Classificação dos materiais. Profa. Daniela Becker

Classificação dos materiais Profa. Daniela Becker

Classificação dos materiais A classificação tradicional dos materiais é geralmente baseada na estrutura atômica e química destes.

Classificação dos materiais Metais Cerâmicos Polímeros Compósitos Semicondutores Biomateriais

Classificação dos Materiais Metais Materiais metálicos são geralmente uma combinação de elementos metálicos. Os elétrons não estão ligados a nenhum átomo em particular e por isso são bons condutores de calor e eletricidade Não são transparentes à luz visível Têm aparência lustrosa quando polidos Geralmente são resistentes e deformáveis São muito utilizados para aplicações estruturais

Classificação dos metais Ligas ferrosas Aços com baixo, médio e alto teor de carbono Aços inoxdiváveis (liga de cromo) Aço liga Ferros fundidos Ferros cinzento, nodular e branco Ligas não ferrosas Cobre e suas ligas Alumínio e suas ligas

Classificação dos aços QUANTO A COMPOSIÇÃO Aço-Carbono - sem elemento de liga (elementos residuais: Si, Mn, P, S) Alto, baixo e médio teor de carbono Aço Liga baixa liga (máximo 3-3,5%) média liga alta liga (teor total mínimo de 10-12%)

Propriedades dos aços-carbono A resistência aumenta com o teor de Carbono A ductilidade diminui com o teor de Carbono São aços de relativa baixa dureza Oxidam-se facilmente Suas propriedades deterioram-se a baixas e altas temperaturas São os mais usados e de mais baixo custo

Propriedades dos aços baixo carbono AÇO BAIXO CARBONO < 0,3% C Estrutura é usualmente ferrítica e perlítica São fáceis de conformar e soldar São aços de baixa dureza e alta ductilidade

Propriedades dos aços médio carbono AÇO MÉDIO CARBONO 0,3-0,8% C São aços de boa temperabilidade em água Apresentam a melhor combinação de tenacidade e ductilidade e resistência mecânica e dureza São os aços mais comuns, tendo inúmeras aplicações em construção mecânica

Propriedades dos aços médio carbono AÇO ALTO CARBONO > 0,8% C Apresentam baixa conformabilidade e tenacidade Apresentam alta dureza e elevada resistência ao desgaste Quando temperados são frágeis

Aços ligados ELEMENTOS DE LIGA MAIS COMUNS Cr Ni V Mo W Co B Cu Mn, Si, P, S (residuais)

Efeito dos elementos de liga Aumentam a dureza e a resistência Conferem propriedades especiais como: Resistência à corrosão Estabilidade à baixas e altas temperaturas Controlam o tamanho de grão Melhoram a conformabilidade Melhoram as propriedades elétricas e magnéticas Diminuem o peso (relativo à resistência específica)

NÍQUEL Aumenta a resistência ao impacto (2-5% Ni) Aumenta consideravelmente a resistência à corrosão em aços baixo carbono (12-20% Ni) Com 36% de Ni (INVAR) tem-se coeficiente de expansão térmica próximo de zero. Usado como sensores em aparelhos de precisão

CROMO Aumenta a resistência à corrosão e ao calor Aumenta a resistência ao desgaste (devido à formação de carbetos de cromo) Em aços baixa liga aumenta a resistência e a dureza É normalmente adicionado com Ni (1:2)

TUNGSTÊNIO Mantém a dureza a altas temperaturas Forma partículas duras e resistentes ao desgaste à altas temperaturas Presente em aços para ferramentas

Sistema de classificação dos aços AISI-SAE XXXX 1XXX Aço-carbono 10XX Aço-carbono comum 11XX teores diferenciados de S 12XX teores diferenciados de S e P 13XX alto teor de Mn (1,6-1,9%)

Sistema de classificação dos aços 2XXX Aço ao Níquel 3XXX Aço ao Níquel e Cromo 4XXX Aço ao Molibidênio 40XX Mo 0,15-0,3% 41XX Mo, Cr 43XX Mo, Cr, Ni 5XXX Aço ao Cromo 6XXX Aço ao Cromo e Vanádio 8XXX Aço ao Níquel, Cromo e Molibidênio 9XXX Outros

Ferros fundidos Formam uma classe de ligas ferrosas que possui teores de carbono acima de 2,14% (3,0 a 4,5%C); Temperaturas de fusão mais baixas (1150 e 1300ºC)

Ferro Cinzento 2,5 a 4,0%C e 1,0 a 3,0%Si É fraco e frágil quando submetido a tração São eficientes no amortecimento de energia vibracional Elevada resistência ao desgaste Baixo custo

Ferro nodular Adição de pequenas quantidade de magnésio e/ou cério Mais resistentes e dúcteis Aplicação: válvulas, corpos de bombas, virabrequins, engrenagens e outros componentes automotivos e de máquinas

Ferro Branco Ferros fundidos com baixo teor de sílicio (<0,1%) e taxas de resfriamento rápidas Extremamente duro e frágil (impossível de ser usinado) Aplicações que necessitam um superfície muito dura e muito resistência à abrasão

Limitação dos aços e outras ligas ferrosas Densidade relativamente alta Condutividade elétrica comparativamente baixa Suscetibilidade inerente à corrosão em alguns ambientes

Cobre e suas ligas O cobre quando não se encontra na forma de liga é muito mole e dúctil Altamente resistente a corrosão A maioria das liga de Cu não podem ser endurecidas ou ter a sua resistência melhora por tratamento térmico Latões Zn é o elemento de liga predominante Bronze vários elementos incluindo estanho, Al, Si e o Ni

Al e suas ligas Densidade relativamente baixa (2,7g/cm 3 ); Condutividade elétrica e térmica elevadas Resistência a corrosão Alta ductibilidade (mesmo em temperaturas baixas) Baixa temperatura de fusão (660ºC) Elementos de liga Cu, Mg, Si, Mn e o Zn

Ti e suas ligas O metal puro tem densidade relativamente baixa, elevado ponto de fusão e alto módulo de elasticidade As ligas são extremamente resistentes Limitação reatividade química com outros materiais a temperaturas elevadas

Classificação dos Materiais Materiais cerâmicos são geralmente Cerâmicas uma combinação de elementos ALUMINA metálicos e não-metálicos. Geralmente são óxidos, nitretos e carbetos São geralmente isolantes de calor e eletricidade São mais resistêntes à altas temperaturas e à ambientes severos que metais e polímeros Com relação às propriedades mecânicas as cerâmicas são duras, porém frágeis

Materiais Cerâmicos Vidros Produtos a base de argila Refratários Cimentos Cerâmicas avançadas

Vidros Usados em enormes quantidades Todos os vidros importantes são à base se sílica (SiO 2 ) Principais Vidro comum de janela Vidros de borossilicatos resistentes à temperatura

Produtos a base de argila Facilidade de conformação São aluminosilicatos (Al 2 O 3 e SiO 2 ) Produtos estruturais Porcelana Louça e objetos de cerâmica tijolo

Refratários Capacidade de resistir a temperaturas elevadas sem fundir ou decompor Capacidade de permanecer não-reativo e inerte quando expostos a ambientes severos São divididos em : argila refratária, sílica básica e refratários especiais

Cimentos Cimentos inorgânicos: cimento, gesso-deparis e cal A característica destes materiais é que quando misturados a em água formam uma pasta

Cerâmicas Avançadas Materiais cerâmicos que apresentam propriedades elétricas, magnética e óticas Aplicações: motores a combustão interna e de turbina, chapas de blindagem, embalagens de componentes eletrônicos, ferramentas de corte e para conversão, armazenamento e geração de energia Exemplos: Alumina densa, carboneto, nitreto de silício, zircônia cúbica

Classificação dos Materiais Polímeros Materiais poliméricos são geralmente compostos orgânicos baseados em carbono, hidrogênio e outros elementos não-metálicos. São constituídos de moléculas muito grandes (macro-moléculas) Tipicamente, esses materiais apresentam baixa densidade e podem ser extremamente flexíveis Materiais poliméricos incluem plásticos e borrachas

Conceitos Monômero (gás / líquido) Polímero (sólido) temperatura pressão ativadores catalisadores MONÔMERO = molécula pequena MERO = unidade (estrutura química) de repetição da molécula OLIGÔMERO = molécula com poucos meros POLÍMERO = macromolécula com muitos meros

Em relação ao número de diferentes meros Homopolímero apenas um único tipo de mero Copolímero dois ou mais meros

Exemplos de copolímeros ABS (terpolímero de acrilonitrila, butadieno estireno) muito utilizado na indústria automobilística (peças sujeitas a grandes esforços mecânicos) SAN (copolímero de estireno acrilonitrila) peças de alta transparência e que pode entrar em contato com alimentos (copos de liquidificadores, partes internas de refrigerador

Em relação a estrutura química dos meros Poliolefinas polipropileno, polibutadieno, poliestireno Poliésteres poli(tereftalato de etileno), policarbonato Poliéteres poli(óxido de etileno), poli(óxido de fenileno)

Poliamidas nylon, polimida Polímeros celulósicos nitrato de celulose, acetato de celulose Polímeros acrílicos poli(metacrilato de metila), poliacrilonitrila Polímeros vinílicos poli(acetato de vinila), poli(álcool vinílico) Poliuretano Resinas formaldeídas

Classificação quanto a fusibilidade Refere-se ao comportamento ao serem aquecidos Termoplásticos Termorígidos

Classificação fusibilidade (comportamento térmico) Termoplástico

Classificação fusibilidade Termofixo

Classificação quanto ao comportamento mecânico Plásticos São materiais em que algum estágio da fabricação são fluídos, podendo ser moldados por aquecimento, pressão, ou ambos Elastômeros (ou borrachas) Fibras São materiais de origem natural ou sintética que, após sofrerem deformação sob ação de uma força, retornam a sua forma original quando esta força é removida São corpos em que a razão entre comprimento e as dimensões laterais são muito elevadas

Classificação dos materiais TIPO DE MATERIAL METÁLICOS CERÂMICOS CARACTERÍSTICAS Dúctil, Resistência Mecânica Elevada, Condutor Elétrico e Térmico, Dureza Elevada, Opaco Frágil, Isolante Térmico e Elétrico, Alta Estabilidade Térmica, Dureza Elevada Transparentes em Alguns Casos CONSTITUINTES TÍPICOS Átomos Metálicos e Não- Metálicos Óxidos, Silicatos, Nitretos, Aluminatos, etc. POLIMÉRICOS (Plásticos) Dúctil, Baixa Resistência Mecânica, Baixa Dureza, Flexível, Baixa Estabilidade Térmica, Transparentes em Alguns Casos Cadeia Molecular Orgânica de Comprimentos Elevados

Classificação dos Materiais Compósitos Materiais compósitos são constituídos de mais de um tipo de material insolúveis entre si. Os compósitos são desenhados para apresentarem a combinação das melhores características de cada material constituinte Muitos dos recentes desenvolvimento em materiais envolvem materiais compósitos Um exemplo classico é o compósito de matriz polimérica com fibra de vidro. O material compósito apresenta a resistência da fibra de vidro associado a flexibilidade do polímero

Exemplos Polímero com fibra de vidro, fibra de carbono, fibra natural e outros Cimentos armado, cermet Pneus de banda de aço

Classificação dos Materiais Semicondutores Materiais semicondutores apresentam propriedades elétricas que são intermediárias entre metais e isolantes Além disso, as características elétricas são extremamente sensíveis à presença de pequenas quantidades de impurezas, cuja concentração pode ser controlada em pequenas regiões do material Os semicondutores tornaram possível o advento do circuito integrado que revolucionou as indústrias de eletrônica e computadores

Alguns exemplos Silício um material semicondutor muito abundante, tem um interesse muito especial na indústria eletrônica e microeletrônica, como material básico para a produção de transistores para chips, células solares e em diversas variedades de circuitos eletrônicos. Germânio Fibra óptica. Eletrônica: Radares, amplificadores de guitarras elétricas, ligas metálicas de SiGe em circuitos integrados de alta velocidade

Classificação dos Materiais Biomateriais Biomateriais são empregados em componentes para implantes de partes em seres humanos Esses materiais não devem produzir substâncias tóxicas e devem ser compatíveis com o tecido humano (isto é, não deve causar rejeição). Metais, cerâmicos, compósitos e polímeros podem ser usados como biomateriais.

Exemplos Metais aços inoxidáveis, principalmente os austeníticos (ortopedia confecção de próteses articuladas e elementos estruturais)

Cerâmicas

Tipos de biocerâmicas Bioinertes Material que permanece no organismo sem induzir resposta tecidual significativa (Alumina, Zirconia, Carbono) Bioativas Material que induz cresicmento tecidual (osteoindução / osteocondução) (vidros e vitrocerâmicos, fosfato de cálcio Reabsorvível Material que biodegrada no organismo, sendo que os produtos da degradação são metabolizados sem causar efeitos nocivos

Polímeros

Vantagens do uso de biomateriais poliméricos Baixa densidade; Facilidade de fabricação em diversos formatos, permitindo bom acabamento; Elevada eficiência dos processos de fabricação, permite elevada produtividade; Diversidade de propriedades; Baixo consumo energético p/ processamento; Comportamento elastomérico; Possibilidade de polimerização in situ ; Resistência a corrosão