Propriedades e Aplicação de Materiais: Cerâmicos e Compositos, Esquemas de Química

Baixe Propriedades e Aplicação de Materiais: Cerâmicos e Compositos e outras Esquemas em PDF para Química, somente na Docsity! 25.02.2021 1A MECÂNICA - TM | Os materiais e suas propriedades * Se pudéssemos voltar no tempo até a época em que nossos antepassados inventaram utensílios de pedra e viver a história do ser humano a partir dali, veríamos que ocorreram mudanças bastante significativas. * No início da civilização, o ser humano tinha acesso a um número muito limitado de materiais, todos retirados diretamente da natureza. * Há muitos séculos ele descobriu que com aquecimento e resfriamento (tratamento térmico) podia modificar as propriedades mecânicas de metais, isto é, torná-los mais duros, mais moles, mais maleáveis etc. Novas técnicas e melhorias nas condições de trabalho nas minas contribuíram para a exploração dos minério Hoje, no entanto, é necessário que os novos projetos possibilitem a criação de produtos utilizando os recursos conscientemente. Projetos inteligentes devem ser propostos para melhorar a vida e integrá-la ao meio ambiente. 1.1 Classificação dos materiais Os materiais podem ser classificados em metálicos e não metálicos e subdivididos. Uma tendência para o futuro é a substituição de materiais pesados por outros mais leves e resistentes. Empresas fabricantes de veículos estão investindo em novas tecnologias para produzir veículos mais leves que os atuais e, consequentemente, menos poluidores. Esquema de classes dos materiais. E Metálicos Po = Ferrosos Não ferrosos Acõe 6 " Alumínio, q Pa Cobre, Titânio, fundidos e ão cs, ão * Metais São elementos químicos sólidos a temperatura ambiente (23 ºC) e pressão atmosférica de 1 atm (com a única exceção do mercúrio). Caracterizam-se por brilho, opacidade, dureza, ductilidade (permitem ser esticados em arames finos) e maleabilidade (possibilitam sua redução a lâminas delgadas). Outras propriedades físicas são sua elevada densidade, boa fusibilidade e, principalmente, os altos coeficientes de condutividade térmica e elétrica. Entre suas características físicas, Os metais possuem boa fusibilidade. Uma característica interessante dos metais é o fato de possuírem a chamada “nuvem de elétrons”, ou seja, elétrons livres abundantes que não estão sujeitos a grandes forças intermoleculares e, por isso, se deslocam com facilidade entre uma eletrosfera e outra. Muitas das propriedades dos metais estão diretamente ligadas a esses elétrons. Metais são os materiais estruturais primários de toda a tecnologia e incluem um grande número de ligas ferrosas (por exemplo, ferro fundido, aço-carbono, ligas de aços etc.). Tecnicamente é possível classificá-los por suas funções químicas (óxidos, carbonetos e nitretos) ou mesmo pela origem mineralógica, como o quartzo, muito utilizado na produção de sensores eletrônicos e fototérmicos. A outra maneira é pela manufatura, isto é, pela moldagem - a extrusão e a moldagem por injeção. Esses materiais podem ser vistos em tijolos, telhas refratárias (revestimentos de fornos etc.). Os cerâmicos podem ainda ser aplicados em ferramentas de corte para usinagem (figura 1.4), componentes eletrônicos, sensores químicos e catalisadores entre outros Pastilhas de corte feitas de material cerâmico com revestimento superficial. * Polímeros A palavra polímero tem origem no grego: poli (muito) + mero (parte), e é exatamente isso, a repetição de muitas (poli) unidades (mero) de um tipo de composto químico. Polimerização é o nome dado ao processo no qual as várias unidades de repetição (monômeros, de móno: só, único, isolado) reagem para gerar uma cadeia de polímero. Existe no mercado grande quantidade de tipos de polímeros, derivados de diferentes compostos químicos. Cada polímero é mais indicado para uma ou mais aplicações dependendo de suas propriedades físicas, mecânicas, elétricas, ópticas e outras. A indústria automobilística também se beneficia dessa tecnologia na construção de chassis de veículos leves para melhora de desempenho, por causa do baixo peso. Além desses quatro grupos, podemos citar ainda os semicondutores e os biomateriais Propriedades dos materiais Com que critério é feita a escolha do material adequado para determinada peça, considerando, por exemplo, a variedade de materiais usados na fabricação de um automóvel (ferro, aço, vidro, plásticos, borracha, cerâmicos etc.)? Cabe aos técnicos em mecânica auxiliar as decisões na escolha de materiais adequados, como parte do projeto mecânico, levando em consideração diversas variáveis. Para fazermos a escolha, devemos levar em conta propriedades como resistência mecânica, condutividade elétrica e/ou térmica, densidade e outras. Além disso, devemos considerar o comportamento do material durante o processamento e o uso em que são requeridas plasticidade, usinabilidade, estabilidade elétrica e durabilidade química. 1. Propriedades mecânicas Propriedades mecânicas são aquelas que definem o comportamento do material, segundo determinado esforço a que ele pode ser submetido. O conjunto de propriedades mecânicas é baseado nas seguintes características do material. * Resistência mecânica É a capacidade de uma estrutura de suportar esforços externos sem sofrer deformações plásticas. Os esforços externos podem ser: -tração, flexão, torção, cisalhamento, compressão, dobramento e outros. Essa propriedade é definida por meio de ensaios mecânicos. º Plasticidade É a propriedade que certos materiais apresentam de se deformarem permanentemente, ou seja, assumirem tamanhos ou formas diferentes sem se romperem e sem sofrerem alterações significativas em sua estrutura quando submetidos a pressões ou choques. Exemplo de plasticidade é a de uma chapa de aço que dobramos para que obtenha a forma desejada. A deformação não seria possível se o material não tivesse essa propriedade. A plasticidade pode ser subdividida em: a) Maleabilidade É a propriedade que um material tem de se deformar sob pressão ou choque. Um material é maleável quando, sob tensão, não sofre rupturas ou fortes alterações na estrutura (endurecimento). Essa tensão pode ser aplicada por aquecimento. Se a maleabilidade a frio é muito grande, o material é chamado plástico. b) Ductilidade É a capacidade que os materiais possuem de se deformarem plasticamente sem se romperem. Lembrando que deformação plástica é a propriedade de um material mudar de modo irreversível, ao ser submetido a uma tensão. f) Resiliência É a propriedade do material de resistir a esforços externos como choques ou pancadas, sem sofrer deformação permanente. Como exemplo, podemos citar molas, ferramentas de corte etc. : j do O Ê a 2 [e] K E E ———— (4 ' — 3 E — E e = 4 ia my -— [E 3 & pd [e | = La 13 5 Do a E Ri E rr dr ta E a i o " e m — DD a | 8 Lad ; | Luma B 1 oo: e citado E | - m qr Ê & o g) Tenacidade É a capacidade de absorver energia até ocorrer a fratura. Quando a energia é absorvida progressivamente, acontece a deformação elástica e plástica do material, antes de se romper. A tenacidade é mensurada pela área total do diagrama tensão-deformação. Comumente se diz que um material é tenaz na medida de sua resistência à ruptura por tração. Nem sempre isso é verdadeiro, pois alguns aços doces são mais tenazes que os aços duros. Esse fato se deve às características dos aços duros, que apresentam deformação em sua ruptura. 2) Propriedades tecnológicas São propriedades dos materiais de serem trabalhados em processos de fabricação usuais. As propriedades tecnológicas são as seguintes. * Fusibilidade E a propriedade do material de passar do estado sólido para o líquido sob ação do calor. Existe em todos os metais. Porém, para ser industrialmente viável, é necessário que o metal tenha ponto de fusão relativamente baixo e que, durante o processo de fusão, não ocorram oxidações profundas, nem alterações na estrutura. * Temperabilidade Após um aquecimento prolongado, seguido de resfriamento brusco, alguns metais endurecem e mudam sua estrutura cristalina. A essa mudança damos o nome de temperabilidade. Essa característica modifica todas as propriedades mecânicas do material. Aços de boa temperabilidade são aplicados quando se necessita de alta resistência mecânica para todo o material, ou seja, a peça deve possuir uma distribuição de dureza igual ao longo da seção. * Usinabilidade É a resistência oferecida ao corte, medida pela energia necessária para usinar o material no torno, sob condições padrão. É obtida por meio de uma comparação com a de um material padrão, que, por convenção, é igual a 100 (aço B1112). O conhecimento da usinabilidade de um material permite calcular os tempos necessários de usinagem para programar uma fabricação. Alguns tratamentos térmicos são indicados para melhorar a usinabilidade dos materiais. * Fadiga Quando um material está sujeito a esforços dinâmicos durante longo período, observa-se um “enfraquecimento” das propriedades mecânicas ocasionando a ruptura. A esse enfraquecimento chamamos fadiga. A fadiga pode ser também superficial, provocando desgaste de peças sujeitas a esforços cíclicos, como ocorre em dentes de engrenagens. Podemos citar ainda como exemplo um clipe, que, ao aplicarmos nele uma força para cima e para baixo (esforço cíclico), se aquece até se romper por fadiga. 4) Propriedades elétricas A condutividade elétrica é a propriedade que possuem certos materiais de permitir maior ou menor transporte de cargas elétricas. Os materiais em que esse transporte se dá com facilidade são chamados condutores, uma característica dos metais. Já os que praticamente impedem a passagem de corrente elétrica são chamados isolantes. O cobre, suas ligas e o alumínio conduzem bem a eletricidade e, por isso, são empregados na fabricação de fios e aparelhos elétricos. Algumas ligas de Cr-Ni e Fe-Ni são pouco condutoras e servem para construção de resistências elétricas, por exemplo, em reostatos. Exemplos de materiais isolantes são a madeira seca e a baquelite. 5) Propriedades eletromagnéticas A característica mais comum associada às propriedades eletromagnéticas é a suscetibilidade magnética. É a propriedade de um material ficar magnetizado sob a ação de uma estimulação magnética, ou seja, é o grau de magnetização de um material em resposta a um campo magnético. Na natureza existem alguns materiais que, na presença de um campo magnético, são capazes de se tornarem um ímã. Esses materiais são classificados em ferromagnéticos, paramagnéticos e diamagnéticos. * Ferromagnéticos São materiais (ferro, cobalto, níquel e as ligas formadas por essas substâncias) que se imantam fortemente quando colocados na presença de um campo magnético. * Paramagnéticos São materiais que possuem elétrons desemparelhados que, na presença de um campo magnético, se alinham formando um ímã que tem a capacidade de provocar um leve aumento na intensidade do valor do campo. São materiais paramagnéticos: -O alumínio, o magnésio e o sulfato de cobre, entre outros. * Diamagnéticos São materiais que, se colocados na presença de um campo magnético, têm seus ímãs elementares orientados no sentido contrário ao do campo, ou seja, “repelem” o campo magnético. São substâncias diamagnéticas: -O bismuto, o cobre, a prata e o chumbo, entre outros. Plataforma de petróleo montada no mar po https://www.youtube.com/watch?v=ercdzLrY270&t=21s Materiais têm personalidade? O pior é que têm! Como? Pense um pouco. Por que o plástico é “plástico”? Por que o alumínio é mais leve que o ferro? Por que a borracha depois de esticada volta a sua forma primitiva? Por que o cobre conduz eletricidade e o plástico, não? Para tornar nosso estudo mais fácil, as propriedades foram reunidas em grupos, de acordo com o efeito que elas causam. Assim, temos: e propriedades físicas; e propriedades químicas. Propriedades físicas Esse grupo de propriedades determina o comportamento do material em todas as circunstâncias do processo de fabricação e de utilização. Nele, você tem as propriedades mecânicas, as propriedades térmicas e as propriedades elétricas. As propriedades mecânicas aparecem quando o material está sujeito a esforços de natureza mecânica. Isso quer dizer que essas propriedades determinam a maior ou menor capacidade que o material tem para transmitir ou resistir aos esforços que lhe são aplicados. Essa capacidade é necessária não só durante o processo de fabricação, mas também durante sua utilização Dentre as propriedades desse grupo, a mais importante é a resistência mecânica. Essa propriedade permite que o material seja capaz de resistir à ação de determinados tipos de esforços, como a tração e a compressão Se você colocar dois cubos maciços do mesmo tamanho, sendo um de chumbo e um de plástico, em uma balança de dois pratos, será fácil perceber a propriedade sobre a qual vamos falar. Certamente, o prato com o cubo de chumbo descerá muito mais do que o prato com o cubo de plástico. Isso acontece porque o chumbo é mais denso que o plástico. Em outras palavras, cabe mais matéria dentro do mesmo espaço. Essa propriedade se chama densidade ótico Eru mbo E As propriedades térmicas Determinam o comportamento dos materiais quando são submetidos a variações de temperatura. Isso acontece tanto no processamento do material quanto na sua utilização. É um dado muito importante, por exemplo, na fabricação de ferramentas de corte. As velocidades de corte elevadas geram aumento de temperatura e, por isso, a ferramenta precisa ser resistente a altas temperaturas. O ponto de fusão é o primeiro de nossa lista. Ele se refere à temperatura em que o material passa do estado sólido para o estado líquido. Dentre os materiais metálicos, o ponto de fusão é uma propriedade muito importante para determinar sua utilização. O alumínio, por exemplo, se funde a 660ºC, enquanto que o cobre se funde a 1.084ºC. O ponto de ebulição é a temperatura em que o material passa do estado líquido para o estado gasoso. O exemplo mais conhecido de ponto de ebulição é o da água que se transforma em vapor a 100ºC.