio Ligas de Alumínio 2,6 2,9 Mulite (Al 6 Si 2 O 13 ) 2.8 Poliestireno (PS) 1 Madeira (pinho) 0,4 4. Tendo em conta as determinações de densidade que efectuou para corpos do mesmo material com geometrias diferentes, parece-lhe que a geometria influencia o valor da densidade? 5. Tendo em conta os valores calculados para a densidade da mulite porosa e da mulite não porosa, explique o efeito da porosidade dos corpos na densidade do material. 6. Identifique as possíveis fontes de erro na experiência realizada. Ano lectivo

6 5. Bibliografia 1. ASHBY, M. F. Materials Selection in Mechanical Design. Oxford: Pergamon Press, ASHBY, M. F., JONES, D. Engineering Materials: An Introduction to their Properties and Applications. International Series on materials Science and Technology, vol. 34. Oxford: Pergamon Press, Encyclopedia Americana, vol. 25, p Danbury: Grolier Incorporated, Ano lectivo