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8/20/2019 1-+Seleção+e+Classificação+de+Materiais

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Márcia Rocha

Introdução

Seleção e Classificação de Materiais Classificação Tradicional

Outras classificações


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Seleção de Materiais


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omposição – Processamento – Estrutura - Propriedade

As amostras de óxido de alumínio (Al2O3), abaixo foramobtidas por três diferentes processamentos.

Materialmonocristalino

(safira) .Transparente

Material policristalino ealtamente denso (sem

poros). Translúcido Material policristalinocom ~5% de

porosidade. Opaco


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omposição – Processamento – Estrutura - Propriedade

As três estruturas das três amostras são diferentes emtermos das fronteiras entre os cristais e poros, o que afeta as

propriedades de transmitância ótica.Monocristal (transparente): monocristal altamente perfeito

Policristal denso (translúcido): Composto por inúmerosmonocristais muito pequenos, todos conectados entre si; as fronteirasentre estes pequenos cristais (contornos de grão) espalham umafração da luz refletida o que torna o material translúcido.

Policristal poroso (opaco): Muitos pequenos cristais interligadoscom grande número de poros. Estes poros também espalham demaneira efetiva a luz refletida tornando o material opaco.


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Estrutura

Estrutura dos Materiais(está geralmente relacionada ao arranjo de seus componentes

internos)

Ligações Atômicas:

Iônica, Covalente e Metálica

Estrutura:

Cristalina, e Amorfa


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Divisão da Estrutura nos Materiais


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Propriedades

Propriedades

Mecânicas Resistência, rigidez, tenacidade, fadiga, ductibilidade, temperabilidade,

fragilidade, plasticidade.Elétricas Resistividade , condutividade, constante dielétrica.

Térmicas Calor específico (armazenar energia), condutividade térmica, expansãotérmica, transição vítrea.

Óticas Cor, transparência, refração, absorção, transmitância

Magnéticas Permeabilidade, imantação.

Deteriorativas Corrosão, inflamabilidade, degradação térmica.


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ritérios de Seleção de Materiais

Condições de Operação: temperatura de trabalho, agentescorrosivos (ataque químico), desgaste, radiações;

Propriedades requeridas (limitações e restrições de uso);

Disponibilidade de matéria-prima e viabilidade técnica detransformação;

Impacto ambiental / reciclabilidade pós uso;

Custo (beneficiamento, transformação, fabricação, descarte,etc).


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Um item comum fabricado com três diferentes tipos de materiais são oscontêineres de bebidas. Estes podem ser comercializados em latas de alumínio(metal), garrafas de vidro (cerâmico) e de plástico (polímero).

Os recipientes irão apresentar prazos de validade diferentes. Isso acontece porque mesmo que as embalagens estejam vedadas, elas não impedem

completamente a saída do gás. A garrafa pet conserva o gás de maneira inferiorem relação às latas e vidros.

Como as garrafas plásticas conservam menos o gás elas geralmente possuem prazos de validade menores. A concentração de gás presente no refrigerante éidentificada pelo paladar por isso percebemos a diferença de sabor entre esses produtos.


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1. PETHá componentes "fujões", que escapolem da embalagem para o líquido.Quais seriam eles? Os polímeros, micropartículas do plástico que sedesprendem da garrafa e se misturam com o líquido. Daí o sabor"contaminado" de sua Coca 2 litros.

2. LATINHAFeita de alumínio, tem a vantagem de gelar mais fácil. Esse tiro, porém,

pode sair pela culatra. Quando a temperatura se eleva, as substânciasvoláteis na bebida se agitam mais. Saldo: o gás carbônico - responsável

pelo "tschiiii" da latinha - escapa mais rapidamente.

3. VIDROHá motivos para a preferência: é um material impermeável e de grandeinércia química, ou seja, demora anos para interagir quimicamente como conteúdo. Por ter um índice de porosidade inferior ao do alumínio eao do PET, é bem mais eficiente na hora de reter o CO2.


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lassificação Tradicional

Os materiais sólidos são classificados, com base na estruturaatômica e nas ligações químicas predominantes, em trêsgrupos principais:

Metais

Compreende os metais e suas ligas. Cerâmicos

Cerâmicas, vidros e cimentos.

Polímeros

Termoplásticos e termorrígidos (termofixos).Plásticos e elastômeros (borrachas)


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Metais

São formados pela ligação metálica entre átomos que se agrupamem estruturas cristalinas, possuem um numero grande de elétronsnão localizados; isto é não estão ligados a qualquer átomo em

particular. Muitas propriedades dos materiais são atribuídasdiretamente a estes elétrons. Os metais são condutores

extremamente bons de eletricidade e calor, e não é transparente aluz visível. São muito resistentes, e ainda assim deformável oque é responsável pelo seu uso extenso.

Podem ser divididos em metais ferrosos e não ferrosos, estandoincluso nos ferrosos todos os metais que apresentam o elemento

químico ferro em sua composição (ferro, aços e ferros fundidos).


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Metais – aracterísticas Básicas

Resistentes (suportam tensões elevadas antes de romper);

Dúcteis (alta plasticidade: deformam antes de romper);

Rígidos (alto módulo de elasticidade);

Tenazes (resistentes a trincas);

Encruáveis (endurecem por deformação);

Bons condutores de corrente elétrica e de calor.


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erâmicos

Material cerâmico é uma denominação genérica dada atodos os materiais não metálicos e não-orgânicos.

são usualmente combinações de metais com elementos nãometálicos.

A grande variedade de materiais que se enquadram nessaclassificação inclui cerâmicas que são compostos porminerais argilosos, cimento e vidro.

Estes materiais são tipicamente isolantes à passagem de

eletricidade e calor, e é mais resistente a altas temperaturase ambientes abrasivos do que os metais e polímeros. Sãoduros, porém muito quebradiço.

Os principais são: óxidos, nitretos e carbonetos.


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erâmicos – aracterísticas Básicas

Alta rigidez; Alta dureza;

Não encruáveis nem maleáveis;

Alto ponto de fusão & estabilidade térmica (refratários);

São isolantes térmicos e elétricos;

São frágeis (rompem sem deformar);

Quimicamente estáveis

Podem ser transparentes.


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Polímeros

Polímeros são materiais compostos por macromoléculasorgânicas.

Essas macromoléculas são cadeias compostas pela repetição deuma unidade básica, chamada mero. Daí o nome: poli (muitos) +mero.

Tem sua química baseada no carbono, hidrogênio e outroselementos não metálicos.

Possuem estruturas moleculares muito grandes.

Compreendem os materiais comuns de plástico e borracha.

Possuem tipicamente baixas densidades e podem serextremamente flexíveis, Têm baixa condutividade térmica eelétrica, tem baixa resistência mecânica e não são adequados

para utilização em altas temperaturas.


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Polímeros – aracterísticas Básicas

A maioria dos polímeros é sintética (feitos pelo homem); Polímero mais abundante é natural: celulose;

Materiais altamente moldáveis;

Baixa densidade;

Pouco rígidos;

Baixa temperatura de fusão ou de decomposição;

Maus condutores de calor;

Bons isolantes elétricos Boa resistência química.


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Tipos de cadeias Poliméricas

Linear Ramificada Ligação Cruzada Reticulada

As cadeias são unidaspor forçassecundárias.

São formadas porcadeias lineares comligaçõesperpendiculares ao

corpo domonômero.

As cadeias linearesadjacentes estãounidas umas às outrasem várias posições

por ligaçõescovalentes.

Possuem 3 ligaçõescovalentes ativasformando redestridimensionais.


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Polímeros – omportamento frente à temperatura

TermoplásticosAmolecem com o aumento da

temperatura consequentementesão moldáveis com o aumentoda temperatura.

Termorrígidos Não amolecem com o aumento

da temperaturaconsequentemente não sãomoldáveis com o aumento da

temperatura.


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omportamento Mecânico

Plásticos Não apresentam propriedade

de elasticidade.

Ao serem alongados, essa

deformação é quasetotalmente permanente.

Predominância da região plástica, região elástica é pequena.

Borrachas ou ElastômerosExibem elasticidade em longas

faixas de deformação natemperatura ambiente após o

processo de vulcanização.

Cadeias com ligaçõescruzadas, semelhantes às dostermofixos, porém em menordensidade de reticulação.


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ristalinidade de Polímeros

Diferentes dos metais e cerâmicos, apresenta umempacotamento de cadeias moleculares.

Em geral são parcialmente cristalinosParte cristalina - com ordem.

Parte amorfa - sem ordem. O grau de cristalinidade depende da taxa de resfriamento

durante a solidificação e da configuração da cadeia.

Quanto mais simples a cadeia maior a cristalinidade.

Maior a cristalinidade maior será a densidade, a resistênciamecânica, a resistência ao calor (amolecimento) e aresistência à degradação.


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Outras lassificações - ompósitos

Grupo de materiais formados pela combinação de metais,cerâmicas ou polímeros, de modo a obter combinações não-usuais de propriedades.Exemplos:

Concreto armado: Matriz: cimento (cerâmica), reforço: metal;

Madeira (dois polímeros, celulose e lignina);Fibra de vidro (numa matriz polimérica com reforço de cerâmico);


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ompósitos versus Metálicos

Vantagem do uso de compósito em ralação aos metais:Um dos objetivos da competitiva aeronática é reduzir o peso da

aeronaves sem comprometer a rigidez e a resistência doscomponentes. Isto só é possível substituindo-se as ligas metálicasconvencionais por compósitos. Muitas vezes fabricar peças em

compósitos é mais caro que em metais, porém o ganho da redução dogasto com combustível vale a pena. Para cada massa de 0,453 Kgreduzida em uma aeronave comercial economiza-se 1360 litros decombustível por ano, sendo que as despesas com combustívelrepresentam 25% dos custos operacionais de uma aeronave

comercial. As propriedades mecânicas dos compósitos são maiseficientes em algumas aplicações, assim sendo mais vantajoso suaaplicação do que materiais metálicos.


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Ônibus Espacial

O ônibus espacial usa um sistema de proteção térmica elaborado. Durante areentrada, o ônibus espacial atinge uma velocidade tão alta cerca de 27350 km/h.Os materiais na parte externa do ônibus espacial passam, rapidamente, detemperaturas no espaço, próximas ao zero absoluto, para temperaturas tãoelevadas quanto 1650°C.

Tijolos pretos, de cerâmica altamente avançada à base de sílica, cobrem a maior

área da parte de baixo do ônibus espacial e são complementados por umcobertura isolante e uma segunda camada de tijolo cerâmico brancos. Essesmateriais fornecem um excelente isolamento e são leves, mas não podem lidarsozinhos com todo o processo de proteção.

O nariz do ônibus espacial e o bordo de ataque das asas sofrem maior

aquecimento durante a reentrada. Para essas áreas, compósitos carbono-carbono,altamente especializados, são usados devido a sua habilidade única de conduzirem uma direção e isolar em outra. Esse escudo de compósito isolam a cabine docalor, ao mesmo tempo em que conduzem o calor para longe dos bordos deataque do ônibus espacial .

Fonte: Fundamentos da Moderna Engenharia e Ciência dos Materiais – James Newell - LTC


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Veleiro

Um veleiro típico tem casco feito de GFRP, fabricado em uma únicamoldagem; o GFRP tem boa aparência e , à diferença do aço e da madeira,não oxida nem é corroído pelas tempestades.

O mastro é feito de liga de alumínio, que é mais leve do que a madeira parauma dada resistência, agora estão sendo fabricados mastros de tecnologiaavançada reforçando a liga com de carbono ou boro (compósitos).

As velas, antes fabricadas de algodão, um material natural, agora são de polímeros como o náilon, Terylene ou Kevlar e, no cordame de manobras, ascordas de algodão também foram substituídas por polímeros. Polímeros dePVC são usados extensivamente em vários componentes de defesas, anoraks

(jaquetas com capuz), boias e coberturas de proteção de barcos. Fonte: Engenharia de Materiais – Uma Introdução a Propriedades, Aplicações e Projeto –

Volume I – Michael F. Ashby e David R. H. Jones - Campus


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Exercícios

1 - As safiras, variedade cristalina de óxido de alumínio (Al2O

3), incolores têm sido muito

utilizadas como um substituto para diamantes. Quando a safira branca é de boa qualidadeé transparente e sem cor e parece ser um quilate de diamante, mas não custa nem perto doque um diamante custaria. Explique a transparência apresentada por este material.

2 - Atualmente, diversos componentes de motores de combustão interna sãoconfeccionados a partir de materiais cerâmicos. Qual a principal vantagem do emprego

destes materiais neste caso?

3 - Com o objetivo de aprimorar o sistema de proteção térmica do ônibus espacial alguns pesquisadores têm examinado o uso de tijolos metálicos especiais (ligas refratárias). Qualseria a desvantagem dos tijolos metálicos em relação aos de cerâmicos?

4 - Classifique as alternativas abaixo em verdadeiras ou falsas

I. Existem polímeros que não possuem temperatura de fusão.II. Os elastômeros apresentam alto módulo de elasticidade.III. Termoplásticos não possuem ligações químicas cruzadas de caráter covalente.


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Exercícios

5 - Comparando-se um polímero linear com um de ligações ramificado qual apresenta maior cristalinidade? Explique.

6 - A reciclagem de polímeros, especialmente plásticos e borrachas é um assunto de extremarelevância na atualidade, seja pelo aspecto econômico, seja pelo ecológico. No segundocaso, é notória a importância da reciclagem para a diminuição da quantidade de resíduos jáque veem causando graves problemas ao meio ambiente em razão de sua difícil

biodegradação. Em termos econômicos, a reciclagem dos materiais poliméricos éfundamental como processo auxiliar de economia do petróleo que é a fonte mais importantede matéria-prima para a indústria de polímeros. É possível reciclar, de forma direta uma peçafeita de baquelite (polímero fenol-formaldeído), termofixo, usados em cabos e alças de panelas? Justifique s sua resposta.


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Glossário

Contornos de grãos É a interface que separa dois grãos adjacentes que possuem orientações

cristalográficas diferentes. Defeito de interface.

GFRP Terminologia inglesa: GFRP (Glass Fiber Reinforced Plastic) ou “plásticos reforçados

com fibras de vidro”.

Grão É um cristal individual em um material policristalino.

Kevlar Fibra sintética de aramida muito resistente e leve. Possui alta resistência ao impacto

(é sete vezes mais forte que o aço). Módulo de elasticidade ( E ) É uma medida da rigidez de um material.


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Glossário

Monocristal Material cristalino formado por um só cristal (não há contornos de grão).

Policristal Material cristalino composto por mais de um cristal ou grão.

Poros Defeito de volume.

PVC Abreviação: Poli (cloreto de vinila)

Terylene É um tecido produzido com fios puros ou mistos de poliéster podendo ser também

misturado com algodão.


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