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Tecnologia e ensaio de materiais

Avaliado pelo Comitê Técnico de Tecnologia dos Materiais/2007.

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Classificação e características de materiais

Objetivos Ao final desta unidade o participante deverá: Conhecer Estar informado sobre: • Classificação dos materiais naturais, artificiais, ferrosos e não-ferrosos; • Propriedades dos materiais. Saber Reproduzir conhecimentos sobre: • Estrutura dos metais; • Formação da estrutura na solidificação; • Componentes da estrutura: átomo, cristais, grão, contorno do grão; • Propriedades físicas dos metais. Introdução Quando da confecção de um determinado produto, deve-se, como um dos fatores prioritários, selecionar o material adequado que o constituirá. Para tanto, o material deve ser avaliado sob dois aspectos: suas qualidades mecânicas e seu custo.


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Classificação de materiais Apresentamos a seguir uma classificação dos materiais mais comumente utilizados, tendo cada um sua importância e emprego definidos em função de suas características e propriedades.

materiais

metálicos não metálicos

ferrosos não ferrosos sintéticos naturais

aço

FoFo

pesa

dos

leve

s

plás

ticos

resi

nóid

es

mad

eira

mou

roet

c. Conhecidas as classes dos materiais passemos agora a especificá-los por grupos e emprego a que se destinam, pois todos os materiais possuem características próprias que devemos conhecer para podermos empregá-los mais adequadamente. Materiais metálicos Ao estudarmos a classe dos materiais metálicos podemos dividi-los em dois grupos distintos: os ferrosos e os não-ferrosos. Materiais metálicos ferrosos Desde sua descoberta os materiais ferrosos tornaram-se de grande importância na construção mecânica. Os materiais ferrosos mais importantes são: • Aço – liga de Fe e C com C < 2% - material tenaz, de excelentes propriedades, de

fácil trabalho, podendo também ser forjável. • Ferro fundido – liga de Fe e C com 2 < C < 5% - material amplamente empregado

na construção mecânica, e que, mesmo não possuindo a resistência do aço, pode substituí-lo em diversas aplicações, muitas vezes com grande vantagem.


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Como esses materiais são fáceis de serem trabalhados, com eles é construída a maior parte de máquinas, ferramentas, estruturas, bem como instalações que necessitam materiais de grande resistência. Materiais metálicos não-ferrosos São todos os demais materiais metálicos empregados na construção mecânica. Possuem empregos os mais diversos, pois podem substituir os materiais ferrosos em várias aplicações e nem sempre podem ser substituídos pelos ferrosos. Esses materiais são geralmente utilizados isoladamente ou em forma de ligas metálicas, algumas delas amplamente utilizadas na construção de máquinas e equipamentos. Podemos dividir os não-ferrosos em dois tipos em função da densidade: • Metais pesados (ρ > 5kg/dm3) cobre, estanho, zinco, chumbo, platina, etc. • Metais leves (ρ < 5kg/dm3) alumínio, magnésio, titânio, etc. Normalmente, os não-ferrosos são materiais caros, logo não devemos utilizá-los em componentes que possam ser substituídos por materiais ferrosos. Esses materiais são amplamente utilizados em peças sujeitas a oxidação, dada a sua resistência, sendo muito utilizados em tratamentos galvânicos superficiais de materiais. São também bastante utilizados em componentes elétricos. Nos últimos anos, a importância dos metais leves e suas ligas têm aumentado consideravelmente, principalmente na construção de veículos, nas construções aeronáuticas e navais, bem como na mecânica de precisão, pois têm-se conseguido ligas metálicas de alta resistência e de menor peso e, com isto, tende-se a trocar o aço e o ferro fundido por esses metais. Materiais não-metálicos Existem numerosos materiais não-metálicos que podem ser divididos em: • Naturais – madeira, couro, fibras, etc. • Artificiais ou sintéticos – baquelite, celulóide, acrílico, etc. Os materiais plásticos estão sendo empregados em um número cada vez maior de casos como substitutos de metais.


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Daí a necessidade de conhecermos um pouco mais esses materiais que vêm-se tornando uma presença constante nos campos técnico, científico, doméstico, etc. Deles nos ocuparemos um pouco mais na unidade Materiais plásticos. Estrutura cristalina dos metais A maioria dos metais ao se solidificar experimenta uma contração de volume, o que indica uma menor separação entre os átomos no estado sólido. Nesse estado, os átomos animados de pequena energia cinética não conseguem deslizar livremente uns em relação aos outros. No estado sólido, os átomos não estão em repouso, mas vibram em torno de determinadas posições de equilíbrio assumidas espontaneamente por eles ao se solidificarem.

Arranjo dos átomos Essas posições não são assumidas ao acaso, pelo contrário, apresentam uma ordenação geométrica especial característica, que é uma função da natureza do metal. Essa disposição ordenada, característica dos metais sólidos e de outros materiais não-metálicos, denomina-se estrutura cristalina.


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Tipos de estruturas cristalinas Dentre as estruturas destacamos três tipos: 1) Rede cúbica de faces centradas

Metais: Ni, Cu, Pb, Al e tipo de ferro que se chama ferro γ.

2) Rede cúbica de corpo centrado

Metais: V, Cr, Mo, W e tipo de ferro que se chama ferro α.

3) Hexagonal compacta

Metais: Mg, Zn, Cd, Ti. - A dimensão da rede varia de tipo para tipo.

A transformação mecânica dos metais (tais como laminação, dobramento, estampagem) depende do tipo da estrutura cristalina. Nas estruturas do tipo (1) a transformação ocorre facilmente, enquanto na estrutura (3) a transformação é mais difícil de ser verificada. No processo de dobramento de metais que possuem o tipo (3) – exemplo: Mg e Zn, a peça pode quebrar mais facilmente do que nos metais que possuem estrutura do tipo (1) – exemplo: aço ou Al.


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Formação da estrutura na solidificação A estrutura cristalina, formada na solidificação através do resfriamento, irá definir a estrutura do material, os seus constituintes e propriedades. No estado líquido os átomos metálicos se movem livremente. Com a queda da temperatura, diminui a energia de movimento dos átomos e passa a predominar a força de atração entre eles. Por isto os átomos vão se unindo uns aos outros, em determinadas posições, formando os cristais (embriões). Essa formação é orientada segundo direções preferenciais, denominadas eixo de cristalização. À medida que esses cristais crescem em direções definidas, encontram-se e estabelecem uma superfície de contato que chamamos de limite ou contorno de grãos. Observe a seguir o processo de formação da estrutura cristalina na solidificação.

O tamanho do grão na estrutura do metal varia de acordo com o número de embriões formados e com o tipo de metal. Num mesmo metal podem-se formar grãos pequenos ou grandes, se modificarmos o tempo de solidificação (velocidade de resfriamento e pressão). Se diminuirmos o tempo de solidificação, teremos uma estrutura formada por maior número de grãos (estrutura fina). Caso contrário, ocorre o inverso (estrutura grossa). As estruturas de grãos muito grandes possuem baixa resistência à tração.


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A figura ao lado apresenta no diagrama de solidificação como se processa a formação dos metais durante o resfriamento.

Diagrama de solidificação

Propriedades dos materiais Na construção de peças e componentes, devemos observar se os materiais empregados possuem as diversas propriedades físicas e mecânicas que lhe serão exigidas pelas condições e solicitações do trabalho a que se destinam. A seguir mostraremos algumas dessas propriedades. Elasticidade Uma mola deve ser elástica. Por ação de uma força, deve se deformar e, quando cessada a força, deve voltar à posição inicial.


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Para comprovarmos a elasticidade do aço para molas, prendemos a mola na morsa por um lado e a estiramos pelo outro lado até que se estique. Quando a soltamos, se a mola voltar à posição inicial é porque o aço possui boa elasticidade. Fragilidade Materiais muito duros tendem a se quebrar com facilidade, não suportando choques, enquanto que os materiais menos duros resistem melhor aos choques. Assim, os materiais que possuem baixa resistência aos choques são chamados frágeis. Exemplos: FoFo, vidro, etc. Ductilidade Pode-se dizer que a ductilidade é o oposto da fragilidade. São dúcteis os materiais que por ação de força se deformam plasticamente, conservando a sua coesão, por exemplo: cobre, alumínio, aço com baixo teor de carbono, etc. Na figura seguinte temos um fio de cobre de 300mm de comprimento. Se puxarmos este fio, ele se esticará até um comprimento de 400 a 450mm sem se romper porque uma das qualidades do cobre é ser dúctil.

Ductilidade Tenacidade Se um material é resistente e possui boas características de alongamento para suportar um esforço considerável de torção, tração ou flexão, sem romper-se, é chamado tenaz.


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A chave da figura seguinte pode ser tracionada e flexionada sem romper-se facilmente porque é de um material tenaz.

Tenacidade Dureza As ferramentas devem ser duras para que não se desgastem e possam penetrar em um material menos duro. A dureza é, portanto, a resistência que um material oferece à penetração de outro corpo.

Resistência Resistência de um material é a sua oposição à mudança de forma e ao cisalhamento. As forças externas podem exercer sobre o material cargas de tração, compressão, flexão, cisalhamento, torção ou flambagem.

Flexão Cisalhamento


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Torção Tração

Flambagem Compressão Toda força externa gera no material tensões de acordo com o tipo de solicitação. Elasticidade e plasticidade São propriedades de mudança de forma. Denominamos deformação elástica à deformação não permanente e deformação plástica à deformação permanente. Densidade A densidade de um material está relacionada com o grau de compactação da matéria. Fisicamente, a densidade (ρ) é definida pela massa (M) dividida pelo volume (V).

ρ = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡3dm Kg

V M

Exemplo: o cobre tem maior densidade que o aço: ρ Cu = 8,93kg/dm3

ρAço = 7,8kg/dm3


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Questionário – resumo 1. Quais os materiais metálicos ferrosos mais importantes?

2. Como são classificados os materiais metálicos não-ferrosos em função da

densidade?

3. Dê exemplos de materiais não-metálicos naturais e artificiais ou sintéticos.

4. Cite três tipos de estrutura cristalina dos metais e como elas se comportam frente à

transformação mecânica?

5. Como ocorre a formação da estrutura cristalina na solidificação?

6. Comente as seguintes propriedades dos materiais: densidade, resistência,

fragilidade, ductilidade, tenacidade, elasticidade e dureza.


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Créditos

Comitê Técnico de Tecnologia dos Materiais/2007

Elaborador: Dirceu Della Coletta Marcos José de Morais Silva Ilustrador: Marcos Antonio Oldigueri René Aléxis Peñaloza Muñoz Gilberto Alves dos Santos

Marcelo da Silva Guerra Francisco Egidio Messias Gilberto Carlos de Lima Everley Lobo Marques Marcos Domingos Xavier Gilberto Burrent

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