Ciência e Propriedade dos Materiais - Prof. Jony Cesar Tomelin

2012 CiÊnCiA e proprieDADe Dos mAteriAis Prof Jony Cesar Tomelin Copyright UNIASSELVI 2012 Elaboração Prof Jony Cesar Tomelin Revisão Diagramação e Produção Centro Universitário Leonardo da Vinci UNIASSELVI Ficha catalográfi ca elaborada na fonte pela Biblioteca Dante Alighieri UNIASSELVI Indaial 6587 T656cTomelin Jony Cesar Ciência e propriedade dos materiais Jony Cesar Tomelin Indaial Uniasselvi 2012 239 p il ISBN 978857830 5727 1 Administração materiais I Centro Universitário Leonardo da Vinci Impresso por III ApresentAção Caroa acadêmicoa A Ciência dos Materiais envolve o estudo da estrutura propriedades métodos de caracterização e o desempenho de materiais seja no âmbito da pesquisa ou da sua utilização in loco em diversos tipos de processos Nessa disciplina você estará sendo apresentado aos principais conceitos que envolvem essa temática que terão por objetivo principal permitir a formação de uma visão crítica sobre a problemática que envolve a seleção de materiais para as mais diversas aplicações Na Unidade 1 do Caderno de Estudos você será apresentado a alguns conceitos básicos porém fundamentais para o entendimento das propriedades dos materiais apresentadas nas unidades posteriores Iniciaremos nosso estudo com um panorama geral sobre os tipos de materiais existentes de acordo com a sua classificação polímeros cerâmicas metais e compósitos Uma apresentação das características elementares dos átomos e da origem das forças de ligação será descrita bem como as diferentes formas como os átomos podem se organizar para formar um material sólido que por consequência influenciam nas características macroscópicas que observamos Concluiremos o estudo dessa unidade aprendendo um pouco sobre os diagramas de fases e a sua importância para a predição da microestrutura das ligas metálicas Fique atento pois o entendimento desses conceitos é fundamental para a compreensão do conteúdo apresentado nas unidades posteriores Na Unidade 2 iniciaremos o estudo das propriedades dos materiais Nessa etapa você deverá compreender as ligações entre as características estruturais dos materiais apresentadas na Unidade 1 e as propriedades mecânicas elétricas térmicas magnéticas e óticas dos materiais Todas essas propriedades são mensuradas através de métodos de ensaio específicos que compreendem o processo de caracterização dos materiais Através da medida de suas propriedades podemos entender e definir a sua potencial aplicação qualidades e limitações técnicas Na Unidade 3 trataremos de explanar os principais processos de fabricação de materiais As propriedades dos materiais mensuradas através dos ensaios descritos na Unidade 2 podem ser significativamente alteradas em função de tratamentos térmicos e alteração nos parâmetros de processamento Iremos também compreender que a seleção de materiais depende de uma análise criteriosa do problema de seleção envolvendo o conhecimento de suas propriedades e dos requisitos do produto na aplicação técnicos e econômicos Também estaremos conversando sobre um tema extremamente importante e atual ao final da vida útil quais destinos podem ter os diferentes tipos de materiais IV Você já me conhece das outras disciplinas Não É calouro Enfim tanto para você que está chegando agora à UNIASSELVI quanto para você que já é veterano há novidades em nosso material Na Educação a Distância o livro impresso entregue a todos os acadêmicos desde 2005 é o material base da disciplina A partir de 2017 nossos livros estão de visual novo com um formato mais prático que cabe na bolsa e facilita a leitura O conteúdo continua na íntegra mas a estrutura interna foi aperfeiçoada com nova diagramação no texto aproveitando ao máximo o espaço da página o que também contribui para diminuir a extração de árvores para produção de folhas de papel por exemplo Assim a UNIASSELVI preocupandose com o impacto de nossas ações sobre o ambiente apresenta também este livro no formato digital Assim você acadêmico tem a possibilidade de estudálo com versatilidade nas telas do celular tablet ou computador Eu mesmo UNI ganhei um novo layout você me verá frequentemente e surgirei para apresentar dicas de vídeos e outras fontes de conhecimento que complementam o assunto em questão Todos esses ajustes foram pensados a partir de relatos que recebemos nas pesquisas institucionais sobre os materiais impressos para que você nossa maior prioridade possa continuar seus estudos com um material de qualidade Aproveito o momento para convidálo para um batepapo sobre o Exame Nacional de Desempenho de Estudantes ENADE Bons estudos Procure ao longo do desenvolvimento da disciplina traçar paralelos entre as propriedades dos materiais e suas características básicas fenômenos físicos e químicos apresentadas nos primeiros tópicos desse caderno O mais importante no processo de aprendizagem é que você possa desenvolver um raciocínio lógico que lhe permita determinar as possibilidades em termos de materiais para a solução de problemas reais e qual caminho e fonte de informações devem ser buscados para lhe auxiliar nesse processo Bom estudo Prof Jony Cesar Tomelin NOTA Olá acadêmico Você já ouviu falar sobre o ENADE Se ainda não ouviu falar nada sobre o ENADE agora você receberá algumas informações sobre o tema Ouviu falar Ótimo este informativo reforçará o que você já sabe e poderá te trazer novidades Vamos lá Qual é o significado da expressão ENADE EXAME NACIONAL DE DESEMPENHO DOS ESTUDANTES Em algum momento de sua vida acadêmica você precisará fazer a prova ENADE Que prova é essa É obrigatória organizada pelo INEP Instituto Nacional de Estudos e Pesquisas Educacionais Anísio Teixeira Quem determina que esta prova é obrigatória O MEC Ministério da Educação O objetivo do MEC com esta prova é o de avaliar seu desempenho acadêmico assim como a qualidade do seu curso Fique atento Quem não participa da prova fica impedido de se formar e não pode retirar o diploma de conclusão do curso até regularizar sua situação junto ao MEC Não se preocupe porque a partir de hoje nós estaremos auxiliando você nesta caminhada Você receberá outros informativos como este complementando as orientações e esclarecendo suas dúvidas Você tem uma trilha de aprendizado do ENADE receberá emails SMS seu tutor e os profissionais do polo também estarão orientados Participará de webconferências entre outras tantas atividades para que esteja preparado para mandar bem na prova ENADE Nós aqui no NEAD e também a equipe no polo estamos com você para vencermos este desafio Conte sempre com a gente para juntos mandarmos bem no ENADE VII UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 1 TÓPICO 1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS 3 1 INTRODUÇÃO 3 2 PERSPECTIVA HISTÓRICA 3 3 APLICAÇÃO DE LIGAS METÁLICAS CERÂMICAS 5 POLÍMEROS E COMPÓSITOS 5 31 METAIS E SUAS LIGAS 5 32 MATERIAIS CERÂMICOS 6 33 POLÍMEROS 8 34 COMPÓSITOS 10 35 SEMICONDUTORES 11 36 BIOMATERIAIS 11 4 ESTRUTURA ATÔMICA 12 RESUMO DO TÓPICO 1 14 AUTOATIVIDADE 15 TÓPICO 2 LIGAÇÕES QUÍMICAS 17 1 INTRODUÇÃO 17 2 LIGAÇÕES ATÔMICAS NOS MATERIAIS 17 3 LIGAÇÕES PRIMÁRIAS 20 31 LIGAÇÕES IÔNICAS 20 32 LIGAÇÕES COVALENTES 21 33 LIGAÇÕES METÁLICAS 22 4 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS 23 5 TIPOS DE LIGAÇÕES PREDOMINANTES EM METAIS CERÂMICAS E POLÍMEROS 23 RESUMO DO TÓPICO 2 26 AUTOATIVIDADE 27 TÓPICO 3 TIPOS DE ESTRUTURA CRISTALINA 29 1 INTRODUÇÃO 29 2 ESTRUTURAS TÍPICAS DOS METAIS 29 21 CÚBICA DE FACES CENTRADAS 30 22 CÚBICA DE CORPO CENTRADO 34 23 HEXAGONAL COMPACTA 35 3 ESTRUTURAS CRISTALINAS DE MATERIAIS CERÂMICOS 36 4 ESTRUTURAS MOLECULARES DE POLÍMEROS 37 RESUMO DO TÓPICO 3 40 AUTOATIVIDADE 41 TÓPICO 4 CRISTALINIDADE DOS MATERIAIS 43 1 INTRODUÇÃO 43 2 MATERIAIS MONOCRISTALINOS 43 sumário VIII 3 MATERIAIS POLICRISTALINOS 44 4 MATERIAIS AMORFOS 45 5 MATERIAIS SEMICRISTALINOS 46 RESUMO DO TÓPICO 4 48 AUTOATIVIDADE 49 TÓPICO 5 DEFEITOS DA ESTRUTURA CRISTALINA 51 1 INTRODUÇÃO 51 2 DEFEITOS PONTUAIS 51 3 IMPUREZAS 52 4 DISCORDÂNCIAS 54 5 SISTEMAS DE ESCORREGAMENTO 54 6 CONTORNOS DE GRÃOS 57 RESUMO DO TÓPICO 5 60 AUTOATIVIDADE 61 TÓPICO 6 DIAGRAMAS DE FASES 63 1 INTRODUÇÃO 63 2 SOLUBILIDADE 63 3 FASES 63 4 EQUILÍBRIO DE FASES 64 5 MICROESTRUTURA 64 6 SISTEMAS BINÁRIOS ISOMORFOS 65 61 CONDIÇÃO DE EQUILÍBRIO 67 62 CONDIÇÃO DE NÃO EQUILÍBRIO 71 7 SISTEMAS BINÁRIOS EUTÉTICOS 73 8 DIAGRAMA DE FASE FeFe3C FERRO CARBETO DE FERRO 74 9 DIAGRAMAS TERNÁRIOS 78 LEITURA COMPLEMENTAR 78 RESUMO DO TÓPICO 6 85 AUTOATIVIDADE 86 UNIDADE 2 CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 87 TÓPICO 1 PROPRIEDADES MECÂNICAS 89 1 INTRODUÇÃO 89 2 TENSÃO E DEFORMAÇÃO 89 3 MÓDULO DE ELASTICIDADE 90 4 TENSÃO DE ESCOAMENTO 92 5 TENSÃO DE RESISTÊNCIA 93 6 TENSÃO DE RUPTURA 94 7 RESILIÊNCIA TENACIDADE DUCTILIDADE E FRAGILIDADE 94 8 PARÂMETROS DA ESTRUTURA QUE INFLUENCIAM NA RESISTÊNCIA MECÂNICA 96 9 RELAÇÕES ENTRE A MICROESTRUTURA E A RESISTÊNCIA MECÂNICA 96 10 INFLUÊNCIA DO HISTÓRICO DE TENSÕES TÉRMICAS 100 11 INFLUÊNCIA DA DEFORMAÇÃO PLÁSTICA 101 12 FADIGA 101 13 FLUÊNCIA 104 RESUMO DO TÓPICO 1107 AUTOATIVIDADE 108 IX TÓPICO 2 PROPRIEDADES ÓTICAS 109 1 INTRODUÇÃO 109 2 PRINCÍPIOS BÁSICOS 109 3 REFRAÇÃO 110 4 REFLEXÃO 111 5 ABSORÇÃO 111 6 TRANSMISSÃO 112 7 COR 113 8 OPACIDADE E TRANSLUCIDEZ 113 9 LASERS 114 10 FIBRAS ÓTICAS 116 RESUMO DO TÓPICO 2117 AUTOATIVIDADE 118 TÓPICO 3 PROPRIEDADES ELÉTRICAS 119 1 INTRODUÇÃO 119 2 CONCEITOS FUNDAMENTAIS 119 3 RIGIDEZ DIELÉTRICA 120 4 MATERIAIS CONDUTORES 121 5 MATERIAIS ISOLANTES E SEMICONDUTORES 121 6 SUPERCONDUTIVIDADE 124 7 FATORES QUE AFETAM A RESISTIVIDADE DOS METAIS 124 RESUMO DO TÓPICO 3125 AUTOATIVIDADE 126 TÓPICO 4 PROPRIEDADES MAGNÉTICAS 127 1 INTRODUÇÃO 127 2 CONCEITOS FUNDAMENTAIS 127 3 DIAMAGNETISMO 129 4 PARAMAGNETISMO 129 5 FERROMAGNETISMO 130 6 ANTIFERROMAGNETISMO 131 7 FERRIMAGNETISMO 131 8 HISTERESE 132 9 MATERIAIS MAGNÉTICOS DUROS E MOLES 134 10 ARMAZENAMENTO DE INFORMAÇÕES 135 RESUMO DO TÓPICO 4136 AUTOATIVIDADE 137 TÓPICO 5 PROPRIEDADES TÉRMICAS 139 1 INTRODUÇÃO 139 2 ORIGEM DAS CARACTERÍSTICAS TÉRMICAS 139 3 CAPACIDADE CALORÍFICA 140 4 EXPANSÃO TÉRMICA 140 5 CONDUTIVIDADE TÉRMICA 143 RESUMO DO TÓPICO 5145 AUTOATIVIDADE 146 TÓPICO 6 PRINCIPAIS TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS 147 1 INTRODUÇÃO 147 2 MICROSCOPIA ÓTICA 147 3 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA MEV 151 X 4 DUREZA 155 5 ENSAIO DE TRAÇÃO 157 6 ANÁLISE QUÍMICA 160 7 ANÁLISE CRISTALOGRÁFICA DIFRAÇÃO DE RAIOSX 163 8 ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS 165 LEITURA COMPLEMENTAR 169 RESUMO DO TÓPICO 6171 AUTOATIVIDADE 172 UNIDADE 3 PROCESSAMENTO E SELEÇÃO DE MATERIAIS 173 TÓPICO 1 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 175 1 INTRODUÇÃO 175 2 PROCESSAMENTO DE MATERIAIS METÁLICOS 176 21 FUNDIÇÃO 176 22 CONFORMAÇÃO MECÂNICA 181 23 USINAGEM 184 24 TRATAMENTOS TÉRMICOS 186 241 Recozimento 186 242 Têmpera 187 243 Revenido 188 3 PROCESSAMENTO DE MATERIAIS CERÂMICOS 190 31 COLAGEM DE BARBOTINA 191 32 EXTRUSÃO E CONFORMAÇÃO PLÁSTICA 192 33 PRENSAGEM 194 34 SECAGEM E QUEIMA 195 4 PROCESSAMENTO DE MATERIAIS POLIMÉRICOS 196 41 OBTENÇÃO DOS POLÍMEROS 197 42 EXTRUSÃO 198 43 INJEÇÃO 199 5 PROCESSAMENTO DE MATERIAIS COMPÓSITOS 200 51 COMPÓSITOS METALCERÂMICA201 52 COMPÓSITOS POLÍMEROCERÂMICA 202 53 COMPÓSITOS POLÍMEROMETAL 204 RESUMO DO TÓPICO 1205 AUTOATIVIDADE 206 TÓPICO 2 CRITÉRIOS PARA SELEÇÃO DE MATERIAIS 207 1 INTRODUÇÃO 207 2 REQUISITOS DE PROJETO 208 21 RESISTÊNCIA MECÂNICA 209 22 CONSIDERAÇÕES SOBRE A RESISTÊNCIA À FADIGA E FLUÊNCIA 213 23 RESISTÊNCIA A INTEMPÉRIES213 24 OUTRAS PROPRIEDADES 215 3 ASPECTOS ECONÔMICOS 215 31 VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DO MATERIAL SELECIONADO 216 32 GARANTIAS DE FORNECIMENTO E QUALIDADE 219 4 DESENVOLVIMENTO DE MATERIAIS PARA USO ESPECÍFICO 220 41 INOVAÇÃO E PRODUTIVIDADE 220 42 REDUÇÃO DE CUSTOS E QUALIDADE 221 RESUMO DO TÓPICO 2222 AUTOATIVIDADE 223 XI TÓPICO 3 RECICLAGEM DOS MATERIAIS 225 1 INTRODUÇÃO 225 2 CLASSIFICAÇÃO DOS RESÍDUOS SÓLIDOS 225 3 RECICLAGEM DE MATERIAIS METÁLICOS 227 4 RECICLAGEM DE MATERIAIS POLIMÉRICOS 227 5 RECICLAGEM DOS MATERIAIS CERÂMICOS 229 LEITURA COMPLEMENTAR 230 RESUMO DO TÓPICO 3234 AUTOATIVIDADE 235 REFERÊNCIAS 237 1 UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM PLANO DE ESTUDOS A partir do estudo desta unidade oa acadêmicoa estará aptoa a conhecer acerca da história e importância do estudo da ciência dos materiais e sua aplicação no desenvolvimento tecnológico da sociedade moderna entender os conceitos e características fundamentais dos materiais os quais são de suma importância para o discernimento e análise de suas propriedades a serem abordados nas unidades posteriores compreender a influência das forças de ligação arranjo dos átomos e pre sença de defeitos estruturais na classificação e propriedades específicas dos materiais interpretar diagramas de fases de forma a prever a microestrutura e pro priedades resultantes de composições comerciais de aços e ferros fundidos obter conhecimento básico acerca dos sistemas ternários e aplicação no desenvolvimento dos materiais cerâmicos conhecer acerca da história e importância do estudo da ciência dos materiais e sua aplicação no desen volvimento tecnológico da sociedade moderna entender os conceitos e características fundamentais dos materiais os quais são de suma importância para o discernimento e análise de suas propriedades a serem abordados nas unidades posteriores compreender a influência das forças de ligação arranjo dos átomos e pre sença de defeitos estruturais na classificação e propriedades específicas dos materiais interpretar diagramas de fases de forma a prever a microestrutura e pro priedades resultantes de composições comerciais de aços e ferros fundidos obter conhecimento básico acerca dos sistemas ternários e aplicação no desenvolvimento dos materiais cerâmicos Esta unidade está dividida em seis tópicos que contribuirão na compreensão dos fundamentos da ciência e propriedades dos materiais Além disso em cada um dos tópicos você encontrará atividades que o ajudarão a consolidar os conceitos apresentados TÓPICO 1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS TÓPICO 2 LIGAÇÕES QUÍMICAS TÓPICO 3 TIPOS DE ESTRUTURA CRISTALINA TÓPICO 4 CRISTALINIDADE DOS MATERIAIS TÓPICO 5 DEFEITOS DA ESTRUTURA CRISTALINA TÓPICO 6 DIAGRAMAS DE FASES 3 TÓPICO 1 UNIDADE 1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS 1 INTRODUÇÃO Para o completo entendimento das propriedades e aplicações dos diversos materiais disponíveis comercialmente bem como entender as ferramentas de análise e desenvolvimento de materiais é necessário inicialmente que possamos compreender a real importância do estudo que estaremos desenvolvendo neste tópico Dessa forma estaremos inicialmente conversando um pouco a respeito da história do desenvolvimento dos materiais ao longo do tempo e sua integração com o desenvolvimento da sociedade Da mesma forma é de suma importância compreender alguns mecanismos de origem atômica os quais serão apresentados nesse tópico que invariavelmente explicam boa parte das características e propriedades de cada tipologia de material Para realmente termos um conhecimento sólido da ciência e das propriedades dos materiais precisaremos ter a capacidade de correlacionar essas características elementares com os resultados e propriedades que estaremos estudando nos capítulos posteriores Neste tópico também estaremos discutindo e fixando conceitos básicos e essenciais bem como a apresentação de algumas aplicações típicas de materiais para que vocês possam se familiarizar com os diferentes tipos de materiais visualizando as aplicações no dia a dia em situações práticas facilitando o entendimento É natural que muitos conceitos apresentados nesse tópico lhe sejam completamente novos É importante que durante a leitura desse primeiro tópico sejam anotados os termos e conceitos que não são familiares Esses conceitos serão detalhados nos tópicos e unidades posteriores 2 PERSPECTIVA HISTÓRICA A escolha de materiais adequados para determinadas aplicações mesmo em uma análise desprovida de conhecimentos específicos nos remete aos mais remotos momentos da existência da humanidade A necessidade da caça da pesca da construção de abrigos da criação de vestimentas e a elaboração de utensílios para as diversas atividades do homem primitivo podem ser tomadas como exemplo de uma seleção de materiais com características mais adequadas para cada caso Convenhamos que nesse contexto inicial as opções de materiais disponíveis eram de relativa escassez madeira barro pedra couro fibras naturais Qual material ou combinação destes vocês utilizariam para a confecção de uma lança para caça UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 4 O desenvolvimento de utensílios e recipientes de cerâmica pode ser considerado um dos primeiros avanços da humanidade na direção da criação de materiais que atendam a necessidades específicas de forma mais adequada do que os materiais naturais disponíveis A invenção nos parece simples levando em conta o nosso estado atual de desenvolvimento tecnológico moldar utensílios em barro úmido e cozermos os mesmos em fogo para que estes adquiram resistência No entanto ainda utilizamos esses princípios antiquíssimos para a fabricação de muitos produtos cerâmicos como por exemplo as telhas e tijolos que compõem as nossas casas O desenvolvimento de novas técnicas de fabricação desses materiais permitiu produzilos em grande escala e com poucas perdas O posterior conhecimento do processamento de ligas metálicas como o ferro e o bronze propiciou a elaboração de utensílios de diversas naturezas e utilidades Os avanços que se seguiram permitiram à sociedade a criação de inúmeras utilidades culminando no desenvolvimento tecnológico moderno O desenvolvimento de materiais poliméricos os quais nós conhecemos também por plásticos tendo como matériaprima base o petróleo permitiu a produção de materiais mais leves processados em baixa temperatura e com características mecânicas adequadas a muitas aplicações inclusive por exemplo substituindo partes metálicas em veículos permitindo assim a economia de peso e combustível A rápida troca de informações propiciada pelo desenvolvimento tecnológico atual na área eletrônica não seria possível sem o desenvolvimento e aprimoramento constante dos materiais semicondutores os quais permitiram o desenvolvimento dos circuitos integrados Grandes avanços da medicina estão condicionados ao crescente estudo de biomateriais resistentes e compatíveis com o organismo onde são implantados A nanotecnologia nos mostra que é possível obter materiais com características especiais abrindo um leque enorme para o desenvolvimento de materiais inteligentes e de tecnologias mais limpas Podemos concluir então que tanto para o homem que habitava as cavernas até o homem que habita as modernas estações espaciais o conhecimento das propriedades dos materiais disponíveis e a engenharia ou desenvolvimento de novos materiais criados e constantemente aprimorados são fundamentais para a manutenção de condições em que este possa viver de forma adequada às suas necessidades em um mundo moderno cada vez mais dinâmico TÓPICO 1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS 5 3 APLICAÇÃO DE LIGAS METÁLICAS CERÂMICAS POLÍMEROS E COMPÓSITOS Diferentes tipos de materiais podem ser utilizados na fabricação de um produto ou parte de um produto industrializado Normalmente a decisão de se utilizar determinado material passa pela análise de diversos critérios desde as propriedades necessárias ao desempenho do componente até o seu valor final 31 METAIS E SUAS LIGAS As ligas metálicas são normalmente compostas majoritariamente de elementos metálicos Os átomos dos metais sólidos são ligados entre si por ligações metálicas Nesse tipo de ligação uma parte dos elétrons desses átomos deixa de pertencer a átomos definidos formando uma nuvem de elétrons que são chamados de elétrons livres os quais são responsáveis pelas suas propriedades elétricas particulares A sua estrutura ordenada e as características de suas ligações fazem com que estes materiais apresentem alta resistência mecânica no entanto podem ser conformados em diferentes formas sem apresentar ruptura Além disso suas propriedades podem ser drasticamente alteradas pela deformação mecânica ou tratamentos térmicos de acordo com a necessidade Essas características fazem dos metais e suas ligas uma escolha bastante usual para a fabricação de componentes mecânicos desde automóveis até estruturas de edifícios Um aspecto bastante importante da maioria das ligas metálicas é o seu caráter de aviso de falha Quando um componente ultrapassa o seu limite de carga nesse caso tratase do limite de escoamento como veremos com mais detalhes na Unidade 2 ocorre uma deformação irreversível do componente ou seja ao retirar a carga o componente permanece deformado Essa deformação pode ser detectada por inspeções antes que esta peça venha a se romper causando uma falha mais grave Essa propriedade é bastante importante quando trabalhamos com produtos onde existe a necessidade de um nível de segurança como em partes mecânicas de automóveis aviões ou de estruturas de guindastes A ruptura da peça nesse caso pode ser catastrófica A figura a seguir apresenta o aspecto de fratura de um material metálico dúctil e de um material frágil A fratura do material dúctil apresenta deformação localizada UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 6 O que é um material dúctil O que se entende por material frágil Não se preocupe em responder esses questionamentos agora Anote esse termos Eles serão detalhados e exemplificados nos próximos tópicos e unidades 32 MATERIAIS CERÂMICOS Os materiais cerâmicos são em sua maioria constituídos de óxidos metálicos As ligações químicas desses materiais podem ser iônicas ou covalentes estaremos estudando as características dessas ligações no tópico 2 dessa unidade Diferente dos metais as cerâmicas normalmente apresentam estruturas mais complexas e menos simétricas Esse fato aliado ao tipo de ligação faz com que a deformação da peça antes da ruptura seja praticamente nula o componente rompe rapidamente ao atingir seu limite de resistência A situação descrita acima é crítica quando pensamos em aplicações mecânicas com restrições de segurança Outra característica importante dos materiais cerâmicos é que estes apresentam uma sensibilidade maior a defeitos de fabricação A presença de trincas muitas vezes não detectáveis torna o limite de resistência mais baixo do que o calculado no projeto do componente sem falhas Por esse motivo em alguns casos testes mecânicos prévios desses componentes são necessários para garantir uma resistência mecânica mínima exigida pela aplicação FIGURA 1 FRATURA DE MATERIAL DÚCTIL À ESQUERDA E FRÁGIL À DIREITA FONTE Callister 2007 ESTUDOS FUTUROS TÓPICO 1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS 7 Por outro lado algumas características dos materiais cerâmicos os tornam a melhor escolha para determinadas aplicações ausência de elétrons livres culminando em elevada rigidez dielétrica e baixa condutividade elétrica o que os torna excelentes isolantes elétricos a baixa condutividade térmica permite a aplicação como material refratário isolando o calor de um processo do ambiente protegendo os materiais metálicos que revestem determinados equipamentos a característica de rigidez de suas ligações químicas culmina em materiais com elevada dureza tornandoos excelentes materiais abrasivos de usinagem de materiais metálicos ou para aplicações onde se deseja diminuir o desgaste mecânico a combinação entre suas características estéticas e resistência ao desgaste os torna uma escolha interessante no desenvolvimento de biomateriais como próteses dentárias as translucides dos vidros e suas propriedades de refração da luz permitem a fabricação de diversos objetos decorativos e técnicos incluindo lentes para aplicações diversas as características de pega hidráulica e propriedades mecânicas após cura isolamento térmico e baixo custo permitem a utilização de gesso e cimentos em larga escala para construção e revestimento de edificações Os materiais cerâmicos são utilizados atualmente em diversos setores seja como isoladores em linhas de transmissão de energia como blocos estruturais para edifícios cimentos vidros para janelas frascos vitrocerâmicos para fogões substratos para catalisadores e próteses biocompatíveis UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 8 FIGURA 2 COMPONENTE CERÂMICO SUBSTRATO DE CATALISADOR DE CORDIERITA FONTE INESCAP Disponível em httpwwwinescapcombrengproddoc html Acesso em 25 fev 2012 33 POLÍMEROS Os materiais poliméricos são de base orgânica contêm carbono C Esses materiais assim como os metais e cerâmicas podem ser caracterizados por um agrupamento de átomos que formam uma estrutura que se repete indefinidamente no material No caso dos polímeros essa estrutura é chamada de mero Um polímero pode ser definido então como um conjunto de meros As ligações químicas nesse tipo de material são normalmente de caráter covalente Apesar de a ligação química do tipo covalente ser forte os polímeros apresentam como uma das suas principais características a elevada maleabilidade Esse comportamento em primeira análise nos parece contraditório porém é explicado pela presença de ligações secundárias Um polímero consiste em várias cadeias poliméricas normalmente de longo tamanho que mantêm interações de coesão entre si por forças secundárias como pontes de hidrogênio Estas ligações mais fracas explicam a facilidade de deformação desses materiais pois a deformação ocorre pelo deslocamento das cadeias poliméricas TÓPICO 1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS 9 Uma das características principais dos polímeros é a sua facilidade de processamento em baixas temperaturas da ordem de 200C bem como a sua boa relação entre densidade e propriedades mecânicas Para muitos casos os polímeros podem ter resistência mecânica suficiente para substituir partes metálicas com diminuição do peso do componente e também do produto Esse fato normalmente implica em menores custos de transporte e economia de combustível dentre outros e é a tendência que observamos nas últimas décadas no desenvolvimento dos automóveis Assim como nos metais as propriedades dos polímeros podem ser alteradas nesse caso essencialmente pelo tamanho das cadeias poliméricas e seu grau de cristalinidade Os polímeros apresentam diversas propriedades que os tornam interessantes para determinadas aplicações embora também apresentem limitações intrínsecas Normalmente apresentam baixa resistência ao calor e podem sofrer degradação quando expostos a intempéries Essa degradação consiste na quebra de ligações pela presença de raios UV provenientes da luz solar As aplicações dos polímeros são das mais diversas desde recipientes e utensílios domésticos em polipropileno PP e polietileno PE até componentes automotivos em Nylon ABS ou borrachas Os polímeros também podem ser reforçados por outros tipos de materiais sendo então classificados como compósitos os quais serão discutidos no item a seguir FIGURA 3 ENGRENAGENS DE NYLON FONTE MECÂNICA OURINHENSE Disponível em httpwww mecanicaourinhensecombrengrenagemdecorrentetransportadora php Acesso em 25 fev 2012 UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 10 34 COMPÓSITOS Vimos nos itens anteriores que os diferentes tipos de materiais apresentam características que os tornam interessantes para determinadas aplicações porém apresentam também limitações A busca de propriedades ótimas para aplicações específicas motivou o estudo dos materiais compósitos Um material compósito consiste na junção em um mesmo material de duas ou mais classes de materiais metais polímeros ou cerâmicas para o desenvolvimento de um novo material com propriedades muitas vezes superiores às apresentadas pelos componentes separadamente ou seja ocorre uma sinergia entre os componentes utilizados É possível por exemplo melhorar as propriedades mecânicas de um material polimérico resina epóxi poliuretano adicionando certa quantidade de fibras de vidro material cerâmico de tamanho e características controladas Chamamos esse tipo de material de fibra de vidro sendo bastante empregado na indústria naval reservatórios de água e piscinas dentre outros A melhora na resistência mecânica do componente nesse caso se dá pela transferência da carga mecânica do polímero para a fibra que é mais rígida que a matriz polimérica No entanto um fator importante é a qualidade da interface entre a fibra de vidro e o polímero a adesão de dois materiais com características físicoquímicas tão distintas muitas vezes precisa ser auxiliada por um tratamento superficial da superfície das fibras Ou seja precisamos compatibilizar a fibra para que esta fique aderida corretamente ao polímero Quando desejamos unir a resistência à abrasão elevada mantendo a resistência a impactos e deformações podemos utilizar um material compósito que seja capaz de suprir essa necessidade É o caso do metal duro na indústria comumente chamado de Widea O metal duro consiste em uma matriz metálica Co Ni com partículas cerâmicas WC carbeto de tungstênio A fase cerâmica é responsável pela elevada dureza e resistência a abrasão enquanto a matriz metálica dissipa o calor gerado e absorve impacto e trepidação Pastilhas de usinagem confeccionadas nesse tipo de material apresentam propriedades adequadas para usinagem de metais com dureza elevada bem como para usinagem a seco de materiais cerâmicos Compósitos de base polimérica com adição de metais são utilizados para desenvolvimento de propriedades de semicondutividade a concentração e interpolação das partículas do metal condutor na matriz polimérica irão definir a condutividade desse material sendo interessante nos casos onde se deseja obter condutividades controladas para determinadas aplicações bem como onde as propriedades do polímero são adequadas TÓPICO 1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS 11 FIGURA 4 OS COMPÓSITOS DE FIBRA DE VIDRO SÃO UTILIZADOS NA FABRICAÇÃO DE BARCOS E LANCHAS FONTE VALE NÁUTICO Disponível em httpwwwvalenauticocombr sitekey81 Acesso em 25 fev 2012 35 SEMICONDUTORES Os materiais semicondutores apresentam condutividade elétrica intermediária entre metais condutores e materiais intrinsecamente isolantes como é o caso da maioria das cerâmicas Normalmente o nível dessa condutividade é afetado por variações pequenas na quantidade de determinadas impurezas sendo esse um ponto chave no desenvolvimento desses materiais Com o advento dos semicondutores puderam ser desenvolvidos transistores e diodos os quais são fundamentais para o campo da eletrônica Esses dispositivos têm além da capacidade de amplificar um sinal elétrico a propriedade de atuarem como interruptores Isto é particularmente importante visto que a tecnologia digital opera em sistemas binários algumas vezes designados por 0 e 1 que podem corresponder a ligado e desligado para cada transistor Assim dados e equações podem ser armazenados em chips de silício nos computadores calculadoras celulares e inúmeros equipamentos 36 BIOMATERIAIS A função dos biomateriais como o nome indica é a de substituir partes do corpo danificadas ou doentes Podemos produzir biomateriais utilizando cerâmicas polímeros metais semicondutores ou compósitos Uma das principais características desses materiais é a não liberação de produtos tóxicos e biocompatibilidade ou seja não devem sofrer rejeição por parte do organismo receptor Próteses dentárias ósseas estéticas próteses de silicone e marcapassos são exemplos de biomateriais UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 12 4 ESTRUTURA ATÔMICA A explicação para o comportamento macroscópico dos materiais tem sua origem em suas características atômicas tipos de átomos e arranjo entre eles no que chamamos de estrutura No entanto para compreendermos as características de arranjo entre os átomos é necessário relembrarmos alguns conceitos de química e física os quais você já estudou nas respectivas disciplinas Os átomos são unidades compostas por partículas subatômicas que se diferem pela sua carga e massa prótons elétrons e nêutrons Os átomos possuem um núcleo e esse núcleo é composto por prótons e nêutrons que são unidades muito pequenas Prótons e nêutrons apresentam massa semelhante entre si 167 x 1027 Kg A principal diferença entre prótons e nêutrons é que os prótons apresentam carga positiva 160 x 1019 C enquanto os nêutrons não apresentam carga Os elétrons apresentam carga de mesma magnitude dos prótons 160 x 10 19C porém negativa Outra diferença fundamental entre os elétrons e prótons é a sua massa 911 x 1031 Kg ou seja os elétrons são cerca de 10000 vezes mais leves O átomo composto de prótons e nêutrons partículas mais pesadas fica agrupado em um núcleo enquanto os elétrons partículas mais leves circulam ao redor deste núcleo Podemos concluir também que o núcleo apresenta carga positiva pela presença dos prótons FIGURA 5 O ÁTOMO FONTE O autor A quantidade de prótons do núcleo do átomo irá determinar o número atômico Z e o tipo de átomo Essa informação consequentemente caracteriza um elemento químico Cada elemento apresenta um número específico de prótons Se o átomo estiver em seu estado neutro o número de elétrons será igual ao número de prótons lembrese de que a magnitude da carga do elétron e do próton é a mesma porém de sinal contrário TÓPICO 1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS 13 A forma como os átomos se agrupam no material sólido não é totalmente densa Existem vazios entre os átomos e a densidade do sólido irá depender dessa quantidade de vazios No tópico 3 iremos calcular a densidade do chumbo a partir da massa atômica e seu arranjo cristalino Portanto não somente o conhecimento das características dos átomos como por exemplo a sua massa atômica A é suficiente para explicar os diferentes comportamentos macroscópicos dos materiais Além da forma como os átomos são arranjados tanto a magnitude como o tipo de ligação entre os átomos no material sólido se relacionam com algumas propriedades desses sólidos É do estudo dessas forças que estaremos tratando no próximo tópico A massa atômica A é a massa de um átomo do elemento Essa massa é caracterizada pela soma das massas de cada próton e cada nêutron do elemento Nessa conta se exclui a massa dos elétrons pois neste caso esta é praticamente desprezível Um mesmo elemento pode ter diferentes quantidades de nêutrons e apresentará massas ligeiramente diferentes Eles são chamados de isótopos Podemos imaginar então a partir das premissas descritas acima que algumas propriedades físicas como a densidade e a massa dos materiais apresentam alguma relação com a quantidade de prótons e nêutrons dos núcleos dos seus elementos Vamos analisar este exemplo Da observação da tabela periódica podemos constatar que o alumínio Al apresenta número atômico Z13 e massa atômica A26982 enquanto o chumbo Pb apresenta Z82 e A20719 Portanto podemos esperar que 1m3 de chumbo metálico apresente maior massa quando comparado a 1m3 de alumínio metálico No entanto é importante observar que a densidade destes metais no estado sólido em temperatura ambiente não depende somente da massa atômica mas também de outros fatores como o seu arranjo atômico ou seja de sua estrutura Assim para calcularmos a densidade e posteriormente a massa de 1m3 dos materiais citados precisaremos de informações a respeito de como estes átomos ficam arranjados no sólido e quantidade de vazios em cada estrutura ATENCAO 14 Neste tópico estudamos alguns conceitos fundamentais da ciência dos materiais A seguir apresentamos um resumo dos principais pontos abordados Apresentamos uma perspectiva histórica do desenvolvimento dos materiais enfatizando a sua importância no desenvolvimento tecnológico Foram discutidos alguns dos aspectos principais relativos às diferentes classes de materiais e suas aplicações em função de suas propriedades Compreendemos que o conhecimento da estrutura do átomo é insuficiente para entendermos as propriedades macroscópicas dos materiais sendo necessário obter informações a respeito de suas ligações e arranjo desses átomos no material RESUMO DO TÓPICO 1 15 Caroa acadêmicoa para melhor fixar o conteúdo da unidade sugerimos que desenvolva as seguintes atividades 1 Descreva com suas palavras a importância da ciência dos materiais para a sociedade moderna 2 Defina quais são as principais características que diferenciam metais polímeros cerâmicas e compósitos 3 Defina as características de cada partícula subatômica prótons elétrons e nêutrons AUTOATIVIDADE 17 TÓPICO 2 LIGAÇÕES QUÍMICAS UNIDADE 1 1 INTRODUÇÃO As características das ligações químicas dos materiais estão relacionadas diretamente com as suas propriedades Por esse motivo tornase muito importante conhecermos os princípios que governam essas ligações nos sólidos Quando analisamos o comportamento mecânico ou térmico de um material o conhecimento da origem do comportamento macroscópico observado é importante para interpretarmos os resultados obtidos Neste tópico estudaremos os princípios de equilíbrio das forças das ligações químicas bem como os tipos de ligação e suas características relacionadas às propriedades de cada classe de material 2 LIGAÇÕES ATÔMICAS NOS MATERIAIS Sabemos que um material sólido é composto por um número muito grande de átomos e que conforme estudamos anteriormente estes átomos são compostos por elétrons prótons e nêutrons A própria estrutura do átomo é resultante do equilíbrio das forças de atração e repulsão entre o núcleo positivo e os elétrons que apresentam carga negativa Para facilitar a nossa incursão na análise das ligações atômicas vamos imaginar a unidade mais simples possível a ligação entre apenas dois átomos Quais fenômenos físicos vocês esperam observar ao aproximarmos dois átomos FIGURA 6 ÁTOMOS SEPARADOS POR UMA DISTÂNCIA D FONTE O autor UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 18 Considerando que em um estado inicial que promovemos existe uma grande distância entre os dois átomos d Nesse caso as forças entre estes dois átomos podem ser consideradas desprezíveis No entanto ao aproximarmos os dois átomos surgem dois tipos de forças uma atrativa e outra repulsiva cujas magnitudes irão depender das características de ligação entre estes átomos Ao aproximarmos os dois átomos a ponto de suas camadas de elétrons se sobreporem ocorre um aumento na força de repulsão A força líquida FL entre dois átomos é a soma entre a força de repulsão e a força de atração e como podemos imaginar irá depender da distância entre os dois átomos FL FA FR Se ao aproximarmos dois átomos existem duas forças concorrentes atração e repulsão podemos supor que a uma determinada distância entre estes átomos a força resultante entre estes é nula ou seja FA FR 0 De fato esse estado de equilíbrio existe e pode ser representado pela figura a seguir Para facilitar o nosso entendimento vamos considerar a energia resultante dessas forças ao invés de analisarmos as forças envolvidas A energia pode ser obtida a partir da equação a seguir E F dr A figura a seguir mostra um gráfico esquemático da soma das energias de atração e repulsão entre dois átomos FIGURA 7 ENERGIA POTENCIAL EM FUNÇÃO DA SEPARAÇÃO INTERATÔMICA FONTE Callister 2007 TÓPICO 2 LIGAÇÕES QUÍMICAS 19 Vamos imaginar que a curva descrita na figura funciona como uma rampa e que depositamos uma esfera no ponto A A esfera está em equilíbrio no ponto A e não irá se movimentar a menos que coloquemos alguma energia mecânica que a faça se movimentar para o lado direito ou esquerdo Ao movimentarmos a esfera para o lado direito por um curto percurso e ao liberarmos a esfera a mesma retornará ao ponto A O mesmo acontece ao movimentarmos a esfera para a esquerda a esfera retorna ao ponto A que é o de menor energia FIGURA 8 CURVA DE ENERGIA DE LIGAÇÃO APLICANDO EXEMPLO DAS ESFERAS FONTE O autor Se entendermos esse fenômeno poderemos compreender que existe uma distância entre os dois átomos onde o valor da soma entre a energia repulsiva e atrativa é nula que consiste em um ponto de equilíbrio e que coincide com o valor da energia de ligação E0 Portanto chegamos a um ponto muito importante em um material sólido se um átomo se liga a diferentes átomos por ligações químicas existe uma força de coesão entre esses átomos e um estado de equilíbrio Dessa forma diferentes tipos de ligações e as magnitudes dessas energias no equilíbrio irão resultar em materiais de diferentes propriedades como dureza resistência mecânica ponto de fusão dentre outras governadas por esta energia de ligação Na prática diferentes materiais apresentam curvas de energia de ligação diferentes o que gera valores de energia de ligação e distância interatômica diferentes Repulsão Atração d E UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 20 A seguir estudaremos os tipos de ligações predominantes nos materiais sólidos 3 LIGAÇÕES PRIMÁRIAS 31 LIGAÇÕES IÔNICAS Aprendemos nas disciplinas de química que os átomos tendem através de ligação química com outros átomos a adquirir a configuração eletrônica dos gases inertes estáveis A ligação do tipo iônica sempre envolve átomos metálicos e não metálicos sendo que o metal nesse tipo de ligação perde seu elétron de valência e o átomo não metálico o recebe No entanto essa permuta tem como consequência a geração de uma carga elétrica tornandoos íons o que caracteriza a ligação iônica Os átomos isoladamente apresentavam uma estrutura neutra de carga porém após ligação apresentam carga positiva o que doou o elétron e negativa o que recebeu elétron No entanto no material sólido não existem apenas dois átomos mas uma infinidade destes O que ocorre neste caso é uma atração entre átomos vizinhos de carga positiva e negativa e a essa energia de atração damos o nome de energia de ligação iônica As forças de atração são chamadas de Forças de Coulomb A figura a seguir mostra um exemplo esquemático desse tipo de ligação A energia de ligação E0 é diferente para cada tipo de material Um material mais rígido tem maior energia de ligação e um material mais maleável apresenta menor energia de ligação ATENCAO TÓPICO 2 LIGAÇÕES QUÍMICAS 21 FIGURA 9 ESQUEMA DAS LIGAÇÕES QUÍMICAS DO TIPO IÔNICA NO CLORETO DE SÓDIO SAL DE COZINHA FONTE Callister 2007 32 LIGAÇÕES COVALENTES Nesse tipo de ligação um ou mais elétrons são compartilhados entre os átomos ou seja os elétrons compartilhados não pertencem a um átomo específico Da mesma forma que na ligação iônica os átomos adquirem dessa forma a estrutura eletrônica estável A ligação covalente tende a ocorrer quando a diferença de eletronegatividade entre os átomos envolvidos é pequena As ligações covalentes podem apresentar energia de ligação bastante elevada como também relativamente baixas dependendo dos tipos de átomos envolvidos A figura a seguir mostra uma molécula de metano CH4 Observe que a ligação entre os átomos de C e H apresenta compartilhamento de elétrons FIGURA 10 LIGAÇÕES QUÍMICAS DO CH4 FONTE Callister 2007 Força de ligação de Coulomb Elétron compartilhado do carbono Elétron compartilhado do hidrogênio UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 22 Observem que quando tratamos de características dos átomos e ligações químicas um aspecto comum é a existência de um equilíbrio entre as forças de atração e repulsão entre cargas negativas e positivas de prótons elétrons e íons FIGURA 11 LIGAÇÃO METÁLICA FONTE Callister 2007 33 LIGAÇÕES METÁLICAS As ligações metálicas apresentam uma característica bastante interessante que as distingue das ligações de caráter iônica e covalente Os átomos de um metal apresentam geralmente de um a três elétrons na camada de valência No sólido metálico estes elétrons não pertencem a nenhum átomo específico mas formam uma nuvem de elétrons ao que chamamos de elétrons livres já havíamos citado esse termo no tópico anterior Os elétrons das camadas interiores juntamente com os núcleos positivos formam uma estrutura iônica que é eletricamente estabilizada pela nuvem de elétrons A figura a seguir mostra esquematicamente a estrutura dos átomos em um material metálico Núcleos dos íons Nuvem de elétrons de valência ATENCAO TÓPICO 2 LIGAÇÕES QUÍMICAS 23 4 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS FIGURA 12 LIGAÇÃO SECUNDÁRIA DO TIPO PONTE DE HIDROGÊNIO FONTE Callister 2007 5 TIPOS DE LIGAÇÕES PREDOMINANTES EM METAIS CERÂMICAS E POLÍMEROS Como abordamos nos itens anteriores podem existir nos materiais sólidos ligações primárias mais fortes e secundárias mais fracas As ligações primárias são classificadas em iônica covalente ou metálica e as secundárias podem ser de vários tipos sendo mais comuns nos materiais sólidos as do tipo ponte de hidrogênio e de Van der Waals As ligações iônicas são predominantes em materiais cerâmicos como por exemplo nas cerâmicas óxidas vidro porcelana alumina dentre outras A alumina Al2O3 por exemplo é composta por átomos metálicos Al e não metálicos O combinação que é característica desse tipo de ligação A energia de ligação iônica e por consequência da maioria dos materiais cerâmicos tende a ser bastante elevada Portanto podemos imaginar que é necessária uma elevada energia para separar esses átomos Vimos anteriormente que nas ligações iônicas os átomos doadores e receptores de elétrons adquirem caráter positivo e negativo Se considerarmos uma molécula como por exemplo a do HF fluoreto de hidrogênio cuja ligação é de caráter iônico podemos constatar que a extremidade que contém o H apresenta caráter positivo enquanto a extremidade de F apresenta caráter negativo Quando aproximamos duas moléculas de HF o H positivo de uma das moléculas é atraído pelo F negativo da outra molécula Temos nesse caso um exemplo de força de ligação secundária do tipo ponte de hidrogênio conforme a figura a seguir As ligações secundárias surgem quando existe uma separação entre a parte positiva e negativa das moléculas ou átomos gerando uma atração entre as partes de carga contrária Normalmente esse tipo de ligação apresenta energia de ligação bem inferior ao das ligações primárias UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 24 A elevada energia de ligação nas cerâmicas também implica em uma elevada rigidez do material ou seja é necessário aplicar forças elevadas para deformar esses tipos de materiais De fato os materiais cerâmicos poderiam ser referência em termos de resistência mecânica porém outros fatores acabam por limitar a sua confiabilidade em aplicações mecânicas como será abordado nos tópicos posteriores Os materiais poliméricos apresentam como base ligações químicas do tipo CH e CC que são do tipo covalente Essas são ligações primárias porém nesse caso não conseguimos obter uma correlação direta desses valores com a temperatura de fusão dos materiais poliméricos Os polímeros em geral são processados em baixas temperaturas em processos como o de injeção onde as temperaturas são geralmente em torno de 200C Para entendermos essa discrepância precisamos entender que a estrutura de arranjo dos átomos nos polímeros é em forma de longas cadeias Os átomos nessas cadeias apresentam uma energia de ligação elevada ligações primárias porém a energia que inibe a deformação dessas cadeias é originada das forças secundárias existentes entre estas cadeias que são de baixa magnitude Esse comportamento também explica a relativa facilidade de deformarmos esse tipo de material Tipo de ligação Substância Energia de ligação Temperatura de fusão ºC kJmol eVátomo Ìon Molécula Iônica NaCl 640 33 801 Covalente C diamante 713 74 3550 Metálica Fe 406 42 1538 Van der Waals Cl2 31 032 101 Hidrogênio H2O 51 052 0 QUADRO 1 PONTO DE FUSÃO E ENERGIA DE LIGAÇÃO FONTE Callister 2007 Se compararmos a energia de ligação desses átomos com o ponto de fusão desses materiais constataremos que como podemos ver no quadro a seguir existe uma relação interessante energias de ligação mais elevada implicam em ponto de fusão mais elevado Não é coincidência que os materiais cerâmicos apresentam normalmente elevado ponto de fusão e são em alguns casos utilizados para revestir fornos onde são fundidas ligas metálicas cuja temperatura de fusão é menor TÓPICO 2 LIGAÇÕES QUÍMICAS 25 A título de visualização podemos imaginar a estrutura de cadeias dos materiais poliméricos de forma semelhante à de um prato de espaguete Considere que cada fio do macarrão corresponde a uma cadeia do polímero que por conseguinte é composta de inúmeras ligações químicas contendo C e H primárias covalentes e relativamente rígidas Para quebrarmos um fio de macarrão é necessária determinada força Porém para movimentarmos os fios de macarrão entre si a força necessária é bem menor Na maioria dos polímeros nesse caso mais especificamente tratamos dos termopláticos o agrupamento dessas cadeias é mantido pelas forças secundárias Nos metais temos predominantemente ligações metálicas onde os elétrons de valência não estão ligados a átomos específicos formando uma nuvem eletrônica chamada de elétrons livres Os metais apresentam pontos de fusão variados dependendo da sua energia de ligação Os elétrons livres são responsáveis pela capacidade de conduzir elétrons característica importante dos materiais metálicos enquanto a falta de mobilidade dos elétrons nos materiais poliméricos e cerâmicos os torna intrinsecamente isolantes Outras propriedades dos materiais metálicos irão se relacionar com a energia de ligação e o tipo de ligação embora a estrutura de arranjo atômico seja em grande parcela determinante dessas características como veremos no tópico a seguir UNI 26 Neste tópico estudamos as ligações químicas dos materiais A seguir apresentamos um resumo dos principais pontos abordados A ligação entre os átomos no material é função do equilíbrio entre as energias de atração e repulsão Em função dos átomos envolvidos diferentes tipos de ligação primária podem ocorrer metálica iônica ou covalente Essas ligações apresentam características e energia de ligações específicas que determinam as propriedades das diferentes classes dos materiais As propriedades físicas dos materiais poliméricos dependem fortemente das características das suas ligações secundárias RESUMO DO TÓPICO 2 27 AUTOATIVIDADE Caroa acadêmicoa para melhor fixar o conteúdo da unidade sugerimos que desenvolva as seguintes atividades 1 Descreva com suas palavras a origem da energia de ligação entre os átomos 2 Descreva quais são os tipos de ligação entre átomos 3 Quais os tipos de ligação predominantes em cada classe de materiais 4 Qual a relação entre o ponto de fusão e a magnitude da energia de ligação 29 TÓPICO 3 TIPOS DE ESTRUTURA CRISTALINA UNIDADE 1 1 INTRODUÇÃO Compreendemos no tópico anterior que o tipo de ligação dos átomos e a energia de ligação química são características importantes para classificarmos e entendermos o comportamento dos materiais No entanto essas informações são insuficientes para entendermos completamente as suas propriedades macroscópicas Nesse tópico estudaremos como os átomos se arranjam na estrutura dos sólidos e como esse arranjo atômico pode ser determinante no comportamento dos mesmos 2 ESTRUTURAS TÍPICAS DOS METAIS Os metais caracterizados pela ligação metálica apresentam na maioria dos casos estruturas de arranjo atômico relativamente simples e de elevada simetria Esse comportamento se deve ao fato de a ligação metálica ser não direcional o que implica em elevado número de átomos vizinhos Esse elevado número de átomos vizinhos resulta em um grande empacotamento de átomos o que culmina nos altos valores de densidade observados na prática nos materiais metálicos quando comparados aos polímeros e cerâmicas Um material metálico apresenta inúmeros átomos ligados entre si Se analisarmos essa estrutura mais de perto poderemos constatar que ela consiste em um arranjo de átomos que se repete indefinidamente pelo material A essa pequena porção ou agrupamento de átomos que representa o arranjo atômico do material dáse o nome de célula unitária Na prática o material é constituído pelo agrupamento desses pequenos tijolos Como sabemos os diferentes átomos metálicos apresentam raios iônicos e distâncias interatômicas diferentes O número de átomos vizinhos também será função do número de ligações necessárias para formar uma estrutura estável Dessa forma temos células unitárias diferentes cujos tamanhos e densidades também irão depender desses fatores A seguir estudaremos os tipos de célula unitárias mais comuns nos metais UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 30 21 CÚBICA DE FACES CENTRADAS A estrutura cúbica de faces centradas CFC é apresentada na figura a seguir Essa estrutura é típica de muitos metais comerciais como por exemplo o alumínio o chumbo e o ouro As estruturas cúbicas obviamente contêm arestas de igual comprimento No caso da estrutura CFC quatro átomos ocupam as arestas e seis átomos ficam localizados em cada face do cubo Se pensarmos somente na fração dos átomos que ocupam o interior do cubo podemos fazer algumas observações importantes a respeito dessa estrutura O número de coordenação ou seja o número de átomos que estão ligados a cada um dos átomos é 12 Para visualizarmos isso basta observarmos o átomo da face frontal ele faz ligação com os quatro átomos dos vértices de sua respectiva face com quatro átomos que estão nas faces de sua célula unitária e mais quatro átomos das faces da célula unitária que se posiciona à frente da célula unitária mostrada na figura Se conhecermos o raio atômico do átomo que estamos estudando podemos geometricamente calcular o comprimento da aresta do cubo a De posse desse valor podemos calcular o volume da célula unitária a3 Podemos obter o número de átomos contidos em uma célula unitária Cada átomo da face pertence a duas outras células unitárias adjacentes e cada átomo da aresta pertence a quatro outras células unitárias Assim cada átomo da face contribui com ½ átomo e cada átomo da aresta contribui com ¼ de átomo por célula De posse dessa informação é simples calcularmos quantos átomos há em cada célula unitária CFC Se soubermos quantos átomos existem em cada célula e a massa de cada átomo de um determinado material podemos calcular a massa de uma célula unitária Se calcularmos o volume da célula unitária e sua massa podemos obter a sua densidade Podemos obter também o percentual de ocupação dos átomos nessa célula ou fator de empacotamento atômico FEA FIGURA 13 CÉLULA UNITÁRIA DO TIPO CFC FIGURA 14 CÉLULA UNITÁRIA CFC INDICANDO AS RELAÇÕES GEOMÉTRICAS Assim para o caso do chumbo temos UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 34 O que na prática indica que 74 da célula unitária é ocupada por átomos e 26 são vazios 22 CÚBICA DE CORPO CENTRADO A estrutura do tipo cúbica de corpo centrado CCC é típica dos materiais ferrosos aços ferros fundidos em temperatura ambiente Diferentemente da estrutura CFC os átomos das faces do cubo são substituídos por um átomo do centro do cubo Dessa forma em cada célula unitária temos dois átomos um no centro e ¼ de átomo em cada aresta vejam a figura a seguir FIGURA 15 CÉLULA UNITÁRIA DO TIPO CÚBICA DO CORPO CENTRADO CCC FONTE Callister 2007 O número de coordenação para a estrutura CCC é 8 que é inferior ao da CFC Dessa forma o fator de empacotamento é menor 068 A aresta da célula CCC é obtida a partir do raio atômico pela equação a 4R 3 A aresta da face do cubo de uma célula CCC volume da célula e fator de empacotamento podem ser deduzidos de forma semelhante ao apresentado anteriormente para a célula do tipo CFC Para isso precisamos compreender que na estrutura CCC existe um triângulo retângulo onde a hipotenusa é uma das diagonais internas do cubo e que esta apresenta comprimento igual a 4r UNI TÓPICO 3 TIPOS DE ESTRUTURA CRISTALINA 35 23 HEXAGONAL COMPACTA Alguns metais como o zinco cádmio magnésio e titânio apresentam estrutura do tipo hexagonal compacta figura a seguir A estrutura hexagonal compacta é composta por três planos dois conjuntos de seis átomos que se arranjam na forma de um hexágono apresentando um átomo adicional no centro deste e um plano contendo três átomos que se localiza entre os dos conjuntos hexagonais No interior dessa estrutura se concentra o equivalente a seis átomos 16 de átomo em cada um dos 12 vértices da estrutura Cada um dos dois átomos nos centros dos hexágonos contribui com ½ átomo Os três átomos do plano intermediário estão completamente inseridos na estrutura contabilizando três átomos para o nosso cálculo Como a estrutura não é cúbica neste caso se caracteriza a sua relação geométrica pela razão ca conforme figura a seguir Essa razão é adimensional e corresponde a 1633 no entanto para alguns materiais a estrutura apresenta diferenças nesse valor O número de coordenação é 12 e o fator de empacotamento atômico FEA é 074 de forma idêntica ao apresentado pela estrutura do tipo CFC Estes valores podem também ser geometricamente calculados FIGURA 16 CÉLULA UNITÁRIA DO TIPO HEXAGONAL COMPACTA FONTE Callister 2007 36 UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 3 ESTRUTURAS CRISTALINAS DE MATERIAIS CERÂMICOS Diferentemente dos metais o materiais cerâmicos com poucas exceções são compostos por dois ou mais elementos químicos Esses átomos apresentam raios atômicos muitas vezes bastante diferentes entre si resultando em estruturas mais complexas que as dos metais Devemos lembrar também que nas ligações iônicas os átomos devem ser considerados como cátions e ânions com carga positiva e negativa As magnitudes dessas cargas e tamanho dos ânions envolvidos irão determinar a forma como estes átomos irão se arranjar no sólido O número de coordenação irá depender da razão entre os raios iônicos do cátion e do ânion rcra Quanto menor a diferença entre os raios dos íons ou seja para razões rcra mais próximas de 1 maior tende a ser o número de coordenação para a formação de uma estrutura estável Os materiais cerâmicos apresentam tipicamente número de coordenação de 4 6 e 8 Isso acontece porque para que a estrutura seja estável é necessário que haja contato entre o cátion e os ânions figura a seguir Se a diferença entre os raios for muito grande a única forma que permite que os átomos estejam em contato é de número de coordenação 2 Diferenças menores entre esses raios permitem que mais átomos possam ser agrupados mantendo a condição de que estes estejam em contato e a estrutura seja estável FIGURA 17 COORDENAÇÃO ÂNIONS E CÁTIONS FONTE Callister 2007 Podemos fazer um contraponto interessante ao que foi abordado no item anterior Nos metais puros a relação entre os raios dos átomos vizinhos é igual a 1 o raio dos átomos é igual Por esse motivo as estruturas dos metais tendem a ser mais compactas Estas estruturas apresentam maior número de coordenação e consequentemente maior fator de empacotamento Nos materiais cerâmicos temos átomos com raios iônicos diferentes o que restringe o empacotamento Essa restrição é tão maior quanto maior for a diferença entre os raios iônicos UNI TÓPICO 3 TIPOS DE ESTRUTURA CRISTALINA 37 Embora alguns materiais cerâmicos possam ser caracterizados em estruturas cúbicas semelhantes à CFC NaCl MgO MnS dentre outros os materiais mais comuns utilizados na engenharia de produtos são à base de silicato Os silicatos apresentam arranjos pouco densos mais complexos que os apresentados pelos metais A sílica SiO2 estrutura mais simples dos silicatos pode se apresentar em três formas polimórficas diferentes quartzo tridimita e cristobalita e é composta por tetraedros contendo um átomo de Si cercado por 4 átomos de O Esses tetraedros apresentam carga negativa 4 FIGURA 18 CÉLULA UNITÁRIA DA TRIDIMITA FONTE Callister 2007 Os tetraedros SiO4 4 podem formar redes unidimensionais bidimensionais e tridimensionais Essas estruturas apresentam elevada energia de ligação em função das fortes ligações SiO o que justifica a sua elevada temperatura de fusão 1710C A maioria das cerâmicas tradicionais é composta por silicatos tais como o quartzo SiO2 e as argilas xAl2O3ySiO2zH2O estas últimas apresentando estruturas mais complexas 4 ESTRUTURAS MOLECULARES DE POLÍMEROS Quando tratamos de arranjo atômico de polímeros é mais comum analisarmos a sua estrutura molecular De fato assim como nos metais e cerâmicas esse arranjo também pode ser descrito por uma unidade que se repete no material o mero 38 UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS O mero é caracterizado por um conjunto de átomos ligados entre si que representam a menor unidade que se repete dentro do material formando o polímero A união de uma grande quantidade de meros forma a molécula do polímero que é muito mais longa quando comparada a uma célula unitária de um material metálico por exemplo As características dos polímeros irão depender fortemente da forma como estão ligados e arranjados os átomos no mero C e H e da presença de outros tipos de átomos e suas quantidades Cl O S F FIGURA 19 ESTRUTURA MOLECULAR DE UM POLÍMERO FONTE Newell 2010 A figura a seguir mostra alguns meros que caracterizam alguns polímeros comerciais FIGURA 20 MEROS DE POLÍMEROS COMERCIAIS TÓPICO 3 TIPOS DE ESTRUTURA CRISTALINA 39 FONTE Callister 2007 É interessante observar que a presença de átomos como o Cl e o F alteram significativamente as propriedades do polímero embora a estrutura base do monômero seja semelhante Tomemos como exemplo o caso do polietileno embalagens e recipientes domésticos que é obtido pela polimerização do etileno que está no estado gasoso em temperatura ambiente e pressão atmosférica A substituição de um dos H por um átomo de Cl gera o monômero do cloreto de polivinila PVC que apresenta propriedades mecânicas e de resistência a intempéries bastante diferenciadas sendo muito utilizado em tubulações hidráulicas Já a substituição dos átomos de H por F gera o politetrafluoretileno PTFE ou ainda comumente tratado pelo seu nome comercial Teflon que apresenta resistência à temperatura abrasão e características autolimpantes que permitem que possamos por exemplo revestir panelas e frigideiras de forma a facilitar a sua limpeza 40 Neste tópico estudamos os tipos de estrutura cristalina dos materiais A seguir apresentamos um resumo dos principais pontos abordados Nos materiais cristalinos que apresentam ordenação de átomos de longo alcance essa ordenação pode ser descrita por uma unidade da estrutura cristalina chamada de célula unitária Muitos materiais metálicos podem apresentar estruturas cristalinas do tipo cúbica do tipo CCC CFC e menos frequentemente HC A partir do conhecimento do raio atômico e tipo de estrutura cristalina algumas propriedades macroscópicas dos materiais podem ser obtidas Em materiais cerâmicos a estrutura e número de coordenação irão depender fortemente da relação entre os raios iônicos do íon e do cátion Esses materiais geralmente apresentam estruturas menos simétricas que os metais Os materiais poliméricos que apresentam cadeias de longo comprimento são melhores descritos pela sua unidade de repetição chamada de mero RESUMO DO TÓPICO 3 41 Caroa acadêmicoa para melhor fixar o conteúdo da unidade sugerimos que desenvolva as seguintes atividades 1 Defina célula unitária 2 Determine o parâmetro de rede a de uma célula unitária do tipo CCC em função do raio atômico AUTOATIVIDADE 43 TÓPICO 4 CRISTALINIDADE DOS MATERIAIS UNIDADE 1 1 INTRODUÇÃO Vimos nos tópicos anteriores que algumas propriedades dos materiais têm relação direta com as características das ligações químicas Constatamos também que somente estas características não são suficientes para explicar as propriedades macroscópicas desses materiais o tipo de estrutura cristalina ou arranjo espacial destes átomos está ligado às diferentes propriedades de um sólido Neste tópico serão abordados alguns aspectos relacionados à cristalinidade dos materiais ou seja como as células unitárias ou moléculas são organizadas e como esse nível de organização pode afetar as propriedades de um determinado material 2 MATERIAIS MONOCRISTALINOS Quando falamos anteriormente sobre a estrutura dos materiais verificamos que alguns apresentam um arranjo atômico os quais caracterizaram pela célula unitária que é a menor unidade que se repete indefinidamente no material Suponham que estamos em um estado inicial onde a temperatura de um determinado material está acima da sua temperatura de fusão e temos um líquido de composição química homogênea Nessa condição os átomos não estão ligados por forças primárias Ao resfriarmos esse material lentamente um núcleo de material sólido começa a se formar Nesse núcleo os átomos estão se ligando entre si de forma ordenada de acordo com o arranjo descrito em sua célula unitária Várias células unitárias vão sendo formadas nesse núcleo de forma ordenada até a solidificação de todo o líquido Dessa forma teremos ao final do processo um único cristal que é composto por inúmeras células unitárias ordenadas ou seja um monocristal 44 UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS No caso descrito como acontece naturalmente na formação de algumas pedras preciosas a forma do cristal apresenta características geométricas que estão ligadas à geometria da própria célula unitária Ao fraturarmos esse material a ruptura irá ocorrer de acordo com determinado plano das células unitárias alinhadas gerando uma superfície bastante regular Um monocristal pode ser obtido artificialmente embora as condições de processamento sejam extremamente importantes e devem ser cuidadosamente controladas É o caso dos monocristais de silício que apresentam propriedades semicondutoras específicas e são empregados na indústria eletrônica FIGURA 21 MONOCRISTAL DE GRANADA FONTE Callister 2007 3 MATERIAIS POLICRISTALINOS A grande maioria dos materiais cristalinos é composta por um grande número de cristais sendo chamados de policristalinos Quando resfriamos um material a partir do líquido normalmente ocorre a formação de diversos núcleos de material sólido que crescem de forma ordenada formados a partir de várias células unitárias conforme figura 22A Em um determinado estágio da solidificação esses cristais irão se tocar figura 22B No entanto a interface entre os dois cristais ou grãos não é perfeita em função das orientações diferentes das células unitárias de cada cristal devido ao seu crescimento independente A interface entre esses cristais é denominada contorno de grão Figuras 22C e 22D TÓPICO 4 CRISTALINIDADE DOS MATERIAIS 45 FIGURA 22 SOLIDIFICAÇÃO POLICRISTALINA FONTE Callister 2007 Os contornos de grão podem ser considerados defeitos pois nesses pontos existem ligações incompletas Se hipoteticamente pudéssemos construir duas vigas uma de alumínio monocristalino e outra de alumínio policristalino qual delas vocês esperam que seja mais resistente 4 MATERIAIS AMORFOS Um material cristalino monocristalino ou policristalino é aquele que apresenta uma ordenação atômica de longo alcance No caso dos materiais cerâmicos e metálicos por exemplo essa condição é preenchida pela ordenação de células unitárias em cristais de grande tamanho quando comparados a essas células UNI 46 UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS Porém em muitos materiais sólidos a estrutura não apresenta uma ordenação característica e de longo alcance Vimos anteriormente que a sílica SiO2 pode se apresentar em três formas cristalinas quartzo tridimita e cristobalita Além das formas cristalinas citadas a sílica também pode existir no estado amorfo A figura a seguir mostra um esquema bidimensional da sílica cristalina e da sílica amorfa Os tetraedros da sílica amorfa formam uma estrutura irregular enquanto a estrutura da sílica cristalina se apresenta mais ordenada FIGURA 23 SÍLICA CRISTALINA À ESQUERDA E AMORFA À DIREITA FONTE Callister 2007 Alguns materiais em função das suas características químicas têm maior dificuldade em apresentar uma ordenação atômica de longo alcance resultando em materiais amorfos em condições de processamento usuais Além disso a velocidade de resfriamento de um material a partir do estado líquido tem grande influência na sua cristalinidade se um material sólido tipicamente cristalino por exemplo o Fe for resfriado a partir do estado líquido de forma muito brusca pode não haver tempo para o arranjo dos átomos de forma ordenada resultando em um material não cristalino ou amorfo É possível obter materiais amorfos a partir da solidificação controlada de materiais tipicamente cristalinos 5 MATERIAIS SEMICRISTALINOS Alguns materiais apresentam características tanto de materiais cristalinos como de materiais amorfos É o caso de vários tipos de polímeros Os materiais semicristalinos são caracterizados por regiões bem definidas contendo uma ordenação atômica ou molecular caracterizando uma fração cristalina e uma fração amorfa Os materiais poliméricos que são constituídos por moléculas grandes irão naturalmente apresentar restrições para o arranjo ordenado dessas moléculas TÓPICO 4 CRISTALINIDADE DOS MATERIAIS 47 Nesses casos normalmente encontramos uma estrutura mista parte cristalina e parte amorfa Polímeros que são obtidos a partir da conformação de uma massa fundida como é o caso do polietileno polipropileno PVC dentre outros tendem a ser constituídos por cristalitos Os cristalitos são compostos por regiões cristalinas intercaladas por regiões amorfas que podem ser comparadas aos contornos de grão presentes nos materiais metálicos A figura a seguir mostra um esquema de um cristalito FIGURA 24 CRISTALITO FONTE Callister 2007 Alguns materiais tendem a adquirir uma configuração cristalina enquanto outros se apresentam normalmente amorfos em função de características de ligação química tamanho das moléculas envolvidas o que dita a dificuldade ou facilidade em gerar arranjos ordenados de longo alcance Materiais tipicamente cristalinos podem se tornar amorfos se a velocidade de resfriamento a partir do líquido for suficientemente elevada IMPORTANTE 48 Neste tópico estudamos a cristalinidade dos materiais A seguir apresentamos um resumo dos principais pontos abordados Os materiais podem ser classificados como cristalinos policristalinos ou monocristalinos amorfos ou semicristalinos Os materiais semicristalinos apresentam regiões cristalinas intercaladas com regiões amorfas Este é o caso de alguns polímeros e materiais vitrocerâmicos Os materiais monocristalinos ocorrem em situações específicas e podem ser obtidos sob estreito controle do processo de fabricação Esses materiais têm aplicações eletrônicas Um material pode ser intrinsecamente amorfo Alguns materiais cristalinos podem se apresentar amorfos sendo que para isto fazse necessário um resfriamento rápido o suficiente para inibir o arranjo ordenado dos átomos na solidificação RESUMO DO TÓPICO 4 49 Caroa acadêmicoa para melhor fixar o conteúdo da unidade sugerimos que desenvolva as seguintes atividades 1 O que é um monocristal Qual a utilidade de materiais monocristalinos 2 Diferencie um material monocristalino de um material policristalino 3 Defina material amorfo AUTOATIVIDADE UNIDADE 1 52 UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS Além das lacunas existem aleatoriamente no material defeitos chamados de autointersticiais Nesse tipo de defeito um átomo se encontra comprimido em um espaço intersticial dentro da estrutura cristalina gerando uma distorção da rede na vizinhança do defeito A figura a seguir mostra esquematicamente um defeito do tipo autointersticial e um defeito do tipo lacuna FIGURA 25 AUTOINTERSTICIAL E LACUNA FONTE Callister 2007 3 IMPUREZAS Assim como a presença de lacunas em materiais sólidos sempre existe uma quantidade de impurezas ou átomos estranhos na rede cristalina De fato a maioria dos metais comerciais apresenta quantidades consideráveis de átomos diferentes de impureza muitas vezes adicionados de forma proposital com o intuito de se obter propriedades específicas Existem dois tipos de impureza substitucional e intersticial que se caracterizam pela diferença entre o raio atômico do material solvente aquele que se apresenta em maior quantidade Quando a diferença entre o raio atômico do solvente e do soluto é pequena a impureza tende a ser substitucional Nesse caso parte dos átomos do solvente é substituída pelo átomo do soluto criando uma solução sólida Além da diferença entre os raios atômicos a quantidade de soluto que pode ser incorporada na solução irá depender de alguns fatores equivalência de estrutura cristalina e eletronegatividade Se as propriedades dos dois átomos forem próximas em alguns casos a solubilidade pode ser de até 100 Lacuna Autointersticial TÓPICO 5 DEFEITOS DA ESTRUTURA CRISTALINA 53 O cobre e o níquel são exemplos de átomos que formam soluções sólidas substitucionais totais Os seus raios atômicos são respectivamente 0128 e 0125 nm ambos possuem estrutura cristalina CFC o que implica no mesmo formato de arranjo dos átomos e mesmo número de coordenação suas eletronegatividades são respectivamente 19 e 18 As impurezas do tipo intersticial ocorrem quando átomos são solubilizados na estrutura do solvente não por substituição mas pelo alojamento desses átomos estranhos nos interstícios da rede cristalina Sabemos que a estrutura cristalina do ferro Fe é do tipo CCC em temperatura ambiente e que entre os átomos de ferro existem pequenos vazios que podem ser preenchidos por átomos menores como é o caso do carbono C No entanto a solubilidade do tipo intersticial é mais limitada que a do tipo substitucional pois as estruturas dos metais tendem a apresentar um elevado empacotamento resultando em espaços intersticiais reduzidos normalmente menores do que o raio atômico dos átomos do soluto Essa solubilidade geralmente é da ordem de 10 Como o raio do interstício é geralmente menor que o raio atômico do soluto a presença destes átomos tende a distorcer a rede alterando a propriedade do material Este é o caso dos aços e ferros fundidos onde existem concentrações de C no Fe bem como outros elementos de liga em solução sólida intersticial que modificam a dureza resistência mecânica e demais propriedades conforme será discutido no próximo tópico A figura a seguir mostra esquematicamente a presença de impureza substitucional e intersticial FIGURA 26 TIPOS DE IMPUREZA FONTE Callister 2007 54 UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 4 DISCORDÂNCIAS Uma discordância consiste em um defeito onde localmente alguns dos átomos estão fora de alinhamento As discordâncias podem ser de três tipos linear espiral ou mista combinação de linear com espiral A figura a seguir mostra esquematicamente uma discordância do tipo linear FIGURA 27 DISCORDÂNCIA DO TIPO LINEAR FONTE Callister 2007 Vetor de Burgers Discordância em linha Uma discordância do tipo linear consiste na presença de um semiplano extra na rede A linha que se estende ao longo deste semiplano é chamada de linha da discordância Uma discordância em hélice consiste em um corte e um deslocamento da rede em uma distância correspondente a um espaçamento atômico Já uma discordância mista ocorre quando temos os dois tipos de discordância citados em uma região onde não é possível fazer distinção entre ambas As discordâncias podem se movimentar dentro do material na presença de uma energia mecânica De fato isso ocorre nos materiais metálicos onde as características da rede cristalina permitem essa movimentação e como veremos a seguir são responsáveis por algumas características típicas desse tipo de material 5 SISTEMAS DE ESCORREGAMENTO Para que haja a movimentação de uma discordância dentro do material algumas características devem ser observadas Proximidade dos átomos Para a movimentação das discordâncias deve haver o rompimento das ligações de um conjunto de átomos e a formação de nova ligação desses átomos que se movimentaram Portanto quanto maior a distância entre os planos de átomos maior a barreira energética a ser vencida para o deslocamento da discordância TÓPICO 5 DEFEITOS DA ESTRUTURA CRISTALINA 55 Ligações covalentes Como o movimento da discordância requer ruptura de ligações o tipo de ligação e sua energia influenciam na facilidade ou dificuldade do movimento da discordância no material Nos materiais poliméricos as fortes ligações de carbono covalentes impedem a movimentação das discordâncias Ligações iônicas Nos materiais cerâmicos a diferença de carga entre os cátions e ânions faz com que haja uma repulsão e restrição ao movimento dos átomos quando átomos de mesma carga tendem a se aproximar O movimento das discordâncias tende a ocorrer de acordo com sistemas de escorregamento específicos diferentes para cada tipo de estrutura cristalina Como vimos anteriormente a movimentação das discordâncias é facilitada pela proximidade dos átomos Nas diferentes estruturas cristalinas CFC CCC HC temos determinados planos que apresentam maior densidade de átomos Da mesma forma esses planos apresentam direções onde linearmente existe maior concentração de átomos A combinação entre planos compactos e direções compactas gera sistemas de escorregamento que indicam direções preferenciais para a movimentação das discordâncias onde a energia gasta para essa movimentação é menor Quando tracionamos uma barra de aço em temperatura ambiente existe uma tensão aplicada na qual o material se deforma e mesmo se retirarmos essa carga o material permanece deformado permanentemente A essa tensão damos o nome de limite de escoamento σy que é um parâmetro muito utilizado no cálculo de engenharia de componentes mecânicos Em termos de discordâncias essa tensão corresponde ao início da sua movimentação De fato a barra não irá se deformar somente quando houver a ruptura das ligações químicas mas sim quando houver o movimento das discordâncias o que implica em uma tensão mecânica muito mais baixa Se essa barra de aço fosse um monocristal as discordâncias poderiam se movimentar por todo o material e a direção do movimento se daria de acordo com os sistemas de escorregamento da estrutura CCC O movimento das discordâncias geraria o deslizamento paralelo dos planos compactos veja figura a seguir Um material pode ter vários sistemas de escorregamento cada um com uma tensão crítica para o movimento das discordâncias À medida que vamos aumentando a tensão aplicada no material os sistemas de escorregamento vão sendo ativados e as discordâncias nos respectivos planos vão sendo movimentadas 56 UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS FIGURA 28 TRAÇÃO DE UMA BARRA DE MONOCRISTAL FONTE Newell 2010 Alongamento a Antes do Deslizamento b Depois do Deslizamento O quadro a seguir mostra os planos e direções de escorregamento para as estruturas cristalinas mais comuns entre os materiais metálicos Tipo de rede Planos de deslizamento Direção de deslizamento CCC 1 1 0 1 1 1 1 1 2 1 2 3 CFC 1 1 1 1 1 0 HC 0 0 0 1 1 0 0 QUADRO 2 PLANOS E DIREÇÕES DE ESCORREGAMENTO FONTE Newell 2010 TÓPICO 5 DEFEITOS DA ESTRUTURA CRISTALINA 57 Uma apresentação sobre a identificação dos planos e direções nas estruturas cristalinas pode ser encontrada no item 38 p 26 do livro Ciência e Engenharia de Materiais uma Introdução CALLISTER 2002 6 CONTORNOS DE GRÃOS Vimos anteriormente que em um monocristal o movimento das discordâncias ocorre em todo o material No entanto os materiais comerciais são policristalinos ou seja são compostos por vários cristais que nuclearam e cresceram a partir de um líquido resfriado É válido então supormos que os planos e direções compactas estão orientados de forma diferente em cada cristal No local onde os cristais se tocam existem ligações químicas incompletas consistindo em vacâncias e discordâncias formando o que chamamos de contorno de grão Os contornos de grão são pontos onde existe energia livre ou seja consistem em locais onde preferencialmente irão ocorrer reações químicas com outros materiais como por exemplo ácidos Podemos visualizar os contornos de grão de muitos materiais sólidos após o polimento de sua superfície e o ataque químico controlado utilizando uma solução ácida O ácido irá corroer preferencialmente os contornos de grão onde a reflexão da luz é alterada gerando linhas escuras ao observarmos no microscópio ótico A figura 29a mostra o efeito de dispersão da luz gerado pelos contornos de grão A figura 29b mostra uma micrografia ótica onde se podem observar os contornos de grão UNI 58 UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS FIGURA 29 CONTORNOS DE GRÃO FONTE Callister 2007 a b TÓPICO 5 DEFEITOS DA ESTRUTURA CRISTALINA 59 Quando uma tensão mecânica de tração é aplicada em uma barra de aço policristalina existe uma tensão crítica onde o primeiro sistema de escorregamento irá ocorrer em grãos onde a orientação dos planos é favorável Conforme aumentamos a tensão aplicada as discordâncias se movimentam nos demais sistemas de escorregamento No entanto nesse caso as discordâncias não estão livres para se movimentar os contornos de grão são impedimentos para o seu movimento já que são regiões onde existe um desalinhamento de planos Isso significa que é necessária uma energia adicional para movimentar as discordâncias A partir disso podemos concluir que quanto maior o número de grãos do material grãos menores maior a quantidade de contornos de grão por unidade de volume e maior é a restrição ao movimento das discordâncias Sendo assim quanto mais refinados os grãos do material maior tende a ser a tensão necessária para movimentar as discordâncias e gerar deformação permanente no material A equação de HallPetch nos permite estimar o limite de escoamento do material em função do diâmetro médio dos grãos de um material Onde σy tensão de escoamento σ0 constante do material Ky constante do material D diâmetro médio dos grãos σ σ y 0 y K d Assim como os contornos de grão apresentam ligações incompletas sendo considerado um tipo de defeito a superfície externa dos componentes também pode ser considerada um defeito interfacial Devido às ligações incompletas energia livre ali ocorrem preferencialmente reações químicas como é o caso da oxidação UNI 60 RESUMO DO TÓPICO 5 Neste tópico estudamos os principais defeitos da estrutura cristalina A seguir apresentamos um resumo dos principais pontos abordados Os defeitos pontuais são caracterizados pela presença de átomos estranhos impurezas ou vacâncias ausência de átomo em determinado ponto da estrutura As discordâncias são defeitos lineares que podem se movimentar de acordo com sistemas de escorregamento O movimento das discordâncias gera a deformação plástica nos metais e seu efeito macroscópico é observado na tensão de escoamento Os sistemas de escorregamento compreendem direções e planos compactos As discordâncias irão se movimentar de acordo com estes sistemas Cada sistema de escoamento está associado a uma tensão que deve ser atingida para movimentação das discordâncias Os contornos de grão são considerados defeitos Nessa região as ligações químicas não estão completas sendo um ponto preferencial para reações químicas com outros materiais A superfície externa do material apresenta as mesmas características A desordem estrutural no contorno de grão inibe a movimentação das discordâncias Isto explica o fato de materiais com grãos menores maior quantidade de contornos apresentarem maior resistência ao escoamento 61 Caroa acadêmicoa para melhor fixar o conteúdo da unidade sugerimos que desenvolva as seguintes atividades 1 O que são lacunas Qual a sua dependência com a temperatura 2 O que são discordâncias Desenhe esquematicamente uma discordância linear 3 Qual a influência do contorno de grão na resistência mecânica AUTOATIVIDADE 63 TÓPICO 6 DIAGRAMAS DE FASES UNIDADE 1 1 INTRODUÇÃO O estudo dos diagramas de fases em sistemas de ligas sobretudo para os materiais metálicos é bastante importante Vimos nos tópicos anteriores que as propriedades macroscópicas podem ser entendidas a partir das energias de ligação de cada material da forma como os átomos se agrupam e da presença e tipo de imperfeições Além da influência do que chamamos de estrutura arranjo atômico as propriedades são drasticamente afetadas pela microestrutura do material A microestrutura final do material irá depender de alguns fatores os quais estarão sendo discutidos nesse tópico 2 SOLUBILIDADE Vimos nos tópicos anteriores que para um determinado material podem ocorrer substituições parciais dos átomos do componente por outros o que gera uma liga Vimos também que em alguns casos átomos pequenos podem ocupar os espaços vazios entre os átomos e formam uma estrutura cristalina A quantidade desses átomos estranhos que podem substituir ou ocupar os interstícios da estrutura é dependente da solubilidade Considere um copo de água a 20C onde iremos adicionar açúcar Adições crescentes de açúcar podem ser realizadas seguidas de uma mistura mecânica gerando a solubilização do açúcar na água A partir de certa quantidade de açúcar não ocorre mais solubilização o açúcar excedente se deposita no fundo do copo No entanto se aumentarmos a temperatura da água para próximo de 100C uma quantidade maior de açúcar pode ser dissolvida Nos materiais sólidos ocorre uma situação semelhante ou seja existe um limite de solubilidade de um determinado componente em outro 3 FASES No nosso exemplo da mistura de açúcar com água quando esta ainda não atingiu o limite de solubilidade é composta por apenas uma fase Quando se atinge o limite de solubilidade uma segunda fase faz parte do sistema o açúcar depositado no fundo Uma fase consiste em uma porção homogênea da mistura que apresenta características físicas e químicas uniformes Na mistura de açúcar com água a solução é líquida e o açúcar depositado no fundo é sólido 64 UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 4 EQUILÍBRIO DE FASES Suponhamos que uma solução de água e açúcar esteja fechada em um recipiente a 20C e em contato com açúcar sólido em equilíbrio Nesse caso temos duas fases em equilíbrio uma sólida e outra líquida com características físicas e químicas distintas Se elevarmos a temperatura rapidamente para 100C podemos esperar que parte do açúcar sólido vá se dissolver na solução até que se atinja um novo estado de equilíbrio O sistema está em equilíbrio quando a sua energia livre se encontra em um valor mínimo para uma combinação de temperatura pressão e composição química Quando aumentamos a temperatura aumentamos a energia livre portanto isso induz uma mudança para outro estado onde a energia livre é menor Para mudança de um estado para o outro é necessária uma quantidade de tempo que irá depender de cada situação particular Em materiais sólidos por exemplo na maioria dos casos estaremos tratando de estados de não equilíbrio ou metaestáveis pois a taxa para que se atinja o equilíbrio é extremamente lenta Porém na prática a possibilidade de se obter misturas em estados metaestáveis é de grande utilidade como é o caso dos tratamentos térmicos dos materiais metálicos como veremos nas unidades seguintes Os materiais puros e soluções sólidas líquidas ou gasosas são considerados como sendo uma fase Sistemas com apenas uma fase são chamados de homogêneos enquanto sistemas que apresentam mais de uma fase são denominados misturas ou sistemas heterogêneos 5 MICROESTRUTURA O arranjo das fases em um material sólido é chamado de microestrutura As diferentes fases que apresentam características físicoquímicas distintas podem ser diferenciadas pela análise em microscópio ótico MO ou microscópio eletrônico de varredura MEV por exemplo Através da análise dos tipos quantidades tamanhos formas e distribuições dessas fases na microestrutura podemos relacionar esses dados com as propriedades sobretudo mecânicas dos materiais TÓPICO 6 DIAGRAMAS DE FASES 65 Mais detalhes sobre as técnicas de microscopia e caracterização microestrutural podem ser obtidos na Unidade 2 desse Caderno de Estudos 6 SISTEMAS BINÁRIOS ISOMORFOS Os sistemas isomorfos apresentam os diagramas de fases mais simples de serem analisados Para a nossa análise consideraremos o sistema cobreníquel Os diagramas de fases se apresentam da seguinte forma Na ordenada é plotada a temperatura em C Algumas vezes encontramos diagramas de fases que apresentam também a temperatura em F Fahrenheit em um eixo complementar do lado direito O percentual de um dos componentes ou compostos é plotado em percentual mássico p ou atômico a na abcissa Linhas se apresentam no gráfico para separar fases ou conjuntos de fases distintas que são função da composição e temperatura para determinado sistema A figura a seguir mostra o diagrama de fases do sistema cobreníquel UNI 66 UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS FIGURA 30 DIAGRAMA DE FASES CUNI FONTE Callister 2007 No caso do composto cobreníquel encontramos na abcissa o percentual de níquel Ni O percentual de cobre Cu é igual a 100 pNi Ao analisarmos o gráfico algumas observações relevantes podem ser apontadas O gráfico apresenta uma fase α que compreende uma solução sólida substitucional entre o Cu e o Ni Existe uma região intermediada por duas linhas linha solidus e linha liquidus onde coexistem a fase α que é sólida e uma fase líquida Acima da linha liquidus existe somente fase líquida Os pontos de fusão do Cu puro e do Ni puro podem ser localizados sobre a ordenada esquerda e direita 1085C e 1453C respectivamente TÓPICO 6 DIAGRAMAS DE FASES 67 61 CONDIÇÃO DE EQUILÍBRIO O diagrama de fases fornece outras informações importantes como a composição química das fases presentes e o seu percentual na microestrutura em um estado de equilíbrio A composição química de uma fase na região de gráfico onde só existe uma fase é simples Basta verificarmos qual a composição proporção entre Cu e Ni da liga que estamos estudando e projetarmos para a abcissa No nosso exemplo consideraremos o ponto A do gráfico apresentado na figura anterior Nesse ponto a composição da fase α e também da fase líquida acima da linha liquidus consiste em 60p de Ni e 40p de Cu A determinação da composição da fase líquida e da fase α na região entre as duas linhas é mais complexa Ela irá depender da temperatura para uma determinada composição Para a nossa análise consideraremos uma composição localizada no ponto B 35p de Ni e 65p de Cu a 1250C Observem a figura a seguir FIGURA 31 LINHA DE AMARRAÇÃO FONTE Callister 2007 Para o cálculo da composição de cada fase utilizaremos a linha de amarração que consiste em uma isoterma linha traçada horizontalmente para uma única temperatura Como a composição varia em função da temperatura devemos fixar uma temperatura para determinar a composição das fases Para isso seguimos o seguinte procedimento Traçar uma isoterma que passa através do ponto B e intercepta as linhas solidus e a linha liquidus No ponto de interseção da isoterma com a linha liquidus e a linha solidus traçar uma linha vertical até a abscissa A linha vertical a partir da linha solidus fornece a composição da fase α 425p de Ni e 575p de Cu no nosso exemplo ponto B A linha vertical a partir da linha liquidus fornece a composição da fase líquida 315p de Ni e 685p de Cu no ponto B Além da composição química de cada fase em determinada temperatura podemos também calcular o percentual de cada fase que no nosso exemplo são a fase α e a fase líquida L Para isso utilizamos a regra da alavanca Para o ponto B a regra da alavanca é aplicada da seguinte forma Traçar uma isoterma que passa pelo ponto B e intercepta a linha solidus e a linha liquidus Calcular ou mensurar o comprimento total do segmento de reta entre a linha solidus e a linha liquidus CT Calcular ou mensurar o comprimento do segmento de reta entre o ponto B e a linha solidus CS Calcular ou mensurar o comprimento do segmento de reta entre o ponto B e a linha liquidus BC Calcular o percentual das fases de acordo com as equações a seguir FoL CsCB x100 CT Onde FoL é o percentual da fase líquida Foα CBCL x100 CT Onde Foα é o percentual da fase α Para obter os valores de CT CL e CS podemos proceder de duas maneiras a Com base nos valores de percentual do componente apresentado na abscissa para cada ponto obter os valores de CL e CS O valor de CT pode ser então obtido pela equação CT CS CL 2 Com o auxílio de uma régua com graduação em mm mensurar o comprimento das linhas no diagrama de fases obtendo os valores de CT CL e CS Note que para o caso da utilização dos valores de composição do componente apresentados na abscissa para o cálculo do percentual das fases pode ser utilizado o valor de qualquer dos dois componentes obtendose o mesmo resultado No caso do nosso exemplo já calculamos anteriormente os valores de composição CL e CS Portanto para o cálculo prosseguimos da seguinte forma CT CS CL 425 311 1 O percentual de fase líquida pode ser calculado da seguinte forma FoL CS CB x100 CT 425 35 11 x100 682 De forma semelhante o percentual da fase α é calculado de acordo com a expressão FoL CB CL x100 CT 35 315 11 x100 318 Se aplicarmos a regra da alavanca para a composição do ponto B em temperaturas progressivamente inferiores a 1250C podemos constatar que o percentual de fase líquida diminui à custa da formação da fase α Esta observação converge com o que observamos na prática o material tende a se solidificar progressivamente ao diminuirmos a temperatura A figura a seguir mostra de forma esquemática como a composição 35pNi65pCu se solidifica a partir do líquido fundido 70 UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS FIGURA 32 DIAGRAMA DE FASES CUNI PARA ESTADO DE EQUILÍBRIO FONTE Callister 2007 No ponto a da figura 32 a 1300C temos somente a fase líquida ou seja a composição encontrase completamente no estado líquido Ao resfriarmos até o ponto b a 1260C sobre a linha liquidus teremos o surgimento do primeiro sólido da fase α apresentando microestrutura semelhante ao apresentado na figura A composição da fase α apresenta 42pNi58pCu que conforme vimos anteriormente é calculada no ponto onde a isoterma intercepta a linha solidus A composição da fase líquida ainda é aproximadamente a composição da liga ou seja 35pNi65pCu TÓPICO 6 DIAGRAMAS DE FASES 71 Ao prosseguirmos com o resfriamento até 1250C mais fase α é formada à custa do líquido Nesse ponto a composição da fase α e da fase líquida é diferente daquela apresentada no ponto b embora a composição global da liga seja sempre 35pNi65pCu A proporção entre Ni e Cu vai sendo redistribuída à medida que vamos resfriando o material Nesse ponto a composição da fase α é 32pNi68pCu e da fase líquida é 43pNi57pCu No ponto d o processo de solidificação está sendo finalizado a 1220 C Nesse ponto a composição da fase α é de aproximadamente 35pNi65pCu e da fase líquida residual é de 24pNi76pCu Ao cruzarmos a linha solidus no ponto e o líquido remanescente já se solidificou restando somente a fase α com composição 35pNi65pCu a composição da liga Ao fim do processo temos um material sólido policristalino consistindo em uma solução sólida substitucional entre os dois componentes da liga É importante relembrar que um defeito da microestrutura que consiste nos contornos de grão é formado a partir do contato entre os grãos formados já no processo de solidificação fabricação da liga como vimos nesse exemplo Estes contornos de grão terão influência na resistência mecânica do componente a ser fabricado com a liga em questão 62 CONDIÇÃO DE NÃO EQUILÍBRIO Em situações práticas como em um processo de obtenção de ligas por fundição o material se encontra fora do estado de equilíbrio Isso acontece porque para atingirmos o estado de equilíbrio sobretudo quando tratamos de materiais sólidos onde as taxas de difusão são baixas quando comparadas aos líquidos é necessário um tempo muito longo Isso representaria um tempo muito longo de resfriamento impraticável na maioria dos casos Portanto nesse caso a composição da fase α da composição 35pNi 65pCu será diferente de acordo com a distância do centro do grão até o contorno apresentando o que chamamos de estrutura zonada A figura a seguir mostra esquematicamente a evolução da microestrutura em uma condição de não equilíbrio IMPORTANTE 72 UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS FIGURA 33 DIAGRAMA DE FASES CUNI FORA DO ESTADO DE EQUILÍBRIO ESTRUTURA ZONADA FONTE Callister 2007 O nível do gradiente de composição química entre o centro dos grãos até os contornos irá depender da taxa de resfriamento a partir do líquido Como consequência desse desenvolvimento fora do equilíbrio a linha solidus é deslocada para a direita e o ponto de fusão da liga tende a ser inferior ao observado no diagrama de equilíbrio Na prática a estrutura zonada apresenta propriedades inferiores quando comparadas àquela desenvolvida no estado de equilíbrio pelos seguintes aspectos TÓPICO 6 DIAGRAMAS DE FASES 73 1 A temperatura de fusão da liga será inferior àquela determinada pelo diagrama de fases no estado de equilíbrio 2 Ao reaquecermos a liga a região mais próxima à dos contornos de grão tende a se fundir primeiro pois sua composição apresenta maior percentual do elemento de menor ponto de fusão da liga Se ocorrer a formação de fase líquida em serviço as propriedades mecânicas do componente são rapidamente deterioradas A solução prática para esse problema consiste no reaquecimento da liga abaixo da linha solidus mantendo por um período de tempo determinado essa temperatura Com o aumento da temperatura ocorre um aumento na taxa de difusão e com isso os átomos podem se movimentar dentro da estrutura sólida de forma que o material tende a diminuir o gradiente de composição química dos grãos Dessa forma a microestrutura tende a se aproximar daquela observada para a condição de resfriamento no estado de equilíbrio 7 SISTEMAS BINÁRIOS EUTÉTICOS Os sistemas eutéticos apresentam algumas distinções em relação aos isomorfos porém a sua análise é simples A principal diferença entre estes é que nos diagramas de fases eutéticas existem regiões onde coexistem duas fases chamadas de α e β A fase α é uma solução sólida substitucional onde o soluto é o componente da esquerda do diagrama e a fase α é uma solução sólida substitucional onde o soluto é o componente da esquerda do diagrama O componente da esquerda em seu estado puro é considerado fase α e o componente da esquerda é considerado fase β A figura a seguir mostra o diagrama de fases PbSn chumboestanho 74 UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS FIGURA 34 DIAGRAMA DE FASES PbSn FONTE Callister 2007 8 DIAGRAMA DE FASE FEFE3C FERRO CARBETO DE FERRO O sistema FeFe3C é certamente um dos mais utilizados visto que engloba a composição da maioria dos aços e ferros fundidos sendo estes de grande aplicação na engenharia Embora muitos desses materiais apresentem outros elementos de liga além do Fe e C o diagrama pode ser utilizado para prever a microestrutura final e proporção entre as fases após resfriamento desses materiais e consequentemente um indicativo de suas propriedades O diagrama FeFe3C usualmente apresenta no eixo da abcissa o percentual de carbono ao invés do percentual de carbeto de ferro ou cementita Na parte direita do diagrama temos a composição do carbeto de ferro em termos de percentual de carbono o qual equivale a 670p C No lado esquerdo temos o percentual nulo de carbono correspondendo à composição do ferro puro A figura a seguir apresenta o diagrama FeFe3C TÓPICO 6 DIAGRAMAS DE FASES 75 FIGURA 35 DIAGRAMA DE FASES FEFE3C FONTE Callister 2007 A fase α é chamada de ferrita e consiste em uma estrutura do tipo CCC de Fe contendo átomos de C alojados nos interstícios da estrutura cristalina Os interstícios espaços vazios na célula unitária na estrutura CCC são pequenos o que faz com que a quantidade de átomos de C que podem ser solubilizados na estrutura seja bastante limitada A presença de ferrita pura em temperatura ambiente em estado de equilíbrio só acontece a percentuais muito baixos de carbono Observem que o campo onde somente existe ferrita α como única fase da microestrutura no diagrama de fases em temperatura ambiente consiste em uma estreitíssima faixa próxima à composição do Fe puro A solubilidade do C na estrutura CCC é limitada Se observarmos a composição do Fe puro no diagrama pC igual a zero podemos constatar que existem três fases diferentes αγ e δ dependendo da temperatura onde se encontra o material Em temperatura ambiente até aproximadamente 912C a estrutura é CCC e é chamada de ferrita Acima 912C e até aproximadamente 1394C a estrutura é do tipo CFC e é chamada de austenita γ Entre 1394C e 1536C a estrutura volta a ser CCC e é chamada de ferrita δ ATENCAO 76 UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS A solubilidade do carbono na estrutura CCC é de no máximo 0022 o que implica na presença de uma segunda fase cementita quando esse percentual é excedido Se traçarmos uma linha vertical sobre a liga contendo 0022 de C e analisarmos o comportamento durante o resfriamento iremos observar que Em uma temperatura em torno de 1000C todo o carbono está solubilizado na estrutura CFC da austenita Em uma temperatura próxima a 900C parte da austenita é convertida em ferrita Temos essa composição de fases até a temperatura de 727C Quando resfriamos o material abaixo de 727C a austenita remanescente se torna ferrita Como a solubilidade do carbono na estrutura CCC é menor do que na estrutura CFC o carbono excedente é expulso da estrutura ocorrendo a precipitação da fase cementita A liga contendo 076p C é chamada de eutetoide O ponto eutetoide consiste na transformação de uma fase sólida austenita em duas fases sólidas cementita e ferrita As ligas contendo percentual de carbono entre 0022 e 076 são chamadas de hipoeutetoides Esse intervalo de composição compreende os aços comuns ao carbono SAE 1010 SAE 1020 SAE 1045 dentre outros Uma microestrutura típica desses aços é apresentada seguir FIGURA 36 MICROESTRUTURA DE UM AÇO COMUM AO CARBONO FONTE Callister 2007 Perlita Ferrita Proeutetóide Nessas ligas ocorre durante o resfriamento a formação da ferrita proeutetoide que é aquela que se forma antes da temperatura de 727C e a temperaturas abaixo desta formase a ferrita eutetoide e a cementita Na microestrutura em aumentos menores observamos duas regiões distintas uma mais clara que consiste na ferrita proeutetoide e uma segunda escura chamada de perlita A perlita ao observarmos a aumentos maiores se apresenta em lamelas alternadas de cementita e de ferrita eutetoide TÓPICO 6 DIAGRAMAS DE FASES 77 As ligas que apresentam teor de carbono acima de 076 e abaixo de 214 são chamadas de hipereutetoides Neste caso teremos ao invés da ferrita a formação de cementita proeutetoide Ao atravessarmos a isoterma de 727C ocorre a formação da perlita A figura a seguir mostra esquematicamente o desenvolvimento de uma liga hipoeutetoide e de uma liga hipereutetoide FIGURA 37 AÇO HIPOEUTETOIDE À ESQUERDA E HIPEREUTETOIDE À DIREITA FONTE Callister 2007 Para a determinação da composição química das fases e da proporção entre cada fase na microestrutura utilizamos respectivamente as linhas de amarração e a regra da alavanca apresentadas nos tópicos anteriores É válido observarmos que a formação das microestruturas apresentadas supõe um resfriamento em estado de equilíbrio A utilização de outros elementos de liga e taxas de resfriamento diferenciadas pode alterar significativamente a microestrutura e as propriedades A utilização de elementos de liga e tratamentos térmicos das ligas de aço será discutida na próxima unidade 78 UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 9 DIAGRAMAS TERNÁRIOS Alguns materiais são compostos por três ou mais componentes sendo que muitas vezes a representação gráfica de seus diagramas de fases se torna complexa e impraticável Muitos dos sistemas cerâmicos são apresentados na forma de diagramas ternários onde são desenhados três eixos cada um correspondendo a percentual de 0 a 100 de cada componente Um quarto eixo é utilizado para incluir a variável temperatura perpendicular ao plano do diagrama A necessidade de três dimensões para visualização deste tipo de gráfico torna a análise bastante complexa Muitas vezes utilizamos diagramas que apresentam uma projeção do eixo da temperatura LEITURA COMPLEMENTAR NANOCIÊNCIA A PRÓXIMA GRANDE IDEIA Edison Z da Silva Desde a última década do século XX a imprensa mundial tem apresentado muitos temas ligados a um novo tipo de ciência a nanociência e junto com ela uma promessa ou até uma esperança a tecnologia que pode vir como sua consequência a nanotecnologia Muitas vezes parece que a nanotecnologia é algo como o Santo Graal que trará a solução de todos os problemas A pergunta que muitas pessoas se fazem é afinal o que são essas novas ciências Elas trazem mesmo uma esperança de soluções de problemas que a tecnologia tem hoje Se a nanotecnologia vai fazer a grande revolução só saberemos no futuro porém um indicativo dessas expectativas é o grande incentivo que a nanociência e possíveis aplicações têm recebido com grande apoio governamental dos EUA da Europa e do Japão O governo americano gastou 422 milhões de dólares em pesquisa nano só em 2001 e esse apoio aumenta a cada ano Em todo o mundo novos institutos totalmente dedicados à pesquisa são formados Grandes corporações de alta tecnologia também perceberam o impacto que a nanotecnologia pode ter Empresas como a HP NEC IBM desenvolvem intensos esforços em pesquisa nano Se olharmos o desenvolvimento da ciência ao longo dos tempos vemos que muitas vezes um novo passo científico aconteceu devido a novas tecnologias que no seu bojo passaram a permitir observações e experimentos nunca antes possíveis A chama da física moderna que se iniciou no começo do século XX pôde acontecer porque uma nova tecnologia de vácuo permitiu a produção de tubos dos chamados raios catódicos que levou ao descobrimento do elétron e dos raios X A partir daí experimentos sobre o mundo dos elétrons átomos e da radiação eletromagnética de comprimentos de onda de dimensões atômicas raios X permitiram o desenvolvimento da física moderna que teve um impacto TÓPICO 6 DIAGRAMAS DE FASES 79 na vida de todos nós de gerações posteriores De fato é difícil hoje vivermos sem produtos que são a consequência direta dos avanços da física moderna como computadores telefones celulares e lasers Com a chamada nanociência não foi diferente novas técnicas experimentais saídas de laboratórios de pesquisa mudaram a maneira como é possível estudar os constituintes da matéria átomos e moléculas Podemos dizer que a nanociência está acontecendo devido basicamente a três técnicas experimentais a saber o microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução HRTEM o microscópio de tunelamento STM e o microscópio de força atômica AFM e do ponto de vista teórico as simulações computacionais Essas técnicas permitem observar os átomos e mais importante ainda algumas permitem manipular a matéria átomo a átomo como um lego Essa capacidade de manipular a matéria na escala atômica átomo a átomo gera uma expectativa antes inexistente a possibilidade de novos materiais uma nova eletrônica novos medicamentos a solução dos problemas energéticos e talvez novas propostas que ainda nem imaginamos O ouro motivação dos alquimistas e material de grande valor famoso por sua cor amarelo brilhante é um bom exemplo das mudanças que ocorrem no mundo nano Suponhamos que um bloco de ouro de um centímetro de lado seja dividido em oito bloquinhos de metade desse tamanho Os blocos ficaram menores mas o resultado o ouro nesses novos blocos tem as mesmas propriedades Podemos continuar dividindo o bloco dessa forma e os novos blocos ainda serão de ouro Nosso senso comum nos informa que as propriedades do material não dependem de seu tamanho Quando chegamos à nanoescala supondo que temos maneiras de continuar dividindo o bloco de ouro tudo muda a cor do ouro seu ponto de fusão suas propriedades químicas A razão para isso é que as interações entre os átomos que sofrem uma média e desaparecem no ouro volumétrico aqui têm um papel importante Esse processo que descrevemos de dividir o material mais e mais até atingir a escala nano é um processo de nanofabricação Como vamos do grande para o pequeno esse processo é conhecido como de cima para baixo topdown uma vez que se inicia com uma grande estrutura tornandoa menor Ao contrário se iniciamos uma estrutura a partir dos átomos que a constituem para formar a nanoestrutura o processo chamase de baixo para cima bottomup Afinal o que é nano O prefixo nano anão em grego abreviado por nm significa um bilionésimo do metro ou seja 1nm corresponde a 10 átomos enfileirados Uma molécula de DNA tem tamanho da ordem de 100 nm um fio de cabelo tem entre 50000 e 100000 nm de diâmetro A escala nanométrica é a menor escala útil para a ciência de materiais O desenvolvimento de novas áreas de pesquisa muitas vezes surge a partir de propostas visionárias que podem até parecer brincadeiras de tão revolucionárias e surpreendentes A nanociência teve um desses momentos em 1959 quando o grande físico Richard Feynman fez uma palestra no encontro anual da Sociedade 80 UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS Americana de Física APS com o título Há Muito Espaço Lá Embaixo Theres Plenty of Room at the Bottom e muitos acharam que ele apresentava apenas uma brincadeira Nessa palestra Feynman propunha que a ciência do muito pequeno a escala nanométrica deveria ser surpreendente e que se explorada poderia oferecer novas possibilidades de dispositivos feitos pela manipulação de átomos O sonho de Feynman demorou um pouco para acontecer Nanociência é uma grande área que congrega física química biologia ciências médicas e engenharia de novos materiais Existe pesquisa intensa em todas essas áreas e a interrelação entre elas é cada vez maior A grande mudança denominada nanociência se deve ao uso e desenvolvimento de técnicas da física e da química que continuam sendo aperfeiçoadas e constituem um desenvolvimento incremental da capacidade de pesquisa e principalmente ao desenvolvimento de novos equipamentos que permitem a pesquisa na escala dos átomos estes sim causando uma quebra de paradigma ou seja a capacidade de manipulação É importante distinguir a nanociência que se faz agora um campo em extremo desenvolvimento da nanotecnologia que está apenas em sua infância Poderíamos dizer que a nanotecnologia é um ramo emergente da engenharia que usa métodos da nanociência para desenvolver produtos As novas técnicas experimentais permitem então o estudo em uma escala nova e com isso a caracterização identificação e descoberta de novos materiais nanométricos aglomerados metálicos ou semicondutores nanofios metálicos ou semicondutores que agora podem ter seu tamanho controlado Esta é uma área muito intensa de pesquisa básica e várias tentativas de transformação em produtos estão sendo feitas Os nanotubos têm propriedades interessantes de absorção e emissão de luz e já existem telas similares às LCDs feitas com nanotubos de carbono Os nanotubos de carbono podem ser usados para armazenar fármacos e outras moléculas com possíveis aplicações em medicina e em armazenamento de energia Muitas outras aplicações estão em desenvolvimento Mais recentemente em 2004 foi mostrado que o grafeno o material que se transforma em bolas de carbono ou nanotubos é estável e muita pesquisa é feita agora sobre esse material principalmente com esperança de uso em nanoeletrônica A evolução da física de semicondutores levou à produção dos chamados pontos quânticos quantum dots nanocristais semicondutores nanométricos por exemplo ZnS CdS GaAs entre outros Esses materiais nessa escala de tamanho têm suas propriedades elétricas e óticas modificadas por efeitos quânticos de tamanho Portanto cor depende de tamanho como no caso das partículas de ouro discutido anteriormente Esses materiais têm aplicações em novos tipos de laser e diodos emissores de luz LEDs Os pontos quânticos já são usados como marcadores biológicos Pontos quânticos foram usados para fazer a imagem do fluxo do sangue em ratos Marcadores biológicos já existem no mercado TÓPICO 6 DIAGRAMAS DE FASES 81 O uso de nanocristais apresenta possibilidades interessantes para seu uso em terapias Nanopartículas de ouro têm picos de absorção transmissão e reflexão de luz em diferentes comprimentos de onda Partículas selecionadas em tamanhos que maximizam a absorção de luz de um determinado comprimento de onda quando colocadas em solução na corrente sanguínea tendem a se acumular no entorno de tumores cancerígenos pois nessas regiões o fluxo é muito grande A exposição por luz laser do comprimento de onda de absorção causa um aquecimento de até 10º C matando as células cancerígenas e com quase nenhum efeito no tecido sadio É possível também cobrir nanopartículas de ouro com pequenas moléculas principalmente os tióis que contêm enxofre Trocando os tióis por outras moléculas podemos usar as nanopartículas como moléculas funcionais capazes de realizar tarefas como conduzir fármacos até os pontos onde devem atuar no organismo Nanopartículas desenvolvidas recentemente pelas técnicas da nanotecnologia oferecem novas oportunidades para o mercado de tintas produzindo tintas com melhores propriedades A Basf por exemplo estima que 10 das suas vendas sejam de produtos que incorporam essas novas tecnologias Seus principais produtos são na área de nanopigmentos O dióxido de titânio com sua capacidade de absorção substitui pigmentos convencionais usados em tintas As cores são geradas por dispersões de nanopartículas de tamanho uniforme O uso dessas novas tintas é importante na indústria de revestimentos porque elas não riscam evitam corrosão e são resistentes a solventes orgânicos Outros segmentos muito importantes são a indústria de papel e a de embalagens O uso de nanopartículas para melhoria da qualidade do papel já ocorre em processos de produção A indústria de embalagem usa nanocompósitos polímeros com inclusões de nanopartículas minerais como a argila As chamadas nanoargilas melhoram as propriedades dos plásticos tornandoos mais impermeáveis e bloqueando a passagem por exemplo de oxigênio em embalagens de queijos e carnes Outra área importante é a das garrafas PET dos refrigerantes atuais O padrão de qualidade desses materiais ainda não atingiu o patamar aceitável para seu uso em garrafas de cerveja mas há um mercado mundial muito grande para trabalhos que busquem melhorar esse material A indústria de embalagens procura usar a nanotecnologia para agregar valor ao produto Pelo uso de microcódigos de barra produtos podem ser marcados o que facilita o controle de estoque e previne falsificação As indústrias de plásticos e polímeros movimentam algo em torno de US 300 milhõesano só nos Estados Unidos portanto melhorias nesses produtos são fatores econômicos importantes Os nanocompósitos têm utilização também nas indústrias automobilística e aeronáutica substituindo componentes metálicos por materiais mais resistentes e mais leves Produtos que incorporam nanotecnologia já existem no mercado exemplos são as bolas de tênis da líder mundial Wilson que usa uma dupla camada em suas bolas incorporando assim uma camada micrométrica com inclusão de nanopartículas o que torna a vida útil da bola maior pois evita que 82 UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS ela murche por perda do gás interior Essas bolas são usadas desde 2002 como as bolas oficiais da Copa Davis de Tênis A empresa Nanoledge produz raquetes de tênis com nanotubos de carbono em sua estrutura proporcionando um material mais leve e resistente A indústria de cosméticos que também movimenta uma grande parcela da economia já incorpora nanopartículas em seus produtos Nanopartículas permitem o controle do grau de penetração dos cremes na pele A LOréal já apresenta vários produtos com essa tecnologia Nanopartículas absorvem a radiação UV e são usadas em filtros solares Idéias similares estão presentes no encapsulamento de fármacos no sentido de que a entrega desse fármaco aconteça no local do organismo onde deve atuar assim permitindo que o seu uso seja mais econômico e eficiente O sonho de Feynman era que a capacidade de manipulação da matéria átomo a átomo agora possível devido às novas técnicas experimentais permitisse se tentar montar circuitos e dispositivos de uma forma impossível anteriormente Uma aplicação importante dessas ideias ocorre na indústria de componentes eletrônicos dos processadores usados em tecnologia da informação A indústria de computadores foco dessa nova maneira de desenvolvimento de componentes tem uma longa história anterior ao desenvolvimento do primeiro transistor em 1947 O primeiro computador chamado Eniac de 1946 usava válvulas 18 mil delas e ocupava todo um andar de um edifício pesando 30 toneladas Previsões dessa época sinalizavam um mercado mundial com algo em torno de seis computadores Se dependêssemos daquela tecnologia a previsão talvez se confirmasse porém em 1947 W Brattain W Shockley e J Bardeen trabalhando nos laboratórios de pesquisa da Bell Telephone inventaram o transistor uma das mais importantes descobertas do século XX Esse trabalho mais do que tudo apresentou um novo caminho a possibilidade de um dispositivo semicondutor para substituir a válvula O transistor feito de silício começou a ser miniaturizado e o resultado são os computadores que permeiam nossa vida assim como outros equipamentos do nosso dia a dia telefones celulares tocadores de MP3 Ipods etc O problema que se apresenta hoje na tecnologia de dispositivos como o transistor é que o mesmo processo que tornou possível o STM e revolucionou a ciência o tunelamento de elétrons começa a ter um efeito danoso inviabilizando o dispositivo à medida que ele se torna cada vez mais pequeno Previsões indicam que se a capacidade de miniaturização continuar aumentando linearmente como vem acontecendo há várias décadas já no início da próxima década os dispositivos serão tão pequenos que elétrons poderão tunelar de um lado ao outro da barreira isolante desses dispositivos Portanto a indústria eletrônica que tem sempre caminhado na direção da miniaturização dos seus componentes processo de cima para baixo é um foco muito importante para a nanotecnologia Esperase que através de processos do tipo de baixo para cima construindo dispositivos a partir dos átomos e moléculas seja possível criar novos dispositivos que poderão substituir os atuais chips de silício TÓPICO 6 DIAGRAMAS DE FASES 83 O que se procura é um dispositivo tão revolucionário como foi o transistor de 1947 Existe muito esforço nesse sentido e dispositivos de laboratório usando pequenas moléculas moléculas de C60 e também nanotubos de carbono como componentes têm sido testados em nanodispositivos que funcionam em laboratório Muitos outros sistemas na escala nano estão em estudo e talvez em um futuro próximo tenhamos novos dispositivos baseados nessas ideias Um grande problema é como produzir esses dispositivos de laboratório em escala industrial e com uma grande densidade de empacotamento para fazer frente à tecnologia atual Um exemplo de grande sucesso da nanociência foi a descoberta da magnetorresistência gigante giant magneto resistance GMR por Albert Fert na França e Peter Gruenberg na Alemanha em 1988 Eles descobriram que se camadas magnéticas de espessura nano fossem separadas por um material não magnético chamado espaçador teriam sua resistência à passagem de corrente elétrica muito modificada se as camadas magnéticas tivessem a mesma orientação de suas magnetizações mudadas Quando as duas camadas têm a mesma orientação a resistência é pequena quando as orientações são contrárias a resistência fica muito grande Esse efeito foi logo usado pela IBM para produzir discos rígidos o que permitiu uma maior capacidade de armazenamento desses discos rígidos usados hoje por exemplo nos nossos computadores Esses trabalhos criaram uma nova área da física chamada spintrônica Essa descoberta levou a um novo produto os discos rígidos de tecnologia GMR padrão atual da indústria Por essa contribuição à ciência e à nanotecnologia Fert e Gruenberg foram agraciados com o Prêmio Nobel de Física de 2007 A nanociência com sua capacidade de se tornar tecnologia e desenvolver produtos para o mercado consumidor está cada vez mais gerando novas empresas muitas vezes desmembramentos de um departamento de ciência química física ou das engenharias Alguns exemplos são a Plastic Logic empresa incubada a partir do Cavendish Laboratory da Universidade de Cambridge que tem propriedade intelectual baseada em impressão por jato de tinta e materiais poliméricos a Nanospectra Biosciences empresa incubada da Rice University para desenvolvimento da nanoshells uma nova classe de materiais para uso em ciências da vida a Nanoscape que saiu do Departamento de Química da Ludwig Maximilians University de Munique e do FritzHaber Institute da Sociedade Max Planck em Berlim Outras são subsidiárias de empresas importantes como a Nanocor subsidiária da Amcol International Corporation que é a maior fornecedora de nanoargilas específicas para nanocompósitos plásticos Já existem no mercado empresas como a Nano Tex LLC uma empresa de materiais avançados que desenvolve e licencia uma família de tratamentos que incorporam nanotecnologia para têxteis melhorando enormemente sua performance A empresa já licencia mais de 40 tecelagens e tem acordos com muitas empresas do ramo como Levis Gap Old Navy Lee Nike Champion Quatro tecnologias proprietárias são comercializadas NanoCare NanoPel NanoDry e Nano Touch A tecnologia NanoPel por exemplo tem a capacidade de repelir líquidos e sujeira e permite melhor respiração do tecido 84 UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS A nanotecnologia apresentada aqui com exemplos selecionados já é uma realidade com produtos no mercado Certamente os desenvolvimentos que estão acontecendo a todo o momento vão contribuir mais e mais para a utilização dessas descobertas em novas tecnologias e produtos De fato poucos segmentos da indústria sobreviverão sem a incorporação da nanotecnolgia a seus produtos Vimos que muitas dessas inovações podem ajudar indústrias tradicionais de papel embalagem vestuário entre outras introduzindo novas rotas de produção performance e desenvolvimento de novos produtos A nanotecnologia tem metas de curto médio e longo prazo As de curto prazo são por exemplo as que apresentamos como produtos a caminho do mercado e em alguns casos já nas prateleiras das lojas As metas de médio prazo são por exemplo as novas tecnologias de nanoeletrônica dos futuros dispositivos eletrônicos para substituir a tecnologia da microeletrônica atual baseada em silício e aplicações em ciências médicas Estas ainda estão no estágio de pesquisa básica em nanociência As metas de longo prazo são as mais difíceis de definir e aí poderemos ter surpresas advindas dos desenvolvimentos em nanociência na próxima década Nanotecnologia propõe novas formas de fazer as coisas É uma promessa de fazer mais usando menos material e ainda material mais barato e com maior funcionalidade FONTE SILVA Edison Z da Professor do Instituto de Física Gleb Wataghin da Unicamp Disponível em httpwwwrevistasuspsibiuspbrscielophppidS0103 99892008000100008scriptsciarttext Acesso em 3 mar 2012 85 RESUMO DO TÓPICO 6 Neste tópico estudamos interpretação de digramas de fases A seguir apresentamos um resumo dos principais pontos abordados Os diagramas de fases presumem que existe uma condição de equilíbrio o que na prática pode gerar algumas divergências em relação à microestrutura obtida em função das taxas de resfriamento empregadas Os sistemas binários podem ser isomorfos onde existe um intervalo de temperatura onde coexiste uma fase sólida com a fase líquida ou eutéticos quando existe um ponto invariante ou liga com composição que passa do estado sólido para o líquido em uma única temperatura Com o auxílio do diagrama de fases a partir da composição da liga é possível determinar as fases quantidades relativas e composição química para qualquer temperatura apresentada no diagrama A solubilidade dos componentes depende das respectivas estruturas e características dos átomos A solubilidade em função da temperatura para determinadas ligas pode ser avaliada no diagrama de fases correspondente a cada liga Um dos diagramas mais importantes é o FeFe3C Este engloba ligas de aço e ferros fundidos materiais produzidos e utilizados em diversas aplicações 86 Caroa acadêmicoa para melhor fixar o conteúdo da unidade sugerimos que desenvolva as seguintes atividades 1 Defina isoterma 2 Qual a diferença entre linha solvus e linha liquidus 3 O que é um ponto invariante 4 Que informação se pode obter através da aplicação da regra da alavanca em uma determinada liga 5 Qual a importância da utilização da linha de amarração em diagramas de fases AUTOATIVIDADE 87 UNIDADE 2 CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM PLANO DE ESTUDOS A partir do estudo desta unidade oa acadêmicoa estará aptoa a compreender os principais aspectos relacionados às propriedades mecâni cas dos materiais e as relações entre a microestrutura defeitos da estrutu ra e resistência mecânica entender os conceitos relacionados às propriedades óticas dos materiais e quais parâmetros descrevem o comportamento dos materiais quando tratamos dessas propriedades saber correlacionar as características das ligações químicas defeitos pon tuais e microestrutura com as suas propriedades elétricas entender a origem de propriedades magnéticas e térmicas dos materiais e de que forma essas propriedades são modificadas e aplicadas para fins específicos conhecer a respeito da aplicação das principais técnicas de caracterização de materiais correlacionando o método ao objetivo da análise Esta unidade está dividida em seis tópicos que contribuirão na compreensão da caracterização e propriedades dos materiais Além disso em cada um dos tópicos você encontrará atividades que o ajudarão a consolidar os conceitos apresentados TÓPICO 1 PROPRIEDADES MECÂNICAS TÓPICO 2 PROPRIEDADES ÓTICAS TÓPICO 3 PROPRIEDADES ELÉTRICAS TÓPICO 4 PROPRIEDADES MAGNÉTICAS TÓPICO 5 PROPRIEDADES TÉRMICAS TÓPICO 6 PRINCIPAIS TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS 88 89 TÓPICO 1 PROPRIEDADES MECÂNICAS UNIDADE 2 1 INTRODUÇÃO Quando pensamos em materiais de engenharia um dos primeiros requisitos de projeto que julgamos importante é a resistência mecânica do material De fato em componentes onde atuam tensões estáticas ou cíclicas as características intrínsecas dos materiais estão diretamente relacionadas ao desempenho do componente Inicialmente fazse necessário conhecer alguns parâmetros que determinam as propriedades e as características mecânicas do material É muito importante compreendermos o que significam esses parâmetros pois na literatura especializada encontraremos valores médios que serão utilizados para a seleção de materiais para o componente ou produto No desenvolvimento de novos materiais essas características deverão ser conhecidas para avaliar o atendimento aos requisitos de projeto Muitas características importantes são obtidas através da análise de um gráfico de tensão vs deformação como veremos a seguir 2 TENSÃO E DEFORMAÇÃO Vimos na Unidade 1 que a energia de ligação dos átomos é um fator crucial para as características de rigidez do material Ao analisarmos o comportamento macroscópico de um material é esperado que as características particulares da sua estrutura tenham alguma relação com as suas propriedades De fato o efeito da energia de ligação tipo de arranjo cristalino presença e quantidade de defeitos e microestrutura explicam o comportamento que observamos no material utilizado para a fabricação de um componente Para determinarmos esses parâmetros de projeto ensaiamos corposde prova do material em um equipamento capaz de imprimir uma força de tração crescente ao material mensurando a sua deformação linear UNIDADE 2 CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 90 Os métodos de ensaio e caracterização serão descritos no tópico 6 dessa unidade Com os dados de tensão aplicada e deformação gerada montamos um gráfico A figura a seguir mostra um exemplo de gráfico de tensão vs deformação de um aço comum ao carbono FIGURA 38 GRÁFICO DE TENSÃO VS DEFORMAÇÃO DE UM AÇO COMUM AO CARBONO FONTE O autor Como podemos observar a relação entre a tensão e a deformação varia com a magnitude da tensão aplicada Podemos identificar três regiões distintas no gráfico sendo que cada região é delimitada por um valor de tensão onde ocorrem alterações específicas no corpodeprova A seguir analisaremos cada aspecto do gráfico de tensão vs deformação 3 MÓDULO DE ELASTICIDADE O módulo de elasticidade ou módulo de Young é uma constante do material e está relacionada com a sua rigidez Deformação Tensão ESTUDOS FUTUROS Ao observarmos o gráfico de tensão vs deformação notamos que na parte inicial a relação entre a tensão aplicada e a deformação é constante ou seja a relação é linear nessa parte da curva Essa é chamada de região elástica Nessa etapa do carregamento se retirarmos a carga aplicada a peça irá retornar às suas dimensões originais não há deformação permanente no componente Como já estudamos materiais com energia de ligação mais elevada tendem a apresentar maior rigidez Na figura a seguir são apresentados esquematicamente duas curvas de tensão vs deformação correspondentes a dois materiais de classes distintas um material cerâmico material frágil e um metal dúctil material dúctil que apresentarão energias de ligação distintas em função do tipo de ligação e dos átomos envolvidos O material cerâmico frágil irá apresentar uma maior rigidez quando comparado ao material metálico Isso implica que ao aplicarmos a mesma tensão mecânica nos dois materiais perceberemos que o material cerâmico irá apresentar uma deformação elástica bastante inferior àquela apresentada pelo metal O módulo de elasticidade E consiste na razão entre a tensão e a deformação na região elástica ou seja corresponde à inclinação da reta nessa região de gráfico E σε Onde σ é a tensão em MPa e ε é a deformação adimensional Usualmente o módulo de elasticidade apresenta unidade GPa UNIDADE 2 CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 92 4 TENSÃO DE ESCOAMENTO Durante o incremento da carga e consequentemente da tensão mecânica alguns fenômenos relacionados à estrutura do material começam a interferir na relação entre a tensão e a deformação O valor de tensão onde a razão tensão deformação deixa de ser linear é chamado de tensão de escoamento σe Nos materiais metálicos esta tensão pode ser em muitos casos facilmente identificada no gráfico de tensão vs deformação Ela marca o início da movimentação das discordâncias A partir desse ponto uma parcela da energia mecânica que estamos impondo ao material passa a ser utilizada para a movimentação destes defeitos resultando em deslizamento de planos de átomos o que implica em uma deformação permanente Toda deformação plástica gerada por uma tensão acima da tensão de escoamento permanece no material mesmo após retirarmos essa carga A tensão de escoamento é bastante utilizada como critério de falha em projetos de componentes mecânicos Quando desenvolvemos um componente para essa aplicação uma deformação permanente ao se aplicar uma carga em serviço geralmente não é admissível Nos materiais poliméricos normalmente essa tensão está relacionada com o início do deslizamento entre as cadeias poliméricas Já nos materiais cerâmicos normalmente a tensão de escoamento é muito próxima da tensão de ruptura Como a estrutura dos materiais cerâmicos frágeis não permite a movimentação de discordâncias apesar de elas existirem no material o deslizamento entre os planos ocorre praticamente junto com a ruptura Alguns materiais metálicos apresentam um limite superior e um limite inferior de escoamento onde é possível identificar claramente no gráfico a tensão de escoamento Em materiais onde a transição entre a região elástica e a região plástica é de difícil determinação a tensão de escoamento é padronizada como aquela equivalente à deformação igual a 0002 A figura a seguir mostra esquematicamente dois gráficos de tensão vs deformação indicando a tensão de escoamento para um material que não apresenta limite superior e inferior de escoamento figura 40 b e um material onde a tensão de escoamento é determinada através da deformação padronizada figura 40 a Observe que a determinação da tensão de escoamento é realizada traçandose uma linha paralela à linha do gráfico na região elástica na deformação de 0002 IMPORTANTE TÓPICO 1 PROPRIEDADES MECÂNICAS 93 FIGURA 40 GRÁFICO COMPARATIVO DE TENSÃO DEFORMAÇÃO INDICANDO TENSÃO DE ESCOAMENTO FONTE Callister 2007 5 TENSÃO DE RESISTÊNCIA Durante a aplicação crescente de carga mecânica de tração em um material metálico após atingir a tensão de escoamento o material irá se deformar permanentemente permanece deformado ao retirarmos a carga O que observamos macroscopicamente é o aumento do comprimento e diminuição da espessura do componente Essa condição prossegue até que o material atinja a sua tensão de resistência σr A tensão de resistência consiste na prática na tensão máxima que o material suporta ao aplicarmos uma tensão Nesse nível de tensão podemos observar algo interessante normalmente ocorre a formação de um pescoço ou estricção localizada O material passa a concentrar a deformação diametral em um ponto específico do corpo de prova ensaiado UNIDADE 2 CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 94 Na tensão de resistência a movimentação das discordâncias já é bastante limitada a deformação da peça gerou um grande número de discordâncias adicionais que se acumularam nos contornos de grão e impediram o movimento umas das outras Na região de estricção se observarmos ao microscópio perceberemos que a restrição ao movimento das discordâncias gerou a presença de microvazios chamados de dimples Nessa região o material está dando fortes indícios de que a ruptura está próxima No ensaio de tração de materiais poliméricos também observamos uma tensão de resistência Já em materiais cerâmicos frágeis a tensão de resistência coincide com a tensão de ruptura a qual será discutida a seguir 6 TENSÃO DE RUPTURA Ao analisarmos um gráfico de tensão vs deformação de materiais metálicos dúcteis e polímeros observamos que a tensão de ruptura é menor do que a tensão de resistência Isso acontece porque no cálculo da tensão levamos em consideração o diâmetro inicial do componente e não o seu diâmetro para cada tensão aplicada Quando o corpo de prova passa pela tensão de resistência seu diâmetro diminui a uma taxa maior e de forma localizada região de estricção A tensão de ruptura é registrada no momento da ruptura falha do componente Para efeito de projeto ela apresenta pouca utilidade Na maioria dos casos um produto com deformação permanente em serviço já pode ser considerado inadequado sendo esta correspondente a uma tensão acima da tensão de escoamento 7 RESILIÊNCIA TENACIDADE DUCTILIDADE E FRAGILIDADE Além do módulo de elasticidade e as tensões de escoamento resistência e ruptura outras informações importantes podem ser obtidas pela análise do gráfico de tensão vs deformação Conforme explanado anteriormente o gráfico de tensão vs deformação pode ser dividido em duas partes uma região de regime elástico tensões menores que a tensão de escoamento e regime plástico tensões acima do limite de escoamento A figura a seguir mostra a região de regime elástico e regime plástico TÓPICO 1 PROPRIEDADES MECÂNICAS 95 FIGURA 41 GRÁFICO COMPARATIVO DE TENSÃO DEFORMAÇÃO INDICANDO REGIME ELÁSTICO E REGIME PLÁSTICO FONTE O autor Durante a aplicação da carga mecânica no componente a energia mecânica é utilizada para o deslocamento entre os átomos na região elástica Portanto o valor máximo de energia elástica que um material pode absorver está relacionado com o módulo de elasticidade E e a tensão de escoamento σe Um material que absorve uma grande quantidade de energia no campo elástico é chamado de resiliente A resiliência pode ser calculada pela área abaixo da região elástica no gráfico de tensão vs deformação Essa propriedade se relaciona diretamente com a resistência ao impacto dos materiais Um material tenaz apresenta como característica uma elevada capacidade de absorver energia mecânica através da deformação plástica O nível de tenacidade dos materiais pode ser avaliado pela área abaixo da curva tensão vs deformação na região plástica A tenacidade portanto se relaciona com uma elevada tensão de resistência eou um elevado alongamento ou deformação do componente antes da sua ruptura A tenacidade do material é um parâmetro importante quando desejamos conformar mecanicamente um componente metálico como no dobramento e conformação de chapas Um material que apresenta a capacidade de se deformar plasticamente antes de se romper é chamado de dúctil como é o caso dos metais ferrosos e polímeros termoplásticos Estes materiais sempre apresentam algum alongamento Já um material que sofre ruptura logo após o seu limite de escoamento é chamado de frágil Este é o caso da maioria dos materiais cerâmicos Deformação Tensão Região elástica Região plástica UNIDADE 2 CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 96 8 PARÂMETROS DA ESTRUTURA QUE INFLUENCIAM NA RESISTÊNCIA MECÂNICA Na unidade anterior estudamos algumas características da estrutura dos materiais sendo estas diretamente relacionadas com as características mecânicas Alguns pontos relevantes podem ser apontados e devem ser considerados Energia de ligação A energia de ligação se relaciona diretamente com o módulo de elasticidade Ligações químicas mais rígidas implicam em maior tensão necessária para deformar o material Adicionalmente uma elevada energia de ligação significa também uma elevada resistência à ruptura desconsiderando o efeito da presença de defeitos Tipo de estrutura cristalina Se a estrutura cristalina for cúbica ou hexagonal a presença de sistemas de escorregamento implica na possibilidade de movimento das discordâncias e consequentemente geração de deformação plástica Quanto menor for a energia para o movimento das discordâncias menores serão as tensões necessárias para que se deforme plasticamente ou seja menor será a tensão de escoamento Cristalinidade De um modo geral materiais cristalinos tendem a apresentar melhores propriedades mecânicas Em um material cristalino os átomos estão organizados e as forças de coesão são maiores Adicionalmente a ordem cristalina permite a formação de sistemas de escorregamento que se relacionam com a capacidade de deformação antes da ruptura do material Quantidade e tipo de defeitos da estrutura Nos materiais onde a deformação é pelo movimento das discordâncias metais a quantidade destes defeitos está diretamente relacionada com a capacidade de deformação Quantidades elevadas de discordâncias propiciam a ancoragem de discordâncias restringindo a deformação 9 RELAÇÕES ENTRE A MICROESTRUTURA E A RESISTÊNCIA MECÂNICA Assim como as características da estrutura afetam as propriedades mecânicas dos materiais a proporção entre as fases os tamanhos e formas geométricas dos microconstituintes interfere diretamente na resistência dos materiais Essa relação pode ser compreendida ao estudarmos a microestrutura dos aços e ferros fundidos que são materiais de engenharia bastante empregados no desenvolvimento de componentes onde as tensões mecânicas estão envolvidas TÓPICO 1 PROPRIEDADES MECÂNICAS 97 FIGURA 42 MICROESTRUTURA TÍPICA DE UM AÇO COMUM AO CARBONO FONTE NSW HSC Engineering Studies Disponível em httphsccsueduau engineeringstudiesapplicationcivil11answershtml Acesso em 7 abr 2012 De acordo com o diagrama de fases FeFe3C apresentado na Unidade 1 constatamos que a solubilidade do C na estrutura do Fe é limitada e que a forma e arranjo da perlita têm dependência com o fato de a composição da liga ser proeutetoide ou hipereutetoide A perlita consiste em regiões alternadas de ferrita ferro com carbono em solução sólida e cementita Fe3C O arranjo cristalino da cementita é ortorrômbico que é uma estrutura menos simétrica que a cúbica com poucos sistemas de escorregamento Dessa forma as discordâncias não se movimentam facilmente pela cementita Além disso a cementita é um composto cerâmico sedo intrinsecamente frágil e mais duro do que a ferrita A figura a seguir mostra a estrutura cristalina da cementita onde átomos de carbono C átomos menores na figura ocupam os interstícios prismáticos de ferro Fe Como vimos no estudo do diagrama de fases FeFe3C os aços são classificados de acordo com o teor de carbono C e pela presença ou não de elementos de ligas A figura a seguir mostra a microestrutura típica de um aço comum ao carbono SAE 1020 As áreas escuras correspondem à fase perlita enquanto as áreas claras correspondem à ferrita UNIDADE 2 CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 98 FIGURA 43 ESTRUTURA CRISTALINA DA CEMENTITA FONTE ADAPTADO DE OHBA LABORATORY Disponível em httpwww geocitiesjpohbalabobpageStructureCementiteJPG Acesso em 8 abr 2012 Portanto ao aumentarmos o teor de carbono aumentamos progressivamente a fração de perlita e o que se observa é um aumento na dureza resistência ao escoamento e à tração No entanto a tenacidade capacidade de absorver energia mecânica e a ductilidade decrescem A forte aderência entre a cementita dura e a ferrita mole inibe a deformação da ferrita quando aplicamos uma tensão mecânica sobre o material Além disso as lamelas de cementita atuam como barreiras ao movimento das discordâncias de forma semelhante aos contornos de grão Quanto mais refinada for a perlita maior será esse efeito de restrição à deformação e maior será a resistência e dureza A figura a seguir mostra as propriedades citadas dependentes do teor de carbono em aços Carbono Ferro TÓPICO 1 PROPRIEDADES MECÂNICAS 99 FIGURA 44 PROPRIEDADES MECÂNICAS DE AÇOS EM FUNÇÃO DO TEOR DE CARBONO EM LIGAS FeC FONTE Callister 2007 A modificação da forma da cementita através de tratamentos térmicos afeta diretamente as suas propriedades De fato esse é um método bastante utilizado para alterar as propriedades dos aços O tratamento térmico dos aços será objeto de nosso estudo no decorrer da Unidade 3 ESTUDOS FUTUROS UNIDADE 2 CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 100 10 INFLUÊNCIA DO HISTÓRICO DE TENSÕES TÉRMICAS Tensões mecânicas internas podem ser geradas durante o processo de resfriamento dos materiais seja no seu processo de fabricação ou tratamento térmico Essas tensões são geradas quando o exterior do material é resfriado a uma velocidade elevada fazendo com que a camada externa do material retraia a uma taxa diferente do interior Nos materiais frágeis onde a capacidade de formação na aplicação de tensão é pequena ou inexistente essa configuração pode gerar defeitos internos ou até a fratura do material Em materiais dúcteis existe a possibilidade de realizar tratamentos térmicos para alívio dessas tensões quando estas não podem ser eliminadas no processo de fabricação anterior As tensões térmicas podem ser utilizadas propositalmente para criar propriedades de interesse para determinadas aplicações Por exemplo na fabricação de vidros temperados os quais são bastante utilizados em parabrisas de automóveis o resfriamento rápido e controlado da camada externa do vidro gera tensões de compressão na sua superfície aumentando a resistência Esse princípio também é bastante utilizado no desenvolvimento de camadas com o intuito de aumento da resistência mecânica É o caso da camada vítrea esmalte cerâmico aplicado sobre materiais cerâmicos FIGURA 45 ESCADA COM DEGRAUS EM VIDRO TEMPERADO FONTE QINGDAO HENGDA GLASS TECHNOLOGY CO LTD Disponível em httpenhdglasscomProductExhibitlistcategoryid959d99d99aaa4e26 a0c6ac9e8f7efb0dhtml Acesso em 7 abr 2012 TÓPICO 1 PROPRIEDADES MECÂNICAS 101 11 INFLUÊNCIA DA DEFORMAÇÃO PLÁSTICA Quando aplicamos uma tensão mecânica acima da tensão de escoamento de um material metálico este se deforma permanentemente Ao retirarmos a tensão aplicada ocorre o retorno elástico do material ou seja a deformação elástica é eliminada O que acontece se aplicarmos tensão novamente nesse material acima do limite de escoamento Uma propriedade interessante dos metais é a sua capacidade de se deformar plasticamente e apresentar um aumento na resistência com a deformação Como estudamos anteriormente o conceito fundamental para o entendimento das propriedades mecânicas dos metais é que eles apresentam discordâncias que podem se movimentar no material quando aplicamos certo nível de tensão mecânica O aumento da resistência dos metais por deformação mecânica é chamado de encruamento Ao atingir a tensão de escoamento as discordâncias se movimentam e se acumulam progressivamente nos contornos de grão Nesse processo novas discordâncias são geradas se acumulam nos contornos de grão e se interceptam gerando um progressivo impedimento da deformação Quando conformamos mecanicamente um metal no dobramento ou estampagem de chapas por exemplo a tensão aplicada gera a deformação permanente do material Nas regiões deformadas as discordâncias foram movimentadas e novas discordâncias foram criadas Por esse motivo nessas regiões a dureza do material tende a ser mais elevada pois foram criadas restrições a uma nova deformação Nos materiais frágeis como o movimento das discordâncias é impedido por barreiras estruturais e energéticas a deformação plástica é praticamente inexistente 12 FADIGA A falha de um componente por fadiga acontece em aplicações onde o componente está sujeito a cargas cíclicas asas de aviões componentes de máquinas etc De fato a maior incidência de falhas em materiais metálicos tem como causa a fadiga e há um fator bastante importante que contribui para esse fato as tensões de falha por fadiga são substancialmente menores do que a tensão de resistência do material Portanto em componentes onde o carregamento é cíclico algumas considerações adicionais de projeto precisam ser aplicadas A falha por fadiga tem característica frágil inclusive em metais dúcteis O processo de falha por fadiga é caracterizado por três etapas UNIDADE 2 CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 102 Nucleação da trinca A nucleação da trinca acontece na superfície do material Muitas vezes pode ser originada pela presença de riscos de usinagem ou cantos vivos de fios de roscas chavetas etc Crescimento da trinca Uma vez formada a trinca se propaga lentamente através do material através de planos da estrutura com elevada tensão de cisalhamento Durante a propagação da trinca em função das tensões cisalhantes envolvidas são formadas texturas conhecidas por marcas de praia Fratura final Ao atingir um tamanho crítico a trinca se propaga rapidamente gerando a falha catastrófica do componente A figura a seguir mostra uma superfície típica de falha por fadiga FIGURA 46 FRATURA POR FADIGA DE UMA LIGA DE TITÂNIO COMPONENTE DE PRÓTESE PARA PESCOÇO FONTE BIOMED SEARCH Disponível em httpwwwbiomedsearchcomnih Modulartitaniumalloyneckadapter20047653html Acesso em 7 abr 2012 A resistência à fadiga é determinada em ensaios laboratoriais Aplicase inicialmente uma amplitude de tensão alta da ordem de 23 da resistência à tração registrandose o número de ciclos N até que ocorra a fratura Os ensaios seguintes são conduzidos com tensões progressivamente menores resultando em valores de N maiores Com esses dados após tratamento estatístico montase um gráfico de amplitude de tensão em função do número de ciclos N em escala logarítmica TÓPICO 1 PROPRIEDADES MECÂNICAS 103 FIGURA 47 GRÁFICO DE TENSÃO MÁXIMA EM FUNÇÃO DO NÚMERO DE CICLOS FONTE WIKIPEDIA Disponível em httpenwikipediaorgwikiFatiguematerial Acesso em 8 abr 2012 A partir desses dados podese ter um direcionamento para a seleção de materiais para aplicações em situações de fadiga Como regra geral a resistência à fadiga se apresenta menor para materiais com menor capacidade de encruamento capacidade de deformação do material Sendo assim um material mais mole que apresente menor resistência ao escoamento e à tração porém maior capacidade de se deformar plasticamente pode ter um comportamento mais adequado em fadiga do que um material de elevada dureza e resistência à tração Isso acontece porque a propagação da trinca é restringida pelo encruamento deformação plástica localizada Essa deformação plástica localizada gera um arredondamento da ponta da trinca diminuindo a concentração de tensão Utilizando uma lógica semelhante o tratamento de superfície dos aços tais como o jateamento e cementação geram tensões compressivas na superfície fazendo com que a propagação da trinca seja dificultada Esse procedimento aumenta a vida útil em fadiga dos componentes mecânicos De uma forma geral para componentes que podem sofrer processo de fadiga em aplicação a introdução de concentradores de tensão tais como chavetas roscas e acabamento superficial grosseiro devem ser na medida do possível evitados UNIDADE 2 CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 104 13 FLUÊNCIA Alguns componentes são utilizados em aplicações onde ocorre a aplicação de uma tensão estática porém aliada à utilização de elevadas temperaturas de serviço como em tubulações de vapor de alta pressão Quando essa temperatura é maior do que 40 da temperatura de fusão do material um tipo característico de falha pode ocorrer a fluência A fluência é caracterizada pela deformação do componente com a aplicação de uma carga estática em altas temperaturas Para avaliação do comportamento do material utilizase o ensaio de fluência O ensaio de fluência é muito parecido com o ensaio de tração convencional Nesse ensaio se mede a deformação gerada por uma tensão estática em função do tempo e temperatura de ensaio Uma curva de fluência é apresentada na figura a seguir FIGURA 48 CURVA DE FLUÊNCIA FONTE Callister 2007 A curva de fluência é caracterizada por três regiões primária secundária e terciária TÓPICO 1 PROPRIEDADES MECÂNICAS 105 Fluência primária Nessa etapa ocorre uma diminuição crescente na taxa de deformação o que nos sugere que algum fenômeno está restringindo a deformação por fluência De fato nessa etapa ocorre um endurecimento encruamento crescente do material pois a deformação gera discordâncias que restringem os movimentos umas das outras da mesma forma como ocorre ao tracionarmos um material em temperatura ambiente Fluência secundária Nessa parte do gráfico a taxa de deformação é constante resultando em um segmento de reta No material a geração de novas discordâncias concorre com a eliminação das mesmas pela alta temperatura o que chamamos de recuperação que na prática funciona como um processo de alívio de tensões Essa etapa normalmente é a mais longa Fluência terciária Essa etapa consiste no final do processo onde ocorre a deformação aparente e localizada A partir desse ponto a ruptura pode ocorrer em um intervalo de tempo curto A figura a seguir mostra um gráfico de tensão em função do tempo de vida para uma liga carbononíquel com baixo teor de níquel em três temperaturas diferentes Observe o efeito da temperatura no tempo de vida para uma mesma tensão FIGURA 49 TENSÃO EM FUNÇÃO DO TEMPO DE VIDA EM FLUÊNCIA PARA UMA LIGA CARBONONÍQUEL FONTE Callister 2007 UNIDADE 2 CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 106 Algumas ligas metálicas são mais adequadas para aplicações em fluência Uma elevada temperatura de fusão elevado módulo de elasticidade rigidez e maior tamanho de grão geram materiais com maior resistência à fluência Em relação ao tamanho de grão o comportamento é exatamente o contrário do que verificamos na resistência à tração em temperatura ambiente onde materiais com grãos mais refinados apresentam melhor desempenho mecânico Em materiais com grãos maiores o deslizamento entre os grãos é minimizado o que beneficia a resistência à fluência Para aplicações em fluência se utilizam os metais refratários superligas de cobalto e níquel e aços inoxidáveis 107 RESUMO DO TÓPICO 1 Neste tópico estudamos as características mecânicas dos materiais A seguir apresentamos um resumo dos principais pontos abordados Os materiais são muitas vezes analisados em termos de suas propriedades mecânicas através de um gráfico de tensão versus deformação O módulo de elasticidade é uma constante do material e indica a rigidez do material no campo elástico A tensão de escoamento é caracterizada pela tensão onde se inicia a deformação plástica Quando não há uma distinção clara do ponto no gráfico este é convencionado para um valor de deformação padrão 0002 A tensão de resistência compreende a maior tensão aplicável ao material e antecede a deformação localizada A tensão de ruptura corresponde ao valor de tensão na ruptura do corpode prova A resiliência corresponde ao valor de energia que o material absorve no campo elástico A tenacidade está relacionada à capacidade de deformação plástica de um componente sem que haja a ruptura Um material pode ser dúctil quando apresenta deformação plástica antes da ruptura ou frágil quando a deformação plástica do componente antes da ruptura é pequena ou inexistente Os parâmetros de resistência mecânica dos materiais se relacionam com a microestrutura tensões térmicas presença de defeitos como discordâncias e geração de discordâncias com a deformação plástica Um material exposto a esforços cíclicos pode fraturar em tensões menores do que os valores calculados pelo ensaio de tração Algumas considerações de projeto adicionais devem ser consideradas nesses casos A fluência ocorre quando as temperaturas são suficientemente elevadas e estão associadas a tensões ou pressões em serviços 108 AUTOATIVIDADE Caroa acadêmicoa para melhor fixar o conteúdo da unidade sugerimos que desenvolva as seguintes atividades 1 Descreva e defina os tipos de tensão que podem ser determinados no gráfico de tensão vs deformação 2 O que diferencia um material dúctil de um material frágil 3 Quais são as variáveis envolvidas no processo de falha por fluência 4 Quais características devem ser consideradas para aumentar a vida em fadiga de um componente 109 TÓPICO 2 PROPRIEDADES ÓTICAS UNIDADE 2 1 INTRODUÇÃO Ao iniciarmos nosso estudo sobre as propriedades óticas dos materiais é natural que a nossa visão sobre a abrangência desse tema seja limitada Possivelmente a primeira imagem que temos sobre o assunto está relacionada ao desenvolvimento e aplicação de lentes De fato o desenvolvimento das lentes nos possibilitou conhecermos mais sobre os materiais e sobre outras ciências com o advento da microscopia ótica e também dos telescópios No entanto as propriedades óticas dos materiais também têm relação com alguns dos mais recentes desenvolvimentos tecnológicos o laser e a fibra ótica Sem o desenvolvimento constante nessa área não teríamos disponíveis os leitores de CD DVD e mais recentemente de BluRay A invenção e aplicação da fibra ótica permitiram a troca rápida de informações com perdas bastante inferiores aos cabos de cobre Considerando somente estas duas invenções podemos dizer que o estudo das propriedades óticas dos materiais é fundamental para o desenvolvimento e aprimoramento de novas tecnologias O nosso intuito nessa etapa é de apresentar os princípios que governam essas propriedades fornecendo embasamento para a compreensão das tecnologias e aplicações dos materiais destinados a aplicações óticas 2 PRINCÍPIOS BÁSICOS Para facilitar o estudo vamos relembrar alguns conceitos de física relacionados às propriedades óticas Fóton O fóton é uma partícula elementar que pode se comportar como uma partícula ou como uma onda A luz é formada por um grande número de fótons quanto maior a quantidade de fótons maior é a intensidade da luz Comprimento de onda λ O comprimento de uma onda é definido pela distância entre dois picos da onda para ondas senoidais Ele é inversamente proporcional à frequência e apresenta normalmente unidade em µm mícron Frequência f A frequência de uma onda exprime a quantidade de ciclos dessa onda por unidade de tempo s A frequência é inversamente proporcional ao comprimento de onda e sua unidade é o Hertz Hz Velocidade da luz c A velocidade da luz é constante c 300000 Kms ou 3 x 108 ms no vácuo A velocidade da luz se relaciona com a frequência e comprimento de onda pela equação λ cf 3 REFRAÇÃO Em materiais transparentes a luz que é transmitida para o interior sofre uma diminuição em sua velocidade A razão entre a velocidade da luz c no vácuo 3 x 108 ms e a velocidade da luz no material v é chamada de índice de refração η η cv Duas características influenciam no índice de refração a polarização e o comprimento de onda da luz incidente Como a luz consiste em uma onda eletromagnética que é um campo elétrico que oscila rapidamente esse campo elétrico ao atravessar o material interage com os elétrons dos átomos deslocando a nuvem eletrônica em relação ao núcleo dos átomos gerando polarização Como resultado as ondas eletromagnéticas ao atravessarem o meio sofrem uma redução em sua velocidade Ao incidirmos uma luz branca sobre um prisma notamos que a luz que atravessa o prisma é decomposta em várias cores De fato a luz branca visível é uma composição de todas as cores e contém todos os comprimentos de onda de luz visível Cada cor que observamos está relacionada a um determinado comprimento de onda Como a velocidade da luz no material depende do comprimento de onda cada cor é difratada desacelerada de forma diferente gerando o efeito de separação de cores observado Como a polarização afeta diretamente a velocidade da luz no material e esta se relaciona com a interação com os elétrons dos átomos quanto maior for o átomo ou íon dentro do material maior será o efeito dessa polarização maior será a refração e menor velocidade da luz no material Por esse motivo a adição de PbO óxido de chumbo a vidros comuns aumenta o índice de refração pois o chumbo apresenta um elevado raio atômico Nos materiais cerâmicos de estrutura cúbica e nos vidros inorgânicos o índice de refração é o mesmo em todas as direções isotrópico Quando a estrutura não é cúbica o índice de refração pode ser diferente dependendo da direção de incidência da luz Nesse caso o material é dito anisotrópico 4 REFLEXÃO Quando uma luz passa de um meio para outro com índice de refração diferente por exemplo do ar para o vidro parte dessa luz se dispersa e parte da luz atravessa o meio A esse fenômeno damos o nome de reflexão A refletividade é relacionada com o índice de refração dos meios pela seguinte equação R n₂ n₁² n₂ n₁² Quando um dos meios é o ar cujo índice de refração é próximo a um a equação pode ser reescrita da seguinte forma R nₛ 1² nₛ 1² Onde nₛ é o índice de refração do material Portanto quanto maior for o índice de refração do sólido maior será a sua refletividade Um material não metálico pode absorver fótons de luz incidentes Esse fenômeno ocorre dependendo da energia desse fóton a energia de excitação deve ser maior do que a energia entre a banda de valência e a banda de condução dos átomos do material A energia do fóton de luz incidente é utilizada para promover um elétron na banda de valência para a banda de condução gerando assim um elétron livre na banda de condução e um buraco na banda de valência A figura a seguir ilustra esse processo 6 TRANSMISSÃO A quantidade de luz transmitida através de um sólido irá depender de qual fração dessa luz é refletida e absorvida pelo material A intensidade de transmissão se relaciona com o coeficiente de absorção β a intensidade do feixe de luz incidente I₀ a refletividade R e a espessura da peça l pela seguinte equação Iₜ I₀1 R² eβl TÓPICO 2 PROPRIEDADES ÓTICAS 113 7 COR O fenômeno que observamos como cor está relacionado com a absorção de luz incidente porém de forma seletiva em relação ao comprimento de onda A absorção seletiva se dá pela excitação de elétrons Quando um fóton de determinada energia é absorvido gerando uma excitação de um elétron o posterior decaimento desse elétron emite novamente um fóton Essa emissão nem sempre é na mesma frequência portanto a cor irá depender da frequência de luz transmitida mas também da frequência reemitida pelo material Nos vidros inorgânicos a coloração é obtida através da incorporação de íons ao vidro no estado fundido Cu2 azul verde Co2azulvioleta Cr3 verde dentre outros A transmitância do vidro é relativamente constante em todo o intervalo de comprimento de onda A introdução dos íons supracitados permite a absorção seletiva A figura a seguir mostra a fração de energia radiante em função do comprimento de onda para um vidro verde FIGURA 52 ENERGIA RADIANTE EM FUNÇÃO DO COMPRIMENTO DE ONDA PARA UM VIDRO VERDE FONTE Callister 2007 8 OPACIDADE E TRANSLUCIDEZ Em materiais isolantes as características de transmitância e refletância fazem com que estes sejam opacos ou translúcidos Quando o feixe de luz encontra barreiras internas tais como cristais ou fases ou ainda poros a transmissão da luz é alterada aumentando a opacidade Em materiais poliméricos o grau de cristalinidade está diretamente relacionado à translucidez as regiões cristalinas geram um maior espalhamento da luz incidente UNIDADE 2 CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 114 Nos materiais metálicos todas as frequências de luz visível são absorvidas em função da presença constante de estados eletrônicos vazios Sendo assim os metais são intrinsecamente opacos A maior parte da energia absorvida é reemitida pela superfície que é visualizada como luz refletida 9 LASERS Laser significa amplificação da luz por emissão estimulada de radiação do inglês light amplification by stimulated emission of radiation As transições eletrônicas que estudamos anteriormente são espontâneas Nos lasers essas transições são geradas por um estímulo externo Um laser de rubi monocristal de Al2O3 com 005 de Cr3 possui estados eletrônicos que são propícios ao desenvolvimento de lasers Ele funciona da seguinte forma Utilizase um bastão de rubi cujas extremidades são extremamente planas e polidas Ambas as faces são prateadas sendo uma delas totalmente reflexiva e outra parcialmente reflexiva O bastão é iluminado com uma lâmpada de flash de xenônio Os fótons da lâmpada de xenônio apresentam comprimento de onda de 056µm excitando os elétrons do Cr3 até um nível de energia mais alto Os elétrons excitados decaem para estados metaestáveis específicos gerando uma avalanche de decaimentos Os fótons que são emitidos paralelamente ao eixo do bastão são transmitidos através da superfície parcialmente prateada ou refletidos pela superfície totalmente prateada Fótons emitidos em outras direções são perdidos O feixe de luz viaja repetidamente para frente e para trás do bastão e sua intensidade vai aumentando conforme novas emissões vão sendo estimuladas Por fim um feixe monocromático de alta intensidade e bastante colimado é emitido A figura a seguir mostra esquematicamente o processo de obtenção de um feixe de laser TÓPICO 2 PROPRIEDADES ÓTICAS 115 FIGURA 53 REPRESENTAÇÕES ESQUEMÁTICAS DA EMISSÃO ESTIMULADA E DA AMPLIFICAÇÃO DA LUZ PARA UM LASER DE RUBI FONTE Callister 2007 Os lasers podem ser focados em determinados pontos para gerar aquecimento localizado e por esse motivo são bastante utilizados para cortes usinagens e procedimentos cirúrgicos Devido à alta coerência do feixe este também pode ser utilizado para fazer medições de longa distância com elevada precisão UNIDADE 2 CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 116 10 FIBRAS ÓTICAS O advento das fibras óticas permitiu um avanço excepcional na área da comunicação As fibras óticas substituem os fios de cobre na transmissão de informação Essencialmente a transmissão da informação passa de ser por um meio eletrônico elétrons no cobre para a transmissão através de fótons nas fibras óticas As fibras óticas apresentam grande vantagem sobre a transmissão por fios de cobre a saber Maior velocidade de transmissão Maior densidade de transmissão duas pequenas fibras óticas podem transmitir até 24 mil ligações telefônicas simultaneamente Menor massa de material nos cabeamentos para transmitir a mesma quantidade de informação transmitida por 100g de fibra ótica são necessárias 30 toneladas de cobre Maior distância de transmissão Menor incidência de erros Não há interferência eletromagnética Uma fibra é composta por núcleo recobrimento e revestimento O sinal passa através do núcleo sua trajetória é restringida pelo recobrimento e o revestimento protege a fibra contra abrasão e pressões externas As fibras são fabricadas em vidro de sílica de alta pureza com diâmetros que variam de 5100µm Devido à fina espessura o material é praticamente isento de defeitos o que contribui para a elevada eficiência das fibras além de serem altamente resistentes Um aspecto importante das fibras óticas é que o sinal no interior da fibra sofre reflexão total ou seja os raios que estejam se deslocando em direções oblíquas são refletidos novamente para o interior do núcleo o que garante a intensidade do sinal mesmo em longas distâncias Essa reflexão total é conseguida através do ajuste do índice de refração do núcleo e do recobrimento da fibra O índice de refração da fibra é ajustado de forma parabólica do centro do núcleo para a periferia com a utilização controlada de impurezas de B2O3 ou GeO2 Os raios de luz que se deslocam pela periferia em um percurso mais longo seguem a uma maior velocidade índice de refração menor enquanto os raios no centro são forçados a se deslocarem a uma velocidade menor índice de refração maior Dessa forma os raios de luz chegam ao final do percurso praticamente ao mesmo tempo As perdas de sinal nesse tipo de material devem ser mínimas A perda de potência de uma fibra ótica de 16 km deve ser equivalente à perda de potência através de um vidro de janela comum de 25mm de espessura 117 Neste tópico estudamos algumas propriedades óticas dos materiais A seguir apresentamos um resumo dos principais pontos abordados A luz ao atravessar um meio diferente do vácuo tem menor velocidade A razão entre a velocidade da luz no vácuo e no meio é chamada de índice de refração A refletividade é proporcional ao índice de refração do material Materiais não metálicos absorvem fótons com energia maior que o intervalo entre a banda de valência e a banda de condução A intensidade de luz transmitida por um material depende da intensidade da luz incidente da refletividade da espessura da peça e do coeficiente de absorção A cor de um material está relacionada à absorção seletiva de fótons com energia específicos associados a determinados comprimentos de onda Alguns materiais podem ser opacos ou translúcidos dependendo do grau de espalhamento da luz por microconstituintes cristais fases ou poros Os lasers podem ser obtidos através de condições específicas de emissão controlada de fótons As fibras óticas são elementos de transmissão de informação através de fótons e apresentam inúmeras vantagens frente à transmissão de informação por meio de elétrons RESUMO DO TÓPICO 2 118 Caroa acadêmicoa para melhor fixar o conteúdo da unidade sugerimos que desenvolva as seguintes atividades 1 Em que consiste o índice de refração de um material 2 Descreva o fenômeno que observamos como cor 3 Descreva sucintamente o funcionamento de um laser de rubi 4 Quais as vantagens da utilização das fibras óticas frente aos tradicionais cabos elétricos para transmissão de informações AUTOATIVIDADE 119 TÓPICO 3 PROPRIEDADES ELÉTRICAS UNIDADE 2 1 INTRODUÇÃO Na seleção de materiais para determinadas aplicações muitas vezes se faz necessário considerar as suas características elétricas seja pela necessidade de isolamento da energia elétrica pela condução de eletricidade com poucas perdas ou em componentes que conduzam eletricidade em quantidades intermediárias ou em valores específicos Para todos os casos as propriedades elétricas irão depender de vários fatores muitos dos quais já estudamos nos tópicos anteriores tipo de ligação química tipos de átomos envolvidos presença de elétrons livres microestrutura e defeitos da estrutura Um conjunto de características define além das propriedades mecânicas dos materiais as suas características elétricas Alguns dos conceitos para entendimento de fenômenos relacionados a propriedades elétricas nos materiais necessitam conhecimento mais aprofundado de física quântica Nesse tópico apresentaremos aspectos fundamentais relacionados às propriedades elétricas dos materiais de uma forma mais simplificada O intuito não é o de desenvolver temas específicos mas formar uma base para o raciocínio e interpretação dos principais fenômenos relacionados a essas propriedades 2 CONCEITOS FUNDAMENTAIS Do estudo dos tópicos anteriores aprendemos que os átomos são compostos de partículas elementares Embora a condutividade elétrica possa estar relacionada ao movimento de íons ela está mais frequentemente vinculada ao movimento das partículas com cargas elétricas negativas os elétrons A eletricidade está relacionada ao movimento de elétrons Quando um campo elétrico é imposto a um determinado material um fluxo de elétrons é atraído para o lado positivo do campo elétrico ou seja os elétrons se movimentam em sentido oposto ao campo elétrico aplicado A diferença de potencial elétrico é chamada de tensão V Ao aplicarmos uma tensão V os elétrons se movem gerando uma corrente elétrica i que é inversamente proporcional à resistência elétrica do material R A relação entre essas grandezas consiste na chamada de Lei de Ohm R V i Porém a resistência elétrica R depende também da geometria da peça cabo ou componente Para analisarmos a resistência intrínseca de um material devemos considerar essas dimensões Normalmente utilizamos o valor de resistividade volumétrica ρ ρ RA l Onde A representa a área da seção transversal da peça e L a distância entre os dois pontos de medição Outra grandeza bastante utilizada é a condutividade que é o inverso da resistividade σ 1 ρ A unidade tensão é dada em Volts V de resistência em Ohms Ω e de corrente i em Amperes A A resistividade é dada em Ωm e a condutividade em Ωm¹ 3 RIGIDEZ DIELÉTRICA A rigidez dielétrica é uma propriedade do material que se relaciona com a sua capacidade de manutenção das características de isolamento de eletricidade Ela é avaliada aplicandose um campo elétrico crescente em um material com espessura conhecida A tensão onde o material passa de isolante a condutor é identificada em ensaios específicos A unidade de rigidez dielétrica é Vm A rigidez dielétrica do ar é de 3 x 10⁶ Vm enquanto o Nylon exibe uma rigidez dielétrica da ordem de 14 x 10⁶ Vm TÓPICO 3 PROPRIEDADES ELÉTRICAS 121 4 MATERIAIS CONDUTORES Vimos anteriormente que quando aproximamos átomos surgem forças de repulsão e atração causadas pela presença de carga positiva nos núcleos e pelos elétrons nas camadas que circundam esses núcleos Na ligação de vários átomos nos materiais metálicos para a formação do sólido ocorrem interações entre os átomos envolvidos as cargas positivas e negativas de cada átomo perturbam mutuamente as suas estruturas atômicas Nos materiais metálicos além dos elétrons das camadas de valência existem os elétrons mais externos que em função das características da ligação metálica podem ser movimentados para uma chamada banda de condução utilizando para isso uma energia relativamente baixa Se conseguirmos liberar esses elétrons das forças que os mantêm ligados a átomos específicos esses podem ser acelerados pela presença de uma diferença de potencial elétrico pela presença de um campo elétrico O movimento de vários elétrons simultaneamente gera uma corrente elétrica Os metais são por esse motivo intrinsecamente condutores Um dos metais que apresenta condutividade elevada é o cobre Cu e é muito utilizado em cabos para condução de energia elétrica O alumínio é também bastante utilizado embora sua condutividade seja a metade da do cobre A prata também é um excelente condutor porém de alto custo 5 MATERIAIS ISOLANTES E SEMICONDUTORES Nos materiais isolantes em função das características das ligações iônicas e covalentes os elétrons estão fortemente ligados a átomos específicos Por esse motivo existe um abismo energético entre a banda de valência e a banda de condução e é necessária uma tensão muito elevada para que haja movimentação de elétrons Esses materiais são muito úteis quando se faz necessário isolar energia elétrica por exemplo quando queremos garantir que a energia elétrica que flui através de um cabo metálico não seja transmitida para a estrutura de uma rede elétrica por exemplo elementos do poste da rede elétrica Nesse caso são utilizados isoladores de porcelana vidro ou materiais poliméricos que fazem essa função com certa margem de segurança Mesmo um material isolante pode vir a conduzir eletricidade se a tensão aplicada for suficientemente alta acima da rigidez dielétrica para vencer o abismo energético para condução que nesse caso pode ser de alguns milhares de Volts 122 UNIDADE 2 CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS Um material semicondutor tem características em termos de configuração de suas bandas semelhantes às de um material isolante No entanto o espaçamento entre as bandas de valência e de condução é muito menor do que no isolante Com isso o material é isolante para um determinado nível de tensão aplicada mas passa a apresentar certa condutividade para um nível mais alto de tensão A figura a seguir mostra esquematicamente a ocupação dos estados eletrônicos para materiais condutores metais figura a seguir parte acima e isolantes ou semicondutores figura a seguir parte abaixo FIGURA 54 OCUPAÇÃO DE ESTADOS ELETRÔNICOS PARA METAIS CONDUTORES ACIMA E ISOLANTES E SEMICONDUTORES ABAIXO FONTE Callister 2007 TÓPICO 3 PROPRIEDADES ELÉTRICAS 123 Os semicondutores que apresentam a propriedade de semicondutividade em seu estado puro são chamados de semicondutores intrínsecos São exemplos desse tipo de semicondutor o silício Si e o germânio Ge bastante empregados em transistores que substituíram as antigas válvulas eletrônicas Os semicondutores extrínsecos são obtidos pela adição controlada de pequenas quantidades de impurezas cujo processo é chamado de dopagem Esses últimos são caracterizados como sendo do tipo p ou do tipo n Nos semicondutores do tipo n a dopagem é realizada utilizando átomos de valência 5 P As Sb em contraposição ao átomo da base Si ou Ge que apresenta valência 4 Com isso um dos elétrons do átomo de impureza fica apenas fracamente ligado Assim a mobilidade desse elétron é semelhante à apresentada nos metais ou seja ele é facilmente liberado da ligação e se torna um elétron livre o que aumenta a sua condutividade Se a quantidade dessas impurezas é controlada a condutividade desses materiais pode ser alterada conforme adicionamos essas impurezas Valores de condutividade específicos são interessantes pra aplicações eletrônicas Em semicondutores do tipo p átomos de valência 3 do grupo IIIA da tabela periódica como o alumínio e o boro são adicionados de forma controlada à estrutura do germânio ou silício Nesse caso ao contrário do que acontece nos semicondutores do tipo n existe uma carência de elétrons na estrutura gerando vazios Esses vazios podem ser considerados como sendo cargas positivas A condutividade desses materiais está vinculada ao movimento dessas cargas positivas vazios quando da aplicação de uma tensão Quanto maior for a quantidade de vazios se movimentando maior será a condutividade líquida do semicondutor sendo esta vinculada ao número de átomos de impureza O desenvolvimento de semicondutores do tipo n e tipo p permitiu o desenvolvimento dos diodos junção pn e dos transistores junção npn ou pnp o que por consequência permitiu o desenvolvimento de componentes eletrônicos menores e mais leves Você pode aprofundar os seus conhecimentos sobre as características e funcionamento dos diodos e transistores na bibliografia recomendada CALLISTER 2007 ATENCAO 124 UNIDADE 2 CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 6 SUPERCONDUTIVIDADE Metais de elevada pureza normalmente apresentam uma queda na sua resistividade proporcional à temperatura Para temperaturas próximas a 0K a resistividade tende a um valor mínimo Para alguns materiais essa resistividade cai a valores muito próximos a zero de forma abrupta para temperaturas muito baixas temperatura crítica Tc sendo chamados de supercondutores Esse fenômeno está relacionado à dispersão ineficiente dos elétrons causada pelo movimento vibracional dos átomos na temperatura de 0K esse movimento é nulo portanto para temperaturas um pouco acima desse valor as amplitudes de vibração dos átomos são pequenas e influenciam pouco no espalhamento dos elétrons fazendo com que a condutividade líquida seja elevada Imãs supercondutores são capazes de gerar campos magnéticos muito fortes com pouca energia elétrica sendo consumida para esse fim e são utilizados em equipamentos de imagem por ressonância magnética com vasto uso na medicina Como é de se esperar a aplicação desses materiais tem como principal dificuldade a manutenção de temperaturas baixas Portanto um campo de pesquisa envolvendo esses materiais diz respeito ao desenvolvimento de novas ligas com temperatura crítica Tc mais elevada 7 FATORES QUE AFETAM A RESISTIVIDADE DOS METAIS Apesar da elevada condutividade elétrica dos metais estes apresentam alguns fatores que alteram as suas características elétricas A temperatura é um destes fatores Quando aumentamos a temperatura de um material metálico a energia térmica do mesmo é caracterizada por movimentos vibracionais dos átomos À medida que a temperatura aumenta a amplitude dessas vibrações também aumenta O movimento dos elétrons livres é então dificultado na medida em que os elétrons são espalhados o que resulta em uma menor condutividade líquida Da mesma forma a presença de impurezas no material tal como o carbono no ferro em ligas de aço diminui a condutividade e aumenta a resistividade visto que essas impurezas acabam atuando como centros de espalhamento dos elétrons A deformação plástica de um metal conforme vimos anteriormente promove a geração de defeitos da estrutura cristalina as discordâncias Dessa forma quanto maior for a deformação plástica do material maior tende a ser a sua resistividade pois as discordâncias nesse caso também atuam como pontos de espalhamento dos elétrons 125 Neste tópico estudamos algumas propriedades elétricas dos materiais A seguir apresentamos um resumo dos principais pontos abordados A resistência elétrica R é função da tensão aplicada V e da corrente elétrica i A resistividade elétrica ρ é uma característica do material e exprime a dificuldade de movimentação dos elétrons na aplicação de uma tensão V A condutividade elétrica σ é o inverso da resistividade elétrica A rigidez dielétrica é uma característica do material e está relacionada à sua capacidade de isolar eletricidade Um material condutor apresenta elétrons que podem ser excitados para a banda de condução através da aplicação de um campo elétrico de baixa magnitude Um material isolante necessita de uma elevada energia para que elétrons possam passar para a banda de condução Materiais semicondutores apresentam estrutura de bandas semelhante à de um material isolante porém a energia para excitação de elétrons é menor Os materiais semicondutores podem ser intrínsecos ou extrínsecos Os semicondutores extrínsecos podem ser do tipo p ou do tipo n Os materiais supercondutores apresentam uma temperatura crítica baixa na qual sua condutividade é substancialmente aumentada Defeitos da estrutura e da microestrutura assim como a temperatura aumentam a resistividade dos materiais metálicos RESUMO DO TÓPICO 3 126 AUTOATIVIDADE Caroa acadêmicoa para melhor fixar o conteúdo da unidade sugerimos que desenvolva as seguintes atividades 1 Por quais motivos os materiais metálicos são intrinsecamente condutores 2 Quais as diferenças entre os materiais isolantes e semicondutores 3 Cite três fatores que afetam a resistividade dos materiais metálicos 4 O que é um material supercondutor 127 TÓPICO 4 PROPRIEDADES MAGNÉTICAS UNIDADE 2 1 INTRODUÇÃO As propriedades magnéticas dos materiais apresentam diversas utilidades práticas Desde os tempos mais remotos as características dos materiais magnéticos naturais foram estudadas culminando em invenções como a bússola que permitiu a realização de longas expedições marítimas e uma série de descobertas associadas Posteriormente a descoberta da eletricidade e de que as características magnéticas de certos materiais poderiam ser alteradas através da utilização de um campo magnético externo permitiu o desenvolvimento de motores elétricos O desenvolvimento de imãs com elevada energia permitiu a fabricação de motores cada vez menores que são atualmente utilizados em equipamentos portáteis e automóveis Podese dizer que a tecnologia da informática está diretamente vinculada ao estudo das propriedades magnéticas dos materiais Os dados em discos rígidos dos computadores são gravados e lidos através de meios magnéticos onde o alinhamento dos domínios magnéticos é relacionado com o sistema binário 0 e 1 base para o armazenamento de informações nesses sistemas Neste tópico serão abordados alguns aspectos fundamentais e tipos de materiais magnéticos bem como as suas características intrínsecas 2 CONCEITOS FUNDAMENTAIS As forças magnéticas presentes nos materiais são originadas de dipolos magnéticos que são análogos aos dipolos elétricos Sabemos que os átomos são compostos por partículas elementares chamadas de prótons elétrons e nêutrons Os elétrons nos átomos apresentam dois tipos de movimento movimento orbital ao redor do núcleo e movimento de rotação sobre um eixo imaginário spin Em um átomo vários elétrons estão em movimento orbital e de spin O movimento de spin pode ser para cima ou para baixo e o movimento orbital apresenta direções opostas para pares de elétrons Cada elétron em um átomo pode ser considerado um pequeno ímã que possui momentos magnéticos permanentes gerados pelos movimentos orbital e de spin Ainda pares de elétrons com spin para cima e para baixo se anulam mutuamente em termos de momento magnético O momento magnético de um átomo é a soma de todos os momentos magnéticos orbital e spin dos elétrons Como poderíamos esperar em átomos onde as camadas e subcamadas eletrônicas estão completamente preenchidas ocorre um cancelamento completo dos momentos magnéticos Esse é o caso dos gases nobres e alguns materiais iônicos Como resultado esses materiais não podem ser magnetizados O momento Magnético fundamental é chamado de magneton de Bohr μb 927 x 1024 Am² e corresponde ao momento magnético de spin de um elétron Quando aplicamos um campo magnético externamente ao material esse é designado por H Se este for gerado por uma bobina cilíndrica de N voltas com pequeno espaçamento e comprimento L e por esta bobina passamos uma corrente de magnitude I o valor de H pode ser calculado da seguinte forma H NIL Quando um campo magnético H é aplicado um campo magnético interno no material é gerado Esse é designado por B indução magnética A relação entre essas duas variáveis é dada pela equação B μH O valor de μ representa a permeabilidade do material No vácuo a permeabilidade é chamada de μ₀ e a densidade de fluxo magnético B₀ Assim no vácuo temos B₀ μ₀H A permeabilidade de um material normalmente é expressa de forma relativa à permeabilidade no vácuo e é chamada de permeabilidade relativa μr μr μμ₀ Quando um campo magnético H está presente os momentos magnéticos presentes no material sofrem um alinhamento o que gera outra forma de campo magnético denominada magnetização M Esta grandeza se relaciona com a permeabilidade relativa pela seguinte equação M μr 1H O diamagnetismo está presente em todos os materiais Quando um campo magnético externo H é aplicado o movimento orbital dos elétrons é alterado Como consequência um campo magnético B é gerado no material em uma direção oposta à de aplicação do campo magnético H A permeabilidade relativa μr é menor do que a unidade e o valor de B é menor do que B₀ Ao retirarmos o campo magnético H o material retorna ao estado inicial O diamagnetismo apresenta baixa magnitude e só pode ser detectado se outros tipos de magnetismo estiverem ausentes Além disso apresenta pouca utilidade prática O fenômeno denominado paramagnetismo ocorre quando no material existem momentos de dipolo permanente ou seja quando existe o cancelamento incompleto dos momentos magnéticos relacionados aos elétrons de orbital e spin conforme estudamos anteriormente Esses momentos magnéticos estão orientados de forma aleatória no material Ao aplicarmos um campo magnético externo H os dipolos magnéticos internos do material tendem a girar e se alinhar com esse campo Com o alinhamento dos dipolos magnéticos o campo magnético é aumentado os dipolos são somados ao campo magnético H já existente Assim a permeabilidade magnética relativa μr é aumentada e é maior do que a unidade No entanto a densidade de fluxo magnético B é praticamente a mesma que a do vácuo Os materiais paramagnéticos assim como os diamagnéticos são considerados não magnéticos pois ao retirarmos o campo magnético H o material não exibe magnetização 130 UNIDADE 2 CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS FIGURA 55 CONFIGURAÇÃO DE DIPOLO ATÔMICO PARA UM MATERIAL DIAMAGNÉTICO A E PARAMAGNÉTICO B NA AUSÊNCIA E PRESENÇA DE UM CAMPO MAGNÉTICO H FONTE Callister 2007 5 FERROMAGNETISMO Os materiais ferromagnéticos ao contrário dos materiais diamagnéticos e paramagnéticos são considerados magnéticos Os dipolos magnéticos presentes nos materiais ferromagnéticos têm origem principal no cancelamento incompleto dos spins dos elétrons Além disso a estrutura eletrônica desses materiais proporciona um alinhamento desses dipolos magnéticos culminando na presença de magnetismo sem a necessidade de aplicarmos um campo magnético externo H Os metais ferrosos ferrita α estrutura CCC cobalto e níquel são exemplos de metais de transição que apresentam esse comportamento magnético Grandes regiões do material que apresentam esse comportamento relacionado ao alinhamento dos dipolos magnéticos são chamados de domínios magnéticos sobre os quais trataremos mais adiante TÓPICO 4 PROPRIEDADES MAGNÉTICAS 131 6 ANTIFERROMAGNETISMO Alguns tipos de materiais apresentam dipolos magnéticos alinhados assim como se observa para os materiais ferromagnéticos No entanto esse alinhamento ocorre de forma antiparalela Esse é o caso do óxido de manganês MnO onde o O2 não apresenta dipolo magnético e os íons Mn2 apresentam dipolos com direção alternada na estrutura cristalina FIGURA 56 ESQUEMA DEMONSTRANDO O ALINHAMENTO DE DIPOLOS DO MnO FONTE Callister 2007 Como resultado a magnetização líquida é nula visto que todos os dipolos magnéticos se anulam mutuamente 7 FERRIMAGNETISMO Alguns materiais cerâmicos se apresentam magnéticos É o caso da magnetita mineral Fe3O4 Nesse tipo de material o princípio da magnetização novamente está relacionado ao cancelamento incompleto dos dipolos magnéticos de spin A estrutura da magnetita é cúbica e sua característica de coordenação entre os átomos de Ferro e Oxigênio gera íons de Fe com valências diferentes Fe2 e Fe3 Os íons de oxigênio são magneticamente neutros assim como ocorre no óxido de manganês MnO O posicionamento dos íons de Fe e O na estrutura da magnetita é apresentado na figura a seguir Mn² O² 132 UNIDADE 2 CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS FIGURA 57 MOMENTOS MAGNÉTICOS DOS ÍONS DE FE2 E FE3 NA MAGNETITA FONTE Callister 2007 Em função do arranjo cristalino os íons de Fe3 se cancelam mutuamente em termos dos seus momentos magnéticos Já os íons Fe2 devido ao alinhamento paralelo contribuem para a geração de uma magnetização líquida Materiais onde a substituição parcial do Fe é realizada são chamados de ferritas cúbicas MFe3O4 onde M representa um metal que pode ser Ni Mn Co ou Cu Como cada um dos íons divalentes desses metais na ferrita cúbica irá apresentar um momento magnético diferente diferentes materiais magnéticos com características distintas podem ser obtidos dessa maneira A utilização de mais de um tipo de íons além do Fe2 também é possível Apesar de os materiais magnéticos cerâmicos ferrimagnéticos não apresentarem magnetização tão elevada quanto os materiais ferromagnéticos estes são bastante empregados onde as características de isolamento elétrico são necessárias É o caso dos transformadores elétricos 8 HISTERESE Quando um campo magnético externo H é aplicado em um material ferromagnético ou ferrimagnético uma densidade de fluxo magnético B é gerada Nesses materiais H e B não são proporcionais O valor de B irá depender da magnitude de H TÓPICO 4 PROPRIEDADES MAGNÉTICAS 133 Um gráfico de B em função de H pode ser elaborado para esses materiais Um esquema deste pode ser observado na figura a seguir FIGURA 58 DENSIDADE DE FLUXO MAGNÉTICO EM FUNÇÃO DO CAMPO MAGNÉTICO APLICADO PARA UM MATERIAL FERROMAGNÉTICO FONTE Callister 2007 A curva parte da origem H B 0 Ao incrementarmos o valor de H observase um aumento crescente no valor de B nos estágios iniciais O valor de B se aproxima gradativamente do valor de H e atinge um valor máximo A esse valor máximo damos o nome de fluxo magnético de saturação Bs o qual está associado a uma magnetização de saturação Ms Como vimos anteriormente a permeabilidade µ é o coeficiente angular da curva B em função de H e como se trata de uma curva podemos constatar que o valor de permeabilidade irá depender do valor de H aplicado A permeabilidade inicial µ0 corresponde à inclinação da curva no instante inicial H0 Se o material for não magnético e invertermos a direção do campo magnético H a trajetória de B será a mesma no gráfico linha tracejada retornado ao ponto inicial No entanto nos materiais magnéticos ao retirarmos o campo externo H uma densidade de fluxo B permanece no material o que gera a magnetização M No gráfico o que observamos é a chamada histerese ou seja ao invertermos a direção do campo magnético a proporção entre a densidade de fluxo e o campo magnético externo é alterada pois um fluxo magnético remanescente foi criado no material 134 UNIDADE 2 CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS Mas por que isso ocorre Conforme vimos anteriormente nos materiais magnéticos existem regiões de alinhamento dos momentos magnéticos as quais chamamos de domínios Para fazermos uma analogia recordese de alguns elementos da estrutura dos materiais policristalinos grão e contorno de grão Os domínios estão orientados aleatoriamente no material assim como as direções cristalográficas dos cristais em cada grão do material policristalino Ao aplicarmos um campo H os domínios se alinham gradativamente com o campo atingindo a orientação total com o campo no valor de densidade de fluxo de saturação Bs Quando o campo H é invertido existe uma resistência do material a acompanhar o campo H ou seja os domínios alinhados são gradativamente realinhados com a nova direção do campo H mas com maior dificuldade 9 MATERIAIS MAGNÉTICOS DUROS E MOLES Os materiais magnéticos moles são caracterizados pela sua curva de histerese a qual descrevemos no item anterior Conforme apresentado a histerese está relacionada à resistência ao realinhamento dos domínios quando invertemos a direção de um campo magnético externo H Essa resistência intrínseca do material magnético tem implicações práticas materiais que apresentam elevada histerese irão desenvolver uma elevada energia interna ao aplicarmos um campo magnético oscilante Essa energia interna irá se dissipar na forma de calor gerando o aquecimento do material Os materiais magnéticos moles apresentam baixa histerese e são aplicados onde ocorre oscilação de campo magnético H campos magnéticos alternados e onde se deve manter uma temperatura baixa como por exemplo em transformadores Já os materiais magnéticos duros os quais apresentam elevada histerese elevada remanescência são aplicados onde o interesse é o da manutenção de uma elevada resistência à desmagnetização como em imãs permanentes Você pode obter informações mais detalhadas sobre outras características relacionadas às propriedades dos materiais magnéticos moles e duros na bibliografia recomendada IMPORTANTE TÓPICO 4 PROPRIEDADES MAGNÉTICAS 135 10 ARMAZENAMENTO DE INFORMAÇÕES O desenvolvimento de formas de armazenamento de informações por meios magnéticos vem sendo aprimorado nas últimas décadas e podemos dizer que estas são fundamentais para a maioria das aplicações tecnológicas na área da eletrônica Os princípios desse método de armazenamento de informações envolvem a tecnologia empregada na gravação e leitura das antigas fitas cassete e VHS englobando os mais atuais discos rígidos dos computadores cartões de crédito dentre outros Como funciona esse processo Nos discos rígidos por exemplo utilizase um cabeçote que é basicamente composto por um fio enrolado em um núcleo de material magnético e que apresenta um segmento cortado O sinal elétrico é passado pelo núcleo de material magnético que gera um campo magnético na região cortada O disco ou fita fica próximo a esse cabeçote O campo magnético gerado magnetiza pequenas regiões do material a ser gravado e o sinal é dessa forma armazenado A leitura posterior é feita de forma análoga a alteração do campo magnético no cabeçote quando o disco é reproduzido gera um sinal elétrico que é amplificado e pode ser reproduzido por um aparelho de som por exemplo As fitas magnéticas são compostas por pequenas partículas de γFe2O3 ou CrO2 Essas partículas são alinhadas por um campo magnético e ficam dispostas em uma fita polimérica Já nos discos rígidos existem várias camadas de película delgada 10 a 50 nm de ligas especiais como CoPtCr ou CoPtTa separados por uma película de cromo Como cada camada pode conter informações distintas o elevado número dessas finíssimas camadas permite armazenarmos muita informação em um disco rígido muito mais do que podemos armazenar em fitas magnéticas Em termos de histerese é desejado que esses materiais apresentem uma elevada resistência à desmagnetização materiais magnéticos duros 136 Neste tópico estudamos algumas propriedades magnéticas dos materiais A seguir apresentamos um resumo dos principais pontos abordados As forças magnéticas no material são originadas de dipolos magnéticos dos elétrons que se relacionam com o seu movimento ao redor do núcleo orbital e ao redor de seu próprio eixo spin Ao aplicarmos um campo magnético externo H dipolos magnéticos que não são anulados no material podem ser orientados paralelamente ou antiparalelamente ao esse campo Os materiais diamagnéticos e paramagnéticos não são considerados magnéticos pois ao retirarmos o campo externo H não apresentam magnetização M Materiais ferromagnéticos apresentam magnetização mesmo após a retirada do campo magnético externo Materiais antiferromagnéticos apresentam dipolos magnéticos porém a sua orientação é antiparalela e o momento magnético resultante é nulo Materiais ferrimagnéticos são materiais cerâmicos que apresentam momento magnético líquido assim como os ferromagnéticos No entanto são intrinsecamente isolantes elétricos Um material magnético pode ser duro ou mole dependendo da sua característica de fluxo magnético B em função da aplicação de um campo magnético externo H alternado Os materiais magnéticos são utilizados em diversas aplicações como no armazenamento de informações em aplicações eletrônicas materiais magnéticos duros e núcleo de transformadores materiais magnéticos moles RESUMO DO TÓPICO 4 137 Caroa acadêmicoa para melhor fixar o conteúdo da unidade sugerimos que desenvolva as seguintes atividades 1 Em que consiste um material diamagnético Qual a diferença entre um material diamagnético e um material paramagnético 2 O que caracteriza um material magnético 3 O que diferencia um material antiferromagnético de um material ferrimagnético 4 Em que situações práticas os materiais magnéticos moles são aplicados E os materiais magnéticos duros AUTOATIVIDADE 139 TÓPICO 5 PROPRIEDADES TÉRMICAS UNIDADE 2 1 INTRODUÇÃO Nos tópicos anteriores vimos que as propriedades elétricas e magnéticas têm uma forte relação com os elétrons nos átomos que compõem o material Alguns fenômenos estão relacionados com a quantidade de energia para transportar os elétrons para a banda de condução e com momentos magnéticos relacionados ao orbital e spin dos elétrons As propriedades térmicas também apresentam forte dependência das características das ligações químicas nos materiais bem como a capacidade de absorver energia e de que forma essa energia é transportada através do material Para entendimento de alguns conceitos precisaremos resgatar brevemente alguns aspectos relativos às ligações químicas abordados no início do Caderno de Estudos 2 ORIGEM DAS CARACTERÍSTICAS TÉRMICAS As propriedades térmicas dos materiais dependem de alguns fatores dentre eles as características das ligações químicas Quando um material recebe energia térmica energia na forma de calor essa energia é transportada no interior do material de duas formas movimentação de elétrons e vibrações da rede cristalina A condutividade térmica líquida no material depende da contribuição desses dois tipos de condução de energia Quando a temperatura do material se encontra em 0K Kelvin os movimentos de vibração dos átomos são nulos No entanto como vimos anteriormente no estudo dos supercondutores o movimento dos elétrons é facilitado nessa condição visto que menores quantidades de espalhamento dos elétrons são geradas no movimento destes através do material Portanto a condução de calor pelos elétrons livres é mais relevante em temperaturas baixas Conforme adicionamos energia na forma de calor ao material a sua temperatura é aumentada O calor absorvido é transformado em energia de vibração dos átomos A vibração dos átomos no retículo cristalino é de alta frequência e baixa amplitude ou seja os átomos vibram em ciclos muito rápidos e o deslocamento do átomo em relação ao ponto inicial é pequeno À medida que aumenta a amplitude de vibração dos átomos com o aumento da temperatura maior o espalhamento dos elétrons livres A condução do calor pelas vibrações do retículo cristalino fônons se torna cada vez mais significativa conforme aumentamos a temperatura do material 140 UNIDADE 2 CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS O movimento sincronizado dos átomos gera ondas reticulares consistindo em ondas elásticas Assim como a luz é composta por fótons podemos entender a condução de calor em sólidos de forma análoga os fótons são ondas eletromagnéticas e os fônons são ondas elásticas ou ondas sonoras de comprimento de onda curto e frequência muito alta A partir desse conhecimento podemos entender mais facilmente as propriedades térmicas dos sólidos apresentadas a seguir 3 CAPACIDADE CALORÍFICA A capacidade calorífica de um sólido exprime a sua capacidade de absorver calor Sabemos que a temperatura é uma consequência do estado de vibração dos átomos no retículo cristalino A capacidade calorífica consiste na quantidade de calor em J ou cal necessária para elevar a temperatura do material em uma unidade de temperatura C F K Onde dQ representa a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura em dT Ela é expressa normalmente para um mol de material As unidades usuais são JmolK e calmolK O calor específico também é bastante usual para representar esta propriedade A diferença é que este é obtido com base em unidades de massa J KgK ou calgk Como vimos anteriormente a capacidade de absorver calor se relaciona com as vibrações dos átomos no retículo cristalino A capacidade calorífica é dependente da temperatura e a sua proporção de incremento é dada pela equação C AT³ Onde A é uma constante independente da temperatura C dQ dT 4 EXPANSÃO TÉRMICA A expansão térmica dos materiais sólidos é caracterizada pela variação das dimensões do material sólido em função do aumento da sua temperatura Um parâmetro que é usualmente considerado para efeito de projeto é coeficiente linear de expansão térmica α que indica o grau com que um determinado material se expande à medida que aumentamos a sua temperatura As unidades usuais são C1 e K1 O coeficiente volumétrico de expansão térmica é em materiais isotrópicos 3α O coeficiente linear de expansão térmica pode ser obtido através da equação Lf Comprimento final L0 Comprimento inicial α Coeficiente linear de expansão térmica Tf Temperatura final T0 Temperatura inicial Com o aumento da temperatura ocorre o aumento das vibrações reticulares Se as vibrações dos átomos para a esquerda e para a direita tivessem a mesma amplitude nenhuma dilatação dos materiais seria observada em função da temperatura No entanto sabemos que a barreira energética para o movimento dos átomos uns de encontro aos outros é maior devido à grande repulsão gerada pelos núcleos dos átomos No sentido de afastamento dos átomos a barreira energética é menor Vamos recordar o gráfico de energia de ligação A figura a seguir mostra um gráfico de energia de ligação onde estão indicados crescentes em energia vibracional dos átomos gerados por aumentos sucessivos na temperatura do material FIGURA 59 GRÁFICO DE ENERGIA POTENCIAL EM FUNÇÃO DA DISTÂNCIA INTERATÔMICA DEMONSTRANDO O AUMENTO NA SEPARAÇÃO INTERATÔMICA EM FUNÇÃO DO AUMENTO NA TEMPERATURA FONTE Callister 2007 142 UNIDADE 2 CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS De fato a expansão térmica dos materiais existe em função da assimetria da curva de energia de ligação em função da distância interatômica figura a à esquerda Se esta fosse perfeitamente simétrica figura b à direita nenhuma variação dimensional líquida seria observada no material com o incremento da temperatura Os metais apresentam coeficiente de expansão térmica da ordem de 525 x 106 C1 Algumas ligas especiais podem apresentar valores de α reduzidos 1 x 106 C1 como é o caso da Kovar e Invar nomes comerciais à base ferro níquel e ferroníquelcobalto Esses materiais podem ser utilizados onde ocorrem grandes variações de temperatura pois a sua variação dimensional é pequena em função da temperatura o que evita tensões e possíveis fraturas em pontos de concentração de tensões e junções As cerâmicas em função das fortes ligações químicas apresentam coeficientes de expansão térmica menores que os metais 0515 x 106 C1 Se observarmos comparativamente esses valores poderíamos concluir que os materiais cerâmicos deveriam apresentar uma maior resistência ao choque térmico do que os metais No entanto devemos lembrar que nos materiais metálicos os sistemas de escorregamento e as características das ligações metálicas permitem a movimentação das discordâncias gerando deformação plástica Nesse caso as tensões térmicas geradas pelo choque térmico podem ser absorvidas pela geração de deformação Já nos materiais cerâmicos a impossibilidade de se deformar plasticamente resulta na geração de trincas quando as tensões térmicas são muito elevadas Os polímeros apresentam usualmente coeficientes de expansão térmica mais elevados da ordem de 50400 106 C1 Como aprendemos na Unidade 1 as propriedades dos polímeros são governadas pelas características das ligações secundárias que são intrinsecamente mais fracas do que as ligações primárias O coeficiente de expansão térmica linear apresenta relação com o módulo de elasticidade do material De fato ambas as propriedades dependem da magnitude das forças de ligação química entre os átomos Podemos interpretar módulo de elasticidade E como sendo uma constante que exprime a resistência do material a uma deformação elástica imposta por uma tensão mecânica aplicada Já o coeficiente de expansão térmica linear α pode ser entendido como um indicativo da resistência do material à deformação expansão a uma variação de temperatura imposta ao material Atentese ao fato de que essa relação é inversa ou seja módulos de elasticidade elevados se relacionam com coeficientes de expansão térmica reduzidos q Fluxo de calor em por unidade de tempo por unidade de área Wm² k Condutividade térmica WmK dTdx gradiente de temperatura através do meio de condução O fluxo de calor é da região mais quente para a região mais fria o que na expressão acima é indicado pelo sinal negativo Os metais são bons condutores de energia térmica e também bons condutores de energia elétrica Essas duas características apresentamse relacionadas visto que conforme já estudamos nos tópicos anteriores a condutividade elétrica acontece nos metais pela movimentação dos elétrons livres Nos metais temos uma forte contribuição do movimento dos elétrons na condutividade térmica ou seja um dos mecanismos de transferência de energia térmica é o mesmo mecanismo de condução elétrica nos metais o movimento dos elétrons A relação entre a condutividade térmica e a condutividade elétrica é dada pela equação L kσT Onde L é uma constante cujo valor é de 244 x 10⁸ ΩWK² T é a temperatura σ é condutividade elétrica e k é a condutividade térmica Os materiais cerâmicos são intrinsecamente isolantes térmicos e da mesma forma bons isolantes elétricos Novamente a explicação está nas características de mobilidade dos elétrons no caso das cerâmicas não temos a contribuição dos elétrons livres Usualmente os materiais cerâmicos utilizados em aplicações onde se deseja alta refratariedade como por exemplo o revestimento de um forno para isolar o calor interno do ambiente externo são produzidos com elevada porosidade Esse artifício é utilizado para melhorar o isolamento térmico tendo em vista que a condutividade do ar é baixa 002 WmK comparada a um material de baixa condutividade como é o caso dos materiais cerâmicos 250 WmK Ainda a transferência de calor por convecção é baixa em um poro fechado dentro do material 144 UNIDADE 2 CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS Quando necessitamos isolar o calor materiais cerâmicos refratários podem ser utilizados na forma de tijolos ou mantas Poros fechados melhoram o isolamento térmico porém a resistência mecânica deve ser considerada se houver solicitações mecânicas ou necessidade de sustentação da estrutura ela decresce em função da porosidade Os materiais poliméricos apresentam baixa condutividade térmica da ordem de 03 WmK sendo bastante utilizados em isolamento térmico É o caso do Poliestireno Expandido Isopor que consiste em uma espuma de poliestireno onde a porosidade interna auxilia no isolamento do calor da mesma forma que observamos nas cerâmicas refratárias Nos polímeros a transferência de calor é dada pela rotação das moléculas do polímero Polímeros que apresentam maior cristalinidade irão conduzir melhor o calor visto que a movimentação das cadeias poliméricas de forma sincronizada é análoga ao movimento dos retículos cristalinos nos materiais metálicos IMPORTANTE 145 Neste tópico estudamos algumas propriedades térmicas dos materiais A seguir apresentamos um resumo dos principais pontos abordados A condução de calor em um material pode ser por dois mecanismos distintos através de elétrons livres ou fônons Em baixas temperaturas a condução de calor é gerada predominantemente pelos elétrons livres quando presentes no material A capacidade calorífica de um sólido está relacionada com a sua capacidade de absorver calor e apresenta dependência com a temperatura A expansão térmica é caracterizada pelo coeficiente de expansão térmica linear α ou volumétrica e consiste na taxa de variação da dilatação em um determinado intervalo de temperatura A condutividade térmica se relaciona com a variação do fluxo de calor na presença de temperatura no material e é proporcional à condutividade elétrica do material A presença de poros fechados no material diminui a condutividade térmica e podem ser induzidos no processo de fabricação para se obter as propriedades desejadas RESUMO DO TÓPICO 5 146 Caroa acadêmicoa para melhor fixar o conteúdo da unidade sugerimos que desenvolva as seguintes atividades 1 Descreva a condução de calor em um material através dos fônons 2 O que é capacidade calorífica 3 Qual a relação entre a rigidez do material e coeficiente de expansão térmica linear 4 Classifique em ordem crescente as classes de materiais em função do coeficiente de expansão térmica linear 5 Qual a relação entre a condutividade térmica e a condutividade elétrica AUTOATIVIDADE 147 TÓPICO 6 PRINCIPAIS TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS UNIDADE 2 1 INTRODUÇÃO Nos tópicos anteriores estudamos as propriedades dos materiais as quais devem ser consideradas na seleção destes para aplicações na fabricação de diversos tipos de componentes e produtos Várias dessas propriedades podem ser obtidas através de tabelas na literatura especializada e em normas específicas onde usualmente são apresentados valores padronizados ou médios de materiais comerciais Porém em alguns casos precisaremos desenvolver materiais para aplicações específicas sejam ligas com composições diferenciadas tratamentos térmicos e tratamentos de superfície ou ainda compósitos Em outras situações precisaremos verificar se o material produzido ou em processo de produção está de acordo com os padrões especificados Muitas vezes é necessário descobrir de que material é feito um determinado componente desgastado para podermos providenciar a sua troca por outra peça equivalente Também podem ocorrer falhas em componentes em serviço e será necessário investigar as características do material do componente para determinação da causa da falha e evitar que esta venha a se repetir no componente substituto Como você pode notar em certos casos tornase indispensável a caracterização dos materiais Para o Engenheiro ou Tecnólogo é importante ter um conhecimento básico das técnicas de caracterização disponíveis para que possa auxiliar no processo de seleção da técnica mais adequada e na interpretação dos laudos e resultados A seguir serão apresentadas as principais técnicas de caracterização de materiais seus princípios e limitações bem como aspectos sobre a análise dos resultados do ensaio 2 MICROSCOPIA ÓTICA O uso do microscópio ótico como ferramenta de caracterização de materiais é bastante consolidado sendo vastamente aplicado na área metalúrgica para o estudo das microestruturas dos materiais metálicos A ampliação é dada por um conjunto de lentes oculares e objetivas suportadas por uma estrutura metálica A figura a seguir mostra um esquema de um microscópio ótico e suas partes constituintes 148 UNIDADE 2 CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS FIGURA 60 ESQUEMA DE UM MICROSCÓPIO ÓTICO FONTE Disponível em httpfocobiomedicoblogspotcom br201103microbiologiaeafinsprincipaishtml Acesso em 31 mar 2012 As lentes utilizadas nos microscópios óticos são do tipo convergente A objetiva consiste em um conjunto de lentes que fica próximo à amostra apresentando pequena distância focal e gera uma imagem real aumentada do objeto Já a lente ocular como o nome indica fica posicionada na região de observação do microscópio pelo operador do equipamento e funciona como uma lupa fornecendo uma imagem virtual e aumentada da imagem formada pela objetiva O conjunto do microscópio apresenta regulagens de forma que a lente se aproxime ou se afaste da amostra para ajuste do foco O poder de ampliação do microscópio é dado pela multiplicação da ampliação da lente objetiva pela ampliação da ocular Para a análise de amostras no microscópio ótico fazse incidir uma luz focalizada sobre a amostra O sistema consiste em uma fonte de luz condensador de iluminação diafragma de campo espelho ajustável condensador de foco e diafragma de abertura Esse sistema pode estar alocado abaixo ou acima do plano da amostra analisada sendo o último mais usual na caracterização de materiais metálicos devido às características de opacidade A profundidade de campo dos microscópios óticos pode ser considerada pequena Quanto menor for a distância focal ou seja quanto maior for a ampliação mais complexo é o processo de focagem da amostra Para visualizar detalhes em diferentes planos do material é necessário ajustar constantemente o foco sendo esse procedimento tão mais sensível quanto maior for a ampliação Oculares Braço Base Tubo ou canhão Revólver Objetivas Mesa ou platina Condensador e fonte de luz d λ 2NAobj Onde NA nsenα n índice de refração do meio percorrido pela luz entre o foco e a lente α semiangulo de abertura do feixe de luz que atinge a lente colocada à distância focal do objeto Sabendo que os comprimentos de onda da luz visível compreendem o intervalo de 04μm a 07μm se considerarmos uma lente objetiva com NA 14 o limite de resolução será de 014μm a 025μm Ou seja dois objetos precisam estar distantes um do outro de pelo menos aproximadamente 02μm para que possamos identificálos individualmente no material analisado A título de comparação a visão humana somente é capaz de perceber objetos cujo diâmetro é da ordem de 100μm Esse parâmetro de comparação nos dá uma dimensão da utilidade do microscópio óptico Para a análise microestrutural através da microscopia óptica os corposdeprova do material precisam ser preparados de acordo com uma metodologia adequada Muitas vezes se faz necessário o ataque químico da amostra para revelar os microconstituintes Para evidenciar detalhes em grandes aumentos a amostra deve apresentar elevada planicidade Por esse motivo geralmente a preparação da amostra passa inicialmente por um corte utilizando disco de carbeto de silício metais ou disco metálico diamantado cerâmicas e materiais de elevada dureza A amostra pode ser embutida em uma resina polimérica para facilitar os processos subsequentes de preparação Quando a amostra é muito pequena ou irregular o embutimento facilita o manuseio no processo de lixamento A planicidade da amostra é ajustada através do lixamento politriz utilizando lixas dágua de granulometria maior para menor Podese iniciar o polimento com uma lixa grosseira 80 mesh passando por lixas de 220 mesh 320 mesh 400 mesh e 600 mesh podendose utilizar lixas 1000 mesh ou 1200 mesh se necessário Posteriormente realizase um polimento utilizando um disco com tecido apropriado e adição de solução de alumina com partículas finas ou pasta diamantada Com esse procedimento visase obter uma amostra com poucos riscos que atrapalham o processo de ataque químico e a visualização no microscópio óptico 150 UNIDADE 2 CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS A amostra polida é levada a um equipamento de ultrassom onde as partículas de impurezas são eliminadas através da vibração em alta frequência em um meio aquoso para cerâmicas ou álcool metais para evitar a oxidação da superfície Após esse procedimento se faz necessário o ataque químico da amostra a ser analisada O ataque químico consiste na preparação de uma solução ácida cuja concentração e tipo de ácido utilizado irão depender das características do material a ser analisado Para aços ao carbono normalmente se utiliza Nital solução de ácido nítrico em álcool e para materiais cerâmicos mais resistentes ao ataque químico podese utilizar uma solução aquosa de HF ácido fluorídrico O tempo de permanência do material na solução ácida deve ser controlado A norma ASTM 250 dispõe sobre as técnicas corretas de Metalografia e Ceramografia Nela você pode encontrar qual o tipo de solução e tempo de ataque químico recomendado em função do material a ser analisado Por que realizar um ataque químico na amostra Se após o polimento levarmos a nossa amostra ao microscópio ótico o que iremos observar é a reflexão da luz na superfície Se a amostra foi bem preparada e está nivelada apenas pequenos ajustes de foco serão necessários para focalizarmos diferentes regiões da amostra No entanto não conseguiremos visualizar os microconstituintes como as fases cristalinas e contornos de grão Caso a amostra apresente poros abertos cujo tamanho seja possível de ser visualizado no microscópio ótico estes podem ser visualizados na amostra mesmo sem o ataque químico Nos poros abertos a luz é espalhada o que verificamos no microscópio ótico como pontos mais escuros Durante o ataque químico da amostra nas regiões mais propícias à corrosão ocorrerá a retirada preferencial de material Os contornos de grão são evidenciados no ataque químico pois nessas regiões existem ligações químicas incompletas ou seja há uma maior energia livre O ácido irá remover material preferencialmente nessas regiões criando vales Esses vales quando recebem uma luz externa espalham parte dessa luz aparecendo como linhas mais escuras no microscópio ótico Da mesma forma algumas fases da microestrutura corroem mais facilmente do que outras resultando em geração de contraste Dessa forma podemos identificar as fases presentes e se o equipamento dispuser de uma câmera fotográfica podemos obter imagens e estimar a quantidade de cada fase a partir delas IMPORTANTE TÓPICO 6 PRINCIPAIS TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS 151 A figura a seguir mostra a imagem de uma microestrutura de uma liga de aço cromomolibdênio utilizado na fabricação de tubos de caldeiras obtida a partir de um microscópio ótico FIGURA 61 MICROESTRUTURA DE UMA LIGA DE AÇO CROMOMOLIBDÊNIO FONTE MATCO SERVICES INC Disponível em httpwwwmatcoinccom failureanalysiselectricpower Acesso em 31 mar 2012 A principal limitação da técnica de microscopia ótica diz respeito à sua profundidade de foco Quando a amostra apresenta desníveis acentuados é necessário ajustar o foco em determinado ponto Esse fator é crítico quando necessitamos avaliar uma superfície que não pode ser lixada por exemplo uma superfície de um material fraturado pois perderíamos informações importantes com esse procedimento Outra limitação da microscopia ótica diz respeito ao limite de aumento relacionado ao limite de resolução e que também está ligada à qualidade das lentes e do equipamento Também é necessário considerar a dificuldade de ajuste de foco em aumentos muito elevados o que demanda uma preparação minuciosa da amostra para análise Aumentos maiores do que 2000x demandam equipamentos de alto desempenho e custo elevado 3 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA MEV Na microscopia ótica como observamos no item anterior a formação da imagem depende de uma luz incidente sobre a amostra ou seja são fótons da luz incidente que são captados e formam a imagem final nas lentes oculares Contudo as características da luz visível e limitações das lentes culminam em resolução e aumentos limitados 152 UNIDADE 2 CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS Em um microscópio eletrônico de varredura os elétrons secundários ou retroespalhados são responsáveis pela formação da imagem Com um microscópio eletrônico de varredura o aumento pode chegar a 900000 vezes dependendo do equipamento ou material Contudo na maioria dos casos o aumento utilizado é da ordem de 10000 vezes No MEV a amostra ao invés dos fótons é bombardeada por um feixe muito fino de elétrons chamados de elétrons primários e quando este atinge a amostra são gerados diversos tipos de radiação dependendo do tipo de interação que cada elétron terá com os átomos do material que está sendo analisado As interações dos elétrons com a amostra podem gerar elétrons secundários elétrons retroespalhados raiosX elétrons Auger fótons dentre outros Na formação das imagens no MEV os produtos da interação do feixe de elétrons primários com a amostra que são de maior interesse são os elétrons secundários e os elétrons retroespalhados Os elétrons secundários ES são aqueles provenientes da interação inelástica com perda de energia em relação ao elétron primário com a amostra e são os responsáveis pelas informações referentes à topografia da amostra Já os elétrons retroespalhados ERE são os que sofrem uma interação elástica com a amostra e dão informações importantes sobre a variação da composição química em diferentes regiões da amostra A figura a seguir mostra uma imagem obtida em microscópio ótico comparativamente a uma obtida em microscópio eletrônico de varredura por elétrons secundários Observe que no MEV imagem da direita a profundidade de foco é bastante superior à obtida no microscópio ótico FIGURA 62 IMAGEM OBTIDA EM MICROSCÓPIO ÓTICO ESQUERDA E MEV DIREITA FONTE Instrutec Disponível em httpwwwinstruteccombrv2represenAspex aspexpsemprincipioshtml Acesso em 1 abr 2012 Um MEV é composto por uma coluna óticoeletrônica unidade de varredura câmara da amostra sistema de detectores e sistema de visualização TÓPICO 6 PRINCIPAIS TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS 153 Na coluna ópticoeletrônica ficam localizados o canhão de elétrons e as lentes condensadoras bem como as bobinas que fazem as correções do feixe e defletem o mesmo verticalmente e horizontalmente sobre a amostra As lentes do MEV não são de vidro mas consistem em lentes eletromagnéticas nas quais um campo magnético direciona e ajusta o feixe de elétrons Os elétrons primários são produzidos em um filamento de tungstênio através de efeito termoiônico Para isso é fornecida uma grande quantidade de energia ao filamento gerando calor que permite que os elétrons se desprendam do material No caso do metal tungstênio W as emissões começam a temperaturas da ordem de 2400C porém bem abaixo do seu ponto de fusão 3410C Esse filamento dura cerca de 60h A tensão no filamento pode chegar a 30000V Após desprendidos do material esse elétrons são acelerados para o ânodo terra devido à diferença de potencial elétrico entre a tensão aplicada no filamento e o terra Nesse percurso o feixe é colimado pelas lentes eletromagnéticas chegando até à amostra Se no equipamento estiver selecionado o modo SE secondary electrons a imagem formada será resultado da interação dos elétrons secundários ES com o detector Esses elétrons são formados pela interação dos elétrons primários com outros elétrons da banda de condução se a amostra for um metal condutor ou da banda de valência e apresentam energia inferior a 50 eV Esses elétrons são produzidos durante todo o percurso do elétron primário pela amostra mas devido à sua baixa energia somente os que estão próximos à superfície têm a possibilidade de escapar da amostra chegando ao detector e contribuindo para a formação da imagem da amostra Se no equipamento estiver selecionado o modo BSE backscattered electron a imagem formada é resultado da interação dos elétrons retroespalhados ERE com o detector Eles possuem uma energia superior a 50 eV e apresentam um coeficiente de emissão que aumenta de acordo com número Z número atômico Em outras palavras a quantidade de elétrons retroespalhados é maior para elementos químicos da amostra que apresentam maior número atômico Z Dessa forma a imagem formada representa na forma de contraste a variação da composição química da área analisada Se o equipamento for dotado de uma sonda EDS energy dispersive Xray detector EDX ou EDS tornase possível a detecção dos raiosX emitidos pela amostra Através dessa técnica é possível identificar os elementos químicos que compõem as fases do material analisado e além disso investigar gradientes de composição entre as fases Os raiosX são gerados pela interação dos elétrons primários do feixe eletrônico com os elétrons dos átomos nas camadas mais internas ejetando esses elétrons As transições dos elétrons das camadas mais externas para preenchimento do vazio gerado provocam a emissão de fótons de raiosX característicos para cada elemento químico 154 UNIDADE 2 CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS FIGURA 63 MICROSCÓPIO ELETRÔNICO DE VARREDURA MEV JEOL JSM6390LV FONTE UFSC Disponível em httplcmeufscbrmev Acesso em 1 abr 2012 Abaixo estão listadas algumas possibilidades de análise de materiais em um microscópio eletrônico de varredura Análise de defeitos e impurezas em contornos de grão Análise de superfícies de fratura Quantificação de fases Análise de gradiente de composição química Caracterização de trincas e poros não detectáveis pela técnica de microscopia ótica Análise de características de pós tamanho médio forma de grânulos Identificação e quantificação de espessura de películas e camadas cementadas nitretadas ou identificação e medição de camadas óxidas Estudo dos nanomateriais Diferentemente da microscopia ótica a amostra para o MEV não necessita de elevada planicidade no entanto devese evitar a deposição de impurezas pois estas podem concentrar elétrons e atrapalhar a análise A amostra precisa estar completamente seca Materiais não condutores devem receber uma película condutora usualmente ouro para que haja o escoamento dos elétrons para o aterramento Devido ao elevado custo de manutenção desses equipamentos o custo de análise é relativamente alto É importante identificar qual o objetivo da análise se o equipamento possibilita obter a resposta esperada e determinar o que será analisado em cada amostra com o objetivo de facilitar o processo de aquisição das imagens e das análises químicas EDS que possam ser necessárias A dureza Brinell para metais varia de 50HB a 750HB Como a dureza e a resistência à tração σt nos meios apresenta correlação em função da sua habilidade na capacidade de se deformar permanentemente antes da ruptura a resistência à tração de um material pode ser estimada a partir do valor de dureza Brinell através da equação σt MPa 345 HB TÓPICO 6 PRINCIPAIS TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS 157 Detalhes adicionais sobre o ensaio de microdureza podem ser obtidos na norma internacional ASTM E384 FIGURA 65 MICROGRAFIA MOSTRANDO A IDENTAÇÃO EM ENSAIO DE MICRODUREZA VICKERS EM UM MATERIAL CERÂMICO FONTE ASTM International Disponível em httpwwwastmorg SNEWSMJ2010e0405mj10html Acesso em 1 abr 2012 Outro método de medição de dureza consiste em uma medição de resistência ao riscado por uma sequência de materiais de diferentes durezas Esse método foi desenvolvido por Friedrich Mohs em 1822 e consiste em uma lista de 10 materiais aos quais foi determinado um valor de dureza em uma escala de 1 talco a 10 diamante 5 ENSAIO DE TRAÇÃO O ensaio de tração fornece diversas informações importantes sobre o material Através dele é possível obter não somente valores de resistência mecânica mas também avaliar o comportamento do material em termos de deformação e taxa de deformação conforme aplicamos a carga mecânica ao material No ensaio de tração um corpodeprova padrão é preso a duas garras Em alguns casos o corpodeprova é substituído pelo próprio produto por exemplo quando o produto a ser testado é um parafuso o que diferencia o processo de fixação da peça no equipamento IMPORTANTE O equipamento para o ensaio de tração é chamado de máquina universal de ensaios Ele apresenta uma célula de carga acoplada à base superior que é fixa A base inferior é móvel e sofre um deslocamento a uma taxa predeterminada Para a medição do alongamento do corpodeprova se utiliza um equipamento denominado extensômetro que é acoplado ao corpodeprova Onde Q representa a carga kgf g é o valor da gravidade 981 ms² e A é a área da seção reta mm² O resultado é expresso em Nmm² ou Mpa MegaPascal A deformação é calculada da seguinte forma 𝜖 𝑙 𝑙₀ 𝑙₀ Onde 𝑙₀ e 𝐿 representam respectivamente o comprimento inicial do corpodeprova ou distância entre as garras e o comprimento do corpodeprova ou distância entre as garras a cada tomada de dados pelo equipamento vinculada a cada valor de carga registrado A figura a seguir mostra um exemplo de equipamento para ensaio de tração 160 UNIDADE 2 CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS Quando desenvolvemos ou caracterizamos materiais é importante adotarmos sempre que possível normas adequadas para padronização dos ensaios Dessa forma os resultados podem ser comparados com a literatura e com outros estudos já realizados 6 ANÁLISE QUÍMICA O ensaio de análise química é bastante utilizado na caracterização de materiais tanto em nível de pesquisa nas universidades como em laboratórios de análise e controle de qualidade nos processos de fabricação Os métodos mais utilizados são o de espectrometria de emissão ótica espectrometria por fluorescência de raiosX e espectroscopia de infravermelho Outros ensaios e equipamentos específicos são usados em trabalhos de pesquisa Os três métodos citados são os mais usuais e práticos para a caracterização de materiais cerâmicos polímeros e metais O espectrômetro de emissão óptica é um equipamento capaz de identificar e quantificar a composição química de praticamente todos os metais Com ele é possível identificar no material a presença dos elementos químicos Carbono Silício Manganês Fósforo Enxofre Cromo Níquel Molibdênio Cobre Alumínio Vanádio Tungstênio Nióbio Titânio Cobalto Ferro Zinco Zircônio Chumbo Estanho Cálcio Magnésio Antimônio Arsênio Césio Cádmio Prata Boro e Nitrogênio Para cada material ferroso alumínio cobre etc é utilizada uma curva de calibração com a qual o equipamento confronta os dados para determinar a composição química da amostra A figura a seguir mostra a utilização de um espectrômetro de emissão ótica portátil que tem como vantagem a possibilidade de análise de amostras maiores e análise em campo Dependendo do tipo de material a ser analisado uma norma específica de ensaio deve ser adotada para padronização dos métodos de ensaio A norma internacional ASTM E8M é adotada para materiais metálicos A norma brasileira NBR 6152 prescreve o método de ensaio de tração de materiais metálicos à temperatura ambiente IMPORTANTE TÓPICO 6 PRINCIPAIS TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS 161 FIGURA 67 ESPECTRÔMETRO DE EMISSÃO ÓTICA PORTÁTIL FONTE GRUPO LABMAT Disponível em httpwwwlabmat combr Acesso em 6 abr 2012 O funcionamento do espectrômetro de emissão ótica se dá pela emissão de uma centelha na amostra A luz fótons emitida pela amostra é então decomposta em cada comprimento de onda e analisada pelo equipamento comparandoa com os dados da curva de calibração Esse tipo de equipamento é bastante utilizado em processo de fundição de metais para controle de qualidade e garantia da composição química do material fundido Os ferros fundidos e aços em especial devem ser bem controlados em termos de composição química visto que pequenos percentuais de alguns elementos alteram significativamente a dureza do material Estaremos conversando mais sobre o processo de fabricação dos metais e seus controles de qualidade na Unidade 3 O espectrômetro de fluorescência de raiosX FRX é capaz de identificar uma grande faixa de elementos químicos desde o Sódio até o Urânio No entanto não é possível quantificar de forma confiável o teor de Carbono e de Enxofre necessitando de uma análise de combustão complementar Por esse motivo o espectrômetro de emissão ótica é mais adequado para metais ferrosos onde a identificação do teor de carbono é muitas vezes imprescindível ESTUDOS FUTUROS 162 UNIDADE 2 CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS O funcionamento do espectrômetro de fluorescência de raiosX consiste na emissão de radiação com comprimento de onda na faixa dos raiosX primários sobre a amostra e análise dos raiosX característicos de cada átomo que são emitidos pela excitação e decaimento de elétrons Também são necessárias curvas de calibração para cada tipologia de material a fim de se confrontar os dados coletados para a quantificação dos elementos químicos Paralelamente ao ensaio parte da amostra é calcinada a 1000C por duas horas e sua variação de massa é computada para determinação da perda ao fogo materiais voláteis Esse tipo de análise é o mais utilizado na caracterização de matériasprimas e materiais cerâmicos Quando o objetivo é caracterização de um material polimérico a técnica mais usual é a espectrometria de infravermelho Diferentemente dos materiais cerâmicos e metais a identificação elementar em polímeros geralmente não ajuda na sua identificação Os polímeros são compostos por cadeias poliméricas que têm como elemento de repetição os meros constituídos principalmente de carbono e hidrogênio Apenas um rearranjo desses átomos pode gerar um mero diferente culminando em um material diferente com propriedades específicas Na espectrometria de infravermelho IV uma radiação com comprimentos de onda na faixa do infravermelho é direcionada para a amostra Como já estudamos as ligações químicas apresentam movimentos vibracionais de alta frequência e pequena amplitude Se uma molécula receber uma radiação com a mesma energia correspondente à sua energia de vibração essa radiação será absorvida pela molécula Portanto se analisarmos o que sobrou da radiação incidente na amostra e conhecemos as características da radiação que enviamos para a amostra poderemos identificar quais faixas de radiação foram absorvidas As moléculas apresentam energias de vibração características A análise da característica da radiação absorvida pelas moléculas de um determinado material analisado nos permite através do confronto com o espectro de um material padrão a determinação das moléculas que compõem o material Para determinação do espectro a luz infravermelha é enviada para a amostra em comprimentos de onda específicos entre 4004000 cm1 em um intervalo predefinido O espectro é formado a partir de quantidade de energia transmitida transmitância ou absorvida absorbância em função do comprimento de onda cm1 Cada ponto da curva é obtido emitindo um feixe monocromático e verificando percentual desse feixe que é transmitido ou absorvido A figura a seguir mostra os tipos de ligação detectados em função de um intervalo de comprimentos de onda infravermelha incidente TIPO DE LIGAÇÃO IDENTIFICADA EM FUNÇÃO DO COMPRIMENTO DE Onda 164 UNIDADE 2 CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS FIGURA 69 LEI DE BRAGG DIFRAÇÃO FONTE Disponível em httpenmwikipediaorgwikiFileBraggdiffraction png Acesso em 6 abr 2012 Na figura d representa a distância entre os planos interatômicos e theta θ o ângulo de incidência do raioX A Lei de Bragg é válida quando duas ondas paralelas após a reflexão permanecem em fase gerando uma interferência construtiva dependendo do ângulo de incidência Para que isso ocorra a distância extra que a onda que interage com o plano inferior segmento de comprimento 2dsinθ percorre deve ser um múltiplo inteiro n do comprimento de onda λ da radiação incidente No difratômetro de raiosX inicialmente a geração de raiosX é realizada através da aceleração de elétrons que se chocam com um ânodo que pode ser feito de Cu Fe Mo dependendo do comprimento de onda de RaiosX que se deseja obter e do material a ser analisado O feixe de RaiosX gerado é filtrado por uma janela de Berílio tornandoo monocromático O ângulo de incidência θ é variado durante o ensaio e as interferências construtivas são detectadas e registradas Um gráfico de contagem em função do ângulo de incidência é gerado onde observamos picos característicos quando ocorre a interferência construtiva Através da análise desses picos podemos identificar os tipos de materiais cristalinos presentes na nossa amostra Atualmente através de métodos e softwares específicos é possível quantificar diferentes fases cristalinas presentes nas amostras A difração de raiosX é bastante utilizada na caracterização de matériasprimas bem como para avaliar o grau de cristalinidade de materiais semicristalinos identificando a formação de fases cristalinas em processos de fabricação de materiais por exemplo TÓPICO 6 PRINCIPAIS TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS 165 8 ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS Em processos que envolvem a caracterização de um material ou detecção de defeitos de fabricação ou ainda a avaliação de defeitos induzidos na aplicação ou análise de falhas se faz necessário o uso de ensaios não destrutivos A principal vantagem consiste na não necessidade de retirarmos uma amostra de um componente em uso ou destruirmos uma grande quantidade de peças em uma produção para uma amostragem em ensaios destrutivos Isso é particularmente útil quando o componente ainda está em serviço quando é necessário fazer um check up de rotina para avaliálo e evitar a falha de um equipamento ou ainda quando o valor agregado de cada peça é bastante representativo no processo produtivo Os ensaios não destrutivos geralmente não fornecem um valor de uma determinada propriedade a qual deve ser medida por um ensaio do tipo destrutivo por exemplo um ensaio de tração As propriedades do componente são medidas de forma indireta Além disso dificilmente um ensaio destrutivo irá fornecer dados quantitativos sobre as propriedades do material além de exigirem experiência de quem o executa e analisa os resultados visto que esses muitas vezes irão depender de uma interpretação correta dos dados que são qualitativos No entanto vários ensaios podem ser realizados em uma mesma peça ao longo do tempo o que não é possível se aplicarmos o ensaio destrutivo e pouca ou nenhuma preparação da amostra é necessária representando economia de tempo e dinheiro Inspeção visual A inspeção visual é realizada geralmente antes de se iniciar qualquer outro tipo de ensaio não destrutivo pois as características da superfície da peça podem inviabilizar os ensaios posteriores ou evidenciar a necessidade de que algum tratamento seja feito Esse ensaio pode ser realizado a olho nu posicionando a peça a cerca de 600 mm e sob um ângulo maior do que 30 ou através de lupas microscópios portáteis ou aparelhos de videoscopia RaiosX O ensaio de raiosX baseiase na diferença de absorção de raiosX pela matéria Uma fonte de raiosX é utilizada e a radiação emitida é direcionada para a amostra A radiação emergente da amostra é registra em um filme radiográfico tela fluorescente ou detector de raiosX Regiões com maior espessura irão absorver uma parcela maior da radiação emitida e na radiografia as regiões mais espessas aparecem como regiões mais claras Se a amostra apresentar poros ou inclusões de algum material que absorva menos radiação esses pontos irão aparecer mais escuros na radiografia Você certamente já viu uma radiografia de corpo humano O princípio da técnica para análise de materiais é bastante semelhante EXEMPLO DE IMAGEM RADIOGRÁFICA DE UMA PEÇA A norma ABNT NBR 15783 Ensaios não destrutivos Radiografia industrial Medição de espessura em serviço de tubulações e acessórios com uso de radiografia computadorizada traz as diretrizes para os ensaios de radiografia industrial em tubulações O ensaio de ultrassom é realizado utilizando ondas mecânicas de alta frequência acima de 20000 Hz A velocidade de propagação da onda no material sólido depende da densidade do material seu módulo de elasticidade e também da frequência da onda A velocidade V de propagação é constante para cada material Se alterarmos a frequência da onda f o comprimento da onda λ será alterado de acordo com a seguinte equação V λf TÓPICO 6 PRINCIPAIS TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS 167 Assim como vimos no estudo das propriedades óticas dos materiais as ondas sonoras também apresentam o fenômeno da difração Portanto uma onda sonora ao atravessar uma interface passando de um determinado material para outro terá sua direção alterada Uma das técnicas mais usuais é a do tipo pulsoeco Nessa técnica com a presença de imperfeições ou descontinuidades internas no material analisado a onda ultrassônica será parcialmente refletida A análise da onda refletida nos fornece informações sobre a localização dimensão e orientação de um defeito A espessura do material também pode ser determinada visto que parte da onda será refletida ao atravessar do meio sólido para o ar Esse efeito é particularmente interessante para avaliarmos diferenças de espessuras em peças como em tubulações e a presença de defeitos internos O equipamento de ultrassom também pode ser utilizado para a medição de espessuras de peças em regiões nas quais não é possível medir com outros instrumentos de medição FIGURA 71 ULTRASSOM DO TIPO PULSOECO FONTE SILVA JR Silvério Ferreira da MARQUES Paulo Villani Ensaios Não Destrutivos Disponível em httpwwwdemecufmgbrsitecursosarquivos168pdf Acesso em 7 abr 2012 Líquidos penetrantes Esse ensaio é utilizado para a revelação de defeitos superficiais tais como trincas Para isso usase um líquido especial em conjunto com um revelador As etapas para realização do ensaio são Limpar a superfície da amostra devese retirar impurezas tais como óleos e graxas A amostra deve ser seca Cabeçote Peça Descontinuidade Feixe emitido Feixe refletido Eco de fundo Eco referente à descontinuidade 168 UNIDADE 2 CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS Aplicase o líquido penetrante mantido sobre a superfície por um tempo determinado para que este penetre nas trincas Retirase o excesso do líquido penetrante Aplicase um líquido revelador específico para promover o contraste do material nos defeitos permitindo a sua visualização Após a avaliação da peça essa deve ser limpa de forma a manter as qualidades da peça em uso O ensaio é simples barato e de fácil interpretação dos resultados A sua principal limitação consiste na necessidade de o defeito estar conectado com a superfície para ser detectado Os penetrantes podem ser para visualização à luz comum geralmente de cor vermelha ou ultravioleta O quadro a seguir mostra os tempos de permanência dos penetrantes e reveladores para aplicação em alguns tipos de materiais para a revelação de defeitos QUADRO 3 TEMPO DE PERMANÊNCIA DE LÍQUIDO PENETRANTE E REVELADOR EM FUNÇÃO DO MATERIAL E DEFEITO FONTE SILVA JR Silvério Ferreira da MARQUES Paulo Villani Ensaios Não Destrutivos Disponível em httpwwwdemecufmgbrsitecursosarquivos168pdf Acesso em 7 abr 2012 Material Forma Tipo de Descontinuidade Tempos minutos Penetrante Revelador Alumínio Magnésio Aço Latão Bronze Titânio Fundidos Soldas Extrudados Forjados Laminados Gotas frias Porosidade Falta de fusão Trincas Dobras e trincas 5 10 10 10 Plásticos Todas Trincas 5 10 Vidros Todas Trincas 5 10 Cerâmicas Todas Porosidade 5 10 TÓPICO 6 PRINCIPAIS TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS 169 LEITURA COMPLEMENTAR CIENTISTAS CRIAM MICROSCÓPIO MAIS POTENTE DO MUNDO Utilizando minúsculas contas de vidro cientistas desenvolveram técnica para observar objetos de 50 bilionésimos de metro Cientistas britânicos conseguiram fazer com que um microscópio ótico conseguisse enxergar objetos de cerca de 50 nanômetros um metro dividido em um bilhão de partes oferecendo um olhar inédito sobre o mundo nanoscópico A técnica que alcança a maior resolução de que se tem notícia poderia ser utilizada para observar vírus diz a equipe de pesquisadores Com a ajuda de minúsculas contas de vidro o procedimento faz uso das chamadas ondas infinitesimais emitidas muito próximas de um objeto e que normalmente se perdem Os cientistas fazem com que as contas de vidro recuperem esta luz e refaçam o foco canalizandoa para um microscópio comum O método permitiu aos pesquisadores ver com os próprios olhos níveis de detalhes normalmente só identificados por observação indireta como a microscopia através da força atômica e varreduras com emissão de elétrons MEV Os detalhes foram publicados na revista acadêmica Nature Communications Utilizar a luz visível o tipo de luz captada pelo olho humano para observar objetos dessa escala é de certa maneira romper as regras da teoria da luz Normalmente os menores objetos visíveis são definidos por um parâmetro conhecido como limite da difração Ondas leves natural e inevitavelmente se dispersam de tal maneira a limitar o alcance do seu foco ou o tamanho do objeto que pode ser capturado As ondas infinitesimais que são produzidas na superfície dos objetos tendem a se enfraquecer com a distância mas elas não estão sujeitas ao limite da difração Se capturadas as ondas infinitesimais oferecem uma resolução muito mais alta que a obtida por métodos padrões de captação de imagens explica o pesquisador do Centro de Pesquisa de Processamento a Laser da Universidade de Manchester Lin Li Para observar os objetos a equipe colocou contas de vidro com tamanho entre dois e nove milionésimos de metro na superfície das amostras As contas coletam a luz transmitida através das amostras captando as ondas infinitesimais e focandoas de maneira a serem observadas por um microscópio comum A equipe conseguiu observar objetos minúsculos como marcas em escala nanométrica em discos de BluRay Mas o professor Li acredita que a técnica possa ser utilizada em estudos biológicos mais ambiciosos nos quais ações em nanoescala são difíceis de observar diretamente A área onde acreditamos haver interesse é a observação de células bactérias e até vírus 170 UNIDADE 2 CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS afirma Li Métodos indiretos de observação conseguiram enxergar objetos a uma resolução de um nanômetro e até os traços de uma única molécula Mas nenhum deles é tão simples quanto a observação direta através do microscópio Usar a tecnologia corrente requer muito tempo Por exemplo usar microscopia ótica fluorescente requer dois dias para preparar a amostra e a taxa de sucesso dessa preparação é de 10 a 20 exemplifica o pesquisador Isto ilustra o ganho potencial de introduzir métodos de observação direta FONTE G1 CIÊNCIA E SAÚDE Cientistas criam microscópio mais potente do mundo Disponível em httpg1globocomcienciaesaudenoticia201103cientistascriammicroscopiomais potentedomundohtml Acesso em 9 abr 2012 171 Neste tópico estudamos os principais métodos de caracterização de materiais A seguir apresentamos um resumo dos principais pontos abordados O ensaio de microscopia ótica é utilizado na caracterização de materiais para avaliação da microestrutura Apresenta limitação de aumentos O microscópio eletrônico de varredura utiliza as informações dos elétrons espalhados pela amostra para a formação de imagens com aumentos superiores e profundidade de foco O ensaio de dureza apresenta boa praticidade e seu resultado pode ser correlacionado com a resistência à tração O ensaio de tração fornece informações importantes sobre o comportamento dos materiais quando aplicamos uma carga mecânica crescente Diferentes técnicas de espectrometria são utilizadas para a identificação dos elementos químicos e moléculas das diferentes classes de materiais O ensaio de difração de raiosX identifica os materiais cristalinos através das características relacionadas ao espaçamento entre seus planos cristalográficos Ensaios não destrutivos podem ser utilizados quando se deseja identificar defeitos em sua estrutura mantendo a funcionalidade da peça após o ensaio RESUMO DO TÓPICO 6 172 Caroa acadêmicoa para melhor fixar o conteúdo da unidade sugerimos que desenvolva as seguintes atividades 1 Cite uma vantagem e uma desvantagem da técnica de microscopia ótica quando comparada à técnica de microscopia eletrônica de varredura 2 Um aço SAE 1020 apresenta dureza de 105HB Calcule a sua resistência à tração Mpa 3 Cite quais características do corpodeprova ou componente devem ser mensuradas antes de iniciar o ensaio de tração 4 No espectrômetro de infravermelho analisamos a energia absorvida ou transmitida pelo material pela incidência de uma luz monocromática com comprimento de onda na região do infravermelho Qual característica a onda emitida deve ter para que esta seja absorvida pelo material 5 Qual resultado iríamos obter ao analisar um vidro comum em um difratômetro de raiosX Explique 6 Qual tipo de ensaio não destrutivo você utilizaria para verificar a presença de trincas em uma solda Por quê AUTOATIVIDADE 173 UNIDADE 3 PROCESSAMENTO E SELEÇÃO DE MATERIAIS OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM PLANO DE ESTUDOS A partir do estudo desta unidade oa acadêmicoa estará aptoa a conhecer os principais processos de fabricação de materiais metálicos ce râmicos poliméricos e compósitos e quais são os parâmetros que devem ser controlados no processamento entender como é possível alterar as propriedades dos materiais através da modificação dos parâmetros nos processos de fabricação correlacionando essas propriedades com a microestrutura conhecer os critérios que podem ser utilizados para seleção de materiais através do entendimento de situações práticas hipotéticas apresentadas na unidade correlacionar as informações apresentadas em todo o conteúdo para deter minar e selecionar materiais para aplicações considerando critérios técni cos e econômicos compreender aspectos relacionados à reciclagem de materiais e sua im portância para a sustentabilidade Esta unidade está dividida em três tópicos que contribuirão na compreen são do processamento e seleção dos materiais Além disso em cada um dos tópicos você encontrará atividades que o ajudarão a consolidar os conceitos apresentados TÓPICO 1 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO TÓPICO 2 CRITÉRIOS PARA SELEÇÃO DE MATERIAIS TÓPICO 3 RECICLAGEM DOS MATERIAIS 175 TÓPICO 1 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO UNIDADE 3 1 INTRODUÇÃO Na fabricação de componentes para máquinas ou de produtos para diversos fins utilizamos uma gama muito grande de materiais Assim como temos a possibilidade de fabricar um produto a partir de diversos tipos de materiais obtendo um resultado técnico satisfatório também podem ser utilizadas várias técnicas de processamento para a fabricação desse mesmo produto No entanto muitos processos de fabricação são utilizados levando em consideração aspectos semelhantes aos da seleção de materiais facilidade de operação produtividade satisfação dos requisitos técnicos e custos A escolha de um determinado processo de fabricação geralmente é uma solução de compromisso onde buscamos atender da melhor forma aos requisitos do produto e processo avaliando a sua viabilidade técnica e econômica Possivelmente você já tenha ouvido falar do processo de fundição Nesse tipo de processamento o material é levado até uma temperatura acima do seu ponto de fusão e posteriormente vazado em moldes com o formato da peça onde ocorre o resfriamento e solidificação do material obtendose a forma do molde Esse tipo de processamento é bastante comum para materiais metálicos mas dificilmente será utilizado para materiais cerâmicos o ponto de fusão dos materiais cerâmicos cristalinos é normalmente muito elevado Para que isso fosse viável deveríamos ter fornos com revestimento de um material com ponto de fusão ainda maior que o da cerâmica a ser fundida e moldes com a mesma característica Além disso a elevada energia empregada para a fusão do material inviabilizaria produzir os materiais em grande escala Uma atribuição na atuação do Engenheiro ou Tecnólogo pode se relacionar com a gestão de processos o que envolve a análise e proposição de alterações e melhorias seja para aumentar a produtividade ou redução de custos e lead time Para isso é imprescindível o conhecimento detalhado das variáveis do processo e dos métodos alternativos a serem sugeridos e analisados pelo responsável de cada departamento em uma organização Outra situação bastante comum nas indústrias diz respeito à necessidade de substituição ou recuperação de equipamentos ou peças onde são necessários processos de usinagem tratamentos térmicos e superficiais Nesse tópico estudaremos alguns aspectos importantes relativos a esses processos UNIDADE 3 PROCESSAMENTO E SELEÇÃO 176 2 PROCESSAMENTO DE MATERIAIS METÁLICOS Os metais apresentam poucas restrições a tipos de processamento aplicáveis Algumas de suas características como o relativamente baixo ponto de fusão a capacidade de se deformar plasticamente e a facilidade de usinagem permitem a fabricação de componentes de forma e aplicação variadas A seguir conversaremos sobre os tipos de processamento mais utilizados na fabricação dessa classe de materiais 21 FUNDIÇÃO A fundição é uma das técnicas precursoras na fabricação de ligas metálicas sendo muito utilizada até hoje Normalmente essa técnica é escolhida quando A peça é muito grande e a sua produção por métodos de conformação ou usinagem não é viáveis como por exemplo na fabricação de hélices para turbinas de hidrelétricas O metal a ser utilizado no processo de fabricação não apresenta boa ductilidade que permita o processo de fabricação por conformação mecânica a frio ou a quente Custo de fabricação quando a fabricação de matrizes para conformação mecânica é inviável principalmente quando a quantidade de peças a ser produzida é pequena inviabilizando esse tipo de processamento Para a fabricação de peças em ferro fundido liga ferrocarbono com percentual de carbono acima de 2 normalmente são utilizados moldes de areia de fundição Os moldes são obtidos pela compactação mecânica dessa areia por vibração sobre um modelo com as dimensões da peça a ser fabricada com ajustes que irão considerar a retração na solidificação e necessidade de usinagem Um molde é normalmente constituído por duas partes e contém um canal de entrada do metal líquido Os ferros fundidos são obtidos normalmente pela fusão acima de 1150ºC em fornos de indução a partir de sucatas metálicas selecionadas Como a composição química dessas sucatas pode sofrer variações um controle da composição química do metal fundido se faz necessário Normalmente são realizados ajustes de composição do metal fundido adicionando Ferro Gusa e outros materiais ao material fundido Na fabricação de ferro fundido três classes são de produção mais usual ferro fundido cinzento ferro fundido nodular e ferro fundido branco TÓPICO 1 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 177 O ferro fundido cinzento contém em sua microestrutura carbono na forma de grafita e apresenta como aspecto de sua fratura uma tonalidade acinzentada de onde surgiu a sua denominação A grafita nesse tipo de material está na forma de lamelas Esse tipo de material apresenta alta dureza e resistência ao desgaste Além disso a grafita presente na microestrutura atua como lubrificante facilitando um posterior processo de usinagem da peça O ferro fundido nodular é obtido pela adição de elementos ao metal líquido como o Mg Ca e Ce que fazem com que a grafita deixe de ser lamelar e se torne esférica na microestrutura Com isso os pontos de concentração de tensão causados pelas lamelas da grafita são eliminados o que resulta em uma maior resistência mecânica e tenacidade O ferro fundido branco apresenta carbono na forma de cementita ausência de grafita o que faz com que este apresente maior dureza quando comparado aos outros tipos de ferro fundido Ele é empregado quando é necessária uma elevada resistência ao desgaste como em componentes onde ocorre atrito elevado Após fusão completa do metal e correções de sua composição química este é vazado nos moldes de areia onde sofre a solidificação gradativa Como a velocidade de resfriamento entre a região mais próxima da superfície de contato com o molde e o núcleo da peça é diferente gradientes na microestrutura podem ser observados em amostras da superfície para o centro Outro aspecto importante relacionado à velocidade de resfriamento desses materiais diz respeito à formação de ferro fundido branco em locais onde a peça apresenta uma espessura muito fina devido à velocidade de resfriamento ser mais alta nesses pontos inibindo a precipitação da grafita Após o resfriamento os moldes de areia são vibrados sobre uma peneira onde desmancham e as peças são retiradas e enviadas para os processos de jateamento retífica e pintura se necessário A fundição dos aços apresenta aspectos semelhantes ao da fundição dos ferros fundidos porém a temperatura de fusão é mais elevada acima de 1400ºC A figura a seguir mostra uma turbina do tipo Francis utilizada em usinas hidrelétricas fabricada em aço pelo processo de fundição UNIDADE 3 PROCESSAMENTO E SELEÇÃO 178 FIGURA 72 TURBINA DO TIPO FRANCIS FONTE WIKIPÉDIA Disponível em httpenwikipediaorgwiki FileFrancisTurbineofUKHPJPG Acesso em 15 abr 2012 Nesse momento caroa acadêmicoa é interessante observarmos novamente o diagrama FeFe3C apresentado na Unidade 1 Tente localizar a região de composição dos aços e dos ferros fundidos e observe como varia a temperatura de fusão conforme alteramos o percentual de carbono A fundição de aços diretamente em perfis pode ser obtida pela junção do processo de fundição com um processo subsequente de laminação a quente Nesse processo o metal líquido é vazado e gradativamente resfriado e posteriormente passado através de uma sequência de rolos laminadores Esse processo é chamado de fundição contínua A figura a seguir mostra um exemplo desse tipo de processo NOTA TÓPICO 1 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 179 FIGURA 73 PROCESSO DE FUNDIÇÃO CONTÍNUA FONTE VIZAGSTEELS Disponível em httpwwwvizagsteelcomcode Infrastrsmsasp Acesso em 15 abr 2012 A fundição contínua permite obter ao final do processo perfis ou chapas grossas do metal que consistem em formas primárias interessantes para processo posterior de fabricação de peças laminação a frio ou a quente estampagem dentre outros A fundição de alumínio pode ser realizada em moldes de areia embora seja atualmente mais comumente realizada em um processo denominado injeção Como a temperatura de fusão do alumínio é relativamente inferior à dos aços e ferros fundidos em torno de 660ºC as matrizes utilizadas nesse processo podem ser metálicas Nesse processo o metal líquido é pressurizado dentro de uma matriz que apresenta um sistema de resfriamento Alguns parâmetros em processos de fundição devem ser considerados para a obtenção de produtos de acordo com a especificação Composição química da liga A composição química da liga deve ser calculada monitorada e ajustada quando necessário durante o processo de fabricação visto que esta altera as propriedades do produto e os demais parâmetros de processo UNIDADE 3 PROCESSAMENTO E SELEÇÃO 180 Temperatura de fusão e de vazamento A viscosidade do material fundido depende da sua temperatura O intervalo de tempo entre a retirada do metal líquido do forno para o vazamento nos moldes deve ser controlado Se a temperatura do fundido no momento do vazamento no molde de areia for inferior ao especificado algumas partes da peça podem não ser formadas ou teremos inclusões de ar como bolhas Nos casos específicos de alguns ferros fundidos espessuras muito finas devem ser obtidas por usinagem A espessura mínima admissível para uma liga é determinada pelo teste de coquilhamento que consiste na fundição de um corpo de prova em forma de cunha onde o limiar entre a formação de ferro fundido branco e ferro fundido nodular ou cinzento é avaliado e sua espessura na região é determinada Espessura da peça Peças com espessura muito elevada podem apresentar diferenças importantes de tamanho de grão da superfície para o núcleo resultando em uma diferença de dureza da superfície para o centro Esses parâmetros precisam ser controlados e comparados com a especificação do produto Em ferros fundidos nodulares o controle da microestrutura deve ser mais rigoroso O grau de nodularização deve ser avaliado para garantir a qualidade do produto A figura a seguir mostra a microestrutura típica de um ferro fundido nodular onde podemos observar os nódulos de grafita círculos escuros FIGURA 74 MICROESTRUTURA DE UM FERRO FUNDIDO NODULAR FONTE FONDERIE SAGUENAY Disponível em httpfoundrysagcom productstypesofalloysductileironcastings Acesso em 15 abr 2012 TÓPICO 1 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 181 22 CONFORMAÇÃO MECÂNICA Os processos de conformação mecânica dos materiais metálicos podem ser de dois tipos a quente ou a frio No processo de conformação a quente a temperatura utilizada fica acima da temperatura de recristalização do material enquanto na conformação a frio a temperatura geralmente é próxima à ambiente Em alguns casos o processo pode ser realizado a temperaturas intermediárias sendo denominado de conformação a morno Em todos os tipos de conformação mecânica o material recebe uma tensão superior ao seu limite de escoamento Dessa forma uma deformação permanente é gerada no material e a nova forma é mantida após retirarmos a carga Quando o processo é realizado a frio o material ao ser conformado adquire um progressivo aumento de dureza e resistência à deformação ao que chamamos de encruamento que conforme já estudamos se relaciona com a movimentação e geração de discordâncias no material Isso significa que se o processo de conformação a frio for realizado em etapas a tensão que deve ser aplicada no material aumenta a cada parcela de conformação Na conformação a quente também ocorre a deformação plástica pelo movimento das discordâncias No entanto assim como acontece na segunda etapa da falha por fluência que estudamos na unidade anterior o processo de recristalização concorre com o processo de geração de discordâncias o que faz com que o processo de conformação seja facilitado menores tensões são necessárias para deformar o material Por isso o processo de conformação a quente permite maiores deformações Outro método de conformação a frio pode ser realizado seguido por processos intermediários de recristalização embora não seja produtivo e economicamente interessante para produção em maior escala O forjamento é uma das técnicas de conformação de metais mais antigas e consiste na deformação da peça pela aplicação de uma tensão sendo o processo realizado normalmente a quente A peça é deformada em etapas sucessivas dentro da matriz adquirindo a sua forma O processo de laminação é normalmente utilizado na fabricação de chapas e perfis Esse tipo de conformação pode iniciar a partir do material fundido ou partindose de chapas ou perfis de maior espessura inicial Nesse processo o material passa por uma sequência de rolos cilíndricos que conformam a peça Quando o processo é realizado a frio um alongamento dos grãos é observado na microestrutura do material paralelamente à direção de laminação Os produtos obtidos por laminação podem apresentar propriedades anisotrópicas se por exemplo obtivermos tiras da chapa paralelamente à direção de laminação ou transversalmente à direção de laminação os valores médios de resistência à tração dessas tiras podem ser substancialmente diferentes UNIDADE 3 PROCESSAMENTO E SELEÇÃO 182 No processo de extrusão um êmbolo força a passagem de uma barra metálica através de um orifício em uma matriz Por esse método podem ser obtidos perfis com menor diâmetro do que a barra inicial cuja geometria pode ser relativamente complexa Tubos metálicos sem costura também podem ser obtidos por esse processo tubos com costura são geralmente obtidos pelo dobramento de chapas e soldagem O estiramento ou trefilação consiste no tracionamento de um fio ou barra através de uma matriz cônica fazendo com que o material sofra uma diminuição em seu diâmetro e aumento do comprimento O processo é normalmente realizado a frio e gera um grande atrito na matriz Essa matriz é fabricada em material de elevada dureza como o diamante Uma sequência de reduções pode ser aplicada até se obter o diâmetro desejado Em muitos processos de fabricação de perfis cilíndricos como é o caso dos parafusos o diâmetro do arame que será utilizado para a sua fabricação é ajustado a partir de um arame com diâmetro inicial de maior espessura que é trefilado até o diâmetro desejado Nesse processo o material ganha resistência mecânica e dureza em função do encruamento A figura a seguir mostra esquematicamente a etapa de conformação nos processos de fabricação citados FIGURA 75 PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA DE MATERIAIS METÁLICOS FONTE Callister 2007 TÓPICO 1 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 183 Em casos mais específicos alguns processos de fabricação diferenciados podem ser utilizados Sabemos que os materiais metálicos apresentam em geral alta ductilidade capacidade de formação permitindo na maioria dos casos a fabricação pelos métodos convencionais citados anteriormente Para metais que não apresentam essas características uma das técnicas de conformação utilizadas é a metalurgia do pó Na metalurgia do pó um pó metálico é prensado em uma matriz A peça conformada irá apresentar certa porosidade que é eliminada através de um tratamento térmico denominado sinterização Na sinterização ocorre a difusão de átomos entre as partículas do material prensado gerando a continuidade de matéria e a eliminação progressiva da porosidade do material Além da possibilidade de se produzir produtos de metais pouco dúcteis algumas características tornam esse tipo de processo adequado para algumas aplicações A porosidade da peça pode ser controlada por parâmetros do processo incluindo a etapa de sinterização A porosidade final pode ser nula ou bastante elevada Em algumas aplicações poros de tamanho controlado podem ser interessantes como em filtros metálicos e buchas autolubrificantes Para a produção de peças complexas o processo de fundição pode não ser uma alternativa viável para metais com alto ponto de fusão Nesses casos a metalurgia do pó pode ser uma alternativa interessante Quando uma estreita tolerância dimensional é um requisito aliada a dificuldade técnica ou econômica de ajuste dimensional por usinagem O processamento por metalurgia do pó é relativamente caro embora seja viável para determinados produtos Na maioria dos casos se aplica em produtos seriados e de alta produção Ferramentas de usinagem em metal duro WC Widia são obtidas por metalurgia do pó FIGURA 76 PRODUTOS FABRICADOS PELA TÉCNICA DE METALURGIA DO PÓ FONTE EPMA Disponível em httpwwwepmacomNewnon membersselectingpmhtm Acesso em 18 abr 2012 UNIDADE 3 PROCESSAMENTO E SELEÇÃO 184 23 USINAGEM O processo de usinagem de metais é comumente utilizado para ajuste de dimensões de peças produzidas por outros processos de fabricação ou para a produção de peças a partir de blocos metálicos que são postos em contato com uma ferramenta de usinagem gerando cavaco Existem diversos métodos de usinagem torneamento fresamento retificação furação mandrilamento brunimento serramento roscamento aplainamento eletroerosão laser jateamento etc O detalhamento desses processos foge do escopo do nosso caderno Nos processos de usinagem onde ocorre o contato de uma ferramenta com a peça aspectos tanto do material como da ferramenta a ser utilizada devem ser levados em consideração Os materiais mais empregados na usinagem de metais são Aço ferramenta apresenta teor de carbono de 08 a 15 O baixo custo e tratamentos térmicos simples são as suas principais vantagens embora tenha sido progressivamente substituído pelo aço rápido A temperatura de trabalho não deve exceder os 250ºC Aço rápido A introdução de elementos de liga como o vanádio tungstênio cromo molibdênio e manganês permitiram a obtenção dos chamados aços rápidos A temperatura de trabalho passou a ser de até 600ºC e a resistência à abrasão foi melhorada No entanto o tratamento térmico desses aços é mais complexo aliado ao custo mais elevado em relação ao aço ferramenta Metal duro O metal duro consiste em um material compósito cuja matriz é um metal mais comumente cobalto e a presença de carbonetos como o WC carboneto de tungstênio TiC carboneto de titânio TaC carboneto de tântalo ou NbC carboneto de nióbio A fase metálica permite a absorção de impactos na usinagem além de conduzir e permitir a dissipação do calor gerado no processo A fase cerâmica gera uma elevada dureza e resistência ao desgaste a esse tipo de ferramenta Nitreto de boro cúbico cristalino CBN Esse tipo de material foi introduzido somente na década de 1950 e apresenta como vantagem a elevada dureza e maior estabilidade contra oxidação do que o diamante Esse tipo de material é utilizado na usinagem de materiais extremamente duros como ferros fundidos coquilhados brancos e aços duros ou com camada endurecida Diamante O material de maior dureza na escala Mohs é utilizado quando o acabamento é um fator relevante visto que ele permite uma afiação do gume superior aos outros materiais Um ponto importante é que este não deve ser utilizado na usinagem de metais ferrosos pois o carbono do diamante pode difundir para o metal Para temperatura acima de 900ºC ocorre grafitização sendo o grafite extremamente macio O diamante para ferramenta de corte é produzido sinteticamente apresentando elevado custo TÓPICO 1 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 185 FIGURA 77 INSERTOS PARA USINAGEM DE TITÂNIO FONTE SANDVIK COROMANT Disponível em httpwwwmyyellowcoat comtagtitaniummachining Acesso em 21 abr 2012 Tratamentos superficiais das ferramentas de corte podem ser utilizados de forma a aumentar a dureza e resistência ao desgaste como é o caso da cementação ou nitretação A figura a seguir mostra um inserto de metal duro recoberto com nitreto de tungstênio figura A esquerda O inserto soldado a uma base de equipamento de usinagem é mostrado na figura B durante o processo de usinagem de um aço FIGURA 78 FERRAMENTA DE METAL DURO RECOBERTA COM NITRETO DE TUNGSTÊNIO A EM PROCESSO DE USINAGEM DE PEÇA EM AÇO B FONTE ILO Disponível em httpwwwiloorgsafeworkbookshelf englishcontentnd857170109 Acesso em 28 abr 2012 A B UNIDADE 3 PROCESSAMENTO E SELEÇÃO 186 Na usinagem além do resultado esperado precisamos ter em mente a facilidade de processo e custo das ferramentas Uma peça com elevada dureza a qual foi obtida mediante um tratamento térmico pode ser revertida por outro tratamento térmico evitando a necessidade de utilização de ferramentas de corte mais caras e que apresentam maior chance de quebrarem no processo Estaremos conversando sobre os tratamentos térmicos dos aços no item a seguir 24 TRATAMENTOS TÉRMICOS Uma das características mais importantes dos materiais metálicos refere se à possibilidade de alterarmos as suas propriedades através de tratamentos térmicos Ou seja em muitos casos mesmo após o produto fabricado e finalizado podemos aumentar ou diminuir a sua resistência mecânica e dureza para obtenção das propriedades finais desejadas Para isso são utilizados alguns tipos de tratamentos os quais envolvem a utilização de temperatura Como os metais ferrosos apresentam uma maior aplicação em processos de fabricação convencionais o nosso estudo será direcionado para essa classe de metais 241 Recozimento Como vimos anteriormente alguns processos de fabricação sobretudo os realizados a frio geram tensões internas no material O recozimento consiste em submeter o material a uma temperatura elevada por um longo período de tempo com a finalidade de se obter o alívio das tensões internas tornando o material mais mole O resultado do recozimento pode ser avaliado por ensaios mecânicos como o ensaio de dureza ou pela avaliação da microestrutura No processo de recozimento devemos levar em consideração a velocidade de aquecimento a temperatura máxima o tempo de permanência nessa temperatura e a velocidade de resfriamento até a temperatura ambiente O controle desses parâmetros é de suma importância e irá depender do tipo de material que está sendo recozido da sua condutividade térmicae da espessura da peça Durante o aquecimento e resfriamento da peça serão gerados gradientes de temperatura na peça dependentes da condutividade térmica do material Conforme já estudamos os materiais tendem a sofrer dilatação com o aumento da temperatura e essa diferença entre a dilatação do centro da peça até a superfície sendo função da temperatura pode gerar tensões térmicas adicionais O tempo de permanência na temperatura de recozimento deve ser suficiente para que a peça seja aquecida por completo e para que as reações comandadas pelo processo de difusão ocorram de acordo com o especificado TÓPICO 1 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 187 O processo de recozimento intermediário é realizado quando se deseja anular o efeito da deformação plástica a frio como em processos de laminação ou forjamento Através desse tratamento térmico podem ser utilizadas tensões menores no processo de conformação subsequente permitindo também uma maior deformação total da peça no processo de fabricação Nesse tipo de processo o tempo de permanência na temperatura máxima não pode ser excessivamente longo de forma a causar o crescimento dos grãos o que pode não ser interessante para as propriedades finais do produto O tratamento térmico de recozimento para alívio de tensões é realizado a temperaturas mais baixas e serve para anular o efeito de encruamento introduzido pela deformação No entanto outros tratamentos térmicos como de endurecimento não são afetados O tratamento térmico de normalização consiste em elevar a temperatura até cerca de 50ºC acima da temperatura de austenitização depende da liga que se está utilizando e resfriamento lento até temperatura ambiente Esse tratamento é utilizado quando desejamos anular o efeito de orientação dos grãos do material como é caso de processos como a laminação a frio A austenitização é uma etapa do processo de têmpera que será discutido na sequência 242 Têmpera A têmpera consiste no aquecimento do material acima da temperatura onde a sua estrutura passa de ferrita CCC para austenita CFC e resfriamento rápido até temperatura ambiente Para os aços comuns ao carbono a temperatura para a completa austenitização depende do teor de carbono veja o diagrama de fases FeFe3C apresentado no tópico 6 da Unidade 1 Sabemos que ao se transformar em austenita CFC o aço adquire a capacidade de solubilizar maior quantidade de carbono que em temperaturas inferiores à temperatura de austenitização estava precipitado na forma de cementita Se o resfriamento fosse realizado em condições de equilíbrio a partir de uma temperatura acima da temperatura de austenitização o carbono seria gradativamente expulso da estrutura formando cementita Quando resfriamentos rapidamente a peça retirandoa do forno acima da temperatura de austenitização e colocandoa em um recipiente com água óleo ou outro meio que promova o seu resfriamento de forma rápida até a temperatura ambiente o tempo necessário para que o carbono saia da estrutura é insuficiente Como resultado temos com esse procedimento a formação de outra fase chamada de martensita Esse processo é chamado de têmpera A estrutura da austenita é tetragonal de corpo centrado TCC e consiste basicamente na estrutura CCC com uma das dimensões alongadas UNIDADE 3 PROCESSAMENTO E SELEÇÃO 188 A martensita é uma estrutura metaestável que pode se transformar rapidamente em outra estrutura quando aquecemos a temperaturas onde possa ocorrer a difusão de átomos Como a formação da martensita não ocorre por difusão a sua estrutura é formada muito rapidamente Na microestrutura a martensita se apresenta na forma de ripas ou placas dependendo do teor de carbono do aço A figura a seguir mostra uma microestrutura contendo martensita em forma de placas FIGURA 79 MARTENSITA EM FORMA DE PLACAS AUMENTO DE 1220X FONTE Callister 2007 243 Revenido O processo de têmpera é utilizado para o endurecimento dos aços Como a martensita é um microconstituinte de elevada dureza e fragilidade o aço nesse estado apresenta pouca ductilidade e tenacidade Além disso como o resfriamento é realizado de forma rápida tensões internas são invariavelmente inseridas no produto que podem gerar trincas ou empenamento Os produtos normalmente não são utilizados diretamente após a têmpera sendo realizado um tratamento térmico subsequente denominado revenido O revenido é realizado abaixo da temperatura eutetoide normalmente entre 250ºC e 650ºC Nesse processo as tensões internas são aliviadas a temperaturas de cerca de 200ºC e conforme aumentamos a temperatura iniciase o processo de difusão A estrutura TCC da martensita é gradativamente transformada em TÓPICO 1 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 189 martensita revenida que consiste em uma fase α ferrita e cementita Fe3C as mesmas que observamos no diagrama de equilíbrio FeFe3C No entanto a microestrutura da martensita revenida é substancialmente diferente da obtida pelo resfriamento em estado de equilíbrio a partir da austenita A figura a seguir mostra a microestrutura da martensita revenida de um aço FIGURA 80 MICROESTRUTURA APRESENTANDO MARTENSITA REVENIDA AUMENTO 9300x FONTE Callister 2007 A cementita na microestrutura obtida é extremamente fina e sua distribuição é bastante uniforme Por esse motivo a resistência mecânica é equivalente à da martensita não revenida contudo o material apresenta um aumento considerável na sua ductilidade O tamanho da cementita é definido pelo tempo e temperatura de revenido Assim podemos obter uma relação dureza ou resistência versus ductilidade de acordo com o especificado para determinada aplicação Os fabricantes de aços normalmente fornecem tempo e temperatura de revenimento para os materiais fornecidos na forma de tabelas ou curvas tempo versus temperatura de revenimento NOTA UNIDADE 3 PROCESSAMENTO E SELEÇÃO 190 A figura a seguir mostra a dependência da dureza com o tempo e temperatura de revenimento para um aço 1080 FIGURA 81 DUREZA EM FUNÇÃO DO TEMPO E TEMPERATURA DE REVENIDO PARA UM AÇO 1080 FONTE Callister 2007 Para aços que contêm elementos de liga em quantidades relevantes tais como o manganês níquel ou cromo que contenham também antimônio fósforo arsênio ou estanho pode ocorrer a fragilização por revenido Nesses casos o acúmulo desses elementos nos contornos de grão faz com que a resistência ao impacto desses aços fique reduzida Para evitar esse problema a temperatura de revenido nesses casos específicos não deve ser superior a 575ºC ou inferior a 375ºC 3 PROCESSAMENTO DE MATERIAIS CERÂMICOS Assim como nos materiais metálicos no processamento dos materiais cerâmicos temos em certas etapas do processamento o consumo de energia na forma de calor Na fabricação de vidros que apresentam temperatura de fabricação inferior a 1000ºC o processo de moldagem e conformação é realizado a quente com a utilização de moldes metálicos ou por insuflação de ar ou ambos A fabricação de vidros planos pode ser por processo de laminação a quente semelhante ao processo que estudamos anteriormente para os metais ou pela deposição do vidro fundido sobre uma piscina de metal líquido de baixo ponto de fusão normalmente se utiliza estanho fundido TÓPICO 1 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 191 No caso dos vidros a sequência de fabricação envolve a utilização de calor gerando o amolecimento do material seguindo para o processo de conformação De forma inversa para a maioria das cerâmicas cristalinas os processos de fabricação envolvem incialmente a obtenção da forma do produto seguida da utilização de calor para atingir a propriedade final do produto 31 COLAGEM DE BARBOTINA Muitos produtos cerâmicos são produzidos pelo processo de colagem de barbotina que apresenta algumas semelhanças com o processo de fundição de metais Nesse processo utilizamos um molde que pode ser de gesso ou de material polimérico que é obtido a partir de um modelo da peça que se deseja fabricar A barbotina consiste em uma suspensão aquosa contendo o material cerâmico que é despejada a temperatura ambiente na cavidade do molde O molde poroso irá absorver gradativamente a água da barbotina e como resultado uma camada de material sólido úmido irá se depositar gradativamente sobre a forma Após atingir a espessura desejada a barbotina excedente é retirada da forma e a peça pode ser destacada do molde O processo de colagem de barbotina é bastante utilizado na fabricação de louças de mesa para a obtenção de formas complexas como bules Na indústria de louças sanitárias esse processo é comum na fabricação de vasos sanitários e pias A figura a seguir mostra um exemplo desse tipo de processo FIGURA 82 PRODUTO FABRICADO POR COLAGEM DE BARBOTINA FONTE MUDD CULTURE Disponível em httpmuddcultureblogspotcom br201108slipcastingsliptrailingandalteredhtml Acesso em 21 abr 2012 UNIDADE 3 PROCESSAMENTO E SELEÇÃO 192 O processo de colagem de barbotina demanda um relativo baixo investimento em equipamentos sendo bastante utilizado na cerâmica artística No entanto a produtividade quando comparada a outros métodos de conformação pode ser considerada baixa As características do processo devem ser bem controladas para evitar defeitos Dentre as principais podemos citar Densidade e viscosidade da barbotina Permeabilidade e tipo de material do molde Característica dos aditivos adicionados à barbotina Velocidade de formação de parede Consistência da peça no desmolde 32 EXTRUSÃO E CONFORMAÇÃO PLÁSTICA Muitos dos produtos cerâmicos técnicos ou estruturais são obtidos através de extrusão seguida ou não de conformação plástica Nesses processos o material cerâmico é passado através de uma matriz metálica em um equipamento denominado extrusora que pode ser de êmbolo ou fuso A umidade da massa cerâmica a qual usualmente apresenta um percentual de material argiloso varia em função do tipo de material a ser produzido e se encontra geralmente na faixa de 2030 A massa cerâmica após extrusão pode ser conformada em matrizes furada usinada torneamento a úmido ou a seco As características do produto e os custos envolvidos irão determinar as técnicas posteriores a serem utilizadas se necessárias A figura a seguir mostra exemplos de produtos obtidos por processo de extrusão de massa cerâmica A extrusora normalmente é equipada com uma câmara de vácuo Uma pressão negativa é gerada nessa câmara através de uma bomba de vácuo com a finalidade de retirar uma parcela do ar presente na massa cerâmica Com esse procedimento temse como resultado um material com maior compactação e consistência permitindo a extrusão com menores umidades o que favorece os processos subsequentes No processo de extrusão a consistência da massa deve ser a mais elevada possível de forma a evitar a deformação do produto Ainda a umidade deve ser a mínima necessária para a produção sem defeitos visto que esta deve ser retirada em um processo posterior de secagem o que representa um consumo energético TÓPICO 1 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 193 FIGURA 83 PRODUTOS OBTIDOS POR EXTRUSÃO DE MASSA CERÂMICA NO ESTADO PLÁSTICO FONTE FRAUNHOFER Disponível em httpwwwiktsfraunhoferdeenresearch fieldsprocessesand componentsfertigungstechnologieextrusion Acesso em 22 abr 2012 Nos processos de extrusão e de conformação de massas cerâmicas plásticas além das propriedades da massa cerâmica alguns parâmetros de processamento devem ser controlados para se obter um produto de acordo com as especificações e de qualidade constante Umidade da massa Consistência Velocidade de extrusão Nível de pressão negativa na câmara de vácuo da extrusora Dimensional dos fusos e desgaste das matrizes UNIDADE 3 PROCESSAMENTO E SELEÇÃO 194 33 PRENSAGEM A prensagem de materiais cerâmicos é atualmente muito utilizada na fabricação de revestimentos cerâmicos pisos e azulejos dentre outros bem como alguns itens de porcelana de mesa Os tipos de prensagem mais utilizados são Uniaxial A prensagem é realizada em um único eixo pela movimentação de uma punção que compacta o pó sobre uma matriz fixa Uniaxial de duplo efeito A prensagem é realizada pela movimentação tanto de uma punção superior como da matriz inferior Semiisostática A prensagem se dá pelo movimento de umaa punção sendo o material cerâmico compactado sobre uma matriz confeccionada em material elástico borracha silicone que é preenchida com óleo A pressão gerada pelo óleo é uniformemente distribuída sobre o pó Isostática Um pó cerâmico é colocado no interior de um molde elástico borracha silicone Esse molde é colocado em um recipiente contendo óleo O óleo é pressionado transferindo a pressão de forma uniforme por todo o molde compactando o pó O material cerâmico para compactação em processo de prensagem apresenta baixa umidade normalmente inferior a 10 O pó cerâmico normalmente é muito fino e sua escoabilidade para dentro da matriz é ruim Para viabilizar o processo o material pode ser processado por granulação onde se obtém grânulos irregulares ou atomização grãos esféricos A seleção do processo mais adequado irá depender das características técnicas do produto e dos custos envolvidos No processo de prensagem as características do material cerâmico são extremamente importantes e devem ser controladas incluindo as caraterísticas físicas do pó granulado ou atomizado Como os materiais cerâmicos não apresentam deformação plástica a compactação do pó na matriz depende da quebra e rearranjo dos grânulos e é fortemente dependente de uma distribuição uniforme dos grânulos dentro da matriz Os principais parâmetros a serem controlados no processo de prensagem são Distribuição de tamanho dos grânulos Umidade do pó Escoabilidade do pó Pressão específica Características dimensionais da matriz ou molde TÓPICO 1 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 195 Na fabricação dos moldes e modelos o retorno elástico do material e das matrizes deve ser considerado O retorno elástico do material depois de retirada a carga pode gerar defeitos na extração da peça No processo de prensagem geometrias planas podem ser obtidas com elevada produtividade em prensagem uniaxial O atrito gerado entre as partículas do material e entre as partículas e a matriz deve ser considerado no processo de prensagem Para produtos com geometria complexa eou de elevada espessura o processo de prensagem uniaxial pode ser inadequado pois ocorre a geração de gradientes de compactação no produto Essas diferenças de compactação podem gerar defeitos nos processos subsequentes tais como empenamentos e trincas Para produtos de elevada espessura ou de geometria complexa a prensagem isostática é mais adequada 34 SECAGEM E QUEIMA As cerâmicas cristalinas normalmente apresentam temperaturas de fusão bastante elevadas quando comparadas aos materiais metálicos Esses materiais são conformados a frio pelos métodos descritos anteriormente e apresentam certo teor de umidade Durante o processamento a água utilizada no processo de conformação precisa ser retirada A secagem dos materiais cerâmicos é realizada pelo aquecimento gradativo da peça de forma a eliminar a água A secagem de materiais cerâmicos compreende três estágios Em um primeiro momento a peça é composta pelas partículas do material cerâmico que são rodeadas por uma fase contínua água conforme a figura 84 A a seguir FIGURA 84 ETAPAS DO PROCESSO DE SECAGEM FONTE Callister 2007 A B C Conforme a água é gradativamente eliminada da peça o produto experimenta uma contração As partículas se aproximam até o momento em que se tocam figura 84 B A partir desse estágio a peça não sofre retração dimensional e a água a ser eliminada é aquela presente nos poros entre as partículas do material cerâmico A figura 84 C representa a peça seca UNIDADE 3 PROCESSAMENTO E SELEÇÃO 196 É importante observar que no processo de secagem o intervalo de umidade correspondente ao estágio inicial até o estágio correspondente à figura 84 b é o mais crítico visto que em função da retração podem ser geradas tensões internas e trincas A partir do estado descrito na figura 84 b o processo de secagem pode ser acelerado Após conformados e secos os materiais cerâmicos seguem para o processo de queima A queima consiste em um tratamento térmico onde assim como nos materiais metálicos elevamos a temperatura de forma a fornecer energia para que ocorra o processo de difusão No entanto a temperatura para que ocorra a difusão no estado sólido para materiais cerâmicos é substancialmente superior àquela apresentada para os metais e tem relação com as energias das ligações químicas Assim temperaturas mais elevadas ou tempos mais longos são necessários para que haja a formação de continuidade da matéria e eliminação da porosidade O processo de queima dos materiais cerâmicos visa promover a sinterização que pode ser total ou parcial No caso de tijolos e alguns produtos de revestimento cerâmico assim como nos materiais cerâmicos refratários a sinterização não é completa ou seja existe uma porosidade residual no produto acabado Essa porosidade pode ser desejável em função da aplicação do produto isolamento térmico por exemplo Para materiais cerâmicos onde se faz necessária a minimização da porosidade a temperatura de queima deve ser mais elevada A sinterização pode ser facilitada pela formação de uma fase líquida viscosa Essa fase líquida escoa entre as partículas mais duras e auxilia na eliminação dos poros Esse é o caso das porcelanas e porcelanatos 4 PROCESSAMENTO DE MATERIAIS POLIMÉRICOS O processamento dos materiais poliméricos difere substancialmente dos materiais metálicos e cerâmicos em função da sua baixa temperatura de fusão Como vimos anteriormente as propriedades dos polímeros se relacionam diretamente com as características das ligações secundárias ou seja as ligações entre as cadeias poliméricas do material Os polímeros podem ser agrupados em duas classes termoplásticos e termofixos Os termoplásticos sofrem amolecimento quando aquecidos e podem ser conformados e quando resfriados e reaquecidos podem ser moldados novamente Já os termofixos formam ligações cruzadas ligações primárias entre as cadeias poliméricas e ao serem reaquecidos ocorre a quebra de ligações gerando a degradação do polímero não sendo possível moldálos novamente TÓPICO 1 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 197 No grupo dos termofixos temos as borrachas vulcanizadas que também podem ser classificadas como elastômeros resinas epóxi resinas fenólicas e algumas resinas de poliéster Já os termoplásticos compreendem uma grande parcela dos materiais encontrados no nosso cotidiano tais como o PVC tubulações PP e PE embalagens recipientes PS copos de café descartáveis dentre outros 41 OBTENÇÃO DOS POLÍMEROS Os polímeros termoplásticos são obtidos através da polimerização em reatores químicos a partir de meros do polímero e catalisadores em condições de pressão e temperatura controladas Os polímeros são derivados do carvão e de produtos da indústria do petróleo e apresentam inicialmente baixo peso molecular No processo de polimerização vários meros são ligados formando polímeros com alto peso molecular A polimerização pode ser de dois tipos Polimerização por adição Nesse processo um centro ativo é formado pela reação de um catalisador com um monômero Na sequência várias moléculas do monômero são fixadas umas às outras formando uma molécula polimérica que cresce gradativamente O processo termina quando duas cadeias se ligam mutuamente ou reação com outro radical não restando extremidade reativa O polietileno e o polipropileno são obtidos por essa técnica Polimerização por condensação Nesse tipo de polimerização as reações químicas intermoleculares ocorrem etapa por etapa envolvendo geralmente mais de um tipo de monômero e eliminam algum subproduto O tempo de reação é normalmente mais longo Poliésteres náilons e policarbonatos são produzidos mediante esse tipo de polimerização As figuras 85 e 86 a seguir mostram esquematicamente a polimerização do polietileno adição e de um poliéster condensação UNIDADE 3 PROCESSAMENTO E SELEÇÃO 198 FIGURA 85 POLIMERIZAÇÃO DO POLIETILENO POR ADIÇÃO FONTE Callister 2007 FIGURA 86 POLIMERIZAÇÃO DE UM POLIÉSTER POR CONDENSAÇÃO FONTE Callister 2007 42 EXTRUSÃO Vários produtos poliméricos podem ser obtidos pelo processo de extrusão Os produtos que apresentam seção reta constante são mais facilmente obtidos por esse processo tais como barras e tubos Tubos de PVC por exemplo são produzidos em extrusoras de fuso semelhantes às utilizadas na produção de materiais cerâmicos os quais já foram discutidos anteriormente TÓPICO 1 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 199 Na produção de polímeros por extrusão o material é alimentado no início da extrusora juntamente com aditivos tais como retardadores de chama plastificantes corantes estabilizadores e enchimentos carga A extrusora é dotada de um sistema de aquecimento resistivo ao longo de seu eixo O sistema de aquecimento em conjunto com o atrito do material com o fuso promove a mistura e amolecimento do material O material fundido passa pela boquilha e é posteriormente cortado no comprimento desejado Dos parâmetros de extrusão a serem controlados a velocidade de rotação do fuso e o gradiente de temperatura no interior do equipamento são de fundamental importância Se a temperatura e mistura do material forem insuficientes heterogeneidades no material extrudado podem ser observadas Um excesso de temperatura ou excesso de atrito pode gerar a degradação das moléculas do polímero tornandoo frágil ou com tonalidade inadequada A cor dos materiais poliméricos é relevante quando este é aplicado também como elemento decorativo como é o caso dos forros de PVC Com a degradação do polímero já no processo de fabricação ocorre uma tendência ao amarelamento do material O processo de produção necessita de inspeções periódicas de tonalidade que pode ser visual eou com utilização de um colorímetro 43 INJEÇÃO O processo de injeção de polímeros é certamente o mais utilizado e mais comum nas indústrias de plástico sendo possível através de uma injetora a fabricação de uma infinidade de produtos Tubos e forros de PVC são produzidos por extrusão enquanto curvas e joelhos elementos de tubulação em PVC são produzidos usualmente por injeção Além disso diversos tipos de produtos para uso doméstico tais como aqueles encontrados em lojas de preço único são produzidos em grande escala dessa forma O processo de injeção apresenta algumas semelhanças com o processo de fundição empregado na fabricação de metais As semelhanças são mais evidentes quando comparado à fabricação de metais não ferrosos como o alumínio No processo de injeção o polímero fundido é alimentado no interior da cavidade de uma matriz com pressão e temperatura controladas A matriz confeccionada em um aço especial é dotada de um sistema de resfriamento de forma que o polímero fundido após preencher toda a cavidade do molde é gradativamente resfriado até temperatura onde este adquire a rigidez necessária para ser desmoldado O produto retirado do molde apresenta os canais de alimentação ligando as diferentes peças em uma mesma matriz ou apenas o canal de alimentação se for uma peça única por cavidade A separação das peças desses canais é realizada posteriormente UNIDADE 3 PROCESSAMENTO E SELEÇÃO 200 Em alguns casos um percentual de retorno canais de alimentação rebarbas peças com defeitos de processamento pode ser reprocessado e adicionado novamente ao polímero virgem alimentado na injetora A figura a seguir mostra esquematicamente um perfil de um molde de injeção FIGURA 87 ESQUEMA DE FUNCIONAMENTO DE UMA INJETORA FONTE SENAI MARIO AMATO 2001 Cavidade com produto moldado Placa estacionária da máquina injetora Placa móvel da máquina injetora Pressão 5 PROCESSAMENTO DE MATERIAIS COMPÓSITOS Os materiais compósitos são compostos por uma ou mais classes de materiais combinadas por exemplo metal com cerâmica polímero com metal ou polímero com cerâmica O tipo de processamento utilizado para a fabricação do material irá depender das características dos componentes e das propriedades que se deseja obter Os materiais compósitos são geralmente aplicados quando desejamos melhorar determinada propriedade de um material matriz pela introdução de uma quantidade de partículas ou fibras de outro material O maior interesse no desenvolvimento desses materiais está relacionado à possibilidade de obtenção de sinergia entre os materiais envolvidos na sua fabricação o novo material terá propriedades superiores àquelas apresentadas pelos materiais individualmente TÓPICO 1 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 201 51 COMPÓSITOS METALCERÂMICA A junção de metais com cerâmicas para a produção de novos materiais apresenta aspectos bastante interessantes Como compreendemos a partir do estudo das unidades anteriores os metais apresentam a capacidade de se deformarem plasticamente antes da ruptura quando uma carga é aplicada Já os materiais cerâmicos são intrinsecamente frágeis falham sem deformação plástica porém podem apresentar dureza bastante superior à dos metais o que resulta em uma excelente resistência à abrasão Muitos materiais metálicos e cerâmicos são obtidos pelo processo de usinagem Na usinagem uma ferramenta entra em contato com a peça gerando uma elevada abrasão Isso nos leva a crer que ferramentas de usinagem produzidas em material cerâmico sempre apresentarão uma vida útil superior àquelas produzidas em aço rápido por exemplo No entanto a fragilidade dos materiais cerâmicos é um fator complicador quando envolvemos tensões mecânicas como é o caso do processo de usinagem Além disso como já aprendemos os materiais cerâmicos são intrinsecamente isolantes térmicos o que significa que o calor gerado pelo atrito entre a peça que está sendo usinada e a ferramenta não é facilmente dissipado através da mesma A solução para muitos dos problemas de usinagem foi o desenvolvimento do metal duro conhecido por Widia Esse tipo de material é mais comumente obtido pela técnica de metalurgia do pó técnica já descrita no tópico anterior quando tratamos de processamento de materiais metálicos Nesse tipo de material uma matriz metálica usualmente cobalto é a fase contínua e apresenta as propriedades típicas dos metais e de interesse para o processo de usinagem resistência a impacto e alta condutividade térmica Nessa matriz metálica são distribuídas partículas de carbonetos como o carboneto de tungstênio WC que apresenta outras propriedades interessantes ao processo de usinagem elevada dureza e resistência à abrasão A figura a seguir mostra uma microestrutura típica de um metal duro As partículas de carbeto de tungstênio mais escuras e angulares são ligadas através da matriz metálica de cobalto fase mais clara UNIDADE 3 PROCESSAMENTO E SELEÇÃO 202 FIGURA 88 MICROESTRUTURA DE UM METAL DURO WCCo AUMENTO 1500X FONTE ILO Disponível em httpwwwiloorgsafeworkbookshelf englishcontentnd857170109 Acesso em 28 abr 2012 As microestruturas dos materiais compósitos do tipo metalcerâmica apresentam alguma semelhança com os aços Procure realizar uma comparação Nas autoatividades desse tópico estaremos conversando sobre esse assunto 52 COMPÓSITOS POLÍMEROCERÂMICA Assim como nos materiais compósitos do tipo metalcerâmica o desenvolvimento de compósitos polímerocerâmica visa aliar as características específicas dessas classes de materiais para obtenção de sinergia de propriedades Nesse caso específico a utilização usual diz respeito à obtenção de um material no qual se sobressaem as características mecânicas mais interessantes dos materiais cerâmicos elevado módulo de elasticidade e módulo de ruptura Os polímeros apresentam baixo módulo de elasticidade porém apresentam uma grande capacidade de deformação complementando as características intrínsecas do material cerâmico UNI TÓPICO 1 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 203 Um aspecto que precisa ser considerado quando tratamos de materiais cerâmicos diz respeito ao seu mecanismo de falha por ruptura mecânica De fato devido à sua elevada energia de ligação os materiais cerâmicos deveriam apresentar resistência mecânica muito superior ao observado para os materiais metálicos No entanto a incapacidade de se deformar plasticamente resulta em uma elevada sensibilidade a defeitos de fabricação Quanto maior for o defeito presente no material cerâmico menores tendem a ser as tensões de ruptura do material Além do tamanho do defeito a quantidade de defeitos presentes no material cerâmico está vinculada diretamente à sua probabilidade de falha Portanto um material cerâmico normalmente apresenta certo nível de incerteza no que diz respeito à sua tensão de ruptura Esse fato se relaciona com a possibilidade de existência de um defeito de fabricação de tamanho crítico que muitas vezes não é detectável por técnicas de caracterização não destrutivas as quais estudamos na Unidade 2 Quando uma trinca atinge o tamanho crítico no material para um determinado nível de tensão aplicada esta começa a se propagar rapidamente gerando a falha instantânea do componente Como podemos contornar esse problema e aproveitar melhor as características mecânicas dos materiais cerâmicos Existem algumas formas de reforçar um material cerâmico Uma das formas de se obter bons resultados mecânicos a partir desses materiais tem como base as seguintes observações Em um material cerâmico de elevada espessura a probabilidade de que um defeito de tamanho crítico esteja presente que fará com que a peça sofra ruptura em tensões de serviço é maior A propagação da trinca ocorre quando existe no material tensão suficiente para que essa seja propagada gerando a falha do componente Essa propagação é praticamente instantânea Uma solução interessante para esse problema consiste na fabricação de um componente com a utilização de vários elementos de um material cerâmico de pequena espessura tais como as fibras cerâmicas As fibras de vidro bastante utilizadas na fabricação desse tipo de compósito apresentam as seguintes vantagens Apresentam pequena espessura e consequentemente defeitos menores A probabilidade de encontrarmos defeitos críticos também diminui Se uma fibra apresenta um defeito crítico a ruptura dessa única fibra não irá gerar a falha do componente UNIDADE 3 PROCESSAMENTO E SELEÇÃO 204 Os compósitos polímerocerâmica apresentam ótimas propriedades mecânicas pois aliam a resistência mecânica elevada das fibras e sua rigidez com a capacidade de absorção de impacto e de deformação do material polimérico Normalmente as fibras sofrem um tratamento superficial de forma a promover uma excelente adesão da fibra com a matriz polimérica Essa adesão é fundamental pois a energia mecânica na matriz polimérica deve ser transferida para a fibra para que haja um efetivo reforço mecânico Além de fibras os materiais cerâmicos podem ser adicionados à matriz polimérica na forma de partículas Os polímeros mais utilizados nesse tipo de compósito são do tipo epóxi e poliuretano Polímeros termoplásticos também podem ser reforçados com materiais cerâmicos Os materiais compósitos do tipo polímerocerâmica podem ser obtidos pelos métodos descritos anteriormente extrusão ou injeção ou ainda por autoclave laminados Nessa classe de compósitos partículas metálicas são adicionadas a uma matriz polimérica Como já estudamos nas unidades anteriores os polímeros são intrinsecamente isolantes elétricos enquanto os metais devido à presença de elétrons livres são normalmente bons condutores de eletricidade Quais propriedades poderíamos obter com a junção desses tipos de materiais Quando poucas partículas de um material metálico são adicionadas a um polímero a condutividade elétrica não é substancialmente alterada Uma quantidade suficientemente elevada dessas partículas precisa ser adicionada ao material polimérico para que ocorra a formação de caminhos físicos para que os elétrons possam se movimentar de uma extremidade a outra no material gerando um fluxo de corrente elétrica A formação de caminhos para o movimento dos elétrons depende da interpolação Ela depende de uma quantidade suficiente de partículas para que as mesmas tenham contato umas com as outras Além da quantidade de partículas a distribuição dessas partículas na matriz polimérica é importante para a obtenção das propriedades desejadas Com esse tipo de material é possível obter semicondutores com valores de condutividade elétrica específicos A condutividade elétrica desejada pode ser obtida através do tipo de material condutor adicionado controle do tamanho das partículas da dispersão na matriz polimérica e da quantidade de material adicionada 53 COMPÓSITOS POLÍMEROMETAL 205 Neste tópico estudamos alguns processos de fabricação de materiais A seguir apresentamos um resumo dos principais pontos abordados Os metais podem ser fabricados através de diversas técnicas de fabricação A técnica selecionada depende dos requisitos do produto custo e facilidade de fabricação O processo de fundição apresenta relativo baixo custo e é utilizado na fabricação de metais ferrosos e não ferrosos Peças grandes são geralmente obtidas através desse tipo de processamento Os metais podem ser conformados mecanicamente a frio ou a quente dependendo das propriedades desejadas e do nível de deformação necessário para conformar o material de partida no produto final A microestrutura e consequentemente as propriedades dos metais pode ser alterada através de tratamentos térmicos No processo de usinagem de materiais metálicos devese selecionar o material mais adequado da ferramenta em função do tipo de material a ser usinado Produtos seriados e com propriedades específicas e tolerância dimensional estreita podem ser obtidos pela técnica de metalurgia do pó Materiais cerâmicos cristalinos apresentam a priori alto ponto de fusão e normalmente não é viável produzilos por fundição O produto é conformado a frio e sinterizado em altas temperaturas Vidros de baixo ponto de fusão podem ser conformados a quente Materiais cerâmicos são produzidos usualmente por colagem de barbotina extrusão ou prensagem sendo a principal diferença entre os processos o teor de umidade do material Materiais poliméricos termoplásticos são mais comumente obtidos por extrusão ou injeção processados a baixa temperatura Nesses processos é necessário um controle estreito da temperatura para evitar a degradação do polímero Materiais compósitos são mais comumente obtidos por metalurgia do pó extrusão injeção e autoclave dependendo do tipo de material a ser processado RESUMO DO TÓPICO 1 206 AUTOATIVIDADE Caroa acadêmicoa para melhor fixar o conteúdo da unidade sugerimos que desenvolva as seguintes atividades 1 Quais as semelhanças em termos de microestruturas e propriedades entre um material compósito metalcerâmica e um aço Faça uma análise comparando os dois materiais 2 Quais processos descritos nessa unidade poderiam estar envolvidos no processo de fabricação de um parafuso 3 Descreva sucintamente o processo de secagem de um material cerâmico Qual dos processos de fabricação apresentados tem menor consumo energético na etapa de secagem 4 Qual a principal diferença entre materiais termoplásticos e termofixos em termos de processamento 5 Quais as vantagens de utilizarmos um componente fabricado com a utilização de um material compósito contendo fibras cerâmicas quando comparado à utilização do mesmo componente fabricado com o mesmo material cerâmico da fibra Considere que o componente estará em solicitação mecânica na aplicação 207 TÓPICO 2 CRITÉRIOS PARA SELEÇÃO DE MATERIAIS UNIDADE 3 1 INTRODUÇÃO A partir do estudo das unidades 1 e 2 e do tópico 1 dessa unidade pudemos compreender a relação entre a estrutura microestrutura e propriedades dos materiais A seleção de materiais em aplicações reais pode ser baseada em critérios de projeto que podem ser mecânicos elétricos térmicos eletromagnéticos ópticos e além disso envolvem uma análise do tempo de vida esperado pelo componente ou produto Precisamos também considerar a sua resistência ao meio onde será aplicado a viabilidade econômica a constância de fornecimento dentre outros fatores A seleção de um material para uma determinada aplicação pode ser bastante complexa quando devemos considerar diversos requisitos Muitas vezes as características dos materiais apresentamse divergentes por exemplo um aumento na dureza de um aço normalmente implica em menor capacidade de deformação plástica A resposta técnica nesses casos passa por uma análise das propriedades essenciais resultando em uma solução de compromisso que cubra de forma satisfatória diversos requisitos Nesse tópico vamos conversar um pouco sobre alguns critérios que podem estar envolvidos na seleção de materiais bem como critérios para seleção das matériasprimas para a fabricação de materiais como é o caso de certos tipos de indústrias de transformação Por fim vamos analisar algumas situações práticas que podem surgir na atuação do Engenheiro ou Tecnólogo e que podem ser analisadas e encaminhadas ao profissional com habilitação na área de Engenharia de Materiais ou viabilizar o tratamento técnico da problemática com os fornecedores 208 UNIDADE 3 PROCESSAMENTO E SELEÇÃO 2 REQUISITOS DE PROJETO Quando um componente ou produto é idealizado e projetado várias características imprescindíveis ao seu correto funcionamento são enumeradas Na etapa de projeto se os responsáveis por essa etapa do processo não detêm conhecimento suficiente das possibilidades em termos de materiais de engenharia que podem ser selecionados para a aplicação existe a tendência de utilização de materiais comuns selecionados a partir da experiência ou que já foram utilizados em outros projetos No entanto o conhecimento dos diversos tipos de materiais disponíveis e das propriedades que podem ser alteradas no processo de fabricação bem como através de tratamentos específicos permitirá a obtenção de melhores resultados No processo produtivo a seleção correta de um material pode significar por exemplo maior vida útil de um componente de um equipamento gerando menores tempos de parada para manutenção agregando em produtividade Na seleção de materiais para produtos existem várias possibilidades de ganhos em produtividade e economia de insumos energia e tempo de processamento Para isso fazse necessária uma análise rigorosa dos requisitos do produto identificados pelo cliente e um conhecimento sólido do processo e das possibilidades de alterações e substituições de materiais vinculado aos métodos de caracterização e validação da qualidade A ciência dos materiais pode ser resumida em um diagrama em forma de tetraedro figura a seguir onde os vértices contêm todos os aspectos que já estudamos indicando a sua mútua dependência No centro do tetraedro se encontra e etapa de caracterização que é fundamental para entendermos como as características dos materiais afetam o desempenho do produto FIGURA 89 TETRAEDRO CIÊNCIA DOS MATERIAIS FONTE Adaptado de WIKIPEDIA Disponível em httphewikipedia orgwikiD7A7D795D791D7A5Materialsscience tetrahedronstructureprocessingperformanceandproprertiessvg Acesso em 29 abr 2012 TÓPICO 2 CRITÉRIOS PARA SELEÇÃO DE MATERIAIS 209 21 RESISTÊNCIA MECÂNICA Diversos produtos e componentes apresentam como principal requisito o desempenho mecânico As propriedades mecânicas dos materiais são importantes quando existe solicitação mecânica ou a possibilidade de que exista uma solicitação mecânica na aplicação Os componentes mecânicos de máquinas podem ser solicitados de forma estática ou dinâmica em tração torção flexão cisalhamento ou uma combinação de vários tipos de esforços mecânicos No projeto mecânico de um componente as magnitudes das forças resultantes de diversos esforços mecânicos são calculadas e a partir destes dados e da aplicação de fatores de segurança determinamse os parâmetros de resistência mecânica do componente Os métodos de cálculo das tensões envolvidas em componentes em esforços mecânicos serão apresentados na disciplina de Resistência dos Materiais Os materiais metálicos são os mais utilizados em aplicações onde existe exigência mecânica A principal vantagem em relação aos materiais cerâmicos é o seu caráter de aviso de falha a deformação plástica antes da ruptura permite a identificação do problema antes que uma falha catastrófica ocorra Já os materiais cerâmicos apresentam em geral alta sensibilidade a defeitos internos e o acabamento superficial e concentração de tensão gerada por cantos vivos e chanfros combinados a esforços mecânicos podem deflagrar a nucleação e propagação de trincas A melhora das características mecânicas dos materiais cerâmicos tem sido objeto de diversos estudos A elevada temperatura de fusão desses materiais permitiria por exemplo a sua utilização como componentes em processos onde ocorre combustão tais como em motores de automóveis onde uma temperatura maior de trabalho poderia viabilizar um melhor rendimento do processo Na indústria automobilística e aeronáutica vários desenvolvimentos relacionados aos materiais estão direcionados à maximização da resistência mecânica e minimização do peso do componente Basta observarmos a evolução na quantidade de componentes poliméricos e compósitos de base polimérica nos automóveis que apresentam menor densidade em substituição aos metais mais densos Na fabricação de aviões o desenvolvimento de ligas de alumínio com elevada resistência permitiu a diminuição de peso das aeronaves resultando em melhor desempenho e economia de combustível Verificamos a importância desse desenvolvimento quando analisamos a evolução dos custos desse tipo de transporte e que vem se tornando cada vez mais acessível a uma parcela maior da população além do aspecto ambiental ESTUDOS FUTUROS Problema exemplo Um eixo cilíndrico de uma roda de avião deve suportar um esforço de flexão proporcionado por uma parcela do peso da aeronave Analisando os dados do projeto mecânico verificouse que o eixo precisa suportar uma carga de 300 kg Determine o material mais adequado para a aplicação de forma a obter o eixo com o menor peso possível O comprimento do eixo deve ser de 50 cm Resolução A resistência à flexão é calculada a partir da seguinte equação σr 2546 QL D3 Onde σr Tensão de ruptura Mpa Q Carga aplicada N L Comprimento do eixo D Diâmetro do eixo Precisaremos inicialmente calcular a carga Q a partir da massa Kg sobre o eixo Q mg 300Kg 981ms2 2943N Agora podemos inserir na equação os dados do problema o que resulta em σr 2546 294305 D3 3746 D3 Precisamos agora considerar a massa m do eixo pois um dos requisitos do produto é a obtenção da menor massa possível para o componente A massa consiste no produto do volume do eixo V pela densidade do material ρ m Vρ Calculamos o volume do cilindro em função do seu diâmetro e comprimento através da equação V Ab L πD2 4 L Onde Ab corresponde à área da seção reta do eixo Substituindo o Volume na equação anterior temos m πD2 4 L ρ Isolando o diâmetro D temos D 4m πLρ Substituindo a expressão acima na equação anteriormente temos σr 3746 4m 157ρ3 Para isolar m passar raiz cúbida nos dois lados da equação σr13 3746 4m 157ρ33 Elevar ao quadrado os dois lados da equação σr132 37462 4m 157ρ2 σr2241184m24118157ρ4m94665ρm TÓPICO 2 CRITÉRIOS PARA SELEÇÃO DE MATERIAIS 213 O diâmetro do nosso eixo irá depender do material selecionado O cálculo do diâmetro será apresentado posteriormente Portanto guarde essas informações para nosso estudo ao longo dessa unidade No projeto do eixo do nosso exemplo em aplicação real existe a possibilidade da atuação de outros tipos de esforços como o de torção Os tipos de esforços e métodos de cálculo serão mais detalhados no caderno de Resistência dos Materiais 22 CONSIDERAÇÕES SOBRE A RESISTÊNCIA À FADIGA E FLUÊNCIA Quando os fenômenos de fadiga ou fluência podem estar presentes na aplicação a seleção de materiais tornase mais complexa Embora a resistência à fadiga de um material possa ser determinada experimentalmente utilizando corpos de prova e apresentada em tabelas fatores como acabamento superficial qualidade do tratamento térmico tensões desenvolvidas no processo de fabricação e presença de concentradores de tensão no componente tornam a análise bastante complexa Outro agravante relacionado à aplicação diz respeito à presença de picos de tensão aplicada picos de pressão em tubulação de vapor aquecido como exemplo de problemática gerada por fluência ou ainda problemas na montagem do componente eixo desalinhado exemplificando fadiga Esses problemas podem gerar tensões extras não calculadas no projeto do componente Na medida do possível o projeto deve considerar um fator de segurança que compreende essas e outras incertezas e variáveis na aplicação para evitarmos falhas catastróficas 23 RESISTÊNCIA A INTEMPÉRIES Em muitos casos a seleção de materiais deve levar em consideração as características do meio onde estará sendo utilizado o produto Os fenômenos mais comuns relacionados a esse aspecto são a corrosão e a oxidação A maioria dos polímeros termoplásticos apresenta degradação quando expostos acima de determinada temperatura tensão eou radiação UV resultando em fragilização do material e alteração da sua tonalidade No processo de fabricação desses materiais usualmente são adicionados compostos chamados de estabilizantes No processo de fabricação ou na aplicação a temperatura ou as tensões mecânicas podem gerar a ruptura das cadeias poliméricas gerando radicais livres Esses radicais livres podem reagir com o oxigênio ATENCAO 214 UNIDADE 3 PROCESSAMENTO E SELEÇÃO Estabilizantes específicos são adicionados ao polímero para reagir com os radicais livres gerados inicialmente pela quebra da cadeia estabilizantes primários ou pelo radical já oxidado estabilizante secundário impedindo a propagação da reação Outros tipos de estabilizantes são adicionados ao polímero para reagirem com os radicais livres gerados pela quebra de ligações causada pela radiação UV presente na luz solar O uso de estabilizantes é muito importante para aumentar a vida útil desses materiais em condições de degradação que no caso dos polímeros podem ser uma aplicação no meio ambiente comum em muitos casos Os materiais metálicos também sofrem processos de degradação em função do meio onde estão inseridos sendo a corrosão um dos principais problemas Ela ocorre quando temos a presença de água oxigênio ou íons de hidrogênio mecanismo eletroquímico e é acelerada pela presença de cloretos NaCl como por exemplo em regiões litorâneas Uma das soluções para evitar a corrosão do componente é a substituição do material ferroso por alumínio ou ligas de alumínio No entanto o requisito mecânico pode ficar comprometido visto que a resistência mecânica dessas ligas tende a ser inferior às dos aços Em componentes onde a alta resistência mecânica é um requisito de projeto a utilização de aços inoxidáveis precisa ser considerada Quando o aspecto econômico é relevante a utilização de camadas protetoras cromatização anodização etc pode ser interessante permitindo a utilização de aços comuns ao carbono que apresentam custo inferior aos aços inoxidáveis Embora a utilização de metais inertes ao efeito de corrosão em determinado ambiente seja a seleção mais adequada nem sempre esta é suficiente Um tipo específico de corrosão chamado de corrosão sob tensão consiste em um processo de corrosão combinado com esforços de tração Mesmo o componente na aplicação não estando em esforço de tração ou outro tipo de esforço aplicado que gere tensões trativas como é o caso da flexão esse tipo de corrosão pode ocorrer em função das tensões residuais Você deve estar lembrado de que o processo de conformação a frio como por exemplo o dobramento e uma chapa de aço inoxidável gera tensões internas causadas pela deformação plástica Dessa forma mesmo o material sendo considerado inerte ao meio corrosivo ao qual este foi inserido podem surgir pontos de corrosão localizados nas regiões onde existem tensões residuais como resultado o componente pode falhar Uma solução para esse problema consiste na realização de tratamentos térmicos de alívio de tensão no componente conformado As cerâmicas apresentam na maioria dos casos boa resistência a intempéries visto que já são compostas por óxidos TÓPICO 2 CRITÉRIOS PARA SELEÇÃO DE MATERIAIS 215 FIGURA 90 CORROSÃO DE ELEMENTO METÁLICO ESTRUTURAL ST ANTHONY BRIDGE MINEÁPOLIS FONTE Disponível emhttpwwwfreerepubliccomfocusfnews1954133 posts Acesso em 5 maio 2012 24 OUTRAS PROPRIEDADES Além das propriedades mecânicas e da resistência a aspectos relacionados ao meio onde será aplicado o produto outras características precisam ser levadas em consideração em função dos requisitos de projeto e da sua aplicação A seleção de materiais para aplicações térmicas óticas magnéticas e elétricas leva em conta as propriedades dos materiais relacionadas a cada uma dessas aplicações e passa incialmente pela identificação dos fenômenos físicos ou químicos que se relacionam com a propriedade a ser maximizada 3 ASPECTOS ECONÔMICOS No desenvolvimento de produtos e seleção de materiais a questão econômica na grande maioria dos casos precisa ser considerada Tanto os custos diretos envolvidos custo do material a ser utilizado ou insumos para a sua fabricação como os custos relacionados ao material na aplicação consumo de energia e vida útil precisam ser calculados Além disso o material selecionado deve ser possível de ser fabricado utilizando a tecnologia disponível ou considerar as modificações necessárias o que inclui os custos dessas modificações no processo para que esse possa ser fabricado 31 VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DO MATERIAL SELECIONADO Agora vamos calcular o diâmetro mínimo do eixo caso este fosse produzido em aço 4340 218 UNIDADE 3 PROCESSAMENTO E SELEÇÃO Material Massa do eixo Kg RKg de material Custo do eixo R Fibra de vidro em matriz epóxi 2496 620 154752 Aço 4340 5371 95 51024 Ferro fundido nodular 9235 40 36940 QUADRO 5 DADOS E RESULTADOS DOS CÁLCULOS REALIZADOS FONTE O autor Observando os dados apresentados chegamos à seguinte conclusão o eixo produzido em Fibra de Vidro em Matriz Epóxi é cerca de três vezes mais caro que o eixo produzido em aço 4340 e superior a quatro vezes o custo do eixo produzido em ferro fundido nodular A análise desses valores nos leva a crer que produzir o eixo em fibra de vidro não parece muito interessante do ponto de vista econômico Você está convencido disso Vamos agora analisar os demais aspectos do projeto da aeronave O projeto da aeronave informa que esta consome 6000 litros de combustível por hora para uma massa total da aeronave de 300000 kg e que o consumo de combustível é linearmente proporcional à massa da aeronave Portanto cada quilo de material representa um consumo de 002 litros de combustível por hora Adicionalmente o custo do combustível de avião é de 420 Rlitro Assim podemos concluir que cada quilo de material a mais no avião representa um custo de R 0084 por hora de vôo A vida útil da aeronave está planejada para ser de 40000 horas de vôo Considerando os dados apresentados podemos calcular o quanto representa a massa do eixo no consumo de combustível da aeronave durante a sua vida útil quadro a seguir Material Massa do eixo Kg Rhora de vôo consumo de combustível Consumo total de combustível R Fibra de Vidro em Matriz Epóxi 2496 210 8400 mil Aço 4340 5371 451 18040 mil Ferro fundido nodular 9235 775 31000 mil QUADRO 6 DADOS E RESULTADOS DOS CÁLCULOS REALIZADOS FONTE O autor TÓPICO 2 CRITÉRIOS PARA SELEÇÃO DE MATERIAIS 219 Portanto constatamos que o custo do eixo fabricado em fibra de vidro apesar de elevado é pouco significativo quando comparado ao ganho em economia de combustível ao longo da vida útil da aeronave pelo menos cerca de 10 milhões de reais se compararmos ao eixo fabricado em aço 4340 Assim o eixo em fibra de vidro apresenta o melhor desempenho em termos de resistência e custo operacional da aeronave Observe que no exemplo apresentado consideramos somente o esforço de flexão Em uma aplicação real outros esforços mecânicos precisariam ser identificados e considerados Além disso pode ser necessário considerar a vida em fadiga do componente Ao analisarmos estas e outras variáveis o resultado pode ser bastante diferente 32 GARANTIAS DE FORNECIMENTO E QUALIDADE Quando da aquisição de materiais na forma de insumos para a fabricação de produtos além do desempenho do material selecionado e seu custo e processabilidade fazse necessário avaliar o desempenho do fornecedor ao longo do tempo Para tanto é desejável Investigar a confiabilidade do fornecedor junto a outros clientes Exigência de certificação de qualidade ISO 9001 e normas específicas de acordo com o segmento produtivo Em alguns casos pode ser conveniente o envio de amostras para análise em laboratórios credenciados para validação do fornecedor e constatação de qualidade de lotes recebidos A constância de qualidade de fornecimento é tão importante quanto a garantia do desempenho do componente projetado e deve ser considerada principalmente quando está vinculada à vida útil do componente ATENCAO 220 UNIDADE 3 PROCESSAMENTO E SELEÇÃO 4 DESENVOLVIMENTO DE MATERIAIS PARA USO ESPECÍFICO O desenvolvimento de novos materiais envolve constante pesquisa tanto nas universidades como nas indústrias O desenvolvimento pode estar relacionado a melhorias no processamento propriedades e custo Um dos tópicos em pauta diz respeito ao desenvolvimento de materiais que auxiliem o processo de tratamento de resíduos gerados pelo beneficiamento de matériasprimas para o processo produtivo bem como no processo de fabricação Além disso há uma crescente preocupação com a sustentabilidade e o desenvolvimento de materiais que facilitem os processos de reaproveitamento ou reciclagem a custos compatíveis 41 INOVAÇÃO E PRODUTIVIDADE Nos processos produtivos é comum nos depararmos com os aspectos ligados ao desenvolvimento dos materiais tendo em vista que eles se relacionam com os custos diretos do produto Mais do que isso a adequação de materiais no processo produtivo permite o aumento na produtividade e qualidade Podemos citar algumas possibilidades interessantes A utilização de materiais que permitem aumento de produção através da eliminação de processos intermediários ou aumento na velocidade de processamento Substituição total ou parcial de matériasprimas ou materiais de origem externa por fornecedores regionais avaliando as propriedades e constância da qualidade de fornecimento permitindo a minimização de custos de transporte Economia de energia através do aumento da produção e produtividade ou pela possibilidade de processamento a temperaturas mais baixas por exemplo Aumento da vida útil de componentes através da utilização de tratamentos térmicos ou tratamentos superficiais adequados A integração entre o conhecimento adquirido nas universidades e centros de pesquisa com a indústria é de fundamental importância para o aperfeiçoamento dos processos produtivos TÓPICO 2 CRITÉRIOS PARA SELEÇÃO DE MATERIAIS 221 42 REDUÇÃO DE CUSTOS E QUALIDADE O mercado globalizado traz grandes vantagens quando consideramos a possibilidade de importação de insumos específicos embora haja um aumento crescente na competitividade pela introdução de concorrentes não mais regionais mas globais A redução de custos de fabricação é um assunto muito frequente em vários segmentos produtivos e engloba também a questão dos materiais envolvidos nesses processos A redução de custos quando relacionada a materiais deve ser muito bem avaliada Como vimos no nosso exemplo de seleção de materiais para um eixo uma análise completa do problema muitas vezes precisa ser realizada para evitar escolhas erradas Quando tratamos de processos produtivos em grande escala essas escolhas podem significar grandes perdas financeiras Sobre esse assunto é válido enumerarmos alguns aspectos relevantes Quando há necessidade de aumentar a vida útil de um componente é importante considerar a utilização de materiais comuns com tratamentos térmicos e superficiais que melhorem as suas propriedades comparativamente à utilização de um material com propriedades melhores mas de difícil aquisição ou maior custo A regionalização de insumos é uma opção a ser avaliada e deve contemplar quando necessária a qualificação do fornecedor e acompanhamento da qualidade ao longo do tempo Quando do projeto de um novo produto ou componente é importante considerar diversas possibilidades de materiais e matériasprimas disponíveis no mercado Um polímero ou material compósito pode apresentar propriedades adequadas para determinada aplicação em substituição a um metal ou cerâmica e viceversa Análise da utilização ou substituição do material quanto à geração de resíduos sólidos a destinação correta reutilização e reciclagem devem ser consideradas desde o projeto 222 Neste tópico estudamos alguns aspectos relacionados à seleção de materiais A seguir apresentamos um resumo dos principais pontos abordados A seleção de materiais para aplicações mecânicas passa pela análise dos esforços mecânicos presentes no material na aplicação Os critérios de projeto precisam ser bem definidos pois o direcionamento para escolha do material mais adequado depende de vários aspectos Na seleção de materiais é importante considerar diversas possibilidades de materiais analisando a sua disponibilidade no mercado e facilidade de processamento Os custos envolvidos no processo de seleção de materiais não englobam somente o custo e desempenho do componente mas também os aspectos econômicos relacionados à aplicação A substituição e regionalização de matériasprimas e materiais pode ser conveniente quando aliada a um processo de qualificação de fornecimento e controle de qualidade O desenvolvimento de materiais para uso específico permite a minimização de resíduos melhora na produtividade e economia de energia RESUMO DO TÓPICO 2 223 Caroa acadêmicoa para melhor fixar o conteúdo da unidade sugerimos que desenvolva as seguintes atividades 1 Selecione o material mais adequado para o eixo da aeronave do problema exemplo apresentado no tópico 2 considerando que este deve suportar um momento de torção de 550 MPa Qual será o consumo de combustível da aeronave para o eixo selecionado AUTOATIVIDADE Material Resistência ao cisalhamento MPa Fibra de vidro em matriz epóxi 75 Aço 4340 800 Ferro fundido nodular 320 Dado t M D 8 T 3 π t Resistência ao cisalhamento MT Momento de torção D Diâmetro 2 O setor de pesquisa e desenvolvimento da sua empresa está elaborando um projeto de uma prensa responsável pelo dobramento de chapas para a fabricação de cantoneiras de aço Cite e descreva pelo menos três fatores a serem considerados no projeto da matriz metálica a ser utilizada na prensa 225 TÓPICO 3 RECICLAGEM DOS MATERIAIS UNIDADE 3 1 INTRODUÇÃO A produção de bens de consumo passa pela extração de matérias primas seu beneficiamento e transformação em produtos A sociedade moderna e o desenvolvimento de tecnologias que facilitam a vida das pessoas também envolvem uma série de mudanças com a crescente industrialização e produções em grande escala baseadas nos novos hábitos de consumo Essa nova realidade também envolve a geração de quantidades impressionantes de resíduos sólidos os quais precisam ser corretamente gerenciados e quando possível não gerados reutilizados ou reciclados Os impactos ambientais causados pela geração de resíduos sólidos podem ser minimizados através do desenvolvimento de métodos eficientes de reciclagem Nesse tópico abordaremos alguns aspectos relacionados à reciclagem de materiais cerâmicos polímeros metais e compósitos 2 CLASSIFICAÇÃO DOS RESÍDUOS SÓLIDOS A classificação de resíduos tem como diretriz a norma NBR 10004 e passa pela identificação do processo no qual este foi gerado bem como as suas características e propriedades Após esse processo o material é comparado com uma lista de materiais disponível na referida norma para determinação do impacto à saúde e ao meio ambiente Os resíduos sólidos são classificados de acordo com a NBR 10004 em duas classes Classe I Resíduos perigosos Classe II Resíduos não perigosos Os resíduos da classe II são subdivididos em não inertes classe IIA e inertes classe IIB A classificação dos resíduos sólidos é realizada conforme o fluxograma a seguir Os anexos citados no fluxograma são apresentados na norma e devem ser consultados no referido documento UNIDADE 3 PROCESSAMENTO E SELEÇÃO 226 FIGURA 91 CARACTERIZAÇÃO E CLASSIFICAÇÃO DE RESÍDUOS SÓLIDOS FONTE ABNT NBR 10004 2004 Resíduo O resíduo tem origem conhecida Consta nos anexos A e B Tem características de inflamabilidade corrosividade reatividade toxicidade ou patogenicidade Resíduo perigoso classe I Sim Sim Sim Sim Não Não Não Não Possui constituintes que são solubilizados em concentrações superiores ao anexo G Resíduo inerte classe II B Resíduo nãoinerte classe II A Resíduo não perigoso classe II TÓPICO 3 RECICLAGEM DOS MATERIAIS 227 3 RECICLAGEM DE MATERIAIS METÁLICOS Os metais são os materiais mais fáceis de serem reciclados Praticamente todos os metais comerciais podem passar por processos de reciclagem sendo que as ligas ferrosas aços e ferros fundidos e alumínio correspondem a cerca de 90 desse volume A reciclagem desse tipo de material passa normalmente pelo processo de fusão com injeção de oxigênio ou fornos elétricos a arco De acordo com NEWELL 2010 as sucatas metálicas são denominadas sucatas novas quando são provenientes de produtos não utilizados como por exemplo as rebarbas de usinagem ou de estamparia Outro tipo de sucatas denominadas sucatas velhas é proveniente do descarte de produtos metálicos comercializados e descartados tais como embalagens e chassis de automóveis sucateados O comércio dessas sucatas é um mercado que movimenta muito capital sobretudo em países desenvolvidos que vendem as suas sucatas de automóveis para a reciclagem em países em desenvolvimento tais como a China Mais de 12 mil companhias de desmontagem de automóveis operam nos Estados Unidos As sucatas de alumínio provenientes de embalagens de bebidas tais como cerveja e refrigerantes de acordo com NEWELL 2010 correspondem a 40 da sucata gerada desse tipo de material nos Estados Unidos A reciclagem desses materiais inicia com o aquecimento para a retirada de umidade e pinturas O material é então fundido tendo a sua composição química ajustada pela adição de outras sucatas com composição química conhecida Com o material fundido são fabricados lingotes que podem ser posteriormente processados através de laminação para a fabricação de novas latas 4 RECICLAGEM DE MATERIAIS POLIMÉRICOS A reciclagem dos polímeros quando comparada à de outras classes de materiais pode ser considerada problemática Podemos citar algumas das dificuldades Grande variedade de tipos de polímeros Dificuldades de separação por tipo de polímero por meio visual Utilização de uma infinidade de tipos de corantes e aditivos A degradação natural do polímero pela luz ultravioleta impede a obtenção das mesmas propriedades do polímero de partida A utilização de vários tipos de polímeros em um mesmo produto dificulta a separação para a reciclagem A reciclagem de muitos tipos de polímeros é economicamente inviável UNIDADE 3 PROCESSAMENTO E SELEÇÃO 228 A utilização de material reciclado em embalagens para consumo humano é inadequada ou proibida pelas normas vigentes Para o auxílio na identificação e separação dos materiais poliméricos estes são identificados com símbolos conforme a figura a seguir discriminados na norma NBR 13230 da ABNT FIGURA 92 CLASSIFICAÇÃO DE POLÍMEROS PARA SEGREGAÇÃO E RECICLAGEM FONTE Adaptado de Embalagem Sustentável Disponível em http embalagemsustentavelcombr20100902dicarotulagemreciclagem Acesso em 6 maio 2012 PET Poli tereftalato de etila PEAD Polietileno de alta densidade PVC Poli cloreto de vinila PEBD Polietileno de baixa densidade PP Polipropileno PS Poliestireno Infelizmente nem todos os produtos apresentam identificação somandose a isso o problema relacionado aos produtos importados de forma ilegal e que se transformam posteriormente em resíduos sólidos a serem reciclados ou descartados Os polímeros que são provenientes de descartes e rebarbas de processos de fabricação são normalmente reinseridos no próprio processo Já no processo de reciclagem polímeros de diversas cores podem ser misturados e produzidos na cor preta pela adição de corante preto que se sobrepõe às demais cores Contudo as propriedades do polímero tendem a ser inferiores em função da quebra de ligações químicas O PVC praticamente não é reciclado em função da sua facilidade de degradação e perda de propriedades TÓPICO 3 RECICLAGEM DOS MATERIAIS 229 Os novos projetos de produtos poliméricos devem ser direcionados para projetar para reciclar PPR O projeto do produto deve contemplar o uso de materiais reciclados evitando a mistura de vários tipos de polímeros o que facilita e viabiliza outros processos de reciclagem Os processos de incineração são interessantes para muitos dos materiais poliméricos possibilitando a geração de energia Contudo a utilização de metais pesados como aditivos aos polímeros gera cinzas poluentes que podem conter além do chumbo e cádmio furanos e dioxinas 5 RECICLAGEM DOS MATERIAIS CERÂMICOS Os materiais cerâmicos são normalmente mais estáveis quimicamente que os metais e polímeros e não sofrem com processos de corrosão Por esse motivo a vida útil dos materiais cerâmicos tende a ser mais longa As cerâmicas cristalinas apresentam elevado ponto de fusão e a sua reciclagem é dificultada visto que as suas propriedades são fortemente alteradas durante o processo de fabricação o que limita o seu retorno para o processo Os materiais cerâmicos que são produzidos por aquecimento e posterior conformação tais como os vidros são mais facilmente recicláveis Existem algumas linhas de pesquisa atuantes no processo de elaboração de meios de reciclagem dos materiais cerâmicos Uma saída conveniente diz respeito ao processamento e utilização desses materiais como agregado ao concreto para construção civil Já os materiais cerâmicos inertes podem ser utilizados para drenagem do solo e dispostos em aterros UNIDADE 3 PROCESSAMENTO E SELEÇÃO 230 LEITURA COMPLEMENTAR A TECNOLOGIA DA RECICLAGEM DE POLÍMEROS Marcia Aparecida da Silva Spinacé Marcos Aurélio de Paoli Os polímeros são macromoléculas caracterizadas por seu tamanho sua estrutura química e interações intra e intermoleculares Possuem unidades químicas que são unidas por ligações covalentes que se repetem ao longo da cadeia Eles podem ser naturais como a seda a celulose as fibras de algodão etc ou sintéticos como o polipropileno PP o politereftalato de etileno PET o polietileno PE o policloreto de vinila PVC etc Apesar da existência de uma grande variedade de termoplásticos apenas cinco deles ou seja o PE o PP o PS o PVC e o PET representam cerca de 90 do consumo nacional De modo geral as indústrias que estão mais interessadas em reciclar seus resíduos poliméricos são dos segmentos de embalagens e automotivo A energia gasta para o transporte é consideravelmente reduzida ao substituir embalagens de vidro por polímero Por exemplo um caminhão carregado de água mineral engarrafada em vidro está na verdade transportando 57 em massa mm de água e 43 mm de vidro Em 2000 no Brasil cerca de 15 e 26 dos produtos foram embalados por termoplásticos rígidos e flexíveis respectivamente Nos EUA estes valores foram de 21 e 9 Dentre os polímeros reciclados o PET destacase pelo alto índice de reciclagem atingido em um curto período de existência No início dos anos 80 os EUA e o Canadá reciclavam o PET para fazer enchimento de almofadas posteriormente com a melhora na qualidade do PET reciclado surgiram aplicações importantes como tecidos e recipientes para produtos não alimentícios Na década de 90 o governo americano autorizou o uso do material reciclado em embalagens multicamadas para alimentos onde o material reciclado não tem contato com o alimento pois fica na camada intermediária Atualmente nos EUA e em alguns países da Europa é permitida a utilização de PET reciclado para a confecção de embalagens monocamadas que têm contato direto com alimentos Para este fim foram desenvolvidas tecnologias conhecidas como bottletobottle que envolvem etapas de lavagem descontaminação cristalização póscondensação no estado sólido e extrusão do PET No Brasil de acordo com a Portaria nº 987 de 1998 da Secretaria de Vigilância Sanitária do Ministério da Saúde apenas é possível a utilização de PET pósconsumo em embalagens multicamadas destinadas ao acondicionamento de bebidas carbonatadas não alcoólicas Portanto os artefatos fabricados de polímeros reciclados têm limitações de aplicação ou seja não podem ser utilizados em contato com bebidas remédios alimentos brinquedos e material TÓPICO 3 RECICLAGEM DOS MATERIAIS 231 de uso hospitalar pois dependendo do uso anterior ele pode estar contaminado Então o PET reciclado é utilizado como fibra têxtil 41 mantas de não tecido 16 cordas 15 resinas insaturadas 10 embalagens 9 cerdas de vassouras e escovas 5 e de outros produtos 4 A reciclagem de polímeros pode ser classificada em quatro categorias primária secundária terciária e quaternária Reciclagem primária consiste na conversão dos resíduos poliméricos industriais por métodos de processamento padrão em produtos com características equivalentes àquelas dos produtos originais produzidos com polímeros virgens por exemplo aparas que são novamente introduzidas no processamento Reciclagem secundária conversão dos resíduos poliméricos provenientes dos resíduos sólidos urbanos por um processo ou uma combinação de processos em produtos que tenham menor exigência do que o produto obtido com polímero virgem por exemplo reciclagem de embalagens de PP para obtenção de sacos de lixo Reciclagem terciária processo tecnológico de produção de insumos químicos ou combustíveis a partir de resíduos poliméricos Reciclagem quaternária processo tecnológico de recuperação de energia de resíduos poliméricos por incineração controlada A reciclagem primária e a secundária são conhecidas como reciclagem mecânica ou física o que diferencia uma da outra é que na primária utilizase polímero pósindustrial e na secundária pósconsumo A reciclagem terciária também é chamada de química e a quaternária de energética De modo geral as empresas de reciclagem de polímeros fazem a separação por diferença de densidade A separação automatizada baseada na diferença de densidade é muito utilizada para o PE o PP o PS o PVC e o PET e é realizada em tanques de flotação ou hidrociclones Quando dois polímeros apresentam densidades próximas este procedimento tornase mais difícil O material metálico é retirado por separação eletrostática Um exemplo da importância da etapa de separação é o caso do PET que sofre hidrólise devido à presença de impurezas como o PVC NaOH detergentes alcalinos adesivos como EVA etc A hidrólise do PET é um processo autocatalítico onde os grupos hidroxílicos terminais reagem formando grupos carboxílicos que aceleram a hidrólise resultando em pontos pretos no produto transparente A contaminação acima de 50 ppm de PVC torna o PET fora de especificação para a fabricação de filmes Algumas tecnologias alternativas têm sido desenvolvidas para detectar o cloro do PVC por fluorescência de raiosX a fim de separálo previamente UNIDADE 3 PROCESSAMENTO E SELEÇÃO 232 Apesar de apenas os termoplásticos serem considerados recicláveis por métodos mecânicos também é possível a reciclagem de termofixos e elastômeros Os termofixos podem ser usados como carga de reforço ou incorporados para confecção de outros termofixos Os elastômeros reticulados podem ser incorporados na matriz de elastômero virgem ou pósconsumo desvulcanizados e misturados com termoplásticos ou no caso específico de luvas de látex podem ser descontaminados processados por mastigação e misturados em cilindros sendo produzida uma manta que posteriormente pode ser utilizada como matériaprima para as mesmas aplicações da borracha natural Se o reúso do resíduo polimérico não é prático ou econômico é possível fazer uso de seu conteúdo energético através da incineração No Japão os resíduos sólidos urbanos são préseparados em materiais combustíveis e não combustíveis para serem incinerados Neste país em 1993 cerca de 50 dos resíduos sólidos urbanos contendo 67 de resíduos poliméricos foram incinerados em dois mil incineradores municipais O conteúdo de energia dos polímeros é alto e muito maior que de outros materiais O valor calórico de 1 kg de resíduo polimérico é comparável ao de 1 L de óleo combustível e maior que o do carvão Os resíduos poliméricos contidos no resíduo sólido urbano contribuem com 30 deste valor calórico permitindo a produção de eletricidade vapor ou calor Do ponto de vista econômico a reciclagem de polímeros não é considerada uma atividade com alto retorno financeiro principalmente devido ao custo da coleta seletiva que pode ser até cerca de oito vezes maior que a convencional Além disto no Brasil o resíduo polimérico pósconsumo é taxado em 15 de IPI para o PET e 5 para os demais polímeros segundo o Decreto n 4544 e tabela do IPI Decreto n 4542 ambos de 26122008 A redução na tributação irá incentivar a atividade de reciclagem criando mais empregos e gerando riquezas É crescente o interesse na reciclagem do PET entretanto as embalagens de PET recicladas não rendem muito aos recicladores e muitas empresas já faliram também aqui no Brasil pois a maioria dos interessados em reciclar quer iniciar pelo PET Este interesse pelas embalagens de PET vem da sua visibilidade nas calçadas nos lixões aterros e rios Aparentemente disponíveis as embalagens de PET têm como principal destino o lixão Outros polímeros como o PE o PP e o OS têm demanda e oferta bem superior além de necessitarem investimentos menores A coleta seletiva é importante para a solução deste problema e sem ela a reciclagem vai continuar deficiente Através de entrevistas nos EUA foi constatado que o consumidor se mostra interessado em reciclar e até apoia iniciativas nesta área Na prática porém ele não quer pagar mais pelos produtos reciclados Foi verificado também que tanto o consumidor quanto o fabricante estão dispostos a pagar um pouco mais de 10 a 15 por embalagens ecologicamente responsáveis mas este preço adicional ainda é insuficiente Algumas medidas já foram tomadas tanto por parte dos fornecedores de material como dos fabricantes para diminuição da quantidade de material paredes mais finas redução de tamanho que resultaram em benefícios financeiros TÓPICO 3 RECICLAGEM DOS MATERIAIS 233 Outro aspecto que vem sendo bastante discutido é a avaliação do ciclo de vida Esta é feita a partir da definição técnica do processo envolvido para transformar matériasprimas e produtos Nas diferentes unidades dessa cadeia de produção e consumo são levantados dados quantitativos sobre aspectos ambientais importantes tais como emissões consumo de recursos consumo de energia e geração de resíduos Uma característica marcante da avaliação do ciclo de vida é o fato de ser a única ferramenta de gestão ambiental aplicada do berço ao túmulo dos sistemas de produção Ela permite identificar os aspectos ambientais em todos os elos da cadeia produtiva e consumo desde a exploração das matériasprimas brutas até o uso final passando pelo transporte embalagem reciclagem e destino final dos resíduos No mercado existem casos clássicos sobre ciclo de vida de produtos Os mais visíveis provavelmente são aplicados a embalagens Em 2001 foi realizado um estudo sobre a reciclagem de embalagens de PET no Brasil segundo a metodologia da análise de ciclo de vida Concluiuse que quanto maior o índice de reciclagem maior é a redução dos resíduos sólidos dos níveis de emissão para o ar e a água e do consumo de energia água petróleo e gás natural Também foi realizado um estudo de análise de ciclo de vida de embalagens recicladas de PET e PE na Itália em 2001 Os resultados mostraram que para a produção de 1kg de flakes de PET reciclado são consumidos 4255 MJ de energia enquanto que para o polímero virgem são necessários mais que 77 MJ No caso do PE para o polímero reciclado são necessários 4049 MJ e para o polímero virgem cerca de 80 MJ de energia Para estes cálculos assumiuse que para o uso final não importava se o polímero era virgem ou reciclado Para se garantir o sucesso da reciclagem de polímeros são necessárias quatro condições básicas 1 contínuo fornecimento de material bruto para uma organização adequada de coleta separação e esquemas de prétratamento 2 tecnologia de conversão adequada 3 mercado para o produto reciclado e 4 viabilidade econômica No entanto o abastecimento de materiais recicláveis tem crescido muito mais rápido que a capacidade de convertêlos em produtos usáveis e o preço destes materiais tem flutuado bastante tornando difícil o planejamento de um sistema completo FONTE SPINACÉ M A S PAOLI M A A TECNOLOGIA DA RECICLAGEM DE POLÍMEROS Disponível em httpwwwscielobrpdf0Dqnv28n123041pdf Acesso em 7 maio 2012 234 RESUMO DO TÓPICO 3 Neste tópico estudamos alguns aspectos relacionados à reciclagem dos materiais A seguir apresentamos um resumo dos principais pontos abordados Os resíduos sólidos são classificados em perigosos classe I e não perigosos classe II e podem ser inertes ou não inertes A reciclagem de materiais metálicos é normalmente realizada através do processo de fundição Os polímeros são classificados de acordo com o tipo através de símbolos padronizados A reciclagem dos polímeros apresenta dificuldades que se relacionam com a variedade mistura de polímeros e aditivos utilizados A reciclagem de materiais cerâmicos cristalinos é dificultada pela alteração das suas propriedades pelo processo de queima 235 AUTOATIVIDADE Caroa acadêmicoa para melhor fixar o conteúdo da unidade sugerimos que desenvolva as seguintes atividades 1 Cite três características dos polímeros que contribuem de forma negativa para o processo de reciclagem 2 Determine um fluxograma incluindo as etapas do processo de uma empresa que produz artefatos de alumínio a partir de latas de alumínio descartadas 3 Por que a reciclagem dos vidros é mais simples do que a reciclagem das cerâmicas cristalinas 237 REFERÊNCIAS CALLISTER WD Ciência e Engenharia de Materiais Uma Introdução Rio de Janeiro LTC 2002 CALLISTER WD Materials Science and Engineering An Introduction USA John Wiley Sons 2007 975p LABMAT Análise e ensaios aplicados em produtos fundidos Disponível em httpwwwlabmatcombrdocsworkshopRonaldpdf Acesso em 6 abr 2012 NEWELL J Fundamentos da Moderna Engenharia e Ciência dos Materiais São Paulo LTC 2010 SENAI MARIO AMATO Ferramenteiro de moldes para plásticos São Paulo SENAI SP NTP Núcleo de Tecnologia do Plástico 2001 apostila SILVA JR Silvério Ferreira da MARQUES Paulo Villani Ensaios Não Destrutivos Disponível em httpwwwdemecufmgbrsitecursosarquivos168pdf Acesso em 7 abr 2012 TEIXEIRA Rejane M Ribeiro Lei de Bragg e Difração Como ondas podem revelar a estrutura atômica de cristais Disponível em httpwwwifufrgsbrtexfis01101 homehtml Acesso em 6 abr 2012 VLACK V Princípios de Ciência dos Materiais São Paulo Edgard Blucher 2000 238 ANOTAÇÕES 239