2 - Porque razão apresentam determinado comportamento? 3 - Que fazer para alterar esse comportamento?

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1 1. INTRODUÇÃO 1.1 Generalidades Como engenheiros o nosso trabalho é projectar mas qualquer projecto não é mais do que isso até se começar a usar materiais e convertê-los em artefactos que funcionam. Basicamente existem três questões que é necessário conhecer sobre os materiais: 1 - Como se comportam em serviço? 2 - Porque razão apresentam determinado comportamento? 3 - Que fazer para alterar esse comportamento? O conceito do estudo dos átomos não é novo. Os Gregos e em especial Democritus (cerca de 460 AC), idealizavam a partícula individual elementar mas os seus conhecimentos científicos não se estendiam à observação e experimentação. Para tal houve que esperar cerca de dois séculos até Dalton, Avogadro e Cannizzaro formularem a teoria atómica, tal como a conhecemos hoje. E muitos mistérios continuam por desvendar, um facto que é tão reconfortante como provocador. Assim, ao abordar o assunto desta forma, está-se a considerar a partir dos tempos antigos, a evolução do pensamento sobre o universo e o modo como funciona. Um outro conceito importante é mais recente. A Engenharia está muito preocupada com a mudança do estado descarregado para em carga (em serviço), as consequências da mudança de temperatura, do ambiente, etc.. Os primeiros estudos de mudança de estado são atribuídos a Sadi Carnot (1824), mais tarde desenvolvidos por cientistas como Clausius, Joule e outros, produzindo ideias tais como a conservação de energia, do trabalho, etc.. Desde os primeiros estudos realizados com motores movidos a calor que a respectiva ciência foi designada por termodinâmica, mas, se se generalizar esta ciência, de facto corresponde à arte e conhecimento de como gerir, controlar e utilizar a transferência de energia quer seja energia atómica, energia das marés ou mesmo, por exemplo, a energia de uma plataforma a ser içada. Em muitos cursos de engenharia, a termodinâmica é tratada como assunto à parte mas, porque as suas aplicações ditam regras que nenhum engenheiro pode ignorar, apresenta-se em seguida uma pequena discussão sobre o assunto: 1

2 Que regras são estas que nenhum engenheiro pode ignorar? Em resumo (e de uma forma humorística) são as seguintes: 1 Não é possível ganhar, isto é, não é possível retirar de um sistema mais do que se lhe fornece. 2 Não é possível empatar em qualquer mudança alguma coisa se perde e mais precisamente, o que se perde é inútil para o fim que se tem em vista. Assim, qualquer engenheiro deverá lembrar-se que a engenharia tem tudo a ver com compromisso e negócio. Pode-se fazer variar algumas propriedades como por exemplo a resistência, mas não outras, tais como a densidade. Se pretendesse projectar aviões poderia, em princípio, decidir entre resistência máxima e peso mínimo. Claro que é necessário chegar a um compromisso e a engenharia tem a ver justamente com encontrar soluções óptimas (Biggs, 1994). No passado a informação sobre o comportamento dos materiais tem tido como origem três fontes diferentes. Em primeiro lugar (fonte empírica) a partir de ensaios mecânicos de provetes que tem fornecido valores tais como a resistência ou módulo de elasticidade com o intuito específico de fornecer dados para análise estrutural ou outro tipo de análise. Em segundo lugar, (fonte da prática), a não ser subestimado, encontramse as experiências combinadas de técnicos envolvidos no processamento, manuseamento e colocação de materiais. Em terceiro lugar (fonte científica) aparecem os estudos mais sofisticados de estruturas físicas e químicas dos materiais propriamente ditos no conjunto da Ciência de Materiais. Em engenharia civil as três fontes empírica, prática e científica, tem frequentemente estado pouco interligadas em detrimento quer do conhecimento dos materiais quer do seu tratamento na prática. Um dos objectivos da Ciência dos Materiais é apresentar uma panorâmica mais articulada em que o conhecimento dos materiais é desenvolvido a partir da informação sobre a sua estrutura estando subjacente um enquadramento lógico para a prática e empirismo (Illston, 1994). 1.2 Materiais e engenharia Materiais são substâncias com as quais se fazem objectos. Desde os primórdios da civilização, o Homem tem usado os materiais, conjuntamente com a energia, para 2

3 melhorar os seus padrões de vida. Os materiais são parte integrante da nossa vida, uma vez que os produtos são feitos de materiais. Madeira, betão, tijolo, aço, plástico, vidro, borracha, alumínio, cobre e papel são alguns materiais frequentemente utilizados. No entanto, existem muitos mais tipos de materiais. Em resultado das actividades de investigação e desenvolvimento tecnológicos, novos materiais estão frequentemente a ser inventados. A produção de materiais e seu processamento de modo a obterem-se produtos acabados constituem uma fatia importante da economia moderna. Cabe aos engenheiros conceber a maioria dos produtos fabricados e definir as tecnologias necessárias para a sua produção. Uma vez que qualquer produto incorpora materiais, os engenheiros devem ser conhecedores da estrutura interna e das propriedades dos materiais, de modo a estarem aptos a seleccionar os mais adequados para cada aplicação e a serem capazes de desenvolver os melhores métodos de produção (Smith, 1998). 1.3 Ciência e engenharia de materiais A ciência de materiais visa fundamentalmente a descoberta de conhecimentos básicos nos domínios da estrutura interna, das propriedades e do processamento de materiais. A engenharia de materiais dedica-se essencialmente à aplicação desses conhecimentos científicos, de modo a que os materiais possam ser convertidos em produtos úteis ou desejados pela sociedade. A designação ciência e engenharia de materiais combina ambos os aspectos referidos anteriormente. A ciência de materiais situa-se num dos extremos do espectro de conhecimentos sobre os materiais (do lado do conhecimento dito fundamental), enquanto a engenharia de materiais se situa no outro extremo (do lado do conhecimento dito aplicado), não existindo, no entanto, uma linha de demarcação entre os dois conceitos - Figura 1.1. Ciencia de materiais Ciencia e engenharia de materiais Engenharia de materiais Conhecimentos básicos sobre materiais Simbiose de conhecimentos sobre estrutura, propriedades, métodos de processamento e comportamento em serviço de materiais de engenharia Conhecimento aplicado sobre materiais Figura 1.1- Espectro do conhecimento sobre materiais. A combinação destes conhecimentos, que derivam da ciência e da engenharia de materiais, permite aos engenheiros converter os materiais em produtos necessários à sociedade (Smith, 1998). 3

4 A Figura 1.2 mostra um diagrama com três regiões concêntricas, que indica as relações entre as ciências básicas, a ciência e a engenharia de materiais, e as outras especialidades de engenharia. As ciências básicas estão localizadas no núcleo do diagrama, enquanto que as várias especialidades de engenharia (mecânica, electrotécnica, civil, química, etc.) se localizam no anel mais exterior. Ciências aplicadas, como a metalurgia e as ciências de polímeros e de cerâmicos, situam-se no anel intermédio. Conforme mostra a figura, a ciência e engenharia de materiais forma uma ponte de conhecimentos no domínio dos materiais, que liga as ciências básicas às outras especialidades de engenharia (Smith, 1998). Figura Espectro do conhecimento sobre materiais. A combinação destes conhecimentos, que derivam da ciência e da engenharia de materiais, permite aos engenheiros converter os materiais em produtos necessários á sociedade (Smith, 1998). 1.4 Tipos de materiais Por razões de conveniência, a maioria dos materiais de engenharia são divididos em três classes: materiais metálicos, materiais poliméricos (ou plásticos) e materiais cerâmicos. Para além das três classes principais, consideraremos outros tipos de materiais, os materiais compósitos e os materiais electrónicos, devido à sua grande importância em engenharia (Smith, 1998). 4

5 1.4.1 Materiais metálicos Estes materiais são substâncias inorgânicas que contêm um ou mais elementos metálicos e que podem também conter alguns elementos não metálicos. O ferro, o cobre, o alumínio, o níquel e o titânio são exemplos de elementos metálicos. Como exemplos de elementos não metálicos que podem fazer parte da composição de materiais metálicos citam-se o carbono, o azoto e o oxigénio. Os metais possuem uma estrutura cristalina, na qual os átomos se dispõem de um modo ordenado. Os metais são geralmente bons condutores térmicos e eléctricos. Muitos deles são relativamente resistentes e dúcteis à temperatura ambiente, e muitos mantêm uma boa resistência mecânica mesmo a temperaturas elevadas. Os materiais metálicos (metais e ligas metálicas) 1 são habitualmente divididos em duas classes: a dos metálicos ferrosos, que contêm uma percentagem elevada de ferro, tais como os aços e os ferros fundidos, e a dos materiais metálicos não ferrosos, que não contêm ferro ou em que o ferro surge apenas em pequena quantidade. O alumínio, o cobre, o zinco, o titânio, o níquel, assim como as respectivas ligas, são exemplos de materiais metálicos não ferrosos. A figura 1.3 apresenta a fotografia de um motor a jacto de um avião comercial feito essencialmente de ligas metálicas. As ligas metálicas usadas no interior do motor têm de ser capazes de suportar as elevadas temperaturas e pressões que se geram durante o seu funcionamento. Foram necessários muitos anos de investigação e desenvolvimento tecnológico, realizado por cientistas e engenheiros, para aperfeiçoar este motor de alto rendimento. A Figura 1.4 mostra como, nos anos mais recentes, os materiais e as tecnologias de fabrico têm estado associados ao aumento de eficiência dos motores de propulsão por turbina a gás, Num futuro próximo, a utilização de materiais compósitos de matriz metálica ou de matriz cerâmica pode mesmo conduzir a crescentes aumentos de eficiência (Smith, 1998). 1 1 Uma liga metálica consiste numa combinação de dois ou mais metais ou de um metal (ou metais) com um não metal (ou não metais). 5

6 Figura 1.3 O motor de avião a jacto (PW2037) é feito essencialmente de ligas metálicas. Neste motor são utilizadas as mais recentes ligas de níquel, resistentes a altas temperaturas e com elevada resistência mecânica (Smith, 1998). Figura 1.4 Os materiais e tecnologias de fabrico tem estado associadas, ao longo dos últimos anos, ao aumento da eficiência dos motores de propulsão por turbina a gás (Smith, 1998). As ligas metálicas são muito usadas em engenharia civil e em conjunto com o betão constitui um dos materiais mais comuns na construção civil: o betão armado. Nas 6

7 Figuras 1.5 a 1.8 apresentam-se obras realizadas com ligas metálicas e betão armado (material compósito). Figura 1.5 Torre Eiffel de 300m de altura em ferro forjado, concluída em 1889, com fundações realizadas em betão armado ( Collins, 2001). Figura 1.6 Ponte D. Luís, no Porto. 7

8 Figura 1.7 Construção de um reservatório em betão armado (Oland e Baker, 2001). Figura 1.8 Golden Gate bridge com um vão de 1280m, concluída em 1937, é suportada por dois cordões de aço de pré-esforço com 0.924m 2 de área formados com cabos Materiais poliméricos (Plásticos) A maioria dos materiais poliméricos é constituída por cadeias longas ou redes de moléculas orgânicas (contendo carbono). No que respeita à estrutura, a maioria dos materiais poliméricos é não cristalina, embora alguns sejam constituídos por misturas de regiões cristalinas e não cristalinas. A resistência mecânica e a ductilidade dos materiais poliméricos variam bastante. Devido à natureza da sua estrutura interna, a maioria dos 8

9 materiais poliméricos é má condutora de electricidade. Alguns destes materiais são mesmo bons isoladores e, por isso, são usados nas correspondentes aplicações eléctricas - Figura 1.9. Em geral, os materiais poliméricos possuem densidades baixas e amaciam ou decompõem-se a temperaturas relativamente baixas (Smith, 1998). Figura 1.9 A placa de circuito e as ligações aqui apresentadas utilizam o termoplástico de engenharia poliéter-etercetona, de modo a satisfazer as rigorosas exigências de resistência mecânica e estabilidade dimensional a altas temperaturas e a garantir a integridade do material sob condições de soldadura (Smith, 1998). Em construção civil utilizam-se muitos materiais poliméricos Figura 1.10 e Figura 1.10 Cabeça de ancoragem e bainhas (Dywidag). Figura 1.11 Esquema e fotografia de um sistema de pré-esforço (Dywidag). 9

10 1.4.3 Materiais cerâmicos Os cerâmicos são materiais inorgânicos constituídos por elementos metálicos e não metálicos ligados quimicamente entre si. Os materiais cerâmicos podem ser cristalinos, não cristalinos, ou misturas dos dois tipos. A maioria dos materiais cerâmicos possui elevada dureza e grande resistência mecânica a altas temperaturas; mas têm tendência a ser frágeis. Nos últimos anos, desenvolveram-se novos materiais cerâmicos para aplicação em motores. As vantagens da utilização de materiais cerâmicos em motores derivam do seu baixo peso, grande resistência mecânica e dureza, boa resistência quer ao calor quer ao desgaste, baixo coeficiente de atrito, e também das suas propriedades isolantes. O facto de serem isolantes, conjuntamente com a resistência ao calor e ao desgaste, faz com que muitos cerâmicos sejam utilizados no revestimento de fornos para fusão de metais tais como o aço. Uma aplicação importante dos cerâmicos na engenharia aeroespacial são os painéis do vaivém espacial (space shuttle). Ao painéis de ladrilhos cerâmicos protegem termicamente a estrutura interna de alumínio do vaivém, quer durante a subida quer na reentrada na atmosfera da Terra (Smith, 1998). Na construção civil os cerâmicos utilizam-se desde longa data Figura Figura 1.12 Exemplos de materiais cerâmicos usados na construção civil Materiais compósitos Os materiais compósitos são misturas de dois ou mais materiais. A maioria dos materiais compósitos consiste numa mistura de um material de reforço ou de enchimento, devidamente seleccionado, com um material compatível que serve de ligante (ou matriz), de modo a obterem-se determinadas características e propriedades. 10

11 Geralmente, os componentes não se dissolvem uns nos outros e podem ser fisicamente identificados pelas interfaces que os separam. Existem muitos tipos de compósitos. Um grande número deles é do tipo fibroso (formados por fibras no seio de uma matriz) ou de partículas (formados por partículas no seio de uma matriz). Existem também muitas combinações diferentes de reforços e de matrizes. Dois tipos mais relevantes de materiais compósitos modernos, para aplicação em engenharia, são constituídos por fibras de vidro numa matriz de poliéster ou de resina epoxídica e por fibras de carbono numa matriz de resina epoxídica (Smith, 1998). Dão-se exemplos de materiais compósitos na Figura Betão Mantas de fibra de vidro (Smith, 1998) Fibra de vidro em pasta de cimento (Hollaway e Hannant, 1998) Figura 1.13 Exemplos de materiais compósitos. 11