Introdução aos materiais

INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS

Prof. Belarmino B. Lira

CONCEITOS

BÁSICOS

Classificação dos Materias

Metais (Combinações de elementos metálicos)

Cerâmicos (Elementos metálicos e não metálicos)

Polímeros (Ex. Plásticos e borracha)

Compósitos (Fibra de vidro com polímero )

- Resistência do vidro e a flexibilidade do polímero

Semicondutores -Propriedades elétricas intermediária (cond. e isolantes) – Circuitos

integrados

Biomateriais - Implantes nos corpos humanos

Materiais avançados

Ex. Materiais usados em laser, circuitos integrados, fibra optica

Mecessidade de Materiais Modernos

Importância dos recursos minerais

A evolução da humanidade: Idades da pedra, do bronze, do ferro, etc. 

Nenhuma civilização pode prescindir do uso dos bens minerais, principalmente quando se pensa em qualidade de vida, uma vez que as necessidades básicas do ser humano - alimentação, moradia e vestuário - são atendidas essencialmente por estes recursos.

Uma pessoa consome direta ou indiretamente cerca de 10 toneladas/ano de produtos do reino mineral,  abrangendo 350 espécies minerais distintas. A construção de uma residência é um exemplo desta diversidade.

Sua casa vem da mineração

Realização de uma obra de engenharia, estão envolvido

- projeto - materiais

- execução

conhecimento das materiais e suas propriedades é de fundamental importância para uma construção bem sucedida:

Uso adequado dos materiais!

minerais@pr.gov.br

Elemento construtivo Principais substâncias minerais utilizadas

tijolo argila

bloco areia, brita, calcário

fiação elétrica cobre, petróleo

lâmpada quartzo, tungstênio, alumínio

fundações de concreto areia, brita, calcário, ferro

ferragens ferro, alumínio, cobre, zinco, níquel

vidro areia, calcário, feldspato

louça sanitária caulim, calcário, feldspato, talco

azulejo caulim, calcário, feldspato, talco

piso cerâmico argila, caulim, calcário, feldspato, talco

isolante - lã de vidro quartzo e feldspato

isolante - agregado mica

pintura - tinta calcário, talco, caulim, titânio, óxidos metálicos

caixa de água calcário, argila, gipsita, amianto, petróleo

impermeabilizante - betume folhelho pirobetuminoso, petróleo

pias mármore, granito, ferro, níquel, cobalto

encanamento metálico ferro ou cobre

encanamento PVC petróleo, calcita

forro de gesso gipsita

esquadrias alumínio ou ligas de ferro-manganês

piso pedra ardósia, granito, mármore

calha ligas de zinco-níquel-cobre ou fibro-amianto

telha cerâmica argila

telha fibro-amianto calcário, argila, gipsita, amianto

pregos e parafusos ferro, níquel

alimentos - corretivo de solo, fertilizante, defensivo agrícola

lápis, papel, borracha,

giz

louças, talheres, panelas

martelo, serra, torno

automóvel, avião, barco

medicamento, perfumaria

e outros equipamentos e bens que nos garantem qualidade de vida também

rodovia, ferrovia

hidroelétrica, termoelétrica

computador, televisão 

fogão, geladeira

combustívelágua

A atividade mineral => recursos minerais essenciais ao seu desenvolvimento

A intensidade de aproveitamento dos recursos um indicador social.

Ex. O consumo per capita de agregados para a construção civil (areia + brita), este reflete a real intensidade estrutural de uma sociedade, pois está

associado diretamente às vias de escoamento de produção, obras de arte, como viadutos e pontes, saneamento básico, hospitais, escolas, moradias,

edifícios, energia elétrica e toda sorte de elementos intrínsecos ao desenvolvimento econômico e social de um povo.

O crescimento sócio-econômico implica em maior consumo de bens minerais,

O caráter pioneiro da mineração resulta em novas fronteiras econômicas e geográficas, abrindo espaço para o desenvolvimento e gerando

oportunidades econômicas

Desenvolvimento social e econômico

Sources: EIA 2001, 1998 Manufacturing Energy Consumption Survey; U.S. DOE 2002, Energy and Environmental Profile of the U.S. Mining Industry

Energy Consumption (Trillion Btu)

Petroleum

ChemicalsPaperPrimary Metals

Food Processing

Minerals

Tobacco/Beverages

Furniture

LeatherMachinery and Computers

Wood

Transportation

Fabricated Metals

Textiles/Apparel

Plastics/Rubber

Electrical

Printing

Miscellaneous

1

10

100

1000

10 100 1000 10000

En

erg

y In

ten

sity

(T

ho

usa

nd

Btu

/$ G

DP

)

Energy-Intensive Industries

Industrial Energy Intensity vs. Energy Consumption

Mining

Consumo de Energia (Trilhões de Btu)

Mineral

É um corpo natural sólido e cristalino formado em resultado da interacção de processos físico-químicos em ambientes geológicos. Cada mineral é classificado e denominado não apenas com base na sua composição química, mas também na estrutura cristalina dos materiais que o compõem.

Materiais com a mesma composição química podem constituir minerais totalmente distintos em resultado de meras diferenças estruturais na forma como os seus átomos ou moléculas se arranjam espacialmente (como por exemplo a grafite e o diamante).

Rochas

É um agregado natural composto de alguns minerais ou de um único mineral.

Origem dos MateriaisConceitos de Mineração

Corpo Mineralizado

Superfície

Esc:

1km

Mineração - Lavra

Céu aberto

Bancada

Lavra a céu aberto

Petróleo

Processamento Mineral

Fluxograma - Britagem, Moagem e Classificação

Refugo da moagem

Liberação - Cominuição

Metodos físicos de Conentração : Gravimetrica, Eletrostática, Magnética; Flotação e Flocução Seletiva

Construções devem apresentar:

Custo

Servicibilidade

Durabilidade

Segurança

Servicibilidade: comportamento adequado=> envolvendo pequenas deformações, aparência, conforto, etc

Fator fundamental:

Segurança

No trabalho: Pessoa qualificada

(Engenheiro) presente no canteiro de obras.

Obrigatoriedade do uso de capacetes, luvas, botas, cintos de segurança.

Conscientização dos trabalhadores a fim de evitar acidentes .

No trabalho; na produção e na estrutura da construção

Segurança

assegurar que a construção não se torne imprópria causando danos

Sob o ponto de vista estrutural:

Segurança

assegurar que a localização da construção seja adequada e não cause danos

Sob o ponto de vista da geologia

Servicibilidade

Comportamento adequado para a construção

Conforto

O conforto deve ser previsto pelo projetista da obra e assegurado por uma boa manutenção.

Exemplos de previsão de conforto: Eliminação de vibração em pontes. Controle da deformabilidade excessiva. Eliminação de ruídos. Previsão de boa iluminação. Projeto de refrigeração e/ou aquecimento. Velocidade e estabilidade de elevadores.

Aparência

A aparência de uma obra deve ser de tal modo que não cause impacto negativo sobre o meio ambiente.

O conforto está diretamente ligado à aparência e certos detalhes (cor, forma, textura e outros detalhes artísticos) mostram isso claramente.

Durabilidade

Capacidade de a construção se manter em condições normais de utilização ao longo da sua vida

Necessidade de conhecer bem os materiais a serem utilizados!

É importante lembrar que nada é eterno e por melhor que seja a obra, seu tempo de vida está ligado à sua manutenção.

Aspecto econômico

A boa engenharia é aquela que proporciona a associação mais adequada de segurança, durabilidade, conforto e arte com o menor custo possível.

Ou seja, a economia é um ponto relevante que põe em conjunto todos os outros aspectos, formando com isso, um projeto bem sucedido.

Ciências ligadas aos Materiais

A fim de se realizar uma construção, é preciso se conhecer a priori as ações externas atuantes como: peso próprio, cargas temporárias ou acidentais, ações do vento, temperatura, efeitos de terremotos, etc.

É nesse contexto que a interação de diversas ciências (Física, Mecânica, Química, Metalurgia, Mineração e Geologia etc) ocorre.

Normalização

Normas técnicas: existem para regulamentar os ensaios que permitam avaliação da qualidade, classificação e o emprego dos diversos materiais.

Ao redor de todo o mundo diversas entidades estão responsáveis pelas normas:

Brasil: ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas)

Estados Unidos: ASTM (American Society for Testing Materials)

Europa: CEN (Comitê Europeu de Normalização)

Mundo: ISO (International Standard Organization)

Propriedades dos materiais sólidos

Por serem os materiais mais importantes para a indústria da construção civil, as propriedades dos corpos sólidos devem ser estudadas de modo a permitir o conhecimento do comportamento em serviço da construção.

•Stress significa “tensão“, que tem por medida força/área (N/m2 ).

A tensão é a força/área necessária para produzir deformação(aplicando-se um stress em um corpo será gerado um strain).

• Strain significa “deformação". É uma grandeza escalar medida somente pelo comprimento.

Tensor é quantitativo matemático usado para descrever a propriedade física de um material.

Tanto o stress quanto o strain são materializados por elipsóides utilizados para representação espacial da tensão e da deformação, cujos eixos são inversamente proporcionais.

CONCEITOS STRESS E STRAIN

Eixos são representados pelas letras “x","y","z“, onde x>y>zrepresentam uma ordem decrescente de deformação.

O elipsóide de tensão é inversamente proporcional ao elipsóide dedeformação. Numa comparação aproximada:

σ1 Z /σ2 Y /σ3 X

Os eixos dos elipsóides variam de acordo com o stress aplicado na superfície rochosa. Desta forma os eixos

podem sofrer: Estiramento/Encurtamento/Encurtamento

Estiramento/Encurtamento/EstiramentoEncurtamento/Estiramento/Estiramento

Elipsóide de deformação (strain)

Unidade de Tensão:

Unidade de força (N)/unidade de área (m2):

Pascal: Pa = N/m2

Em engenharia: Pascal unidade muito pequena: usa-se megapascal: MPa

1 MPa =1N/mm2 =1000kN/m2 = 0,1kN/cm2

1MPa = 10 kgf/cm2 = 100 tf/m2

Conceito de tensão em um ponto

Para que um corpo esteja em equilíbrio, qualquer de suas partes (corpo livre) deve estar em equilíbrio.

Corpo submetido a um sistema de forças externas.

Corpo em equilíbrio devido a suas forças internas.

Tensão em um ponto

Tensão:

S

fS 0lim

S

f n

S

n

0lim

S

f t

S

t

0lim

Tensão Normal:

Tensão Tangencial:

Portanto, é possível verificar que o valor da tensão depende da orientação do plano considerado.

(a) Pressão confinante: materiais friáveis tornam-se mais dúcteis,quanto maior a pressão confinante (PC). Os limites de elasticidade, resistência e esforço máximo se elevam com o aumento da PC, isto significa que a maiores profundidades maiores esforços são necessários para produzir a mesma deformação.

(b) Temperatura: facilita a deformação, tornando os materiais maisdúcteis, principalmente quando a pressão confinante e a temperaturasomam seus efeitos. O limite da resistência, o esforço máximo e o limite de elasticidade, diminuem com o aumento de temperatura, isto significa que a mesma deformação é causada poresforços, tanto menores, quanto maior for a temperatura. A temperatura age contrariamente em relação à pressão confinante.

(c) Tempo de Aplicação do Esforço: se faz lentamente e com pausas -fenômeno comum na natureza – através de acréscimos infinitesimais.Quanto maior o tempo de aplicação do esforço mais dúctil será a deformação.

Fatores extrínsecos

(d) Presença de FluídosO limite de plasticidade, o limite de resistência e o esforço máximo,

diminuem com a presença das soluções (uma mesma deformação exigeesforços menores se a rocha portar soluções).

(e) Anisotropia EstruturalCorpos de provas, cortados paralelamente e perpendicularmente àxistosidade, mostram comportamentos diferentes (a orientação da

anisotropia estrutural influi na deformação).

(f) Heterogeneidade litológicaWillis (1932) introduziu o conceito de competência: rochas

competentes são aquelas que se deformam sem se romperem etransmitem os esforços por distâncias maiores; rochas incompetentes

são relacionadas à deformação concomitante, com absorção de esforçosem curtas distâncias.

Fatores intrínsecos

Resistência

Capacidade de o material resistir a tensões Resistência: medida em ensaios padronizados

para os diversos materiais

Deformação

A grandeza deformação é definida como a taxa de variação do deslocamento (u e v) em relação à coordenada espacial (x e/ou y)

Elemento plano sofrendo deformação

Relação Tensão x Deformação

Lei constitutiva de um material: permite caracterização do comportamento de um sólido através de uma relação entre as grandezas tensão e deformação.

Cada material apresenta comportamento de tensão x deformação diferente.

Comportamentos Tensão x Deformação

Módulo de Elasticidade

Módulo de elasticidade inicial: inclinação do trecho inicial do diagrama tensão-deformação

Propriedades mecânicasElasticidade: É a propriedade que um corpo sólido apresenta de retornar à forma original após cessada a aplicação de carga que o deformou.

Em um gráfico Tensão x Deformação, a elasticidade do material está evidenciada pela coincidência dos caminhos de carregamento e descarregamento.

Elasticidade

A maioria dos materiais sólidos tem um comportamento misto, apresentando uma relação linear-elástica para baixos níveis de tensão e perdendo a elasticidade quando alcança tensões elevadas.

Curva tensão x deformação para um material com comportamento não-linear elástico

•Deformação elástica: recuperável quando cessada a tensão

PlasticidadeÉ a propriedade que um corpo sólido apresenta de se deformar, mudando substancialmente sua forma sem, no entanto, se romper

Relação tensão x deformação para um material linear elástico perfeitamente plástico.

•Deformação plástica: não recuperável (residual)

Plasticidade

Vale ressaltar que existem materiais com comportamento plástico não-perfeito.

Curva tensão x deformação para um material com comportamento não-linear com plastificação.

ResiliênciaÉ a quantidade de energia que o

material pode absorver e recuperar.

Graficamente, é representada pela área sob a curva tensão x deformação no trecho de descarregamento correspondente à absorção de energia elástica.

Representação gráfica da resiliência

Tenacidade

É a quantidade de energia total (em regime elástico e plástico) que o material pode absorver. Graficamente,é representada pela área sob a curva tensão x deformação.

Representação gráfica da tenacidade

Ductibilidade e Maleabilidade

Estão relacionados com a capacidade de deformação plástica do material.

Maleabilidade se refere à capacidade do material se deformar sem se romper, quando submetido a esforços de compressão, e a ductibilidade a esforços de tração.

Todos os materiais dúcteis são maleáveis, mas nem todos os materiais maleáveis são dúcteis. Isso ocorre pois o material maleável pode ter pouca resistência e romper facilmente quando submetido à esforços de tração.

DuctilidadeEm termos práticos, a ductilidade é expressa em termos do alongamento percentual em um ensaio de tração até a ruptura.

Alongamento percentual em um ensaio de tração:

ε = (Lu-Lo)/Lo x100

Ductilidade

Numa curva tensão x deformação, em tração, a ductibilidade é medida pelo nível de deformação na ruptura.

Parâmetro de ductibilidade numa curva tensão x deformação

Ex:

aço: 8% a 20 %

concreto: 0,3%-0,4%

material dúctil

Rompe com grandes deformações: aço, borracha, fibras vegetais...

grandes deformações para construções: mais de 1 %

Materiais dúcteis: desejáveis para a Engenharia=>

dão pré-aviso da ruptura

Material frágil

- Rompe com pequenas deformações

- ruptura sem aviso prévio: cerâmicas, vidro, pedras, concreto.

Material dúctil: rompe com grandes deformações (dá um pré-aviso da ruptura)

Material frágil: rompe com pequenas deformações (rompe bruscamente, sem pré-aviso)

aço

concreto simples

FluênciaÉ o aumento contínuo de deformação ao longo do tempo, com o material submetido a um estado constante de tensão.

Curva deformação x tempo representativa da fluência

Fadiga Diminuição da resistência de um material quando submetido a tensões cíclicas.

Tensão ao longo do tempo num ensaio de fadiga

Importante em pontes, estruturas industriais etc

Fadiga

Se a tensão for reduzida, o material suporta um número maior de ciclos até um ponto limite, dito limite de fadiga, onde o material suportaria, teoricamente, um número infinito de ciclos.

Curva resistência x nº de ciclos num ensaio de fadiga

Dureza

Capacidade de um material resistir à abrasão superficial, ou seja, é a resistência que o material oferece ao ser riscado.

A dureza relativa dos materiais é constatada através da escala de Mooh.

Equipamento para corte de concreto: extremidade com diamante.

Peso específico

É a relação entre o peso e o volume da amostra do material.

volume

pesope

Massa específica

volume

massame

É a relação entre a massa e o volume da amostra do material.

Propriedades físicas

Densidade

É a relação entre a massa da amostra e a massa do mesmo volume de água destilada a 4º C.

Ex. aço: 7,85

concreto: 2,3 a 2,4

Conductibilidade térmica

É a capacidade do material de permitir a propagação de calor através de seu meio. Esta capacidade é medida através de um coeficiente de conductibilidade térmica K.

Fluxo de calor através de uma parede

Estudo do comportamento térmico de paredes de terra crua (UFGG)

desejável: menor conductibilidade térmica: terra => melhor que concreto!

Conductibilidade elétrica:

É a capacidade que o material tem de permitir que seus elétrons de valência (elétrons do nível de energia mais externo do átomo) se desloquem e tornem-se livres.

Os materiais podem ser de 3 tipos:Supercondutores: Permitem o fluxo de corrente elétrica quase que indefinidamente.Isolantes: Os elétrons de valência estão firmemente retidos em orbitais fixos.Semicondutores: Onde a condução elétrica é devido ao fluxo combinado de elétrons de valência e íons positivos.

Bibliografia Recomendada:

BAUER; Falcão - Materiais de ConstruçãoVERÇOSA; Enio José - Materiais de Construção Civil. Vol IPETRUCCI; E. G. R. - Materiais de Construção - Concreto do Cimento PortlandALVES; José Dafico - Materiais de Construção. Vol ISILVA, Moema Ribas - Materiais de ConstruçãoSCANDIUZZA, Luércio ANDRIOLO, Francisco R. - Concreto e seus Materiais: Propriedades e EnsaiosMEHTA, P. Kumar MONTEIRO, Paulo J. M. - Concreto: Estrutura, Propriedade e Materiais.Dana, Manual de Mineralogia

Notações de aula

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