MATERIAIS DE ENGENHARIA:
(METAIS, POLÍMEROS, CERÂMICOS, BIOMATERIAIS E COMPÓSITOS)
JOÃO PAULO P. NASCIMENTO
LUCIANA APOLINÁRIO DIAS
RIO DE JANEIRO
ABRIL- 2011
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Ciências do material, Notas de estudo de Engenharia de Materiais
Transmitir os conhecimentos teóricos fundamentados na Ciência dos materiais, gerando informações básicas sobre a estrutura interna, propriedades e processamento de materiais.
Tipologia: Notas de estudo
2011
1 / 30
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MATERIAIS DE ENGENHARIA:
(METAIS, POLÍMEROS, CERÂMICOS, BIOMATERIAIS E COMPÓSITOS)
JOÃO PAULO P. NASCIMENTO
LUCIANA APOLINÁRIO DIAS
RIO DE JANEIRO
ABRIL- 2011
JOÃO PAULO P. NASCIMENTO
LUCIANA APOLINÁRIO DIAS
MATERIAIS DE ENGENHARIA:
(METAIS, POLÍMEROS, CERÂMICOS, BIOMATERIAIS E COMPÓSITOS)
Trabalho apresentado ao Professor Márcio Marques da disciplina Resistência de Materiais da turma PET 0601M, turno da Manhã do curso de Engenharia de Petróleo.
Centro Universitário Augusto Motta Rio de janeiro – ABRIL / 2011
- 1- INTRODUÇÃO
- 2- MATERIAIS DE ENGENHARIA
- 2.1– CONCEITO
- 3.i- METAIS
- 3.i.a- APLICAÇÕES
- 3.i.b- PROPRIEDADES FÍSICAS / QUÍMICAS DOS METAIS
- 3.i.c- OXIDAÇÃO
- ii - POLÍMEROS
- ii. a - APLICAÇÕES
- ii. b - PROPRIEDADES FÍSICAS
- ii. c - PROCESSOS DE DEGRADAÇÃO E OXIDAÇÃO
- 5.1. iii. - CERÂMICA
- 5.1. iii. a - APLICAÇÕES DA CERÂMICA
- 5.2.iii. - CERÂMICAS AVANÇADAS
- iii. b - DEGRADAÇÃO DE MATERIAIS CERÂMICOS
- iv – BIOMATERIAIS
- iv. a - APLICAÇÕES DE BIOMATERIAIS
- iv. b - PROPRIEDADES FÍSICO/QUÍMICA DOS BIOMATERIAIS
- iv. c - PROCESSOS DE DEGRADAÇÃO
- vi – COMPÓSITOS
- vi. a - APLICAÇÃO DOS COMPÓSITOS
- vi. b - PROPRIEDADES FISICO/QUÍMICA DOS COMPÓSITOS
- COMPÓSITOS 7. vi. c - PROCESSOS DE DEGRADAÇÃO E OXIDAÇÃO DOS MATERIAIS
- 8 – CONCLUSÃO
- 9 – BIBLIOGRAFIA
- Figura 1- Peças de metal LISTA DE FIGURAS
- últimos dois milênios. Tabela 1 – Evolução do número cumulativo de elementos químicos descobertos nos
- Figura 2 – Materiais de polímeros
- Figura 3 – Estrutura dos polímeros
- Figura 4 – Materiais de polímeros
- Figura 5- Estrutura ilustrada dos polímeros
- Tabela 2 – Polímeros de adição 13,
- Tabela 3 – Copolímeros de Adição
- Tabela 4 – Polímeros de Condensação
- Tabela 5 – Copolímeros de Condensação
- Figura 6 - Figura com vários tipos de ferramentas de corte
- Figura 7 – Figura de pistões e camisas
- Figura 8 – Figura de Turbina a gás.
- Tabela 6 – Classificações dos Cerâmicos
- Figura 9 – Biocerâmica
- Figura 10 – Instrumentos odontológicos
- Figura 11 - Fibra de carbono
1- INTRODUÇÃO
Esse trabalho tem como objetivo transmitir os conhecimentos teóricos fundamentados na Ciência dos materiais, gerando informações básicas sobre a estrutura interna, propriedades e processamento de materiais. Ela tem ainda como objetivo compreender a natureza dos materiais, estabelecendo conceitos e teorias que permitam relacionar a estrutura dos materiais com suas propriedades e comportamento.
A produção e transformação de materiais em bens acabados, constituem umas das mais importantes atividades de uma economia moderna. Essas etapas exigem 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, possibilitando programar e controlar suas propriedades e características. Os materiais estão intimamente ligados à existência e à evolução da espécie humana. Dentre os materiais mais comuns, iremos citar: metais, cerâmicos, polímeros, compósitos e biomateriais.
3.i- METAIS
Metal é genericamente, toda substância mineral que se apresenta em estado sólido à temperatura ambiente — com a única exceção do mercúrio — e que se caracteriza por brilho característico, opacidade, dureza, ductibilidade (que permite que o material seja esticado em arames finos) e maleabilidade (que possibilita sua redução a lâminas delgadas).
Figura 1
Incluem-se nessa definição tanto os metais propriamente ditos (ouro, prata, ferro, etc.), como algumas ligas (bronze e latão, por exemplo). Outras propriedades físicas que caracterizam o metal são sua elevada densidade, boa fusibilidade e, principalmente, os altos coeficientes de condutividade térmica e elétrica. Do ponto de vista químico, metal é todo elemento eletropositivo, ou seja, aquele cujos átomos formam íons positivos em solução. Os metais constituem cerca de 75% do sistema periódico dos elementos. Possuem, em seu nível mais externo, denominado nível de valência, no máximo três elétrons, excetuados o estanho e o chumbo (que possuem quatro elétrons) e o bismuto e o antimônio (cinco elétrons).
O metal é profundamente afetado pela presença de quantidades relativamente pequenas de outros elementos. Exemplo disso é a liga denominada aço, cujas importantes características se devem à pequena quantidade de carbono (aproximadamente 0,5% desse elemento) adicionada ao ferro. Apenas alguns metais, como o ouro, a prata, o cobre, a platina e o bismuto ocorrem na natureza em sua forma elementar. Quase sempre os metais são encontrados em forma de óxidos ou sulfetos, nos minerais que contêm quantidades variáveis de impureza (ganga), como argila, granito e sílica, de que os compostos metálicos devem ser separados.
3.i.a- APLICAÇÕES
Apesar da grande variedade de metais existentes, a maioria não é empregada em estado puro, mas em ligas com propriedades alteradas em relação ao material inicial, o que visa, entre outras coisas, a reduzir os custos de produção. As indústrias automobilística, aeronáutica, naval, bélica e de construção civil são as principais responsáveis pelo consumo de metal em grande escala. São também representativos os setores de eletrônica e comunicações, cujo consumo de metal, apesar de quantitativamente inferior, tem importância capital para a economia contemporânea. Podem ser aplicadas:
Condução de eletricidade: fiação elétrica; Estruturas: construção civil, pontes, pavilhões industriais, etc.; Automóveis: corpo, chassis, molas, bloco do motor, etc.; Aeroplanos: componentes do motor, fuselagem, conjuntos de trem de pouso, etc.; Trens: trilhos, componentes do motor, corpo, rodas; Máquinas e ferramenta: brocas, martelos, chaves-de-fenda, lâminas de serra, etc.; Materiais com memória de forma: próteses dentárias corretoras de mau posicionamento; Magnetos;
Catalisadores.
3.i.c- OXIDAÇÃO
A maioria dos metais tende a se oxidar quanto expostos ao ar, especialmente em ambientes úmidos. Entre os vários procedimentos empregados para evitar ou retardar a corrosão, os mais comuns são a aplicação de pinturas protetoras, a formação de ligas com outros elementos que reduzam ou eliminem tal propensão e a conexão a pólos elétricos que impeçam a ocorrência do fenômeno. É interessante o caso do alumínio, que, em presença do oxigênio, forma uma delgada película de óxido que detém a oxidação.
Tabela 1 - Evolução do número cumulativo de elementos químicos descobertos nos últimos dois milênios
4. ii - POLÍMEROS
Materiais poliméricos são geralmente compostos orgânicos baseados em carbono, hidrogênio e outros elementos não-metálicos. São constituídos de moléculas muito grandes (macro-moléculas). Tipicamente, esses materiais apresentam baixa densidade e podem ser extremamente flexíveis. Materiais poliméricos incluem plásticos e borrachas.
Figura 2 Figura 3
Figura 4 Figura 5
4.ii.a- APLICAÇÕES
PC - Policarbonato:
Aplicações: Cd´s, garrafas, recipientes para filtros, componentes de interiores de aviões, coberturas translúcidas, divisórias, vitrines, etc.
PU – Poliuretano
Aplicações: Esquadrias, chapas, revestimentos, molduras, filmes, estofamento de automóveis, em móveis, isolamento térmico em roupas impermeáveis, isolamento em refrigeradores industriais e domésticos, polias e correias.
PVC - Policloreto de vinila ou cloreto de polivinila
Aplicações: Telhas translúcidas, portas sanfonadas, divisórias, persianas, perfis, tubos e conexões para água, esgoto e ventilação, esquadrias, molduras para teto e parede.
PS - Poliestireno
Aplicações: Grades de ar condicionado, gaiútas de barcos (imitação de vidro), peças de máquinas e de automóveis, fabricação de gavetas de geladeira, brinquedos, isolante térmico, matéria prima do isopor.
PP - Polipropileno
Aplicações: brinquedos, recipientes para alimentos, remédios, produtos químicos, carcaças para eletrodomésticos, fibras, sacarias (ráfia), filmes orientados, tubos para cargas de canetas esferográficas, carpetes, seringas de injeção, material hospitalar esterilizável, autopeças (pára- choques, pedais, carcaças de baterias, lanternas, ventoinhas, ventiladores, peças diversas no habitáculo), peças para máquinas de lavar.
Polietileno Tereftalato (PET)
Aplicações: Embalagens para bebidas, refrigerantes, água mineral, alimentos, produtos de limpeza, condimentos; reciclado, presta-se a inúmeras finalidades: tecidos, fios, sacarias, vassouras.
Plexiglas É conhecido como vidro plástico.
Polímeros termoendureciveis (termofixos, ou de condensaçao)
Baquelite: usada em tomadas, telefones antigos e no embutimento de amostras metalográficas. Poliéster: usado em carrocerias, caixas d'água, piscinas, dentre outros, na forma de plástico reforçado (fiberglass).
Elastômeros (borrachas)
Poliisopreno - borracha semelhante à natural. Estireno-butadieno (Buna S) – é amplamente usado nos pneus do carro em que pode ser misturado com borracha natural. Aplicações: pneus, câmaras de ar, vedações, mangueiras de borracha.
POLÍMEROS DE ADIÇÃO
POLÍMERO MONÔMERO(S) APLICAÇÃO Polietileno etileno baldes, sacos de lixo, sacos de embalagens
Polipropileno propileno cadeiras, poltronas, pára de automóveis-choques
PVC cloreto de vinila vinila
tubos para encanamentos hidráulicos para
COPOLÍMEROS DE CONDENSAÇÃO
POLÍMERO MONÔMERO APLICAÇÃO
Náilon 1,6 ácido adípico-diaminoexano maquinaria em geral, tecidos,^ rodas dentadas de engrenagens, peças de cordas, escovas
Terilene ou dacron
Etilenoglicol ácido tereftálico
tecidos em geral (tergal)
Baquelite (fórmica)
aldeído fórmico fenol comum
revestimento de móveis (fórmica), material elétrico (tomada e interruptores)
Poliuretano
poliéster ou poliéter isocianato de p. fenileno
colchões e travesseiros (poliuretano esponjoso), isolante térmico e acústico, poliuretano rígido das rodas dos carrinhos de supermercados Tabela 5 – Copolímeros de Condensação.
4.ii.b - PROPRIEDADES FÍSICAS
As propriedades físicas dos plásticos são geralmente semelhantes. São em geral "leves", com pesos específicos variando entre 0,9 e 1,6 (comparados a 2,5 do vidro). O peso específico dos materiais transparentes, normalmente, é a metade daquele do vidro. São em geral combustíveis, tem baixa condutividade térmica, um coeficiente de expansão térmica elevada e elevado calor específico. Entretanto, em relação aos plásticos, a generalização é impossível. É freqüente nos surpreenderem suas propriedades, que são intrínsecas à sua utilidade. Significativamente, quase todos os plásticos têm um estado natural translúcido, mas, no uso corrente, apenas uns poucos funcionam como substitutos para o vidro.
4.ii.c - PROCESSOS DE DEGRADAÇÃO E OXIDAÇÃO
Degradação do polímero é uma mudança nas propriedades - resistência à tração cor, forma, etc - de um polímero ou de produtos baseados em polímeros sob a influência de um ou mais fatores ambientais, como calor , luz ou químicos , como ácidos , álcalis e alguns sais. Estas alterações são geralmente indesejáveis,
como rachaduras e desintegração química de produtos ou, mais raramente, desejável, como na biodegradação , ou deliberadamente reduzindo o peso molecular de um polímero para a reciclagem. As mudanças nas propriedades são freqüentemente chamadas de "envelhecimento".
Em um produto acabado, tal mudança deve ser prevenida ou atrasada. A degradação pode ser útil para a reciclagem / reutilização dos resíduos de polímeros para evitar ou reduzir a poluição ambiental.
Os polímeros são suscetíveis ao ataque de atmosfera de oxigênio, especialmente em temperaturas elevadas encontrados durante processamento de forma. Muitos métodos de processo, tais como extrusão e moldagem por injeção, envolve bombear polímero fundido em ferramentas, e as altas temperaturas necessárias para a fusão pode resultar na oxidação salvo se forem tomadas precauções. Por exemplo, um antebraço muleta de repente agarrou e o usuário ficou gravemente ferido na queda resultante. A muleta teve fratura em uma de polipropileno inserir dentro do tubo de alumínio do aparelho, e espectroscopia de infra-vermelho do material mostrou que tinha oxidado, possível como resultado da moldagem pobres.
A oxidação é geralmente relativamente fáceis de detectar, devido à forte absorção pelo grupo carbonílico no espectro de poliolefinas. polipropileno tem um espectro relativamente simples, com poucos picos na posição carbonila (como o polietileno ). Oxidação tende a começar no carbono terciário átomos porque a radicais livres formados aqui são mais estáveis e duradouras, tornando-as mais suscetíveis ao ataque de oxigênio. O grupo carbonila pode ser ainda oxidado para quebrar a cadeia, o que enfraquece o material, diminuindo seu peso molecular, e as rachaduras começam a crescer nas regiões afetadas.
Térmicas: o As mais importantes propriedades térmicas dos materiais cerâmicos são:
- Capacidade calorífica (⇑);
- Coeficiente de expansão térmica (⇓);
- Condutividade térmica.
Químicas: Sensores de gases e vapores; o sensores de gases:
- Principais materiais: ZrO 2 (O 2 ) , ZnO, SnO 2 , Fe 2 O 3 (H 2 O).
- Alarme de vazamento de gases venenosos e hidrocarbonetos;
- Sensor de oxigênio em veículos automotores;
- Sensor de oxigênio na fabricação do aço. Magnéticas; Ópticas; Biológicas: Próteses e implantes.
- Principais materiais : Al 2 O 3 (bio-inerte) e hidroxiapatita (bio-ativa).
- Ossos artificiais, dentes e juntas.
5.2.iii. - CERÂMICAS AVANÇADAS
Cerâmica avançada é uma cerâmica produzida com técnicas diferenciadas. É também denominada técnica, especial ou fina.
Principais vantagens das cerâmicas avançadas:
Resistem a maiores temperaturas (refratariedade); Maior resistência ao desgaste e à corrosão; Menor perda por fricção (atrito – resistência aos metais); Menor peso devido à menor densidade; Alta dureza (exceto o BN); Alta condutividade elétrica; Elevada condutividade térmica; Resistência a sais (estabilidade química).
FERRAMENTAS DE CORTE
Figura 6 - Figura com vários tipos de ferramentas de corte.
Figura 8 – Figura de Turbina a gás
Figura 7 – Figura de pistões e camisas .