Apostila - Mecânica dos materiais, Resumos de Metalurgia

Baixe Apostila - Mecânica dos materiais e outras Resumos em PDF para Metalurgia, somente na Docsity!

Departamento Regional de São Paulo

Materiais

MÓDULOS ESPECIAIS

MECÂNICA

Escola SENAI””

Começando pelo começo

Introdução

Esta é a primeira aula do seu curso sobre materiais para a indústria mecânica. E sabe por onde vamos começar? Pelo começo, naturalmente! E onde está esse “começo”? Está no próprio material, em uma coisinha bem pequenininha chamada átomo.

O átomo, que não dá para a gente ver nem com um microscópio, determina se o material é aço, plástico, madeira ou ar. Estabelece a maneira como cada material se comporta na natureza e tam- bém como ele “funciona” diante dos processos de fabricação e da utilização do dia-a-dia.

O conhecimento dos fatores que governam as propriedades dos materiais é importante para o profissional da indústria metalme- cânica, cuja função é produzir materiais e peças com proprieda- des que atendam às mais diversas aplicações e solicitações de uso.

Esses fatores estão relacionados com a estrutura geral do átomo que, no final, diferencia um material do outro. Sabendo isso, é possível prever o que vai acontecer quando um material é aque- cido, resfriado, dobrado, esticado, torcido, lixado, cortado. Ou seja, tudo o que você faz quando quer fabricar qualquer coisa.

O assunto é fascinante. Parece até mágica, mas não é. São apenas algumas leis da Química e da Física, trabalhando para a gente. Fique ligado.

Um pouco de história e um pouco de química

Uma das coisas que torna o homem diferente dos outros animais que vivem em nosso planeta é sua inteligência. E essa inteligên- cia gerou o inconformismo por não entender como as coisas “funcionam” no universo. Por isso, desde muito cedo, ele come- çou a pensar e fazer hipóteses sobre esse funcionamento, já que não tinha instrumentos para comprovar suas teorias. A coisa mais fascinante de tudo isso é que, muitas vezes, o homem acertou.

Uma das hipóteses mais importantes que esse passado nos deixou, foi aquela feita por um grego chamado Demócrito. Ele sugeriu que toda a matéria é composta de pequenas partículas que ele chamou de átomos. Essa palavra grega quer dizer “indivisível” e ele a usou porque achava que o átomo era tão pequeno que não podia mesmo ser dividido.

Fique por dentro Quando o átomo é dividido em partículas, ele libera grande quantidade de energia. Foi esse conhecimento que permitiu a criação da bomba atômica, cuja explosão é resultado de uma divisão do átomo.

Hoje sabemos que os átomos são formados de várias partículas ainda menores. Porém, esse conceito de indivisibilidade, vindo da antigüidade grega, ainda é válido e se transformou na base da Química moderna. E isso levou um bocado de tempo, porque foi só em 1808 que o químico inglês, John Dalton, estabeleceu sua Teoria Atômica. Em 1868, o russo Demitir Mendeleiev elaborou a primeira classificação geral dos elementos. Esse trabalho deu origem à tabela periódica que hoje conhecemos. Ele permitiu prever as propriedades e descobrir elementos que Demitir e cientistas de sua época ainda não conheciam.

Fique por dentro A tabela periódica reúne, em grupos, elementos que têm proprie- dades químicas e físicas (mecânicas, magnéticas e elétricas) semelhantes.

compartilhando elétrons, até que a última camada de cada um fique com oito elétrons. É dessas combinações que surgem todos os materiais que conhecemos.

Quando os átomos compartilham elétrons, acontece o que chamamos de ligação covalente. É o caso, por exemplo, da formação da molécula de água, obtida pela união de dois átomos de hidrogênio com um átomo de oxigênio. Essa ligação é muito forte e está representada na ilustração ao lado.

Quando um dos átomos cede, definitivamente, os elétrons da última camada e o outro recebe, definitivamente, esses elétrons, ocorre a chamada ligação iônica. É o que acontece, por exemplo, na formação do cloreto de sódio, ou seja, o sal que a gente usa na cozinha, composto por um átomo de sódio e um átomo de cloro.

Existe ainda um terceiro tipo de ligação: é a ligação metálica, responsável, entre outras propriedades, pela elevada condutivi- dade térmica e elétrica que todos os metais possuem, causada pela mobilidade dos elétrons de valência.

E como a ligação metálica acontece? Para explicar isso, precisa- mos saber inicialmente que os átomos dos metais apresentam poucos elétrons na camada de valência. Esses elétrons podem ser removidos facilmente, enquanto que os demais ficam firme- mente ligados ao núcleo. Isso origina uma estrutura formada pelos elétrons livres e por íons positivos constituídos pelo núcleo do átomo e pelos elétrons que não pertencem à camada de valência.

Como os elétrons de valência podem se mover livremente dentro da estrutura metálica, eles formam o que é chamado de “nuvem eletrônica”. Os íons positivos e a nuvem eletrônica negativa originam forças de atração que ligam os átomos de um metal entre si. A representação desse tipo de ligação é mostrada a seguir:

A união entre os átomos, feita por meio de ligações covalentes, recebe o nome de molécula. As moléculas podem conter muitos átomos. É o caso, por exemplo, dos compostos orgânicos, formados pela combinação de carbono com hidrogênio (princi- palmente), cujas moléculas (as macromoléculas) contêm muitas centenas de átomos. Elas formam, entre outros, os superpolíme- ros, mais comumente conhecidos como materiais plásticos.

d) O que é uma camada de valência? e) Quantos elétrons deve ter a camada de valência para que o átomo seja considerado estável? f) O que é ligação metálica? g) Como os átomos se combinam para formar as moléculas? h) O que mantém as moléculas unidas? i) O que são forças de atração atômica?

2. Nas afirmações a seguir, escreva C nas afirmações corretas e corrija as que julgar erradas: a) ( ) A ligação metálica é gerada pela força de atração en- tre íons positivos e elétrons livres. b) ( ) As órbitas dos elétrons são chamadas de camada de valência. c) ( ) A ligação metálica é responsável pela alta condutivi- dade elétrica e térmica dos metais. d) ( ) A ligação iônica acontece quando um átomo cede elétrons de sua camada externa e outro átomo recebe esses elétrons. e) ( ) As moléculas são formadas pela combinação dos á- tomos por meio de ligações covalentes. f) ( ) Os compostos orgânicos são formados pela ligação entre átomos de carbono e hidrogênio. g) ( ) Em um material líquido, na temperatura ambiente, as forças de atração predominam e os átomos se orga- nizam segundo uma configuração fixa.

Estrutura cristalina? O que é isso?

Se você pudesse ampliar a maioria dos materiais sólidos a ponto de ver as partículas que o compõem, observaria que essas partículas se arrumam de uma forma muito organizada.

Essa organização parece uma rede em três dimensões que se repete em todo o material. Ela é chamada de estrutura cristalina. Materiais metálicos, como o ferro, o aço, o cobre e materiais não- metálicos, como a cerâmica, apresentam esse tipo de estrutura. No caso das pedras preciosas e do quartzo, por exemplo, essa

repetição muitas vezes controla a forma externa do cristal.

Dependendo da forma geométrica que essas estruturas cristali- nas apresentam, elas recebem um nome. Assim, se você tiver metais como berílio, zinco e cádmio, a estrutura formada será um prisma hexagonal, com três átomos dentro dela. Essa estrutura se chama hexagonal compacta, ou HC.

Se os metais a sua disposição forem alumínio, níquel, cobre, prata, ouro, platina, chumbo, por exemplo, a estrutura terá a forma de um cubo com um átomo em cada uma de suas faces. Essa estrutura recebe o nome de estrutura cúbica de face centra- da, ou CFC.

Metais como ferro, cromo, tungstênio, molibdênio apresentam a estrutura em forma de cubo com um átomo extra em seu centro. Essa estrutura recebe o nome de estrutura cúbica de corpo centrado, ou CCC.

Observe que usamos duas formas para representar a estrutura:

Na região dos contornos dos grãos, a deformação é mais difícil, pois os planos cristalinos são interrompidos, dificultando o desli- zamento. Por isso, a ruptura de um metal, na maioria dos casos, acontece no contorno do grão.

Como você vê, pouco a pouco a estrutura dos materiais começa a ajudar a explicar suas propriedades. Mas, quais são elas? Já citamos aqui o ponto de fusão, a solubilidade, a resistência mecânica, a ductilidade. Só que não dissemos o que isso significa para o material. Será que é bom? Será que é ruim? São só essas as propriedades? O assunto é intrigante, mas vamos fazer suspense, porque só vamos falar sobre isso na próxima lição. Por enquanto, fique com os nossos exercícios.

Para parar e estudar O objetivo destas paradas é estratégico: é um tempo para você reler esta parte da aula, fazer anotações, aprender. Os exercícios são para ajudar. Vamos a eles.

Exercícios

3. Responda a estas perguntas: a) O que é a estrutura cristalina? b) Cite alguns materiais que têm estrutura cristalina. c) Cite os três tipos de estrutura cristalina que existem. d) Por que é mais fácil deformar um metal que possui estru- tura cúbica? e) O que acontece com as camadas de átomos quando os metais são deformados por processos de fabricação como a laminação? f) Por que a ruptura de um metal quase sempre ocorre no contorno do grão?

Avalie o que você aprendeu

4. Faça um resumo desta aula, usando as seguintes palavras- chave: átomo, próton, neutro, elétron, camada de valência, ligação metálica, cristal, estrutura cristalina, grão, contorno do grão.

Materiais têm personalidade?

Introdução

O pior é que têm! Como? Pense um pouco. Por que o plástico é “plástico”? Por que o alumínio é mais leve que o ferro? Por que a borracha depois de esticada volta a sua forma primitiva? Por que o cobre conduz eletricidade e o plástico, não?

As respostas a essas perguntas aparecem quando a gente conhece as propriedades dos materiais. Elas são a “personalida- de” deles. E conhecê-las é importante, porque, quando queremos fabricar qualquer produto, não basta apenas conhecer a tecnolo- gia de como fabricá-lo.

Se não soubermos bem como cada material se comporta em relação ao processo de fabricação e ao modo como a peça é usada, corremos o risco de usar um material inadequado.

Mas você deve estar pensando: “É, tudo isso é até interessante, porém acho que eu não vou fabricar nada. Só quero ser um profissional da indústria mecânica...”. Certo, mas, para ser um bom profissional, é preciso saber os comos e os porquês das coisas. E alguns desses porquês nós vamos estudar nesta aula. Você está preparado? Então, vamos começar.

Metálico ou não metálico, heis a questão

Você já reparou na variedade de materiais usados na indústria moderna? Pense um pouco: para serem bonitos, baratos, práti- cos, leves, resistentes, duráveis, os produtos são feitos de

materiais que conseguem atender, não só às exigências de mercado, mas também às exigências técnicas de adequação ao uso e ao processo de fabricação.

E quais são eles? Depende do tipo de produto que se quer e do uso que se vai fazer dele. Por exemplo: se você quiser fabricar tecidos, terá de utilizar algodão, lã, seda, fibras sintéticas. Na fabricação de móveis, você usará madeira, resinas sintéticas, aço, plásticos. Para os calçados, você terá que usar couro, borracha, plástico. Na indústria metal-mecânica, na fabricação de peças e equipamentos, você vai usar ferro, aço, alumínio, cobre, bronze.

Todos esses materiais estão agrupados em duas famílias:

• materiais metálicos ferrosos e não-ferrosos;
• materiais não-metálicos naturais e sintéticos.

Essa divisão entre metálicos e não-metálicos está diretamente ligada às propriedades desses materiais. Assim, os materiais metálicos apresentam plasticidade, isto é, podem ser deformados sem se quebrarem e conduzem bem o calor e a eletricidade. Aliás, a condutividade tanto térmica quanto elétrica dos metais está estreitamente ligada à mobilidade dos elétrons dos átomos de sua estrutura. Os não-metálicos, por sua vez, são - na maioria dos casos - maus condutores de calor e eletricidade. O quadro a seguir, ilustra essa classificação.

Materiais Metálicos (^) Não-metálicos Ferrosos Não-ferrosos Naturais Sintéticos Aço Alumínio Madeira Vidro Ferro fundido Cobre Asbesto Cerâmica Zinco Couro Plástico Magnésio Borracha Chumbo Estanho Titânio

Esta classificação é importante para o que estudaremos nas próximas lições. Então, vamos parar um pouco para que você

• propriedades químicas. Cada uma e todas elas devem ser consideradas na fabricação de qualquer produto. Vamos, então, estudar cada grupo de proprie- dades.

Propriedades físicas

Esse grupo de propriedades determina o comportamento do material em todas as circunstâncias do processo de fabricação e de utilização. Nele, você tem as propriedades mecânicas, as propriedades térmicas e as propriedades elétricas.

As propriedades mecânicas aparecem quando o material está sujeito a esforços de natureza mecânica. Isso quer dizer que essas propriedades determinam a maior ou menor capacidade que o material tem para transmitir ou resistir aos esforços que lhe são aplicados. Essa capacidade é necessária não só durante o processo de fabricação, mas também durante sua utilização. Do ponto de vista da indústria mecânica, esse conjunto de proprieda- des é considerado o mais importante para a escolha de uma matéria-prima.

Dentre as propriedades desse grupo, a mais importante é a resistência mecânica. Essa propriedade permite que o material seja capaz de resistir à ação de determinados tipos de esforços, como a tração e a compressão. Ela está ligada às forças inter- nas de atração existentes entre as partículas que compõem o

material. Quando as ligações covalentes unem um grande núme- ro de átomos, como no caso do carbono, a dureza do material é grande.

A resistência à tração, por exemplo, é uma propriedade bastante desejável nos cabos de aço de um guindaste. A elasticidade, por outro lado, deve estar presente em materiais para a fabricação de molas de veículos.

A elasticidade é a capacidade que o material deve ter de se deformar, quando submetido a um esforço, e de voltar à forma original quando o esforço termina. Quando se fala em elasticida- de, o primeiro material a ser lembrado é a borracha, embora alguns tipos de materiais plásticos também tenham essa proprie- dade. Porém, é preciso lembrar que o aço, por exemplo, quando fabricado para esse fim, também apresenta essa propriedade. É o caso do aço para a fabricação das molas.

Um material pode também ter plasticidade. Isso quer dizer que, quando submetido a um esforço, ele é capaz de se deformar e manter essa forma quando o esforço desaparece.

Essa propriedade é importante para os processos de fabricação que exigem conformação mecânica, como, por exemplo, na prensagem, para a fabricação de partes da carroceria de veícu- los, na laminação, para a fabricação de chapas, na extrusão, para a fabricação de tubos. Isso se aplica para materiais, como o aço, o alumínio e o latão. O que varia é o grau de plasticidade de cada um. A plasticidade pode se apresentar no material como maleabi-