Materiais de Engenharia: Metais

• Estudo sobre materiais de engenharia aborda a classificação, síntese, características e aplicações de metais, cerâmicos, polímeros e compósitos.

Classificação dos Materiais

• Os materiais de engenharia são classificados em metais, cerâmicos, polímeros e compósitos.

Metais

• Metais possuem alta rigidez e módulos de elasticidade elevados.
• A maioria dos metais puros são macios e facilmente deformáveis.
• Metais podem ser endurecidos por elementos de liga e tratamento termomecânico, mantendo a ductilidade.
• Metais são os materiais menos resistentes à corrosão.

Síntese e Conformação dos Metais

• Processos pirometalúrgicos, como a transformação de hematita em ferro em alto-forno, são utilizados.
• Processos hidrometalúrgicos são usados para extrair cobre de minérios sulfurados via lixiviação e precipitação.
• A produção de alumínio por eletrólise consome 4-5 toneladas de bauxita para cada tonelada de alumínio.
• Processos de conformação incluem laminação, trefilação, extrusão, estampagem, fundição e soldagem.

Cerâmicos

• Cerâmicos são formados por elementos metálicos (Al, Si, Mg, Be, Ti, B) e não metálicos (O, C, N).
• Óxidos como alumina (Al2O3), magnésia (MgO), berília (BeO), zircônia (ZrO2) e tória (ThO2) são cerâmicos típicos.
• Carbetos como WC e SiC também são considerados cerâmicos clássicos.
• Sólidos covalentes como grafite e silício também são classificados como cerâmicos.
• Óxidos, hidróxidos, sais, carbetos, nitretos, silicatos, hidretos e boretos são materiais cerâmicos.

Características dos Materiais Cerâmicos

• Materiais cerâmicos geralmente são cristalinos e possuem altos pontos de fusão, sendo ideais para aplicações refratárias.
• Cerâmicos mostram grande resistência ao ataque químico.
• Em termos de dureza, cerâmicos são os mais duros entre os materiais industriais.
• Cerâmicos atuam como isolantes térmicos e elétricos.
• Materiais cerâmicos podem apresentar transparência.
• Possuem baixa tenacidade à fratura, com pouca resistência ao choque mecânico e ruptura frágil.
• Defeitos microestruturais são comuns em materiais cerâmicos.

Processamento dos Materiais Cerâmicos

• O processamento cerâmico envolve moagem, distribuição do tamanho de partícula, mistura com aditivos líquidos e conformação antes da sinterização.

Processos de Conformação em Cerâmicos

• A conformação busca máximo empacotamento e uniformidade, minimizando a porosidade durante a densificação.
• Obter um produto verde próximo ao formato final é crucial devido à dificuldade de usinagem dos cerâmicos.
• Usinar cerâmicos é difícil devido à dureza, exigindo ferramentas de diamante de alto custo, além de gerar defeitos superficiais que diminuem a resistência mecânica.
• Métodos de conformação incluem prensagem, colagem em barbotina, moldagem em fita, extrusão e moldagem por injeção.

Sinterização

• Sinterização é um processo de consolidação por difusão, resultando em crescimento de grão, diminuição da porosidade e aumento da densidade.
• A consolidação ocorre pela ligação entre partículas originalmente em contato ou soltas.
• A produção de cerâmicos envolve sinterização a altas temperaturas do corpo verde.
• O processo é controlado pelas características do corpo verde, atmosfera, pressão e temperatura.
• As propriedades importantes do corpo verde são composição, densidade, porosidade, tamanho e morfologia das partículas.

Polímeros

• Polímeros são macromoléculas com elevada massa molecular cujo elemento fundamental é o carbono.
• Apresentam baixos módulos de elasticidade, cerca de 50 vezes menores que os dos metais.
• Polímeros são influenciados pela temperatura, dividindo-se em termoplásticos e termofixos.
• Polímeros possuem boa resistência à corrosão
• Sofrem degradação por UV, temperatura e umidade.
• Possuem baixos coeficientes de atrito e resistência ao desgaste, sendo produzidos por polimerização.

Vantagens e Desafios dos Polímeros

• O petróleo é a principal matéria-prima para sintetizar polímeros com cadeias de carbono.
• O custo de produção de polímeros é relativamente baixo, e são mais leves que metais e cerâmicos.
• A característica macromolecular facilita o processamento em resinas, plásticos, fibras, elastômeros e espumas.
• Apresentam resistência mecânica, módulo de elasticidade e tenacidade comparativamente baixos.
• Polímeros são inflamáveis devido às cadeias de carbono com hidrogênio e sofrem amolecimento ou degradação a temperaturas baixas.

Compósitos

• Compósitos são estruturas fabricadas a partir da combinação de dois ou mais constituintes com morfologias distintas.
• São uma classe heterogênea que resulta em uma mistura sinérgica.
• São constituídos de uma fase matriz (contínua) que envolve uma ou mais fases de reforço (dispersa).
• A matriz protege e transfere os esforços para a fase de reforço, dando forma ao componente.
• A fase de reforço, também chamada de enchimento ou carga, apresenta várias formas e é responsável pela resistência aos carregamentos mecânicos.