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Classificação dos materiais
Profa. Daniela Becker
Classificação dos materiais
A classificação tradicional dos
materiais é geralmente baseada
na estrutura atômica e química
destes.
Classificação dos materiais
MetaisCerâmicosPolímerosCompósitosSemicondutoresBiomateriais
Classificação dos MateriaisMetais
Materiais metálicos são geralmenteuma combinação de elementosmetálicos.Os elétrons não estão ligados a nenhum átomo em particular e porisso são bons condutores de calor e eletricidadeNão são transparentes à luz visívelTêm aparência lustrosa quandopolidosGeralmente são resistentes e deformáveisSão muito utilizados para aplicaçõesestruturais
Classificação dos metais
Ligas ferrosasAços com baixo, médio e alto teor de carbonoAços inoxdiváveis (liga de cromo)Aço liga
Ferros fundidosFerros cinzento, nodular e branco
Ligas não ferrosasCobre e suas ligasAlumínio e suas ligas
Classificação dos aços
QUANTO A COMPOSIÇÃOAço-Carbono - sem elemento de liga
(elementos residuais: Si, Mn, P, S)Alto, baixo e médio teor de carbono
Aço Liga baixa liga (máximo 3-3,5%) média ligaalta liga (teor total mínimo de 10-
12%)
Propriedades dos aços-carbono
A resistência aumenta com o teor de CarbonoA ductilidade diminui com o teor de CarbonoSão aços de relativa baixa durezaOxidam-se facilmenteSuas propriedades deterioram-se a baixas e altas temperaturasSão os mais usados e de mais baixo custo
Propriedades dos aços baixo carbono
AÇO BAIXO CARBONO < 0,3% C
Estrutura é usualmente ferrítica e perlíticaSão fáceis de conformar e soldarSão aços de baixa dureza e alta ductilidade
Propriedades dos aços médio carbono
AÇO MÉDIO CARBONO 0,3-0,8% C
São aços de boa temperabilidade em águaApresentam a melhor combinação de tenacidade e ductilidade e resistência mecânica e durezaSão os aços mais comuns, tendo inúmeras aplicações em construção mecânica
Propriedades dos aços médio carbono
AÇO ALTO CARBONO > 0,8% C
Apresentam baixa conformabilidade e tenacidadeApresentam alta dureza e elevada resistência ao desgasteQuando temperados são frágeis
Aços ligados
ELEMENTOS DE LIGA MAIS COMUNSCrNiVMoWCoBCuMn, Si, P, S (residuais)
Efeito dos elementos de liga
Aumentam a dureza e a resistência Conferem propriedades especiais como:
Resistência à corrosãoEstabilidade à baixas e altas temperaturasControlam o tamanho de grãoMelhoram a conformabilidadeMelhoram as propriedades elétricas e magnéticasDiminuem o peso (relativo à resistência específica)
NÍQUEL
Aumenta a resistência ao impacto (2-5% Ni)Aumenta consideravelmente a resistência àcorrosão em aços baixo carbono (12-20% Ni)Com 36% de Ni (INVAR) tem-se coeficiente de expansão térmica próximo de zero.
Usado como sensores em aparelhos de precisão
CROMO
Aumenta a resistência à corrosão e ao calorAumenta a resistência ao desgaste (devido àformação de carbetos de cromo)Em aços baixa liga aumenta a resistência e a durezaÉ normalmente adicionado com Ni (1:2)
TUNGSTÊNIO
Mantém a dureza a altas temperaturasForma partículas duras e resistentes ao desgaste à altas temperaturas
Presente em aços para ferramentas
Sistema de classificação dos aços
AISI-SAE XXXX1XXX Aço-carbono
10XX Aço-carbono comum11XX teores diferenciados de S12XX teores diferenciados de S e P13XX alto teor de Mn (1,6-1,9%)
Sistema de classificação dos aços
2XXX Aço ao Níquel3XXX Aço ao Níquel e Cromo4XXX Aço ao Molibidênio
40XX Mo 0,15-0,3%41XX Mo, Cr43XX Mo, Cr, Ni
5XXX Aço ao Cromo6XXX Aço ao Cromo e Vanádio8XXX Aço ao Níquel, Cromo e Molibidênio9XXX Outros
Ferros fundidos
Formam uma classe de ligas ferrosas que possui teores de carbono acima de 2,14% (3,0 a 4,5%C);Temperaturas de fusão mais baixas (1150 e 1300ºC)
Ferro Cinzento
2,5 a 4,0%C e 1,0 a 3,0%SiÉ fraco e frágil quando submetido a traçãoSão eficientes no amortecimento de energia vibracionalElevada resistência ao desgasteBaixo custo
Ferro nodular
Adição de pequenas quantidade de magnésio e/ou cérioMais resistentes e dúcteisAplicação: válvulas, corpos de bombas, virabrequins, engrenagens e outros componentes automotivos e de máquinas
Ferro Branco
Ferros fundidos com baixo teor de sílicio(<0,1%) e taxas de resfriamento rápidasExtremamente duro e frágil (impossível de ser usinado)Aplicações que necessitam um superfície muito dura e muito resistência à abrasão
Limitação dos aços e outras ligas ferrosas
Densidade relativamente altaCondutividade elétrica comparativamente baixaSuscetibilidade inerente à corrosão em alguns ambientes
Cobre e suas ligas
O cobre quando não se encontra na forma de liga é muito mole e dúctilAltamente resistente a corrosãoA maioria das liga de Cu não podem ser endurecidas ou ter a sua resistência melhora por tratamento térmicoLatões – Zn é o elemento de liga predominanteBronze – vários elementos incluindo estanho, Al, Si e o Ni
Al e suas ligas
Densidade relativamente baixa (2,7g/cm3);Condutividade elétrica e térmica elevadasResistência a corrosãoAlta ductibilidade (mesmo em temperaturas baixas)Baixa temperatura de fusão (660ºC)Elementos de liga Cu, Mg, Si, Mn e o Zn
Ti e suas ligas
O metal puro tem densidade relativamente baixa, elevado ponto de fusão e alto módulo de elasticidadeAs ligas são extremamente resistentesLimitação – reatividade química com outros materiais a temperaturas elevadas
Classificação dos Materiais
Cerâmicas Materiais cerâmicos são geralmenteuma combinação de elementosmetálicos e não-metálicos.Geralmente são óxidos, nitretos e carbetosSão geralmente isolantes de calor e eletricidadeSão mais resistêntes à altastemperaturas e à ambientes severosque metais e polímerosCom relação às propriedadesmecânicas as cerâmicas são duras, porém frágeis
ALUMINA
Materiais Cerâmicos
VidrosProdutos a base de argilaRefratáriosCimentosCerâmicas avançadas
Vidros
Usados em enormes quantidadesTodos os vidros importantes são à base se sílica (SiO2)Principais
Vidro comum de janelaVidros de borossilicatos resistentes à temperatura
Produtos a base de argila
Facilidade de conformaçãoSão aluminosilicatos (Al2O3 e SiO2)Produtos estruturaisPorcelanaLouça e objetos de cerâmicatijolo
Refratários
Capacidade de resistir a temperaturas elevadas sem fundir ou decomporCapacidade de permanecer não-reativo e inerte quando expostos a ambientes severosSão divididos em : argila refratária, sílica básica e refratários especiais
Cimentos
Cimentos inorgânicos: cimento, gesso-de-paris e calA característica destes materiais é que quando misturados a em água formam uma pasta
Cerâmicas Avançadas
Materiais cerâmicos que apresentam propriedades elétricas, magnética e óticasAplicações: motores a combustão interna e de turbina, chapas de blindagem, embalagens de componentes eletrônicos, ferramentas de corte e para conversão, armazenamento e geração de energiaExemplos: Alumina densa, carboneto, nitretode silício, zircônia cúbica
Classificação dos Materiais
Polímeros Materiais poliméricos são geralmentecompostos orgânicos baseados emcarbono, hidrogênio e outroselementos não-metálicos.
São constituídos de moléculas muitograndes (macro-moléculas)
Tipicamente, esses materiaisapresentam baixa densidade e podem ser extremamente flexíveis
Materiais poliméricos incluemplásticos e borrachas
Conceitos
temperaturapressão
ativadorescatalisadores
Monômero (gás / líquido)
Polímero (sólido)
MONÔMERO = molécula pequena
MERO = unidade (estrutura química) de repetição da molécula
OLIGÔMERO = molécula com poucos meros
POLÍMERO = macromolécula com muitos meros
Homopolímero apenas um único tipo de mero
Copolímero dois ou mais meros
Em relação ao número de diferentes meros
Exemplos de copolímeros
ABS (terpolímero de acrilonitrila, butadienoestireno) – muito utilizado na indústria automobilística (peças sujeitas a grandes esforços mecânicos)SAN (copolímero de estireno acrilonitrila) –peças de alta transparência e que pode entrar em contato com alimentos (copos de liquidificadores, partes internas de refrigerador
Poliolefinas polipropileno, polibutadieno, poliestirenoPoliésteres poli(tereftalato de etileno), policarbonatoPoliéteres poli(óxido de etileno), poli(óxidode fenileno)
Em relação a estrutura química dos meros
Poliamidas nylon, polimida
Polímeros celulósicos nitrato de celulose, acetato
de celulose
Polímeros acrílicos poli(metacrilato de metila),
poliacrilonitrila
Polímeros vinílicos poli(acetato de vinila),
poli(álcool vinílico)
Poliuretano
Resinas formaldeídas
Classificação quanto a fusibilidade
Refere-se ao comportamento ao seremaquecidos
TermoplásticosTermorígidos
Classificação – fusibilidade (comportamento térmico)
Termoplástico
Classificação – fusibilidade
Termofixo
Classificação quanto ao comportamentomecânico
Plásticos –São materiais em que algum estágio da fabricação sãofluídos, podendo ser moldados por aquecimento, pressão, ou ambos
Elastômeros (ou borrachas)São materiais de origem natural ou sintética que, apóssofrerem deformação sob ação de uma força, retornam a sua forma original quando esta força é removida
FibrasSão corpos em que a razão entre comprimento e as dimensões laterais são muito elevadas
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
Classificação dos MateriaisCompósitos Materiais compósitos são
constituídos de mais de um tipo de material insolúveis entre si.Os compósitos são “desenhados”para apresentarem a combinaçãodas melhores características de cada material constituinteMuitos dos recentes desenvolvimentoem materiais envolvem materiaiscompósitosUm exemplo classico é o compósitode matriz polimérica com fibra de vidro. O material compósitoapresenta a resistência da fibra de vidro associado a flexibilidade do polímero
Exemplos
Polímero com fibra de vidro, fibra de carbono, fibra natural e outrosCimentos armado, cermetPneus de banda de aço
Semicondutores Materiais semicondutoresapresentam propriedadeselétricas que são intermediáriasentre metais e isolantesAlém disso, as característicaselétricas são extremamentesensíveis à presença de pequenas quantidades de impurezas, cuja concentraçãopode ser controlada empequenas regiões do material Os semicondutores tornarampossível o advento do circuitointegrado que revolucionou as indústrias de eletrônica e computadores
Classificação dos Materiais
Alguns exemplos
Silícioum material semicondutor muito abundante, tem um interesse muito especial na indústria eletrônica e microeletrônica, como material básico para a produção de transistores para chips, células solares e em diversas variedades de circuitos eletrônicos.
GermânioFibra óptica. Eletrônica: Radares, amplificadores de guitarras elétricas, ligas metálicas de SiGe em circuitos integrados de alta velocidade
Classificação dos Materiais
Biomateriais Biomateriais são empregados emcomponentes para implantes de partes em seres humanosEsses materiais não devemproduzir substâncias tóxicas e devem ser compatíveis com o tecido humano (isto é, não devecausar rejeição).Metais, cerâmicos, compósitos e polímeros podem ser usados comobiomateriais.
Exemplos
Metais –aços inoxidáveis, principalmente os austeníticos (ortopedia –confecção de próteses articuladas e elementos estruturais)
Cerâmicas
Tipos de biocerâmicas
Bioinertes
Bioativas
Reabsorvível
Material que induz cresicmento tecidual
(osteoindução / osteocondução) (vidros e vitrocerâmicos, fosfato
de cálcio
Material que biodegrada no organismo, sendo que os
produtos da degradação são metabolizados sem causar
efeitos nocivos
Material que permanece no organismo sem induzir resposta tecidual significativa (Alumina, Zirconia, Carbono)
Polímeros
Vantagens do uso de biomateriais poliméricos
Facilidade de fabricação em diversos formatos, permitindo bom acabamento;
Elevada eficiência dos processos de fabricação, permite elevada produtividade;
Diversidade de propriedades;
Baixa densidade;
Baixo consumo energético p/ processamento;
Resistência a corrosão
Comportamento elastomérico;
Possibilidade de polimerização “in situ”;