1.5 Comparação e variabilidade dos materiais

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1 1.4.5 Materiais electrónicos Os materiais electrónicos não constituem um grupo importante em termos de volume de materiais, mas são um grupo extremamente importante em termos de tecnologias avançadas. O material electrónico mais importante é o silício puro, o qual é modificado de várias maneiras, a fim de se alterarem as suas características eléctricas. Um grande número de circuitos electrónicos complexos pode ser miniaturizado num chip de silício, isto é, num cristal de silício, com a forma de um quadrado com cerca de 0,635 cm (1/4 de polegada) de lado. Foram os sistemas de microelectrónica que tornaram possível o aparecimento de novos produtos e equipamentos, tais como os satélites de comunicação, os computadores, as calculadoras de bolso, os relógios digitais e os robots de soldadura (Smith, 1998). 1.5 Comparação e variabilidade dos materiais Selecção de materiais A variabilidade das composições física e química dos diversos materiais tem de ser considerada pelos utilizadores ligados ao projecto de estruturas que tem de estabelecer critérios formais para definir que materiais se devem utilizar. O engenheiro terá que considerar a aptidão do material escolhido para a estrutura projectada. O critério mais importante na selecção do material é justamente a aptidãopara-o-uso, pois é necessário garantir que o material apresente um desempenho satisfatório quer durante a fase construtiva, quer em serviço, quando a estrutura já estiver construída. Satisfazer este critério será, provavelmente, ter que considerar as propriedades principais do material: a) O material terá que ser suficientemente resistente de modo a resistir às cargas a que a estrutura estará sujeita. b) Os elementos fabricados com o material não poderão deformar-se demasiado. c) O material não poderá degradar-se significativamente durante o período de vida útil da estrutura. 1 5

2 13 5 Ciência dos Materiais 1ª Parte d) Outros aspectos poderão ser incluídos no critérios da aptidão-para-o-uso. Por exemplo, a impermeabilidade poderá ser essencial, ou o prazo de construção. Também a estética e os efeitos no ambiente não podem ser esquecidos. Em muitas situações práticas existe mais de um material que satisfaz os critérios de aptidão-para-o-uso. Por exemplo elementos em tracção poderão ser feitos de aço ou madeira, placas de revestimento de edifícios poderão ser executados com compósitos de fibras, metal, madeira ou alvenaria. Então a questão será resolvida pelo engenheiro que terá de decidir e julgar qual o material que é mais adequado entre os que satisfazem os critérios de aptidão-para-o-uso. Á primeira vista parecerá simples esta decisão mas mesmo com vastos conhecimentos e informações sobre cada material é muitas vezes necessário recorrer á ajuda de especialistas. Um outro critério que pode resolver e, em geral, resolve a questão de qual o material mais adequado dentro dos com aptidão-para-o-uso, é a questão do CUSTO. O custo estimado de uma obra não poderá exceder, evidentemente, o valor disponível, e muitas vezes a solução escolhida é a mais barata. Aparentemente esta solução é um critério simples em que se comparam valores de custos entre as várias soluções. Na prática, não é assim tão simples. Pois por exemplo poderá haver dificuldades em interpretar o balanço entre o primeiro investimento e custos de manutenção, ou, por exemplo, avaliar os custos dos efeitos de não cumprimento de prazos de construção causado por entregas tardias na obra, do material escolhido (prazos de entrega não garantidos). (Illston, 1998) 1.5. Variabilidade O utilizador de materiais terá então de considerar os critérios de aptidão-para-ouso para decidir que material empregar. Uma questão importante reside na variabilidade das propriedades do material em si. Esta variabilidade depende claramente da homogeneidade do material na estrutura, que, por sua vez depende de como o dito material foi produzido. Num extremo da escala a produção de aço constitui um processo bem desenvolvido e controlado pelo que um determinado tipo de aço pode ser facilmente reproduzido e a variabilidade de propriedades como a resistência é reduzida; No extremo oposto a madeira natural que apresenta nós e defeitos que conduzem inevitavelmente a uma variação maior dos valores das propriedades.

3 A maioria das propriedades varia de acordo com a Lei Normal ou de Gauss: y 1 ( x x) exp σ π σ em que: y é a função densidade de probabilidade x é a variável Consideremos que x representa por exemplo, a resistência. Então esta propriedade pode ser representada por dois números: A resistência média, x, para n amostras, é dada por: x x n A variação da resistência, representada pelo desvio padrão σ, é dada por: σ ( x x) n 1 O desvio padrão apresenta as mesmas unidades que a variável e expressa a sua variabilidade. Para se compararem diferentes materiais ou diversos tipos do mesmo material, utiliza-se o coeficiente de variação que é uma grandeza adimensional: σ c. v. x Como em principio a madeira natural tem maior variabilidade do que o aço, para propriedades comparáveis o coeficiente de variação será maior na madeira. É possível reduzir o coeficiente de variação quando o material é fabricado. Por exemplo, o coeficiente de variação de aglomerado de madeira é bastante menor do que de madeira natural. Apresentam-se valores típicos da resistência média e coeficientes de variação de alguns materiais no Quadro 1.1 obtidos em ensaios em provetes do mesmo lote ou amassadura dos material típico (Illston, 1998). 14 5

4 Quadro 1.1 Resistências e coeficientes de variação de alguns materiais de construção (Illston, 1998) Material Resistência média c.v. comentário MPa % Aço 460 tracção Aço macio de construção Betão 40 compressão 15 Betão de massa volúmica normal. Provetes cúbicos.8 dias. Madeira 30 tracção 35 Resinosas, não classificada 10 tracção 18 Sem nós,de resinosas, paralelamente ás fibras 11 tracção 10 Contraplacado estrutural Compósitos 18 tracção 10 Fibras contínuas de polipropileno com cimentícios com 6% (em volume) na direcção das tensões fibras alvenaria 0 compressão 10 Muros pequenos de tijolo com argamassa 1.6 Resumo A ciência de materiais e a engenharia de materiais (conjuntamente, ciência e engenharia de materiais) formam uma ponte de conhecimentos sobre materiais, que liga as ciências básicas às diversas especialidades de engenharia. A ciência de materiais visa essencialmente a descoberta de conhecimentos fundamentais sobre os materiais, enquanto a engenharia de materiais se dedica principalmente à aplicação desses conhecimentos. Os três tipos principais de materiais são: os materiais metálicos, os materiais poliméricos e os materiais cerâmicos. Existem, no entanto, outros dois tipos de materiais que são muito importantes nas tecnologias modernas: os materiais compósitos e os materiais electrónicos. Neste livro, serão tratados todos estes tipos de materiais. Os materiais competem uns com os outros na conquista dos mercados actuais e futuros, pelo que é frequente assistir-se, para determinadas aplicações, à substituição de um material por outro. A disponibilidade de matérias primas, os custos de produção, bem como o desenvolvimento de novos materiais e de novas técnicas de fabrico, são os principais factores que provocam mudanças no consumo dos materiais (Smith, 1998) 1.7 Definições Materiais: substâncias com as quais se fazem objectos. A designação materiais de engenharia é usada, por vezes, em referência específica aos materiais que se utilizam para o fabrico de produtos técnicos. Contudo, não há uma linha de separação clara entre as duas designações, pelo que ambas são usadas indistintamente. 15 5

5 Ciência de materiais: disciplina científica que visa fundamentalmente a descoberta de conhecimentos básicos sobre a estrutura interna, as propriedades e o processamento de materiais. Engenharia de materiais: especialidade de engenharia que se dedica essencialmente à aplicação dos conhecimentos científicos sobre materiais, de modo a que estes possam ser convertidos em produtos úteis ou desejados pela sociedade. Materiais metálicos (metais e ligas metálicas): materiais caracterizados por possuírem elevadas condutividades térmica e eléctrica. A título de exemplo, citam-se o ferro, o aço, o alumínio e o cobre. Materiais metálicos ferrosos: materiais metálicos que contêm uma percentagem elevada de ferro, tais como os aços e os ferros fundidos. Materiais metálicos não ferrosos: materiais metálicos que não contêm ferro ou em que o ferro surge apenas em pequena quantidade. O alumínio, o cobre, o zinco, o titânio e o níquel, bem como as respectivas ligas, são exemplos de materiais não ferrosos. Materiais cerâmicos: materiais formados por compostos de metais com não metais. São geralmente duros e frágeis. Os materiais feitos de argila, o vidro e o óxido de alumínio, compactado e densificado a partir de pós, constituem exemplos de materiais cerâmicos (Smith, 1990). Materiais poliméricos: materiais formados por longas cadeias moleculares de elementos leves, tais como o carbono, o hidrogénio, o oxigénio e o azoto. A maioria dos materiais poliméricos tem uma condutividade eléctrica baixa. O polietileno e o cloreto de polivinilo (PVC) são exemplos de materiais poliméricos. Materiais compósitos: materiais que consistem em misturas de dois ou mais materiais. A título de exemplo, citam-se os materiais constituídos por fibras de vidro numa matriz de poliéster ou de resina epoxídica. (Smith, 1990). O betão, a madeira (celulose e lenhina) e os ossos, são exemplos de materiais compósitos. Materiais electrónicos: materiais usados em electrónica, e especialmente em microelectrónica. Citam-se, a título de exemplo, o silício e o arsenieto de gálio (Smith, 1998). 16 5