Revisão de Conceitos de Ciência dos Materiais
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Revisão de Conceitos de Ciência dos Materiais Sumário Ligações químicas Classificação dos Materiais Propriedades mecânicas dos materiais Ligações Químicas Ligações Químicas Primárias Iônica, Metálica e Covalente Secundárias Van der Waals (dipolo-dipolo; dipolo-dipolo induzido; dispersão) Ponte de Hidrogênio Ligação Iônica Ocorre em duas etapas: 1ª transferência de elétrons Li x oo o F oo oo 2ª atração dos íons + Li - x oo o oF o oo Ex.: NaCl O cátion Na+ e o ânion Cl- têm cargas opostas e portanto se atraem mutuamente Na+ Cl-. O composto iônico NaCl é o resultado. Note que não escrevemos as cargas como parte da fórmula de um composto neutro. Ligação Covalente Metálica Elétrons de valência Átomo+elétrons das camadas mais internas Ligações secundárias Interação dipolo-dipolo: ocorre com moléculas polares. Pontes de Hidrogênio:Hidrogênio ligado a F, O, N. Ligação de Dispersão ou de London: ocorre com moléculas apolares Pontes de dipolo-induzido: ocorre entre moléculas polares e apolares Classificação dos Materiais 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 TIPO DE MATERIAL CARACTERÍSTICAS CONSTITUINTES TÍPICOS METÁLICOS Dúctil, Resistência Mecânica Elevada, Condutor Elétrico e Térmico, Dureza Elevada, Opaco Átomos Metálicos e NãoMetálicos CERÂMICOS Frágil, Isolante Térmico e Elétrico, Alta Estabilidade Térmica, Dureza Elevada Transparentes em Alguns Casos 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 Estrutura dos materiais Estrutura Cristalina dos Metais Características de Cristais Metálicos Comuns Estrutura CCC CFC HC Átomos por célula 2 4 4 Número de Coordenação 8 12 12 Fator de empacotamento 0,68 0,74 0,74 Exemplos Fe, Ti, W, Mo, Nb Fe, Cu, Al, Au. Ni Ti, Mg, Zn, Be, Co Estrutura das cerâmicas NaCl CsCl Estrutura dos Polímeros Imperfeições no Arranjo atômico Defeito Pontual Imperfeições no Arranjo atômico Discordância Imperfeições no Arranjo atômico Discordância Imperfeições no Arranjo atômico Imperfeições de interface Propriedades dos Materiais Principais propriedades dos Materiais Propriedades físicas – densidade, calor específico, coeficiente de expansão térmica, condutividade térmica Propriedades mecânicas – tensão de escoamento, resistência mecânica, ductibilidade e tenacidade Aspecto econômico Preço e disponibilidade Capacidade de reciclagem Física geral Densidade Mecânica Módulo de elasticidade Resistência à deformação e a tração Dureza Tenacidade à fratura Limite de fadiga Limite de resistência à deformação a quente Característica de amortecimento Térmica Condutividade térmica Calor específico Coeficiente de expansão térmica Elétrica Resistividade Constante dielétrica Permeabilidade manética Interação ambiental Oxidação Corrosão Desgaste Produção Facilidade no processamento União Acabamento Estética Cor Textura Sensação táctil Densidade (massa específica) Relaciona massa por volume (Kg/m3); Está relacionado com tamanho e peso dos átomos e tipo de ligação química Métodos de determinação da densidade Principais propriedades mecânicas Resistência mecânica Elasticidade Ductilidade Tenacidade Tipos de tensões que uma estrutura esta sujeita Como determinar as propriedades mecânicas? A determinação das propriedades mecânicas é feita através de ensaios mecânicos. Utiliza-se normalmente corpos de prova (amostra representativa do material) para o ensaio mecânico, já que por razões técnicas e econômicas não é praticável realizar o ensaio na própria peça, que seria o ideal. Geralmente, usa-se normas técnicas para o procedimento das medidas e confecção do corpo de prova para garantir que os resultados sejam comparáveis. Ensaio de tração É medida submetendo-se o material à uma carga ou força de tração, gradativamente crescente, que promove uma deformação progressiva de aumento de comprimento Resitência à tração tensão (σ) X deformação (ε) Tensão σ = F/Ao Kgf/cm2 ou Kgf/mm2 ou N/ mm2 Área inicial da seção reta transversal Força ou carga Deformação(ε)= lf-lo/lo= lo= comprimento inicial lf= comprimento final Δl/lo Tensão de escoamento σy= tensão de escoamento (corresponde a tensão máxima relacionada com o fenômeno de escoamento) • De acordo com a curva “a”, onde não observa- se nitidamente o fenômeno de escoamento •Alguns aços e outros materiais exibem o comportamento da curva “b”, ou seja, o limite de escoamento é bem definido (o material escoa- deforma-se plasticamente-sem praticamente aumento da tensão). Neste caso, geralmente a tensão de escoamento corresponde à tensão máxima verificada durante a fase de escoamento Escoamento Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação Resistência à Tração (Kgf/mm2) Corresponde à tensão máxima aplicada ao material antes da ruptura É calculada dividindo-se a carga máxima suportada pelo material pela área de seção reta inicial Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação Tensão de Ruptura (Kgf/mm2) Corresponde à tensão que promove a ruptura do material O limite de ruptura é geralmente inferior ao limite de resistência em virtude de que a área da seção reta para um material dúctil reduz-se antes da ruptura Comportamento dos metais quando submetidos à tração Resistência à tração Dentro de certos limites, a deformação é proporcional à tensão (a lei de Hooke é obedecida) Lei de Hooke: σ=Eε Comportamento dos Polímeros quando submetidos à tração Frágil Plástico Elastômero Deformação Tensão (103 psi) Tensão (MPa) Comportamento dos polímeros Deformação Elástica e Plástica DEFORMAÇÃO ELÁSTICA DEFORMAÇÃO PLÁSTICA Prescede à deformação plástica É reversível Desaparece quando a tensão é removida É praticamente proporcional à tensão aplicada (obedece a lei de Hooke) Elástica É provocada por tensões que ultrapassam o limite de elasticidade É irreversível porque é resultado do deslocamento permanente dos átomos e portanto não desaparece quando a tensão é removida Plástica Módulo de elasticidade ou Módulo de Young E= σ/ ε =Kgf/mm2 Lei de Hooke: σ=Eε • É o quociente entre a tensão aplicada e a deformação elástica resultante. •Está relacionado com a rigidez do material ou à resist. à deformação elástica •Está relacionado diretamente com as forças das ligações interatômicas P A lei de Hooke só é válida até este ponto Módulo de Elasticidade para alguns metais MÓDULO DE ELASTICIDADE [E] GPa 106 Psi Magnésio 45 6.5 AlumÍnio 69 10 Latão 97 14 Titânio 107 15.5 Cobre 110 16 Níquel 207 30 Aço 207 30 Tungstênio 407 59 Comparação entre propriedades Considerações gerais sobre módulo de elasticidade Como consequência do módulo de elasticidade estar diretamente relacionado com as forças interatômicas: Os materiais cerâmicos tem alto módulo de elasticidade, enquanto os materiais poliméricos tem baixo Com o aumento da temperatura o módulo de elasticidade diminui Módulo de elasticidade Se barras de seções transversais idênticas forem suportadas por dois apoios bem espaçados e então pesos idênticos forem aplicados a seus centros elas se curvarão elasticamente Grau de flexão pode ser muito diferente dependendo do material – MÓDULO DE ELASTICIDADE Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação Ductibilidade - Corresponde ao alongamento total do material devido à deformação plástica %alongamento= (lf-lo/lo)x100 onde lo e lf correspondem ao comprimento inicial e final (após a ruptura), respectivamente ductilidade Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação Resiliência Corresponde à capacidade do material de absorver energia quando este é deformado elasticamente A propriedade associada é dada pelo módulo de resiliência (Ur) Ur= σesc2/2E Materiais resilientes são aqueles que têm alto limite de elasticidade e baixo módulo de elasticidade (como os materiais utilizados para molas) σesc Comportamento tensão-deformação materiais cerâmicos Não é avaliado por ensaio de tração: É difícil preparar e testar amostras que possuam a geometria exigida; É difícil prender e segurar materiais frágeis; As cerâmicas falham após uma deformação de apenas 0,1%, o que exige que os corpos de prova estejam perfeitamente alinhados. Resistência à flexão Filme do ensaio de flexão F b d D a a L Flexão com 3 pontos X-Section Comportamento elástico 300 Bending Stress, MPa Aluminum Oxide 200 100 Soda-Lime Glass 0 0.0000 0.0002 0.0004 0.0006 Bending Strain 0.0008 0.0010 Resistência ao impacto Resistência aos Impacto A capacidade de um determinado material de absorver energia do impacto está ligada à sua tenacidade, que por sua vez está relacionada com a sua resistência e ductilidade O ensaio de resistência ao choque dá informações da capacidade do material absorver e dissipar essa energia Como resultado do ensaio de choque obtém-se a energia absorvida pelo material até sua fratura, caracterizando assim o comportamento dúctil-frágil Ensaios de impacto Filme do ensaio de impacto (Izod e queda de dardo) TÉCNICAS DE ENSAIO DE IMPACTO Técnica CHARPY; Técnica IZOD; Diferença principal, é a maneira que os corpos de prova estão sustentados na máquina e a aplicação da força; Ambos os corpos de prova são padronizados e providos de um entalhe para localizar a ruptura e o estado triaxial de tensões; Ensaio de impacto com pêndulos IZOD CHARPY PROCEDIMENTOS O pêndulo é elevado a uma certa altura de onde é solto, ao se chocar com o corpo de prova ele segue até uma altura final. O mostrador da máquina simplesmente registra a diferença entre a altura inicial e a altura final, após o rompimento do corpo de prova, Esta diferença de altura é convertida em unidades de energia Quanto menor for a altura final, mais energia foi absorvida pelo corpo de prova evidenciando seu caráter mais dúctil. NORMAS DOS ENSAIOS Os corpos de prova são especificados pela norma americana E23 da ASTM(17); Divisão dos corpos de forma com relação ao seu formato; Curva resposta do ensaio de choque O ensaio de resistência ao choque caracteriza o comportamento dos materiais quanto à transição do comportamento dúctil para frágil em função da temperatura Polímeros São frágeis à baixas temperaturas porque a rotação dos átomos na molécula requer energia térmica A maioria dos polímeros apresentam transição dúctil-frágil que é geralmente abaixo da ambiente Materiais cristalinos MATERIAIS CFC - Permanecem dúcteis (não apresenta transição dúctilfrágil) porque nesta estrutura há muitos planos de escorregamento disponíveis MATERIAIS CCC Apresentam uma transição de frágil para dúctil em função da temperatura Fratura Fratura Consiste na separação do material em 2 ou mais partes devido à aplicação de uma carga estática à temperaturas relativamente baixas em relação ao ponto de fusão do material Fratura Dúctil → a deformação plástica continua até uma redução na área para posterior ruptura Frágil → não ocorre deformação plástica, requerendo menos energia que a fratura dúctil que consome energia para o movimento de discordâncias e imperfeições no material Fratura Fratura frágil Fraturas dúcteis Fratura dúctil - aspecto macroscópico Mecanismo da fratura dúctil a- formação do pescoço b- formação de cavidades c- coalescimento das cavidades para promover uma trinca ou fissura d- formação e propagação da trinca em um ângulo de 45 graus em relação à tensão aplicada e- rompimento do material por propagação da trinca Fratura dúctil - aspecto microscópico Fratura frágil - aspecto macroscópico A fratura frágil (por clivagem) ocorre com a formação e propagação de uma trinca que ocorre a uma direção perpendicular à aplicação da tensão Fratura frágil - aspecto macroscópico Início da fratura por formação de trinca Fratura transgranular e intergranular TRANSGRANULAR INTERGRANULAR A fratura se dá no contorno de grão A fratura passa através do grão Fluência Fluência (creep) Quando um metal é solicitado por uma carga, imediatamente sofre uma deformação elástica. Com a aplicação de uma carga constante, a deformação plástica progride lentamente com o tempo (fluência) até haver um estrangulamento e ruptura do material Velocidade de fluência (relação entre deformação plástica e tempo) aumenta com a temperatura Esta propriedade é de grande importância especialmente na escolha de materiais para operar a altas temperaturas Fluência (Creep) Fluência é definida como a deformação permanente, dependente do tempo e da temperatura, quando o material é submetido à uma carga constante Este fator muitas vezes limita o tempo de vida de um determinado componente ou estrutura Este fenômeno é observado em todos os materiais, e torna-se importante à altas temperaturas (≥0,4TF) Fatores que afetam a fluência Temperatura Módulo de elasticidade Tamanho de grão Em geral: Quanto maior o ponto de fusão, maior o módulo de elasticidade e maior é a resist. à fluência. Quanto maior o o tamanho de grão maior é a resist. à fluência. Ensaio de fluência É executado pela aplicação de uma carga uniaxial constante a um corpo de prova de mesma geometria dos utilizados no ensaio de tração, a uma temperatura elevada e constante O tempo de aplicação de carga é estabelecido em função da vida útil esperada do componente Mede-se as deformações ocorridas em função do tempo (ε x t) Curva ε x t Fadiga Fadiga É a forma de falha ou ruptura que ocorre nas estruturas sujeitas à forças dinâmicas e cíclicas Nessas situações o material rompe com tensões muito inferiores à correspondente à resistência à tração (determinada para cargas estáticas) É comum ocorrer em estruturas como pontes, aviões, componentes de máquinas A falha por fadiga é geralmente de natureza frágil mesmo em materiais dúcteis. Fadiga A fratura ou rompimento do material por fadiga geralmente ocorre com a formação e propagação de uma trinca. A trinca inicia-se em pontos onde há imperfeição estrutural ou de composição e/ou de alta concentração de tensões (que ocorre geralmente na superfície) A superfície da fratura é geralmente perpendicular à direção da tensão à qual o material foi submetido Fadiga Os esforços alternados que podem levar à fadiga podem ser: Tração Tração e compressão Flexão Torção,... A curva σ-n representa a tensão versus número de ciclos para que ocorra a fratura. Normalmente para n utiliza-se escala logarítmica Limite de resistência à fadiga (σRf): em certos materiais (aços, titânio,...) abaixo de um determinado limite de tensão o material nunca sofrerá ruptura por fadiga. Para os aços o limite de resistência à fadiga (σRf) está entre 3565% do limite de resistência à tração. Resistência à fadiga (σf): em alguns materiais a tensão na qual ocorrerá a falha decresce continuamente com o número de ciclos (ligas não ferrosas: Al, Mg, Cu,...). Nesse caso a fadiga é caracterizada por resistência à fadiga Principais resultados do ensaio de fadiga Vida em fadiga (Nf): corresponde ao número de ciclos necessários para ocorrer a falha em um nível de tensão específico. Fatores que influenciam a vida em fadiga Tensão Média: o aumento do nível médio de tensão leva a uma diminuição da vida útil Efeitos de Superfície: variáveis de projeto (cantos agudo e demais descontinuidades podem levar a concentração de tensões e então a formação de trincas) e tratamentos superficiais (polimento, jateamento, endurecimento superficial melhoram significativamente a vida em fadiga) Efeitos do ambiente: fadiga térmica (flutuações na temperatura) e fadiga por corrosão (ex. pites de corrosão podem atuar como concentradores de corrosão) Dureza Definição de dureza É a medida da resistência de um material a uma deformação localizada (por exemplo, uma pequena impressão ou um risco) Vantagens: São simples e barato ensaio é não destrutivo Outras propriedades mecânicas podem ser estimadas Dureza Materiais Brinell Rockwell Meyer Vickers Knoop Shore Metais Metais Metais Metais, Cerâmicas Metais, Cerâmicas Polímeros, Elastômeros, Borrachas Alumínio, Borrachas, Couro, Resinas Borrachas Barcol IRHD Propriedades Térmicas Condutividade Térmica (k) é uma propriedade física dos materiais que descreve a habilidade dessa de conduzir calor. Equivale a quantidade de calor Q transmitida através de uma espessura L, numa direção normal a superfície de área A, devido ao gradiente de temperatura ΔT. Material Condutividade térmica (W/m°C) Prata 426 Cobre 398 Alumínio 237 Tungsténio 178 Ferro 80,3 Vidro 0,72 - 0,86 Água 0,61 Tijolo 0,4 - 0,8 Madeira (pinho) 0,11 - 0,14 Fibra de vidro 0,046 Espuma de poliestireno 0,033 Ar 0,026 Espuma de poliuretano 0,020 Dilatação Térmica Dilatação térmica é o aumento do volume de um corpo ocasionado pelo seu aquecimento. Substância α (mín.) α (máx.) Gama de temperaturas Gálio 120,0 Índio 32,1 Zinco e suas ligas 35,0 19,0 100ºC-390°C Chumbo e suas ligas 29,0 26,0 100ºC-390°C Alumínio e suas ligas 25,0 21,0 100ºC-390°C Latão 18,0 21,0 100ºC-390°C Prata 20,0 100ºC-390°C Aço inoxidável 19,0 11,0 540ºC-980°C Cobre 18,0 14,0 100ºC-390°C Níquel e suas ligas 17,0 12,0 540ºC-980°C Ouro 14,0 100ºC-390°C Aço 14,0 10,0 540ºC-980°C [3] Betão(concreto) 6,8 11,9 Temp. ambiente Platina 9,0 100ºC-390°C Vidro(de janela)[4] 8,6 20ºC-300ºC Crómio 4,9 Tungsténio 4,5 Temp. ambiente Vidro Pyrex[5] 3,2 20ºC-300ºC Carbono e Grafite 3,0 2,0 100ºC-390°C Silício 2,6 Quartzo fundido [6] 0,6 Determinação α Dilatômetro
