PP1 - Ciencias e Tecnologia dos Materiais

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PP1 - Ciencias e Tecnologia dos Materiais

Mensagem por Admin em Qua Fev 24, 2016 3:30 pm





Segue abaixo a pp para ser entregue dia 24/02


O ESTUDO DOS MATERIAIS

1. INTRODUÇÃO

Os materiais estão intimamente ligados à existência e à evolução da espécie humana. Desde o inicio da civilização, os materiais e a energia são usados com o objetivo de melhorar o nível de vida do ser humano. Dentre os materiais mais comuns, pode-se citar: madeira, cimento, pedra, aço, plástico, vidro, borracha, alumínio, cobre e papel. Existem muitos outros tipos de materiais e, para se notar tal fato, basta observar a constituição dos objetos ao nosso redor.
A produção e transformação de materiais em bens acabados constituem uma das mais importantes atividades de uma economia moderna. Um produto, para ser manufaturado, requer uma etapa de planejamento de seu processo de produção. Nesta etapa são selecionados diversos materiais, de acordo com custos e, principalmente, com as necessidades técnicas exigidas. A elaboração dessa etapa exige que o responsável pela mesma tenha noção das estruturas internas dos materiais, pois o conhecimento das mesmas, aos níveis submicroscópicos, permite prever o comportamento do material em serviço, bem como possibilita programar e controlar suas propriedades e características.
Os materiais são analisados e desenvolvidos dentro do ramo do conhecimento denominado de "Ciência e Engenharia de Materiais", o qual tem como meta principal a geração e emprego de conceitos envolvendo composição química, arranjo atômico e processamento dos materiais com suas características e empregos.
A ciência dos materiais está associada à geração de conhecimento básico sobre a estrutura interna, propriedades e processamento de materiais. Ela ainda tem como objetivo, compreender a natureza dos materiais, estabelecendo conceitos e teorias que permitam relacionar a estrutura dos materiais com suas propriedades e comportamento. A engenharia dos materiais está principalmente ligada ao emprego de conceitos fundamentais e empíricos dos materiais, na conversão dos mesmos em produtos finais.

2. CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Por conveniência, a maioria dos materiais de engenharia é classificada em três classes principais, quais sejam: materiais metálicos, materiais poliméricos (plásticos) e materiais cerâmicos. Em adição a estes três tipos, um estudo mais abrangente deve incluir outra classe, que exibe, atualmente, grande importância tecnológica: os materiais compósitos ou conjugados.

2.1. MATERIAIS METÁLICOS
Os materiais metálicos são substâncias inorgânicas compostas por um ou mais elementos metálicos e podem, também, conter elementos não-metálicos. Exemplos de  materiais metálicos: aço, cobre, alumínio, níquel e titânio. Elementos não-metálicos como carbono, nitrogênio e oxigênio podem estar contidos em materiais metálicos. Os metais têm uma estrutura cristalina, na qual os átomos estão arranjados de maneira ordenada. Eles, em geral, são bons condutores térmicos e elétricos. Quase todos os metais são mecanicamente resistentes, dúcteis e muitos mantém esta resistência mesmo em altas temperaturas.

2.2. MATERIAIS POLIMÉRICOS (PLÁSTICOS)
A maioria dos materiais poliméricos consiste de cadeias moleculares orgânicas (carbono) de longa extensão. Estruturalmente, a maioria destes materiais não é cristalina, porém alguns exibem uma mistura de regiões cristalinas e não-cristalinas. A resistência mecânica e ductilidade dos materiais poliméricos variam enormemente. Devido à natureza da estrutura interna, a maioria dos plásticos conduz eletricidade e calor de maneira extremamente precária. Isto permite que os mesmos sejam freqüentemente utilizados como isolantes, tendo grande importância na confecção de dispositivos e equipamentos eletrônicos. Em geral, os materiais poliméricos têm baixo peso específico e apresentam temperaturas de decomposição relativamente baixas.

2.3: MATERIAIS CERÂMICOS
Os cerâmicos são materiais inorgânicos constituídos por elementos metálicos e não-metálicos unidos por meio de ligações químicas. Estes materiais podem ser cristalinos, não-cristalinos ou uma mistura de ambos, A maioria dos cerâmicos apresenta alta dureza e elevada resistência mecânica, mesmo em altas temperaturas. Entretanto, tais materiais são, normalmente, bastante frágeis. Uma gama bastante ampla de novos materiais cerâmicos está sendo desenvolvida, tendo como objetivo diversas aplicações, como é o caso de peças para motores de combustão interna. Neste caso, estes materiais têm a vantagem do baixo peso, resistência e dureza elevadas, ótima resistência ao calor e propriedades isolantes.
O fato de ser um bom isolante térmico, bem como ser resistente ao calor, permite que os materiais cerâmicos tenham importante papel na construção de fornos usados na indústria metalúrgica. Uma aplicação recente, que retrata com fidelidade o potencial dos materiais cerâmicos, é o uso dos mesmos na construção do ônibus espacial americano. A estrutura deste veículo é de alumínio é revestida por milhares de pastilhas cerâmicas. Estas pastilhas dão proteção térmica ao ônibus durante a subida e por ocasião da reentrada do mesmo na atmosfera.

2.4 COMPÓSITOS
Os materiais compósitos ou conjugados são combinações de dois ou mais materiais. A maioria destes materiais consiste de um elemento de reforço envolvido por uma matriz, constituída de resina colante, com o objetivo de obter características específicas e propriedades desejadas. Geralmente, os componentes não se dissolvem um no outro e podem ser identificados, fisicamente, por uma interface entre os mesmos, bem definida.
Os materiais compósitos podem ser de vários tipos e os mais comuns são os fibrosos (fibras envolvidas por uma matriz) e os particulados (partículas envolvidas por uma matriz). Existe uma infinidade de tipos de elementos de reforços, bem como matrizes usadas industrialmente. Dois tipos notáveis de materiais compósitos, usados intensamente na indústria são: fibra de vidro em matriz de epóxi e fibra de carbono também em matriz de epóxi. Um exemplo bastante familiar de material compósito é o concreto armado que, nada mais é, que uma matriz de concreto (cimento, areia e pedra) envolvendo o elemento de reforço, representado por barras de aço. A Figura 1 mostra o uso de materiais conjugados na indústria aeronáutica. Na Tabela 1 são comparadas algumas propriedades dos materiais metálicos, cerâmicos e poliméricos.

3.0. SUBSTITUIÇÃO E COMPETIÇÃO DE MATERIAIS
A competição entre diferentes tipos de materiais é um processo contínuo que ocorre desde os primórdios da civilização, à medida que, em função de suas necessidades, o homem iniciou a transformação de materiais em ferramentas e utensílios.

Figura 1: Emprego dos materiais compósitos na Indústria aeronáutica (Embraer EMB 145 – partes escuras são compósitos).



Tabela 1: Constituição e características dos materiais metálicos, cerâmicos e poliméricos.

Em um sistema de produção/consumo, muitos fatores e aspectos são constantemente alterados. Isto provoca a contínua busca pela reposição de materiais tendo como objetivo o menor custo de produção, bem como o aumento da eficiência do produto final. Tomando-se o mercado americano como exemplo, a produção de seis materiais básicos revela uma situação em continua mudança ao longo deste século, conforme mostra figura 2. Nota-se que a produção de alumínio e de polímeros (em massa) teve um acréscimo notável a partir de 1930. Esta variação é muito maior ainda se o volume produzido for considerado, pois estes dois materiais exibem baixo peso especifico.





Figura 2: Produção americana de madeira, aço, cimento, plásticos, alumínio e cobre entre 1910 e 1990.

Um outro exemplo de alteração no perfil de consumo de materiais é o caso da indústria automobilística. Em 1978, um carro médio americano pesava 1.800kg e exibia 60% desse valor em ferro e aço, 10 a 20% em plásticos e 3 a 5% em alumínio. Em 1985 o carro médio americano pesava 1.400 kg, sendo que 50 a 60% desse valor em ferro e aço, 10 a 20% em plásticos e 5 a 10% em alumínio. Neste período a percentagem de aço decresceu, a quantidade de alumínio aumentou e a de plásticos continuou estável. Durante a década de 1990, o carro médio americano atingiu um peso próximo de 1.130 kg, e, deste valor, os plástico representam 30%. Na figura 3 são mostrados alguns dos materiais utilizados na fabricação de automóveis.



Figura 3. Materiais encontrados na fabricação de um automóvel moderno.

Em algumas aplicações, apenas determinados materiais apresentam os requisitos técnicos necessários e, nestes casos, quase sempre tais materiais são relativamente custosos. Por exemplo, a produção das turbinas para aviões requer o emprego de superligas á base de níquel. O custo deste material é bastante elevado e nenhum substituto de menor custo pode ser encontrado. Isto mostra que apesar do custo ser um parâmetro importante na substituição de materiais, as características técnicas podem decidir a escolha. A substituição de um material por outro é um processo contínuo pois novos materiais são constantemente descobertos, assim como novos processos são constantemente desenvolvidos.

4. ESTRUTURA E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS:
O emprego de materiais na forma de produtos acabados envolve, geralmente, etapas de processamento onde algumas de suas características podem ser significativamente alteradas, o que, normalmente, resulta em modificações na estrutura interna do material. Por exemplo, a modificação da forma geométrica de um material metálico, ou seja, a conformação plástica do mesmo acarreta em alterações no estado de tensão da estrutura atômica, bem como pode modificar a estrutura ao nível atômico. As condições encontradas durante tal processamento exercem influência decisiva no arranjo final dos átomos do material. Um exemplo típico é a produção de uma peça metálica obtida pelo processo de fundição de metais, como é o caso de um pistão de automóvel. Neste caso, um molde, geralmente metálico, com uma cavidade com a mesma forma geométrica do pistão é preenchido por um volume de metal liquido. Após a solidificação deste metal, a peça é desmoldada e a fundição do pistão é concluída. Se a velocidade de solidificação do metal líquido foi alta ou baixa, a estrutura interna do material será afetada em relação a defeitos nos arranjos atômicos e, assim, influenciando as propriedades da peça.
Concluindo, um material para ser aplicado em engenharia deve apresentar dados sobre suas características básicas e também sobre a maneira com que o mesmo foi processado até o momento de ser empregado.
Uma chapa de aço, que é, na verdade, uma liga de ferro e carbono, laminada "a frio" apresenta características distintas de outra laminada "a quente". A figura 4 relaciona estruturas, propriedades e processamento dos materiais.



Figura 4. Estruturas, propriedades e processos de modificação dos materiais.

A natureza e comportamento dos materiais em serviço estão basicamente associados aos tipos de átomos envolvidos e aos arranjos dos mesmos. Um material pode ser constituído por um ou mais tipos de elementos químicos. Entretanto, a forma com que tais elementos se arranjam no espaço determinará as características do material. A estrutura dos materiais pode ser estudada de acordo com quatro níveis: o subatómico, atomico, microscópico e macroscópico. Para se ter uma visão global das dimensões envolvidas, a figura 5 compara o tamanho de diversas estruturas, desde a muralha da China até as partículas elementares ou subatómicas.


Figura 5. Comparação entre o tamanho de diversas estruturas.

O nivel subatómico está relacionado à análise do átomo individual e o comportamento de seu núcleo, e os elétrons de suas camadas periféricas. Existe um compromisso bastante sólido entre o comportamento do átomo e suas partículas subatómicas e propriedades elétricas, térmicas e magnéticas.
O nível atómico está ligado à análise do comportamento de um átomo em relação a outro átomo, ou seja, a interaçâo entre átomos e ligações entre os mesmos e a formação de moléculas. As ligações interatõmicas dependem do comportamento do átomo ao nível subatómico. Em função do tipo e intensidade dessas ligações, um dado material, em uma determinada condição, pode apresentar-se como sólido, líquido ou gasoso.
O nível microscópico relaciona-se à análise do arranjo dos átomos ou suas moléculas no espaço. Um arranjo atômico pode resultar em três tipos estruturais:
 Arranjo Cristalino
 Arranjo Molecular
 Arranjo Amorfo.

O arranjo estrutural apresentado por um material influencia diretamente as propriedades e características do mesmo. O nível microscópico relaciona-se as características e propriedades dos materiais em serviço, que estão diretamente ligadas a natureza do comportamento atômico dos três níveis anteriores e a maneira com que o material foi processado.



EXERCICIOS:
1: Quais são as principais classes dos materiais em engenharia? De um exemplo de cada classe que você pode encontrar na sua casa. Quais são as aplicações dos materiais escolhidos?

2: Defina o que são materiais conjugados ou compósitos. Busque um exemplo de aplicação desta classe de materiais.

3: Atualmente diversos componentes de motores de combustão interna são confeccionados a partir de materiais cerâmicos. Qual a principal vantagem do emprego destes materiais neste caso?

4: Considere um automóvel moderno. Cheque em uma concessionária os materiais não tradicionais envolvidos na construção do mesmo. Qual a vantagem desta utilização? Compare esses novos materiais e suas utilizações com os materiais utilizados em carros antigos com a mesma finalidade.

5: Faça uma pesquisa envolvendo a diferença de classes de materiais utilizados em carros populares e em uma Ferrari.

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