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Revisão de Conceitos de Ciência dos Materiais

Sumário

Ligações químicasClassificação dos MateriaisPropriedades mecânicas dos materiais

Ligações Químicas

Primárias Iônica, Metálica e Covalente

Secundárias Van der Waals (dipolo-dipolo; dipolo-dipolo induzido; dispersão)Ponte de Hidrogênio

Ligações Químicas

Ocorre em duas etapas:1ª transferência de elétrons

2ª atração dos íons

Ex.: NaClO 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.

Li Fx ooo

oooo

Li Fxooo

oooo+ -

Ligação Iônica

Ligação Covalente

Metálica

Elétrons de valênciaÁtomo+elétrons das camadas mais internas

Ligações secundáriasInteração 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

MetaisCerâmicosPolímerosCompósitosSemicondutoresBiomateriais

Classificação dos materiais

Cadeia Molecular Orgânica de Comprimentos Elevados

Dúctil, Baixa Resistência Mecânica, Baixa Dureza,

Flexível, Baixa Estabilidade Térmica, Transparentes em

Alguns Casos

POLIMÉRICOS(Plásticos)

Óxidos, Silicatos, Nitretos, Aluminatos,

etc.

Frágil, Isolante Térmico e Elétrico, Alta Estabilidade Térmica, Dureza Elevada

Transparentes em Alguns Casos

CERÂMICOS

Átomos Metálicos e Não-Metálicos

Dúctil, Resistência Mecânica Elevada, Condutor Elétrico e

Térmico, Dureza Elevada, Opaco

METÁLICOS

CONSTITUINTES TÍPICOSCARACTERÍSTICASTIPO DE MATERIAL

Estrutura dos materiais

Estrutura Cristalina dos Metais

Características de Cristais Metálicos Comuns

Estrutura Átomos por célula

Número de Coordenação

Fator de empacotamento

Exemplos

CCC 2 8 0,68 Fe, Ti, W, Mo, Nb CFC 4 12 0,74 Fe, Cu, Al, Au. Ni HC 4 12 0,74 Ti, Mg, Zn, Be, Co

Estrutura das cerâmicas

NaClCsCl

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

CorTexturaSensação táctil

Estética

Facilidade no processamentoUniãoAcabamento

Produção

OxidaçãoCorrosãoDesgaste

Interação ambiental

ResistividadeConstante dielétricaPermeabilidade manética

Elétrica

Condutividade térmicaCalor específicoCoeficiente de expansão térmica

Térmica

Módulo de elasticidadeResistência à deformação e a traçãoDurezaTenacidade à fraturaLimite de fadigaLimite de resistência à deformação a quenteCaracterística de amortecimento

Mecânica

DensidadeFísica geral

Preço e disponibilidadeCapacidade de reciclagem

Aspecto econômico

Densidade (massa específica)

Relaciona massa por volume (Kg/m3);Está relacionado com tamanho e peso dos átomos e tipo de ligação químicaMétodos de determinação da densidade

Principais propriedades mecânicas

Resistência mecânicaElasticidadeDuctilidadeTenacidade

Tipos de tensões que uma estrutura esta sujeita

Como determinar as propriedadesmecânicas?

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, jáque por razões técnicas e econômicas não épraticável 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

Deformação(εε))= lf-lo/lo= Δl/lo

lo= comprimento inicial

lf= comprimento final

Força ou cargaÁrea inicial da seção reta transversal

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 tensãoxdeformaçãoResistênciaResistência àà TraTraççãoão

(Kgf/mm(Kgf/mm22))Corresponde à tensão máximaaplicada ao material antes da ruptura

É calculada dividindo-se a cargamáxima suportada pelo material pela área de seção reta inicial

TensãoTensão de de RupturaRuptura (Kgf/mm(Kgf/mm22))Corresponde à tensão quepromove a ruptura do materialO limite de ruptura é geralmenteinferior ao limite de resistênciaem virtude de que a área da seção reta para um material dúctil reduz-se antes da ruptura

Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação

Comportamento dos metais quandosubmetidos à tração

Resistência à tração

Dentro de certos limites,

a deformação é proporcional

à tensão (a lei de Hooke é

obedecida)

Lei de Hooke: σσ = E εε

Comportamento dos Polímeros quandosubmetidos à tração

Comportamento dos polímeros

Deformação

Tens

ão (M

Pa)

Tens

ão (1

03ps

i)

Plástico

Elastômero

Frágil

Deformação Elástica e Plástica

DEFORMAÇÃO ELÁSTICAPrescede à deformação plásticaÉ reversívelDesaparece quando a tensão éremovidaÉ praticamente proporcional àtensão aplicada (obedece a lei de Hooke)

DEFORMAÇÃO PLÁSTICAÉ provocada por tensões que ultrapassamo limite de elasticidadeÉ irreversível porque é resultado do deslocamento permanente dos átomos e portanto não desaparece quando a tensãoé removida

ElásticaPlástica

Módulo de elasticidade ou Módulo de Young

E= σσ/ / εε =Kgf/mm=Kgf/mm22

• É o quociente entre a tensãoaplicada e a deformaçãoelástica resultante.

•Está relacionado com a rigidezdo material ou à resist. àdeformação elástica

•Está relacionado diretamentecom as forças das ligaçõesinteratômicas

Lei de Hooke: σσ = E εε

P A lei de Hooke só éválida até este ponto

Módulo de Elasticidade para algunsmetais

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 elasticidadeestar diretamente relacionado com as forçasinteratômicas:

Os materiais cerâmicos tem alto módulo de elasticidade, enquanto os materiais poliméricos tem baixoCom o aumento da temperatura o módulo de elasticidadediminui

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 elasticamenteGrau de flexão pode ser muito diferente dependendo do material – MÓDULO DE ELASTICIDADE

DuctibilidadeDuctibilidade -- Corresponde aoalongamento total do material devido à deformação plástica

%alongamento= (lf-lo/lo)x100

onde lo e lf correspondem aocomprimento inicial e final (após a ruptura), respectivamente

ductilidade

Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação

Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformaçãoResiliênciaResiliência

Corresponde à capacidade do material de absorver energiaquando este é deformadoelasticamenteA propriedade associada é dada pelo módulo de resiliência (Ur)

Ur= σesc2/2E

Materiais resilientes são aquelesque têm alto limite de elasticidade e baixo módulo de elasticidade(como os materiais utilizados paramolas)

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

a

L

a

b d

Flexão com 3 pontos

D

X-Section

F Filme do ensaio de flexão

Comportamento elástico

0.00100.00080.00060.00040.00020.00000

100

200

300

Bending Strain

Ben

ding

Str

ess,

MPa

Aluminum Oxide

Soda-Lime Glass

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 ductilidadeO ensaio de resistência ao choque dá informações da capacidade do material absorver e dissipar essa energiaComo 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 E-23 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 térmicaA maioria dos polímeros apresentam transição dúctil-frágil que é geralmente abaixo da ambiente

Materiais cristalinos

MATERIAIS CFCMATERIAIS CFC --Permanecem dúcteis (não apresenta transição dúctil-frágil) porque nesta estrutura há muitos planos de escorregamento disponíveis

MATERIAIS CCC 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 àtemperaturas 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

Fraturas dúcteis

Fratura frágil

Fratura dúctil - aspecto macroscópico

Mecanismo da fratura dúctil

a- formação do pescoçob- formação de cavidadesc- coalescimento das

cavidades para promover uma trinca ou fissura

d- formação e propagação da trinca em um ângulo de 45 graus em relação àtensão 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 trincaque 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 passa através do grãoA fratura se dá no contorno de 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 materialVelocidade de fluência (relação entre deformação plástica e tempo) aumenta com a temperaturaEsta 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 àuma carga constanteEste fator muitas vezes limita o tempo de vida de um determinado componente ou estruturaEste fenômeno é observado em todos os materiais, e torna-se importante à altas temperaturas (≥0,4TF)

Fatores que afetam a fluência

TemperaturaMódulo de elasticidadeTamanho de grão

Em geral:Quanto maior o ponto de fusão, maior o módulo de

elasticidade e maior é a resist. àfluência.

Quanto maior o o tamanho de grão maior é a resist. àfluência.

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 constanteO tempo de aplicação de carga éestabelecido em função da vida útil esperada do componenteMede-se as deformações ocorridas em função do tempo (εx t)

Curva ε x t

Fadiga

FadigaÉ 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 àtração (determinada para cargas estáticas)É comum ocorrer em estruturas como pontes, aviões, componentes de máquinasA 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 altaconcentração de tensões (que ocorre geralmente na superfície)A superfície da fratura é geralmente perpendicular àdireção da tensão à qual o material foi submetido

Fadiga

Os esforços alternados que podem levar à fadiga podem ser:

TraçãoTração e compressãoFlexãoTorção,...

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 àfadiga (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 35-65% 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 écaracterizada 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 útilEfeitos 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 baratoensaio é não destrutivoOutras propriedades mecânicas podem ser estimadas

BorrachasIRHD

Alumínio, Borrachas, Couro, Resinas

Barcol

Polímeros, Elastômeros, Borrachas

ShoreMetais, CerâmicasKnoopMetais, CerâmicasVickersMetaisMeyerMetaisRockwellMetaisBrinell

MateriaisDureza

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.

0,020Espuma de poliuretano0,026Ar0,033Espuma de poliestireno0,046Fibra de vidro0,11 - 0,14Madeira (pinho)0,4 - 0,8Tijolo0,61Água0,72 - 0,86Vidro80,3Ferro178Tungsténio237Alumínio398Cobre426PrataCondutividade térmica (W/m°C)Material

Dilatação Térmica

Dilatação térmica é o aumento do volumede 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 Betão(concreto)[3] 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