Introdução aos Materiais

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Introdução
aos Materiais
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Sumário
Classificação dos materiais
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Metais
1
Ligas Metálicas
Tipos de Ligas Metálicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Superligas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
3
5
Cerâmicos
9
Polímeros
10
Compósitos
13
Materiais Avançados
15
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aos Materiais
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Classificação dos
materiais
• Materiais inteligentes;
• Materiais nanoengenheirados.
Os materiais sólidos são classificados
Metais
segundo suas estruturas atômicas e ligações químicas predominantes. Dessa
De acordo com os conceitos da Química,
forma, são organizados em três grandes
um metal consiste em um elemento,
grupos:
substância ou liga que é caracterizado
• Metais;
por sua boa condutividade elétrica e
térmica, além de também possuir alto
• Polímeros;
• Cerâmicos.
Além destes três, existem também os
materiais classificados como compósitos, que nada mais são do que materiais
ponto de fusão e de ebulição. Qualquer
metal pode ser definido também como
um elemento químico que forma aglomerados de átomos com caráter metálico.
constituídos por combinações de dois
Cada átomo de um metal exerce uma
ou mais elementos pertecentes aos três
fraca atração nos elétrons mais exter-
grupos básicos.
nos (aqueles localizados na camada de
Outra classificação é a dos materiais
valência), podendo também fluir livre-
avançados, ou seja, aqueles que são apli- mente, proporcionando a formação de
cados em altas tecnologias, como:
íons positivos (ou cátions) e o estabelecimento de ligações iônicas com não-
• Biomateriais;
• Semicondutores;
metais. Essa capacidade dos elétrons
fluirem livremente caracteriza o tipo de
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ligação química que os metais fazem,
tividade elétrica e térmica, sendo estes
que é conhecida, popularmente, como
também opacos a luz.
"nuvem de elétrons". Como os elétrons
Eles possuem boas características me-
de valência apresentam fraca atração, a
cânicas, sendo relativamente rígidos,
sua movimentação e a consequente for-
resistentes e dúcteis (possibilitando di-
mação de uma corrente elétrica tornam- versas aplicações estruturais). Porém,
se mais fáceis, o que proporciona aos
são mais densos do que os polímeros e
metais uma alta condutividade.
os materiais cerâmicos. Alguns metais
A maioria dos metais é quimicamente
como, por exemplo, o Fe, Co e Ni apre-
estável, com exceção dos metais alcali-
sentam propriedades magnéticas dese-
nos e alcalino-terrosos, encontrados nas jadas para diversas aplicações.
duas primeiras colunas à esquerda da
tabela periódica.
Ligas Metálicas
Os materiais metálicos são normalmente encontrados como combina-
São materiais formados por dois ou mais
ções de diferentes elementos metáli-
elementos, onde pelo menos um deles
cos (como o ferro, alumínio, cobre, etc.)
é um metal. Não existe um metal puro,
podendo também ocorrer combinações
todo material cristalino na realidade
com elementos não metálicos (carbono,
apresenta algum tipo de imperfeição
nitrogênio e oxigênio). Como descrito
e/ou impurezas. Quando é adicionado
anteriormente, o arranjo atômico orde-
algum elemento, forma-se uma liga me-
nado e o grande número de elétrons li-
tálica. Na maioria das vezes, são confec-
vres atribuem ao metal uma alta condu-
cionadas para modificar ou acrescentar
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propriedades diferentes dos metais que
1. Ligas Ferrosas: Os elementos
a constituem.
desse grupo têm como caracterís-
Em uma solução sólida de ligas metá-
tica a presença do elemento quí-
licas é possível distinguir o Solvente
mico ferro como o seu principal
(maior quantidade) e o Soluto (menor
constituinte. Os principais tipos
quantidade).
integrantes desse grupo são apre-
Tipos de Ligas Metálicas
sentados na tabela 1.
De uma forma geral, as ligas metálicas
são divididas em dois grupos, as ligas
ferrosas e as não-ferrosas.
Tabela 1: Ligas ferrosas.
Tipo
Aços
Ferro Fundido
Aço Patinável
Descrição
Ligas de ferro-carbono com baixa porcentagem de carbono (em
geral, inferior a 1%), podendo apresentar quantidades significativas de outros elementos de liga, como níquel, cromo, molibdênio,
entre outros. Podem ser classificados como sendo de Alto, Médio
e Baixo-carbono, dependendo da concentração.
Outra liga ferro-carbono, entretanto possuem teores de carbono
acima de 2, 14%. São materiais frágeis, o que torna a fundição a
técnica de fabricação mais apropriada. Muito mais resistente e
dúctil sob compressão, possui elevada resitência ao desgaste.
Liga de ferro-carbono com pequenas concentrações de cobre.
Quando oxidado, apresenta uma fina película (pátina) em sua superfícei que o protege da corrosão
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2. Ligas Não-Ferrosas: Como o próprio nome diz, não apresentam
Tipo
Ligas de Cobre
Ligas de Alumínio
Ligas de Magnésio
Ligas de Titânio
Ligas de Níquel
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ferro em sua constituição. Alguns
tipos são listados na tabela 2.
Tabela 2: Ligas não-ferrosas.
Descrição
As mais comuns são o Latão e o Bronze. O latão, uma liga constituída por Cobre e Zinco, é muito utilizado desde a antiguidade,
por apresentar alta resistência a corrosão em regiões próximas
ao mar. Já o bronze (junção de cobre, alumínio, níquel, estanho e
silício) também apresenta elevada resistência a corrosão, porém é
mais resistente que o latão.
Apresentam baixa densidade e elevada condutividade térmica e
elétrica. Além disso, possuem alta resistência à corrosão e são de
fácil conformação. Os elementos de liga mais comuns são cobre,
silício, magnésio, manganês, zinco e lítio. Muito usada na área de
aviação.
Possuem reduzida massa específica, baixa resistência e módulo
de elasticidade. Comumente utilizadas em aeronaves, mísseis,
malas, entre outros.
Ligas com excelente combinação de propriedades mecânicas, tem
como desvantagens seu alto custo e o fato de ser reativo com outros metais quando submetido a elevadas temperaturas.
Possuem elevada resitência a corrosão. Quando combinado com
cobre e outros elementos (ferro, manganês, silício, enxofre, titânio ou alumínio, dependendo da necessidade), formam as chamadas ligas Monel, que substituem o aço inox em diversas aplicações, graças a sua elevada resistência mecânica e à corrosão
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Superligas
tântalo, nióbio, titânio, cromo, etc. As
superligas são muito utilizadas na cons-
As ligas denominadas como superligas
trução de turbinas aeronáuticas, veí-
são aquelas que apresentam alto de-
culos espaciais e componentes automi-
sempenho, associado a alta resistên-
vos. Atualmente, as ligas a base de ní-
cia mecânica e à corrosão, em elevadas
quel são as mais utilizadas em situações
temperaturas. As mais utilizadas são as
que apresentam temperaturas extremas
confeccionadas a base de ferro, níquel
(como motores à jato). O Inconel, super-
ou cobalto, com a adição de elementos
liga a base de Cr-Ni-Fe, possue grande
de liga como tungstênio, molibdênio,
aplicação nessas situações.
Exemplo
Petrobras Biocombustível - 2011 - Engenheiro(a) de Equipamentos Júnior
- Terminais e Dutos - 52
Os aços rápidos para ferramentas e matrizes apresentam, em sua composição química, os elementos de liga tungstênio (W), molibdênio (Mo) e cobalto (Co). Justifica a presença desses elementos na composição química
dos aços rápidos o fato de que o
(A) Tungstênio e o molibdênio se dissolvem na estrutura cristalina, aumentando a resistência ao desgaste e à dureza, além de o cobalto formar carbonetos, produzindo a uniformidade da dureza, tanto a temperatura ambiente como a temperaturas elevadas.
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(B) Tungstênio e o cobalto formam carbonetos que aumentam a resitência
ao desgaste e à dureza, além de o molibdênio se dissolver na estrutura cristalina, produzindo a uniformidade da dureza, tanto a temperatura ambiente
como a temperaturas elevadas.
(C) Tungstênio e o molibdênio formam carbonetos que aumentam a resistência ao desgaste e à dureza, além de o cobalto se dissolver na estrutura
cristalina, produzindo a uniformidade da dureza, tanto a temperatura ambiente como a temperaturas elevadas.
(D) Cobalto e o molibdênio formam carbonetos que aumentam a resistência ao desgaste e à dureza, além de o tungstênio se dissolver na estrutura
cristalina, produzindo a uniformidade da dureza, tanto a temperatura ambiente, como a temperaturas elevadas.
(E) Cobalto e o molibdênio se dissolvem na estrutura cristalina, aumentando
a resistência ao desgaste e à dureza, além de o tungstênio formar carbonetos, produzindo a uniformidade da dureza, tanto a temperatura ambiente
como a temperaturas elevadas.
Solução:
Aços rápidos, também conhecidos como aços ferramentas são geralmente
compostos de pó de carboneto de tungstênio e molibdênio, usado para criar
ferramentas e matrizes. Uma vez misturados com cobalto e aglutinante, carboneto de tungstênio é prensado e sintetizado.
Resposta: C
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Exemplo
Petrobras Biocombustível - 2011 - Engenheiro(a) de Equipamentos Júnior
- Terminais e Dutos - 53
A liga de alumínio 2024O foi especificada para uma aplicação na qual um
componente mecânico estrutural estará submetido a condições tais que será
necessário desenvolver proteção contra corrosão e alta resistência mecânica, além de seu processo de fabricação envolver soldagem. A especificação descrita está
Dado: Composição química média do Al 2024O (Cu=4,5%; Si=0,5%; Fe=0,5%;
Mn=0,5%; Mg=1,5%; Zn=0,25%; Cr=0,10%).
(A) Certa, porque o alto teor de Cu aumenta a resistência mecânica do alumínio.
(B) Certa, porque o alto teor de Cu melhora a soldabilidade e a resistência
à corrosão do alumínio.
(C) Certa, porque o alto teor de Mg aumenta a resistência mecânica e melhora a soldabilidade do alumínio.
(D) Errada, porque o baixo teor de Cr diminui a resistência à corrosão do alumínio.
(E) Errada, porque o alto teor de Cu prejudica a soldabilidade e a resistência à corrosão do alumínio.
Solução:
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Ligas de AlCu apresentam alta resistência mecânica, resistência à corrosão,
conformabilidade limitada e, geralmente, são soldadas por resistência. A adição do Cu aumenta a usinabilidade e, para aumentar a resistência à corrosão, é utilizado Si.
Resposta: A
Exemplo
Petrobras - 2012 - Engenheiro de Inspeção - 37
Bronzes constituem um dos grupos mais importantes de ligas não ferrosas
por apresentarem elevada resistência à corrosão marítima.
Os bronzes são constituídos com os metais cobre, estanho, prata, níquel e
antimônio.
O elemento com teor acima de 50% em massa nos bronzes é
(A) cobre.
(B) estanho.
(C) prata.
(D) níquel.
(E) antimônio.
Solução:
O Bronze foi uma das principais ligas metálicas da historia.
Foi utilizado na fabricação das primeiras armas e ferramentas metálicas.
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Pode conter proporções variáveis de prata, zinco, alumínio, antimônio, níquel, fósforo, chumbo, entre outros, com o objetivo de obter melhores características mecânicas, mas a base de sua constituição é o estanho e o cobre, sendo o estranho encontrado em um faixa de 2 a 11% e cobre sempre
com um percentual maior que 50%.
Resposta: A
Cerâmicos
destaca dos materiais compósitos é sua
alta capacidade de isolamento elétrico e
Os materiais cerâmicos são formados
térmico (resiste a altas temperaturas). A
por combinações entre metais e não
lista a seguir apresenta um resumo das
metais (óxidos, carbonetos, argila ci-
características desse grupo:
mento e vidro), ligados por ligações de
caráter misto, iônico-covalente. Entre-
• Alto ponto de fusão;
tanto, suas ligações químicas podem ser
também predominantemente iônicas ou
covalentes.
• São, geralmente, isolantes elétricos, embora possam existir materiais cerâmicos semicondutores,
condutores e até mesmo super-
Os cerâmicos são geralmente rígidos,
frágeis e possuem uma relativa resistência (costumam ser muito resistentes à
condutores (estes dois últimos
apenas em faixas específicas de
temperatura);
compressão, mas pouso à tração), porém, devido a sua alta dureza, são suscetíveis à fraturas. A propriedade que se
• Comumente estáveis sob condições ambientais severas;
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• Duros e frágeis;
Essa denominação foi criada por Berzelius em 1932 para designar compostos
Os principais materiais cerâmicos utilizados são:
de pesos moleculares múltiplos.
A matéria-prima para produção do polímero é o monômero, uma molécula com
• Tradicionais (provenientes de matérias primas argilosas): cerâmicas
estruturais, louças, refratários, entre outros;
unidade de repetição. Materiais poliméricos são constituídos de macromoléculas orgânicas, sintéticas ou naturais. São
estruturas moleculares muito grandes
• Vidros e Vitro-Cerâmicas;
• Abrasivos;
na forma de cadeias carbônicas.
Dependendo do tipo de monômero (estrutura química), número médio de me-
• Cimento;
ros por cadeia e do tipo de ligação cova• “Avançadas”: aplicações eletroeletrônicas, térmicas, mecânicas,
lente, os polímeros podem ser divididos
em:
ópticas, químicas, bio-médicas.
Polímeros
• Plásticos;
• Borrachas;
A palavra polímero origina-se do grego:
• Fibras.
Poli → muitos
e
mero → unidades de repetição
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Constituído basicamente de átomos de
carbono (C) e hidrogênio (H), podem
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também conter outros elemento não
micamente, além de não reativos em di-
metálicos.
versos ambientes. Apresentam baixa
A ligação atômica entre os constituin-
condutividade térmica e não são mag-
tes da cadeia é chamada de ligação forte néticos. A lista a seguir apresenta um
(covalente) e entre cadeias de fraca, ge-
resumo das propriedades dos políme-
ralmente dipolar.
ros:
Os polímeros podem ser ser classifica• Possuem baixa densidade;
dos em:
• Naturais Orgânicos (exemplo: bor-
• São isolantes elétricos e térmicos;
racha, celulose);
• Naturais Inorgânicos (exemplo: diamantes, grafite, etc.);
• Sintéticos orgânicos (exemplo:
• flexíveis;
• Apresentam alta resistencia à corrosão;
processados, como o PVC, nylon);
• Sintéticos Inorgânicos (exemplo:
policloreto de fosfonitrila).
• Baixo ponto de fusão e, consequentemente, baixa resistência
ao calor;
Geralmente são dúcteis e flexíveis (facilidade para conformar) e inertes qui-
• Baixas propriedades mecânicas.
Caiu no concurso!
CEAGESP - 2010 - Engenheiro Nível I - Mecânica - 22
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Na utilização de polímeros derivados de petróleo como gaxetas, tubulações
ou buchas em projetos de equipamentos na indústria mecânica, deve-se considerar que
I. os polímeros termoplásticos podem ser utilizados em aplicações em que
o material é aquecido e resfriado sem alterar suas propriedades, pois ao aquecer não ocorrem reações químicas.
II. o náilon, por ser um termofixo, ao ser aquecido, transforma-se quimicamente e endurece, em um processo chamado de cura. É utilizado em aplicações em que o material é solicitado mecanicamente a uma alta temperatura;
III. são utilizados estabilizadores para prevenir a degradação dos plásticos
quando expostos à ação de luz e calor, à fratura por flexão continuada e à
fratura por ação atmosférica prolongada.
Está correto o contido em
(A) I, apenas.
(B) II, apenas.
(C) II e III, apenas.
(D) I e III, apenas.
(E) I, II e III.
Resposta: D
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Compósitos
Eles são constituídos de dois ou mais tipos de materiais fisicamente distintos,
Os Compósitos constituem uma classe
de materiais constituídos por uma fase
contínua (matriz) e uma fase dispersa
(reforço ou modificador), contínua ou
não.
como os metais, polímeros e cerâmicos.
A maioria dos compósitos são artificiais, como o Kevlar, mas também existem
na natureza compostos naturais como o
osso e a madeira.
• Material matriz: é o que confere
estrutura ao material compósito,
preenchendo os espaços vazios
que ficam entre os materiais reforços e mantendo-os em suas posições relativas.
• Materiais reforços: são os que re-
Esse material tem como característica
adquirir parcialmente as diferentes propriedades de seus constituintes. Suas
fases são formadas por fibras ou placas dispostas em uma, sendo mecanicamente separáveis.
alçam propriedades mecânicas,
As características mecânicas dos ma-
eletromagnéticas ou químicas do
teriais compósitos são superiores a de
material compósito como um todo. seus componentes quando esses são
Os compósitos são encontrados com di-
utilizados separadamente.
ferentes tipos de matrizes: Termofixas,
Devido a sua alta diversidade, há um
termoplásticas, poliméricas, metálicas,
grande número de aplicações: trans-
cerâmicas e ainda reforçadas com fibras, porte, marinha, construção civil, eletro
particulados ou espumas.
eletrônica, aeroespacial.
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Exemplo
Petrobras - 2012 - Engenheiro de Inspeção - 40
São materiais industriais considerados não metálicos:
(A) carbeto de tungstênio, óxido de alumínio e fibra de vidro.
(B) carbeto de nióbio, nióbio e fluoreto de cálcio
(C) cobre, óxido de zinco, poliestireno.
(D) polietileno, magnésio e carbonato de cálcio.
(E) silício, molibdênio e cobalto.
Solução:
(A):
- Carbeto de tungstênio: Material Cerâmico.
- Óxido de alumínio: Material Cerâmico (alumina).
-Fibra de vidro: Material Compósito.
(B):
- Carbeto de nióbio: Material Cerâmico.
- Nióbio: Material Metálico.
- Fluoreto de cálcio: Material Compósito.
(C):
- Cobre: Material Metálico.
- Óxido de zinco: Material Compósito.
- Poliestireno: Material Polimérico.
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(D):
- Polietileno: Material Polimérico.
- Magnésio: Material Metálico.
- Carbonato de cálcio zinco: Material Compósito.
(E):
- Silício: Material Metálico.
- Molibdênio: Material Metálico.
- Cobalto: Material Metálico.
Resposta: A
Materiais
Avançados
classificados como "Materiais Avançados".
Os Materiais Avançados são aqueles
que, como resultado do desenvolvimen-
Há também outros tipos de materiais,
tos de projetos inovadores, técnicas de
que estão em constante desenvolvi-
produção e/ou de processamento, apre-
mento, como os materiais semicondu-
sentam novas estruturas com proprie-
tores, biomateriais, materiais pizoelé-
dades superiores. Eles são utilizados em
tricos e nanoengenheirados. Estes são
aplicações de alta tecnologia.
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