INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS DE ENGENHARIA O material disponibilizado nesta apostila do curso de Ciência dos Materiais objetiva apresentar os fundamentos e a interrelação entre os diferentes níveis de estrutura que constituem os materiais de engenharia e as principais propriedades apresentadas pelos mesmos em função dos processos de fabricação, o que implicará em suas seleções para diversas aplicações. 1.1. IMPORTÂNCIA DOS MATERIAIS Os materiais apresentam importância fundamental para o ser humano desde o início da civilização, desempenhando papel principal durante a evolução do homem, onde os primeiros primitivos utilizavam ferramentas de pedra e argila moldada, passando pela descoberta do ouro, cobre, bronze e ferro, e seus processos de obtenção e fabricação. O conhecimento dos materiais definiu as diversas idades da história da humanidade, podendo-se citar: Idade da Pedra, Idade do Bronze, Idade do Ferro. A Figura 1.1 apresenta uma ilustração esquemática da evolução humana durante as diferentes etapas da evolução dos metais. Figura 1.1 Representação esquemática da evolução dos materiais metálicos. 1
1.2. CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS Os materiais de engenharia podem ser classificados em três categorias principais: metálicos, cerâmicos e poliméricos. No entanto, atualmente se utiliza uma classificação mais ampla, incluindo os materiais compósitos, os materiais biocompatíveis e os materiais semicondutores. A Figura 1.2 mostra a classificação dos materiais de engenharia, apresentando exemplos de alguns na Figura 1.3. Figura 1.2 Classificação dos principais materiais de engenharia. Figura 1.3 Exemplos dos principais materiais de engenharia. Além das classificações citadas anteriormente, os materiais podem ser classificados pela sua aplicação, pelo seu grau de evolução tecnológica, morfologia estrutural e comportamento. 2
Os engenheiros devem conhecer a estrutura interna dos materiais e suas propriedades para optar pelos mais adequados para cada aplicação ou criar melhores processos de fabricação (Figura 1.4). As principais áreas do conhecimento que abordam o tema são: - Ciência dos Materiais: conhecimento básico da estrutura interna dos materiais, suas propriedades e processos de fabricação, - Engenharia de Materiais: interesse no emprego do conhecimento dos materiais para processá-los em produtos. Figura 1.4 Informações sobre estruturas atômicas. Os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material devem compreender: 1.) condições de serviço e propriedades requeridas para tal aplicação, 2.) fatores de degradação de propriedades, como temperatura, agentes corrosivos, radiações, 3.) propriedades de interesse e qual o desempenho e limitações no uso, 4.) disponibilidade de matéria-prima e viabilidade técnica de processamento, 5.) impacto ambiental e reciclabilidade após uso; 6.) custo total. Raramente um material reúne uma combinação ideal de propriedades, ou seja, muitas vezes é necessário reduzir uma em benefício da outra, como por exemplo: resistência e ductilidade, onde geralmente um material de alta resistência apresenta ductilidade limitada, exigindo que se estabeleça um compromisso (comprometimento) razoável entre duas ou mais propriedades. 1.3. LIGAÇÕES ATÔMICAS NOS SÓLIDOS O tipo de ligação interatômica influencia nas propriedades dos materiais. Os elementos se ligam para formar os sólidos com uma configuração mais estável: geralmente oito elétrons na camada de valência (= gases nobres He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) (Figura 1.5). A ligação atômica é formada pela interação dos elétrons de valência através de: - Ganho e Perda de elétrons, - Compartilhamento de elétrons (parcial ou total), - Livre movimentação dos elétrons. Figura 1.5 Informações básicas sobre estruturas atômicas. 3
Figura 1.6 Tabela periódica dos materiais [Callister, 2002]. 4
1.3.1. FORÇAS E ENERGIAS DE LIGAÇÕES Introdução aos Materiais de Engenharia Prof. Carlos Alexandre dos Santos A distância entre dois átomos é determinada pelo balanço das forças atrativas e repulsivas. Quanto mais próximos os átomos, maior a força atrativa entre eles, mas maior ainda são as forças repulsivas devido à sobreposição das camadas mais internas. Quando a soma das forças atrativas e repulsivas é zero, os átomos estão na chamada distância de equilíbrio (E), conforme ilustra a Figura 1.7. Figura 1.7 Relação entre distância atômica e forças envolvidas. A Tabela 1.1 apresenta alguns valores para as energias de ligação atômica e as temperaturas de fusão de alguns materiais. Tabela 1.1 Energias de ligação e temperaturas de fusão de algumas ligações [Callister, 2002]. 5
1.3.2. LIGAÇÕES INTERATÔMICAS PRIMÁRIAS Introdução aos Materiais de Engenharia Prof. Carlos Alexandre dos Santos As ligações atômicas principais são classificadas em função da interação dos elétrons de valência, que podem ser doados/recebidos, podem ser compartilhados (parcial ou total), ou podem ser livres e comuns. A seguir apresentam-se as principais características para as ligações primárias. Iônica: Átomos perdem ou ganham elétrons na camada de valência; Ocorre entre elementos metálicos (1e -, 2e -, 3e - ) e não-metálicos (5e -, 6e -, 7e - ) (diferentes eletronegatividade e opostos horizontalmente na Tabela Periódica); Metálicos perdem elétrons (+) e os não-metálicos ganham elétrons (-); Todos os átomos ficam com a camada de valência completa; Forças atrativas são Forças de Coulomb (fracas). Não direcional; Formação de íons positivos (+ cátions) e íons negativos (- ânions); Sólidos iônicos apresentam altas Temperaturas de Fusão (T F ); Ligação forte. Estrutura organizada. Materiais duros e quebradiços; Bons isolantes térmicos e elétricos. Predominante nos cerâmicos. Figura 1.8 Exemplos de estruturas em sólidos iônicos. 6
Covalente: Estabilidade é conseguida pelo compartilhamento de elétrons; Os dois átomos contribuem com elétrons (alta eletronegatividade); Máximo número de elétrons compartilhados é 4 (C, Si, Ge, etc); Comuns entre elementos não metálicos e semi-metais, e inorgânicos; Ligações muito fortes, o que confere alta dureza, porém elevada fragilidade; Materiais apresentam altas Temperaturas de Fusão (T F ); Materiais são bons isolantes térmicos e elétricos; Ligação direcional, com ângulos definidos (orbitais); Ligação bastante comum também nos polímeros e cerâmicos. Figura 1.9 Exemplos de estruturas em sólidos covalentes. Alguns materiais podem apresentar tanto ligação iônica como covalente. Pode-se determinar o caráter iônico entre os elementos A e B empregando a Equação (1.1): 2 % caráter iônico {1- exp [- (0,25) (XA - XB ) ] } 100 (1.1) onde XA e XB são as eletronegatividades dos elementos A e B (tabelado). 7
Metálica: Formação de uma nuvem de elétrons ao redor dos núcleos; Combinação de elementos metálicos com baixa eletronegatividade (máx. 3 e - ); Nuvem se forma pelos elétrons de valência (última camada); Elétrons (-) movimentam-se livremente ao redor dos núcleos (+); Metais são bons condutores de calor e eletricidade (pelos e - ); São materiais não transparentes; Apresentam boa capacidade de deformação e tratamentos térmicos; Comportam-se com boa ductilidade (plasticidade); Ligação não-direcional, geralmente forte. Figura 1.10 Exemplos de estruturas em sólidos metálicos. 1.3.3. LIGAÇÃO DE Van Der Waals Forças de ligação surgem de dipolos atômicos; Ligações fracas. Não-direcional; Ligação resulta de uma atração Coulombiana; Também chamadas de Ponte de Hidrogênio; Dipolos podem ser induzidos ou permanentes. Figura 1.11 Exemplos de estruturas em sólidos com ligações de Van Der Waals. A molécula de água apresenta polarização de carga (formação de dipolos): positiva próxima aos átomos de H e negativa onde os elétrons de valência do O estão localizados. Isto produz forças de Van der Waals entre as moléculas, fazendo com que as mesmas tendam a alinhar os pólos negativos com positivos. Como o ângulo de ligação é 109,5 o, as moléculas formam uma estrutura quase hexagonal. O gelo tem estrutura hexagonal devido a este tipo de ligação. É menos denso, por isso flutua sobre a água. 8
REFERÊNCIAS 1 - CALLISTER, W.D., Engenharia e Ciência dos Materiais. Uma Introdução, Rio de Janeiro: LTC Editora, 2002. 2 - VAN VLACK, L. H. Princípios de Ciência e Tecnologia dos Materiais, Rio de Janeiro: McGrall- Hill, 1998. 3 - GARCIA, A., SPIM, J.A., SANTOS, C.A., Ensaios dos Materiais, Rio de Janeiro: LTC Editora, 1998. 4 - SMITHS, W.; HASHEMI, J. Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais, Rio de Janeiro: McGrall-Hill, 1998. 5 - REED-HILL, Physical Metallurgy, Rio de Janeiro: McGrall- Hill, 1998. 9