Nesta unidade temática, você vai aprender

• Como determinar parâmetros importantes para a caracterização das propriedades mecânicas dos materiais, a partir de ensaios de tração;

• Como diferenciar e definir processos de deformação reversíveis e irreversíveis;

• Os diferentes processos de determinação de dureza;

• Os parâmetros mais importantes para a definição das características térmicas dos materiais, como capacidade térmica, expansão térmica e condutividade térmica;

• As principais características ópticas dos materiais, quanto à reflexão, absorção e transmissão da luz visível.

Propriedades mecânicas

As propriedades mecânicas de um material definem o comportamento deste quando submetido a esforços mecânicos e sua capacidade de resistir sem rompimento e sem deformação descontrolada. Essas propriedades podem ser determinadas por ensaios, como os de resistências à tração, à compressão, à torção, ao choque, ao desgaste, à fadiga e de dureza. Neste estudo, serão abordados os ensaios de tração e de dureza, por serem os mais comuns. O estudo dos demais ensaios pode ser realizado nas referências indicadas.

Ensaio de tração

O conhecimento das características mecânicas dos materiais pode ser obtido a partir de um ensaio simples de tração. O ensaio é realizado em um instrumento de tração em que o corpo de prova, com dimensões definidas (estabelecido por normas), é tracionado, à velocidade constante, por uma carga que é função do alongamento desejado. A Figura 1 ilustra um desenho esquemático do ensaio de tração.

Esse ensaio produz uma curva carga versus alongamento (Figura 2), que é transformada em uma curva tensão de engenharia versus deformação de engenharia, para considerar a geometria do corpo de prova (Figura 3). 

A tensão de engenharia, σ, que considera a carga (P) pela área original da seção transversal do corpo de prova (antes do ensaio), A0, é dada pela relação: 

A deformação de engenharia, ε, que especifica o quanto o corpo de prova alongou com a carga aplicada, é dada pela relação: 

sendo l: comprimento útil em função da carga aplicada e l0: comprimento útil original.

Quando a tensão é proporcional à deformação (região linear inicial da curva), o regime de deformação é elástico; se a tensão for superior ao limite elástico, o regime passa a ser plástico e não apresenta linearidade (Figura 3).

O comportamento elástico ou deformação recuperável é o regime pelo qual o material deforma (por exemplo, alonga ou encurta) linearmente com uma carga aplicada e adquire a sua forma original quando a carga é removida. Assim sendo, se a extensão da carga aplicada no material estiver dentro dos limites de elasticidade, o material recupera a sua forma, sendo, portanto, um processo reversível. Uma das razões pelas quais podemos ter segurança em relação à integridade mecânica de estruturas e componentes de engenharia é que podemos determinar e prever, com precisão relativamente alta, o comportamento elástico dos materiais.

A proporcionalidade da região elástica, definida pela Lei de Hooke, gera uma constante, E, definida como módulo de elasticidade ou módulo de Young: σ = E ε.

Quanto maior o módulo, mais rígido é o material. O módulo de elasticidade do tungstênio (super rígido), por exemplo, é 407 GPa, já o do alumínio (baixa rigidez) é 69 GPa.

Alguns materiais, como concreto e alguns polímeros, no entanto, não apresentam linearidade na região elástica, utilizando-se, nesses casos, do módulo tangencial ou do módulo secante (ver referência sobre esses casos).

Se a extensão da carga ultrapassar o limite máximo estabelecido para um comportamento elástico, o material sofre uma deformação permanente, ou seja, assume um comportamento plástico. A deformação plástica, diferente da elástica, é não linear e depende de vários fatores, como o processamento prévio, e não é sempre previsível.

A partir de uma curva tensão-deformação, é possível definir outras características mecânicas importantes de um material, identificadas na Figura 4 como:

• • Limite de escoamento (LE): é o limite entre as deformações elástica e plástica. A partir desse ponto, inicia o processo de quebra de ligações entre os átomos e formação de novas ligações; em materiais cristalinos, inicia o movimento de discordâncias (escorregamento) e, em materiais amorfos, inicia o escoamento viscoso. O LE define a resistência de um material metálico à deformação permanente, ou seja, define a facilidade com que este, por exemplo, pode ser laminado ou estirado.

  • Limite de resistência à tração (LRT): corresponde à tensão máxima que o material pode suportar. Se mantido nessa tensão, o corpo de prova será levado à fratura. A partir desse ponto, há a formação de um “pescoço” no corpo de prova sob efeito da tensão.

O aumento da resistência com a deformação, entre o LE e o LRT, deve-se ao endurecimento por encruamento do material.

• • Ductilidade: indica a capacidade do material de sofrer deformação plástica. Pode ser determinada pela medida do alongamento percentual no momento da fratura, conforme mostra a Figura 4. Quanto menor o alongamento, mais frágil será a fratura. Curvas tensão-deformação características de materiais frágeis e dúcteis podem ser vistas em Callister e Rethwisch (2016).

  • Resiliência: capacidade de um material em absorver energia ao ser deformado elasticamente e disponibilizar essa energia (ser recuperada) com a remoção da carga. O módulo de resiliência Ur, para um material com região elástica linear, corresponde à área sob a curva tensão-deformação até o LE: 

sendo σe: tensão no LE e εe: deformação no LE.

• • Tenacidade: esta característica associa resistência e ductilidade; corresponde à capacidade do material de absorver energia antes da fratura. Pode ser determinada pela área total sob a curva tensão-deformação.

Dureza 

O ensaio de dureza é uma forma simples de avaliar a resistência do material, pois a dureza indica a resistência de um material à deformação plástica. O ensaio consiste em indentar (penetrar) o material em análise com um material mais duro, sob pressão. A dureza é determinada a partir das dimensões da indentação resultante.

Existem vários tipos de ensaios de dureza, com indentadores de formatos, dimensões e materiais distintos, sendo os tipos mais comuns:

• • Dureza Brinell: o indentador é uma esfera de aço ou carbeto de tungstênio de 10 mm de diâmetro. Essa dureza apresenta uma correlação aproximadamente linear com o limite de resistência à tração (LRT obtido no ensaio de tração), sendo, portanto, uma medida muito útil e aplicada;

  • Dureza Rockwell: indentadores de diferentes materiais, formatos e cargas, os quais permitem o ensaio de qualquer material (do mais duro ao mais macio), sendo a técnica amplamente utilizada;

  • Dureza Vickers e Dureza Knopp: os indentadores são pirâmides de diamante com dimensões distintas. Com uma carga bem menor que as anteriormente citadas, são utilizadas para determinação de microdureza.

Especificidades sobre os ensaios de dureza podem ser conferidas nas referências indicadas (itens 6.4 do Shackelford, 2008, e 6.10 do Callister e Rethwisch, 2016).  

Propriedades Térmicas

As propriedades térmicas refletem as características de um material quando aquecido. Dentre as mais importantes, estão a capacidade térmica, a expansão térmica e a condutividade térmica.

• CAPACIDADE TÉRMICA

A capacidade térmica é a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de um material em um grau; representa a capacidade de absorver calor do meio. A capacidade térmica, C, é expressa por: 

sendo Q a energia necessária para variar a temperatura em ΔT; expressa em J/mol.K ou cal/mol.K.

Muitas vezes, o calor é expresso por massa da substância, como J/kg.K ou cal/g.K; nesse caso, recebe a denominação de calor específico, c.

• EXPANSÃO TÉRMICA

A maioria dos materiais, ao serem aquecidos, sofrem expansão em sua estrutura. O calor provoca vibração térmica dos átomos e um aumento no comprimento das ligações entre seus átomos.

O coeficiente linear de expansão térmica, α, é dado por: 

sendo l0: comprimento inicial, Δl: variação de comprimento e ΔT: variação de temperatura. É expresso em °C-1.

O coeficiente de expansão térmica tem relação direta com a força de ligação. Os materiais cerâmicos (com ligações iônicas e covalentes fortes), em geral, apresentam coeficientes menores do que os metais (ligação metálica) e estes menores do que os materiais poliméricos (ligações covalentes e forças fracas intermoleculares).

O coeficiente de expansão térmica é dependente da temperatura, aumentando com a elevação da temperatura. Por exemplo, o alumínio tem um coeficiente de 23,2 °C-1 a 27 °C e 33,8 °C-1 a 527 °C. 

• CONDUTIVIDADE TÉRMICA

A condutividade térmica é a capacidade de um material em conduzir calor de uma região de maior temperatura para uma de menor temperatura. A condutividade térmica, k, é expressa como: 

sendo ΔQ/Δt: taxa de transferência de calor através de uma área, A, decorrente de um gradiente de temperatura ΔT/Δx. É expresso em J/s.m.K.

Os mecanismos de condutividade térmica nos diferentes materiais são apresentados no item 7.3 do Shackelford (2008). Importante, também, a leitura, no item 7.4 da mesma referência, sobre choque térmico. 

Propriedades ópticas

As propriedades ópticas são definidas como a resposta de um material à radiação eletromagnética, quanto à reflexão, absorção e transmissão.

A resposta à radiação da luz visível (com comprimentos de onda entre 400 e 700 nm), da qual nos concentraremos neste capítulo, é de interesse mais comum, mas as respostas às radiações ultravioleta e infravermelho apresentam grande interesse em diversas aplicações tecnológicas.

A luz visível, ao transitar por um meio, sofre um conjunto de interações: parte da radiação é transmitida através do meio, parte é absorvida e parte pode ser refletida na interface entre esse meio e o meio vizinho, Figura 5.

Portanto, a intensidade da radiação incidente, I0, é igual ao somatório das intensidades das radiações transmitidas (IT), absorvidas (IA) e refletidas (IR): 

Essa relação também é expressa como: 

sendo T: a transmissividade (IT/I0), A: a absortividade (IA/I0) e R: a refletividade (IR /I0).

Os materiais, quanto a esses três tipos de resposta à radiação da luz, apresentam diferentes características ópticas. Os materiais transparentes, por exemplo, são aqueles que apresentam absorção e reflexão muito baixas, sendo quase a totalidade da radiação transmitida. Já os materiais translúcidos são aqueles que dispersam a luz no seu interior, provocando a transmissão difusa da luz, e os materiais que não transmitem a luz são opacos.

Os metais, por exemplo, apresentam opacidade, pois a radiação incidente, em todas as frequências da luz visível, é absorvida por uma camada externa muito fina (<0,1 μm), sendo a maior parte reemitida da superfície na forma de luz visível (luz refletida). Veja no item 21.4 de Callister e Rethwisch (2016) por que a radiação incidente nos metais apresenta esse comportamento.

A cor dos metais é resultante da radiação refletida. Se o metal apresenta alta reflexão para todos os comprimentos de onda da luz visível, este exibe um aspecto brilhante prateado, tais como a prata e o alumínio. Se, no entanto, o metal não reemitir efetivamente a radiação incidente como luz visível, este será colorido, como o ouro e o cobre.

Para o entendimento de parâmetros e características ópticas, como índice de refração, refletância, transparência, translucidez, opacidade, cor e luminescência, realizar leitura do item 16.2 do Shackelford (2008).

Aplicações tecnológicas de sistemas e dispositivos ópticos, como lasers, fibras ópticas e telas de cristal líquido são apresentadas no item 16.3 dessa mesma referência.