Nesta unidade temática, você vai aprender

• As características e especificidades dos materiais metálicos, poliméricos, cerâmicos e compósitos;

• Diferenciar os diferentes materiais ferrosos e não ferrosos, em termos de constituição básica e suas características;

• Os processos de fabricação mais comuns de materiais metálicos;

• Os diferentes processos de polimerização, estruturas poliméricas e classes de polímeros, bem como os aditivos empregados e processos de fabricação;

• Conhecer e diferenciar os materiais cerâmicos em relação à constituição e aos processos de tratamento e fabricação;

• O conceito e principais características de um material compósito.

Materiais metálicos

Os materiais metálicos são classificados de acordo com a sua composição, em ligas ferrosas e não ferrosas. As ligas ferrosas apresentam o ferro como constituinte principal e as não ferrosas as que não possuem o ferro como o maior constituinte.

Ligas Ferrosas

As ligas ferrosas são classificadas em aços e ferros fundidos, os quais podem ser diferenciados pelo teor de carbono. Ao aço, pode ser incorporado até cerca de 2% em massa de carbono, enquanto o ferro fundido possui tipicamente entre 2 e 4,5%.

Aços

Os aços são ainda classificados de acordo com a incorporação de outros elementos de liga (além do carbono), os quais são adicionados para conferir características específicas para uma determinada finalidade.

Podem ser de baixa ou alta liga, respectivamente para teores abaixo e acima de 5% em massa de elementos de liga.

Aços de baixa liga:  são diferenciados quanto ao teor de carbono associado, sendo de baixo (< 0,25 %), médio (entre 0,25 e 0,60%) ou alto (tipicamente entre 0,60 e 1,4%) teor de carbono em massa. As características desses aços são resumidas no Quadro 1.

Ferros Fundidos

Os ferros fundidos apresentam pontos de fusão bem menores do que os aços, sendo, portanto, adequados para confecção de peças pelo processo de fundição. Apresentam alta resistência ao desgaste, porém baixa ductilidade, não sendo adequados aos processos de usinagem e soldagem.

Utilizados em peças que exigem isolamento de vibrações, componentes de grandes dimensões e peças de geometria complexa.

Tipos mais comuns: branco, cinzento, nodular e maleável. Os diferentes tipos são obtidos por variações de composição química e velocidade de resfriamento no processo de fundição. Os tipos branco e cinzento são tipicamente frágeis, enquanto os tipos nodular e maleável são tipicamente dúcteis (maleáveis).

Para o conhecimento das características e microestruturas típicas dos ferros fundidos, acessar o item 11.1 do Shackelford (2008) ou a unidade 2 (páginas 77 a 79) do Pavanati (2015).

Ligas Não Ferrosas

As ligas não ferrosas apresentam densidade relativamente mais baixa e condutividade elétrica e resistência à corrosão maior do que as apresentadas pelas ligas ferrosas. Essas características, e outras que são específicas de cada liga, as tornam importantes para diversas aplicações, apesar de possuírem um custo bem mais elevado do que as ligas ferrosas.

Dentre as ligas não ferrosas mais utilizadas, citam-se as ligas de alumínio, de cobre, de titânio, de magnésio, de níquel, de zinco e de chumbo.

Algumas ligas não ferrosas são agrupadas de acordo com uma característica importante, como por exemplo:

• Ligas leves (baixa densidade): de alumínio (2,7 g/cm3), de magnésio (1,7 g/cm3) e de titânio (4,5 g/cm3). A título de comparação, o ferro apresenta 7,9 g/cm3:

  • • As ligas de alumínio apresentam excelentes condutividades térmica e elétrica, resistência à corrosão (devido à camada de óxido protetora formada na superfície) e ductilidade, sendo de fácil conformação. Apresentam inúmeras aplicações devido a essas características, como estruturas de aeronaves e ônibus, latas de bebidas e peças automotivas. Por possuírem baixo ponto de fusão (Al: 660 °C), apresentam restrições em algumas aplicações. As designações das ligas de alumínio são em função dos principais elementos de liga incorporados e dos seus tratamentos, conforme apresentadas nas Tabelas 11.7 e 11.8 do Shackelford (2008), respectivamente;

    • As ligas de magnésio, devido a sua leveza, encontram aplicação em projetos espaciais e produtos como raquetes e fivelas. De difícil conformação (devido à estrutura hexagonal compacta, HC), as peças, em geral, são produzidas por fundição (facilitado pela baixa temperatura de fusão, 651 °C);

    • As ligas de titânio apresentam excelente resistência à corrosão (também formam camada de óxido na superfície), resistência mecânica, são dúcteis, podendo ser forjadas ou usinadas. Devido ao seu alto custo, apresentam aplicações nobres, como estruturas de aeronaves, veículos espaciais, e implantes cirúrgicos.

• Ligas com baixo ponto de fusão: de chumbo, de estanho e de zinco. Adequadas para processos de fundição com molde e material de soldas;

• Ligas refratárias (com altos pontos de fusão): de molibdênio, de tântalo, de tungstênio (3410 °C) e de nióbio (2468 °C). As ligas de molibdênio são empregadas em matrizes de extrusão e em estruturas de naves espaciais. As ligas de tungstênio são utilizadas em filamentos de lâmpadas incandescentes, tubos de raios-x e eletrodos de solda.

• Ligas de cobre: excelentes condutividades elétrica e térmica, sendo extensivamente utilizadas em instalações elétricas e em radiadores e trocadores de calor. São dúcteis e de fácil conformação. Os latões (contendo zinco como elemento de liga principal) e os bronzes (contendo estanho, alumínio, silício ou níquel como elementos de liga principal) apresentam significativa resistência à corrosão e são os mais importantes.

• Ligas de níquel: apresentam excelente resistência mecânica a altas temperaturas e excelente resistência à corrosão. As designações e composições das ligas de níquel (superligas) são apresentadas na Tabela 11.4 do Shackelford (2008). 

Processos de Fabricação de Materiais Metálicos

A fabricação de materiais metálicos envolve muitas etapas. Antes de constituir uma peça, o material passa por processos de refino, formação de ligas e, muitas vezes, por processos de tratamento térmico.

Os processos de fabricação de peças incluem técnicas de conformação, fundição, usinagem, soldagem e metalurgia do pó.

As técnicas de conformação são aquelas em que a forma é alterada por deformação plástica (deformação permanente): forjamento, laminação, extrusão e estiramento.

Os processos de fundição são aqueles em que o metal fundido é vazado em moldes com formato da peça a ser produzida. Tipos de fundição: com molde de areia, com matriz, de precisão e contínua.

A técnica mais adequada depende das características do metal e da dimensão e forma da peça. Acessar as referências indicadas para o conhecimento das técnicas de fabricação.

Materiais poliméricos

Os polímeros são materiais orgânicos ou inorgânicos, constituídos por macromoléculas que se formam a partir da repetição de pequenas unidades, denominadas meros. A palavra polímero significa “muitos meros”, em que “mero” é a menor porção que se repete ao longo da cadeia.

Os polímeros podem ser naturais, como couro, madeira, borracha, algodão, seda, proteínas e celulose, ou sintéticos, como polietileno, poliestireno e poliéster.  

Polimerização

O processo de polimerização pode ocorrer de duas formas: por adição e por condensação.

A polimerização por adição forma polímeros com unidades repetitivas do monômero de partida. A Figura 1 apresenta a polimerização por adição do etileno para a obtenção do polietileno. 

A polimerização por condensação forma polímeros pela reação entre dois monômeros, com eliminação de moléculas como H2O, CH2OH e HCl. A Figura 2 apresenta a obtenção do poliéster por esse processo. 

Vários outros exemplos são apresentados nas referências indicadas.

Se o polímero for constituído por apenas um tipo de monômero, é um homopolímero; se for constituído por diferentes monômeros, é um copolímero. Os copolímeros podem apresentar quatro possibilidades de organização dos monômeros na cadeia: aleatória, alternada, em bloco (grandes blocos dos monômeros se alternam), por enxerto (cadeias de um monômero se enxertam em outro), como mostra, esquematicamente, na Figura 3. 

Os polímeros mais comuns e seus monômeros de origem são apresentados no Quadro 2. 

Estrutura do Polímero

As unidades “mero” podem apresentar duas (bifuncionais) ou três regiões ativas (trifuncionais) para formarem as ligações, originando estruturas moleculares bi e tridimensionais, respectivamente. O Quadro 3 apresenta os tipos de estruturas moleculares possíveis nos polímeros. Tipicamente, os polímeros não apresentam um único tipo de estrutura, podendo conter teores variados das diferentes estruturas.

Nos polímeros, as grandes cadeias moleculares podem dobrar-se, espiralar-se e contorcer-se, formando um grande embaraço com as cadeias vizinhas, assim como um grande emaranhado de fios de linha. A extensão e tipo de embaraço determinam as características mecânicas e térmicas dos polímeros resultantes. 

Classificação dos Polímeros

Devido às suas características, os polímeros são classificados em: termoplásticos, termofixos e elastômeros.

Termoplásticos 

Os termoplásticos são polímeros relativamente moles e dúcteis, que amolecem com o aquecimento e endurecem quando resfriados (característico de moléculas lineares, que também pode conter ligações ramificadas). Esses processos podem ser repetidos, o que permite a sua reciclagem. Exemplos: PE, PP, PS, PVC.

Termofixos

Termofixos são polímeros duros e rígidos após o aquecimento e não amolecem com um aquecimento subsequente. Apresentam cadeias mais complexas (com ligações cruzadas e em rede tridimensional). Não são, atualmente, recicláveis. Exemplos: borrachas vulcanizadas, resinas epóxi e baquelite.

Elastômeros 

Elastômeros são polímeros que apresentam grande elasticidade, com características de borracha natural; após estiramento retornam à forma anterior. Apresentam ligações cruzadas. Exemplos: borracha natural, silicone, cloropreno (Neoprene).

Alguns materiais poliméricos podem ser constituídos pela mistura de mais de um polímero, que na sua forma já polimerizada é incorporada a outro, constituindo uma blenda. 

Aditivos Comuns nos Polímeros

Processamento de Polímeros

Os polímeros termoplásticos são tipicamente processados por moldagem, sendo esta por injeção, extrusão e insuflação, enquanto os termofixos são moldados por compressão ou por transferência. Essas técnicas são ilustradas e comentadas no item 13.6 do Schackelford (2008).

Um determinado material polimérico é composto por moléculas de diferentes tamanhos, sendo o mesmo caracterizado por faixas de tamanho, ou seja, pela distribuição do peso molecular, DPM. O conhecimento dessa distribuição é muito importante para o seu processamento. Processos de injeção, que precisam de um ponto de fusão mais definido, necessitam de uma DPM mais estreita, enquanto processos por estiramento uma DPM mais larga, pois moléculas pequenas facilitam a lubrificação de moléculas maiores. 

Materiais cerâmicos

Materiais cerâmicos são compostos inorgânicos, constituídos, essencialmente, por metais e não metais ligados ionicamente e/ou covalentemente, como óxidos, carbetos e nitretos. Com características bastante distintas dos materiais metálicos e poliméricos, os materiais cerâmicos são duros e quebradiços e, na sua maioria, são isolantes elétricos e térmicos, e resistentes a altas temperaturas e processos abrasivos.

O termo cerâmico, do grego keramicos, significa “matéria queimada”, inferindo que as características dos materiais cerâmicos são obtidas por processos térmicos.

Os materiais cerâmicos podem ser cristalinos ou não cristalinos, sendo classificados, de acordo com a sua aplicação, em vidros, argilosos, refratários, abrasivos, cimentos e cerâmicas avançadas.

Devido ao seu alto ponto de fusão, a fabricação de materiais cerâmicos, diferente dos materiais metálicos e poliméricos, nem sempre envolve a fundição dos compostos. Os materiais cerâmicos são conformados, em geral, pela queima de material particulado, como no caso das argilas, ou por conformação a quente de uma massa fluida, como no vidro, ou pelo endurecimento provocado por reação química entre os compostos (na forma de massa fluida), como no cimento.

• Vidros

Os vidros são produzidos pelo aquecimento da matéria-prima acima do ponto de fusão; são constituídos basicamente de silicatos não cristalinos, aos quais são adicionados óxidos, como Na2O, K2O, CaO, Al2O3 e B2O3, para conferir propriedades específicas.

Os vidros mais comuns são produzidos com areia (sílica), soda barrilha (Na2CO3) e calcário (CaCO3). Composições e características de alguns vidros comerciais são apresentadas na Tabela 13.1 de Callister e Rethwisch (2016).

Como o vidro é um material amorfo, com o resfriamento passa de líquido a líquido super-resfriado e, subsequentemente, ao vidro; não solidifica, como os materiais cristalinos.

• Métodos de Conformação do Vidro

Produtos de vidro são fabricados por prensagem, insuflação e estiramento. Na prensagem, a peça é conformada com pressão do material em um molde; utilizado para fabricação de vidros espessos. Na insuflação, o material é forçado a se conformar em um molde por pressão exercida por injeção de ar (visualizar o processo na Figura 12.3 do Shackelford, 2008); utilizado na fabricação de garrafas, vasos e lâmpadas. No processo de estiramento, o material é estirado, sendo utilizado na fabricação de peças de grande extensão, como lâminas, barras, tubos e fibras (visualizar o processo na Figura 12.4 do Shackelford, 2008). 

• Vitrocerâmicos

Um processo realizado com o vidro à alta temperatura e com a presença de um agente de nucleação (geralmente TiO2), permite a nucleação de pequenos grãos, gerando uma estrutura policristalina, constituindo a vitrocerâmica; processo denominado de devitrificação. Devido a sua estrutura organizada, os vitrocerâmicos apresentam resistência a choque térmico e resistência mecânica bem maiores do que o vidro. 

• Argilosos

Argila é a matéria-prima mais utilizada na cerâmica. Geralmente, é utilizada na sua forma natural, assim como é extraída, sem beneficiamento. Associada à água, pode ser facilmente conformada em peças, constituindo-se em peças resistentes após a secagem e queima.

Os materiais argilosos são classificados em produtos estruturais (ex.: tijolos, telhas) e louças brancas (ex.: porcelanas, louças sanitárias). Os produtos estruturais são produzidos sem beneficiamento da argila, enquanto a matéria-prima das louças brancas são beneficiadas por diversas etapas de moagem e as peças confeccionadas são levadas a altas temperaturas. Temperaturas elevadas promovem a vitrificação do material; a matéria-prima funde parcialmente, formando um vidro líquido que preenche os poros da estrutura. Esse processo é facilitado pela adição de fundentes, como o feldspato. Esse processo permite a obtenção de um material denso, resistente e translúcido. 

• Refratários

Refratários são materiais cerâmicos que mantêm a sua integridade a altas temperaturas; em geral, são inertes a ambientes agressivos. Tipos: à base de argilas, de sílica e especiais (produzidos com óxidos de elevada pureza para finalidades especiais).

• Abrasivos

Cerâmicas abrasivas são materiais com elevadas dureza e tenacidade, extremamente resistentes ao desgaste; com sua aplicação em instrumentos abrasivos e de corte. Abrasivos mais comuns: carbeto de tungstênio (WC), carbeto de silício (SiC) e coríndon (Al2O3). 

• Cimentos

Os cimentos apresentam como característica fundamental a sua interação com a água. Em presença de água, formam uma pasta moldável, em que os seus constituintes reagem e endurecem, produzindo estruturas rígidas e resistentes. O processo ocorre em temperatura ambiente, sendo uma grande vantagem para muitas aplicações.

O cimento Portland é um exemplo. Produzido pela mistura de clínquer, que por sua vez, é produzida pela calcinação de argila e minerais moídos, a cerca de 1400 °C, e gesso (CaSO4.2H2O). Em presença de água, a mistura clínquer e gesso sofre reações de hidratação bastante complexas, caracterizadas em duas etapas por pega e endurecimento. O processo de pega ocorre logo após a mistura, em que a pasta enrijece, e o endurecimento (processo de hidratação contínuo) pode levar até anos, dependendo dos seus constituintes. O processo de endurecimento do cimento, portanto, não é um processo de secagem e sim um processo reacional de hidratação de seus minerais. 

• Cerâmicas Avançadas

Cerâmicas avançadas são as produzidas para finalidades específicas, com propriedades magnéticas, elétricas ou ópticas, como para motores térmicos, turbinas e selagem de componentes eletrônicos.

Compósito

Um compósito é caracterizado por um material que apresenta mais de uma fase constituinte; podendo ser naturais ou sintéticos. Aqui trataremos dos compósitos sintéticos de engenharia, produzidos pela associação de mais de um tipo/classe de material.  A síntese de um compósito visa associar as propriedades dos diferentes tipos de material para alcançar um determinado desempenho. Por exemplo, um material polimérico com fibra de vidro apresenta a ductilidade da matriz polimérica com a resistência mecânica da fibra. O material obtido apresenta características distintas e superiores às dos respectivos materiais constituintes.

As características dos compósitos dependem dos tipos de fase constituintes (matriz e fase dispersa), das suas quantidades relativas e da geometria da fase dispersa (em relação a sua forma, tamanho, distribuição e orientação).

O concreto é um compósito agregado, composto de areia (agregado fino) e brita (agregado grosso) em uma matriz de cimento, que, devido a sua constituição, apresenta elevada resistência. Especificidades sobre concretos estão detalhadas no item 14.2 Shackelford (2008).

Um estudo detalhado, com figuras e gráficos explicativos sobre as características dos diferentes tipos de compósito pode ser realizado no Pavanati (2015) (páginas 153-170).