IMPORTÂNCIA DOS MATERIAIS

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1 1 IMPORTÂNCIA DOS MATERIAIS A importância dos materiais na nossa cultura é muito maior do que imaginamos. Praticamente cada segmento de nossa vida cotidiana é influenciada em maior ou menor grau pelos materiais, como por exemplo os transportes, vestimentas comunicação, recreação e alimentação. Historicamente, o desenvolvimento e a evolução das sociedades estavam intimamente vinculados à capacidade de seus membros de produzir e conformar os materiais necessários para satisfazer as suas necessidades (idade da pedra, idade do bronze). O homem primitivo só teve acesso a um número muito limitado de materiais que encontrou na natureza: pedra, madeira, argila, couro e outros. Com o passar do tempo, o homem descobriu técnicas para produzir materiais com propriedades superiores a dos materiais naturais, como por exemplo a cerâmica e alguns metais. Além disso, o homem descobriu que as propriedades de um determinado material podiam ser modificadas através de tratamentos térmicos ou por adição de outras substâncias. Neste aspecto, a utilização dos materiais baseava-se somente no processo de seleção do mesmo, ou seja, a partir de um número limitado de materiais se escolhia, em virtude de suas características, o mais apropriado para uma aplicação particular. Há relativamente pouco tempo que se começou a compreender a estrutura dos materiais e suas propriedades. Este conhecimento, adquirido há pouco mais de 50 anos é que nos capacitou a modificar ou adaptar as características dos materiais. Hoje já tem-se desenvolvido dezenas de milhares de materiais distintos com características especiais para satisfazer a nossa moderna e complexa sociedade, como metais, compósitos, polímeros, vidros, fibras, etc. O progresso de muitas tecnologias, que aumentam a confortabilidade de nossa existência, está associado à disponibilidade de materiais adequados. POR QUÊ SE ESTUDA OS MATERIAIS? O engenheiro, quer seja mecânico, mecatrônico, civil, químico ou eletrônico, em alguma ocasião se depararão com a necessidade de escolher um material apropriado para determinada aplicação ou enfrentará algum problema de engenharia

2 2 que envolva a avaliação de desempenho ou propriedades de algum material em condições de uso. Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros? Em primeiro lugar, o engenheiro deve caracterizar quais as condições de operação que será submetido o referido material e levantar as propriedades requeridas para tal aplicação, saber como esses valores foram determinados e quais as limitações e restrições quanto ao uso dos mesmos. Propriedades mecânicas (resistência à tração, ao choque, à fadiga, à vibrações, dureza, ), propriedades físicas e químicas (ponto de fusão, condutividade elétrica e térmica, densidade, estrutura cristalina, coeficiente de expansão térmica, reatividade química, ) e informações sobre resistência à corrosão, à temperatura e à radiação podem ser encontrados com relativa facilidade em livros e tabelas padrões. No entanto, é de fundamental importância saber usá-las adequadamente. Em raras ocasiões um material reúne uma combinação ideal de propriedades, ou seja, muitas vezes é necessário reduzir uma em benefício da outra. Um exemplo clássico são resistência e ductilidade, geralmente um material de alta resistência apresenta ductilidade limitada. Este tipo de circunstância exige que se estabeleça um compromisso razoável entre duas ou mais propriedades. A segunda consideração na escolha do material refere-se ao levantamento sobre o tipo de degradação que o material sofrerá em serviço. Por exemplo, elevadas temperaturas e ambientes corrosivos diminuem consideravelmente a resistência mecânica. Finalmente, a consideração talvez mais convincente é provavelmente a econômica: Qual o custo do produto acabado??? Um material pode reunir um conjunto ideal de propriedades, porém com custo elevadíssimo. Novamente, se estabelece o inevitável compromisso entre custo e benefício. Portanto, quanto mais familiarizados estiverem os engenheiros com as diferentes características e relações entre propriedade-estrutura dos materiais, bem como as técnicas de processamento dos materiais, maior será a sua habilidade e confiança para fazer a seleção mais sensata destes critérios.

3 3 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS Os materiais sólidos podem ser classificados em 5 principais grupos: Metais Cerâmicos Polímeros Compósitos Semicondutores A NECESSIDADE DE MATERIAIS MODERNOS E SUBSTITUIÇÃO DE MATERIAIS Apesar dos espetaculares progressos do conhecimento e desenvolvimento de materiais no últimos anos, o permanente desafio tecnológico requer materiais cada vez mais sofisticados e especializados. Como os exemplos que seguem. A energia constitui uma preocupação constante. Se reconhece a necessidade de novas e econômicas fontes de energia e o uso mais racional das fontes atuais. Os materiais desempenham um papel preponderante nesta questão. Por exemplo, pode-se converter diretamente energia solar em energia elétrica através do uso de células solares baseadas em materiais semicondutores. A viabilidade tecnológica desta conversão depende do desenvolvimento de células mais baratas e de alta eficiência. A energia nuclear tem futuro, porém a solução de muitos dos seus problemas está relacionada com os materiais, desde o combustível a estrutura dos recipientes para controlar os resíduos radioativos. A qualidade do meio ambiente depende de nossa habilidade para controlar a contaminação do ar e da água. As técnicas de controle de contaminação empregam diversos materiais. Além disso, os procedimentos de fabricação dos materiais devem produzir a mínima degradação ambiental. Os transportes consomem quantidades significativas de energia. A diminuição do peso dos veículos de transporte e o aumento da temperatura de funcionamento dos motores melhoram o rendimento dos combustíveis. É necessário desenvolver

4 4 novos materiais com elevada resistência e baixa densidade, assim como materiais capazes de suportar elevadas temperaturas, para fabricar componentes de motores. A maioria dos materiais que utilizamos provém de fontes não renováveis, ou seja, não são capazes de se regenerar, como por exemplo os polímeros provém do petróleo. Estas fontes não renováveis empobrecem paulatinamente, sendo necessário descobrir novas fontes ou desenvolver novos materiais com propriedades comparáveis e com menos impacto ambiental. SUBSTITUIÇÃO DE MATERIAIS A substituição do material depende muito do mercado em questão. A motivação da substituição de materiais pode envolver questões políticas e ou econômicas (guerras, desastres, embargos comerciais, ). PRINCIPAIS TIPOS DE SUBSTITUIÇÃO DE MATERIAIS MATERIAL POR MATERIAL Motivação: custo e ou escassez Ex: substituição de tubos de Cu por tubos de PVC MATERIAL POR QUALIDADE Motivação: qualidade e performance do produto Ex: substituição de chapas de aço frio por chapas galvanizadas para a indústria automobilística e de eletrodomésticos FUNCIONAL OU POR INTER-PRODUTO Motivação: perfil do consumo (não afeta o produto final e não afeta a natureza do material) Ex: Substituição das cartas por telefone Mudança na composição das ligas Substituição de cabos subterrâneos por satélites para telecomunicações

5 5 SUBSTITUIÇÃO TECNOLÓGICA Motivação: novas técnicas ou matérias primas que permitam a produção com menor consumo de material e energia Ex: estanhamento eletrolítico X estanhamento por imersão nas folhas de flandres A SUBSTITUIÇÃO DE MATERIAIS TENDE: Pelo lado da oferta diminuir custos Pelo lado da demanda atender o perfil do consumo ou modificá-lo COMO OCORRE A SUBSTITUIÇÃO DE MATERIAIS Oferta de novos materiais e melhora das propriedades já existentes Exemplo: Mercado de embalagens Vidro (anos 50) aço ou folhas de flandres (anos 60-70) plástico e alumínio (anos 70-80) alumínio e tetrapack (anos 90) Satisfação dos critérios de lucratividade e estratégia da empresa Exemplo: podemos ter a tecnologia desenvolvida mas necessitamos da lucratividade. MECANISMOS PARA MONITORAR OS PROCESSOS DE SUBSTITUIÇÃO DE MATERIAIS Preços relativos (crise do petróleo) Regulamentações (compostos com cfc) Mudanças tecnológicas (redução do peso do automóvel)