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Estrutura e propriedade dos materiais
Apresentação
Todas as obras da construção civil são realizadas com recurso de materiais de construção, sendo
assim, exige-se o conhecimento adequado de sua estrutura e das suas propriedades, além dos
processos de fabricação ou de transformação, de modo a garantir um nível preestabelecido de
qualidade para determinado produto.
Nesta Unidade de Aprendizagem, você aprenderá que toda e qualquer atividade humana, a partir
de certas matérias-primas e por meio de processos de fabricação para obter um produto final, pode
ser controlada. Dessa forma, torna-se necessário conhecer o processamento das matérias-primas.
Bons estudos.
Ao final desta Unidade de Aprendizagem, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
Identificar como o processamento das matérias-primas pode influenciar a estrutura
macroscópica e microestrutural dos materiais.
Relacionar estrutura interna com propriedades dos materiais (composição química, resistência
mecânica, peso, propriedade de absorção de energia, maleabilidade, conformabilidade, etc.).
Reconhecer as macropropriedades dos materiais: propriedade mecânica, elétrica, térmica,
magnética, óptica e deteriorativa.
Desafio
A pedra artificial obtida pela moldagem, secagem e cozedura de argilas ou de misturas contendo
argilas se chama cerâmica. Em certos casos, pode ser suprimida alguma das etapas citadas, mas a
matéria-prima é a argila. Nos materiais cerâmicos a argila fica aglutinada por uma pequena
quantidade de vidro, o qual segue pela ação do calor de cocção sobre os componentes da argila.
A argila é utilizada há muitos anos para os mais variados usos, sendo assim, você, como gestor de
materiais, deve explicar por que tijolos, azulejos e porcelanatos têm desempenho diferentes entre
si, mesmo sendo originários da argila queimada, relacionando a porosidade, o grau de vitrificação e
o tipo de argila utilizada.
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MATERIAIS DA
CONSTRUÇÃO
Roberta Centofante
Estrutura e propriedade
dos materiais
Objetivos de aprendizagem Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados: Identificar como o processamento das matérias-primas pode influen- ciar a estrutura macroscópica e microestrutural dos materiais. Relacionar estrutura interna com propriedades dos materiais (compo- sição química, resistência mecânica, peso, propriedade de absorção de energia, maleabilidade, conformabilidade, etc.). Reconhecer as macropropriedades dos materiais: propriedade mecâ- nica, elétrica, térmica, magnética, óptica e deteriorativa. Introdução Neste capítulo, você aprenderá que toda e qualquer atividade humana, a partir de certas matérias-primas e por meio de processos de fabricação para obter um produto final, pode ser controlada. Dessa forma, torna-se necessário conhecer o processamento das matérias-primas, bem como sua influência na estrutura dos materiais que comporão. Assim, levando em conta que todas as obras da construção civil são realizadas com recurso de materiais de construção, exige-se o conheci- mento adequado de sua estrutura e das suas propriedades, além dos processos de fabricação ou de transformação, para garantir um nível preestabelecido de qualidade para determinado produto.
O material cerâmico, por exemplo, consiste em materiais que resistem a elevadas temperaturas, geralmente funcionando como isolantes elétricos; além disso, são quimicamente estáveis sob condições ambientais severas e, normalmente, duros e frágeis. No entanto, esses materiais têm diferentes composições, podendo ser classificados em silicatos, óxidos, carbetos e nitre- tos. Ainda, com base na sua aplicação, podem ser classificados como vidros, cerâmicas avançadas, cerâmicas tradicionais, abrasivos e cimento. A cerâmica vermelha, que compreende produtos cerâmicos que, após a queima, apresentam colocação vermelha, de acordo com Maia (2012) tem como matéria-prima as argilas comuns e apresenta várias etapas de processamento, como extração, pré-preparo da matéria-prima, preparação da mistura (moagem e dosagem), conformação, corte, secagem, queima e, por fim, inspeção e estocagem dos produtos acabados. Sendo a argila uma mistura de diferentes minerais com tamanhos variados de partículas e, ainda, obtidos de diferentes fontes e com teores distintos de argilominerais, representa um material a ser analisado adequadamente por suas propriedades de granulometria, plasticidade e com- posição mineralógica, pois estas determinarão a qualidade das peças a serem fabricadas. Existem diversos tipos de argila, como caulim, bentonita, argila de grês, argila vermelha, refratária e argila bola. No caso de cerâmicas tradicionais, empregadas em tijolos, louças, refratários e abrasivos, em geral, pela porosidade, não são boas condutoras de calor e devem ser aquecidas em altíssimas temperaturas antes de fundir. Além disso, são resistentes e rígidas, mas também bastante frágeis, devendo, por isso, ser utilizadas técnicas especiais de processamento do material para que fiquem suficientemente resistentes à fratura, ao ponto de poderem ser usadas em aplicações estruturais por meio de uma modificação da estrutura interna. Entre os processos de fabricação da cerâmica utilizada em obras de engenharia, como exploração de jazida, extração de matéria-prima, tratamento, molda- gem, cozimento e secagem, o cozimento se caracteriza como o processo mais importante, de acordo com Ambrozewicz (2015), pois toda a água é eliminada nessa fase, ocorrendo mudanças químicas e estruturais na argila. A queima/ cozimento divide-se em três fases: desidratação, complementando a secagem; oxidação, queima a matéria orgânica e elimina o carvão e o enxofre para evitar possíveis patologias e melhorar a qualidade do produto; e vitrificação, quando a sílica se funde formando pequenas quantidades de vidro que aglutinam os demais elementos e fecham os poros dando resistência ao material, fase em que ocorrem as mudanças químicas. Segundo Callister Junior (2006), a composição dos materiais consiste em um conceito de química com significados similares, mas ligeiramente dife- Estrutura e propriedade dos materiais 3
rentes, caso se refira a uma substância pura ou a uma mistura. A composição química de uma substância pura corresponde às quantidades relativas dos elementos que constituem essa substância, podendo ser expressa por meio da fórmula química da substância. Já o termo “estrutura”, quando relacionado a um material, refere-se normalmente ao arranjo interno dos seus constituintes, que dependem da escala na qual será analisado o material. Essa escala pode variar desde dimensões atômicas até dimensões de milímetros ou metros; assim, a forma de processamento das matérias-primas influencia diretamente na estrutura dos materiais, tanto em escala micro quanto macro. Com o tempo, descobriram-se técnicas para a produção de materiais para conferir propriedades superiores às dos produtos naturais e que as propriedades de um material podem ser alteradas, por exemplo, por tratamentos térmicos ou adição de outras substâncias. Dessa forma, pode-se definir o processamento de matérias-primas como um conjunto de técnicas empregadas para obtenção de materiais com formas e propriedades específicas, de acordo com Callister Junior (2006). Por exemplo, o óxido de alumínio (Al 2 O 3 ) pode ser processado por diferentes métodos, resultando em materiais com distintas propriedades — as diferenças ópticas são uma consequência de diferenças nas estruturas desse material, resultadas da maneira como foi processado. Assim, é possível obter, a partir de um único material, dispositivos ópticos com o uso em tecnologia de laser e smartphones , sendo transparente e resistente, ou, ainda, translúcido e resistente ao vapor de sódio (lâmpada de vapor de sódio) ou, também, isolante elétrico resistente (vela de ignição). Os processos de micromanufatura são utilizados para elementos plásticos, metálicos e compósitos para a produção de peças pequenas, em particular em larga escala. Todos os produtos manufaturados ou fabricados são constituídos de átomos. Guazzelli e Perez (2009) afirmam que nanotecnologias, por exemplo, conseguem criar novos materiais sintéticos ou modificar os existentes a partir dos átomos ou moléculas. De acordo com Pereira (2009), os plásticos fazem parte da família dos polímeros, os quais se constituem de moléculas caracterizadas pela repetição múltipla de uma ou mais espécies de átomos, formando macromoléculas que se ligam através de reações químicas. A matéria-prima dos plásticos é o pe- tróleo, rico em carbono, podendo ser feitas várias combinações nas moléculas resultando em uma variedade quase infinita de plásticos com propriedades químicas diferentes. A maioria dos plásticos é quimicamente inerte e incapaz de sofrer reações químicas com outras substâncias, tornando-se de difícil desintegração; por isso, pode-se armazenar álcool, sabão, água, ácido ou gasolina em um recipiente de plástico sem dissolvê-lo. 4 Estrutura e propriedade dos materiais
de um material depende do agrupamento e da organização dos átomos e da estrutura interna. Cada um dos materiais tem características próprias: o ferro fundido é duro e frágil; o aço é bastante resistente; o vidro transparente e frágil; o plástico impermeável; a borracha elástica; o tecido bom isolante térmico, etc. Então, dureza, fragilidade, resistência, impermeabilidade, elasticidade e condução de calor consiste em alguns exemplos de propriedades específicas de cada material, intimamente relacionadas à natureza das ligações que existem entre os átomos, ou seja, as propriedades dos materiais dependem da composição química e da microestrutura (arranjo cristalino, tamanho dos grãos, defeitos) do material. De acordo com Callister Junior (2006), a compreensão de muitas proprie- dades físicas dos materiais baseia-se no conhecimento das forças interatômicas que unem os átomos, prendendo-os. Desse modo, pode-se ilustrar melhor os princípios das ligações atômicas considerando-se a interação entre dois átomos isolados à medida que são colocados em proximidade desde uma separação infinita — em grandes distâncias, as interações entre eles são desprezíveis. Contudo, à medida que os átomos se aproximam, cada um deles exerce uma força sobre o outro, e a magnitude dessa força, denominada atrativa ou repul- siva, é função da separação ou distância interatômica. Há três tipos diferentes de ligações primárias ou químicas encontradas nos sólidos — iônica, covalente e metálica —, em geral, originando-se da tendência dos átomos de adquirir estruturas eletrônicas estáveis. Callister Junior (2006) afirma que a natureza da ligação depende das estruturas eletrônicas dos áto- mos constituintes e que, para cada tipo, a ligação envolve, necessariamente, os elétrons de valência. Além destas, forças e energias secundárias ou forças de van der Waals também são encontradas em muitos materiais. E, embora mais fracas, influenciam as propriedades físicas de alguns materiais, sendo representadas pelas ligações entre moléculas polares e dipolos induzidos, ligações dipolo permanentes e pontes de hidrogênio. A ligação iônica, encontrada em compostos cuja composição envolve tanto elementos metálicos quanto não metálicos, dá-se pela atração entre íons de carga elétrica contrária (íons positivos – cátions e íons negativos – ânions), motivada por forças coulombianas. De acordo com Callister Junior (2006), na ligação iônica, a magnitude é igual em todas as direções ao redor do íon; portanto, para que os materiais iônicos sejam estáveis em um arranjo tridimen- sional, todos os íons positivos devem ter íons carregados negativamente. Nos materiais cerâmicos, por exemplo, a ligação predominante é iônica, situação em que as energias de ligação são relativamente altas. Dessa forma, os materiais 6 Estrutura e propriedade dos materiais
iônicos são materiais duros e quebradiços e, ainda, isolantes elétricos e térmi- cos. Ainda assim, vale lembrar que a ligação atômica nesses materiais varia desde puramente iônica até totalmente covalente: muitas cerâmicas exibem uma combinação dos dois tipos de ligação, e o nível do caráter iônico depende das eletronegatividades dos átomos. Além disso, duas características dos íons componentes em materiais cerâmicos cristalinos influenciam a estrutura do cristal — a magnitude da carga elétrica em cada um dos íons componentes (o cristal deve ser eletricamente neutro) e os tamanhos relativos dos cátions e ânions (raios iônicos). Os materiais cerâmicos são formados por espécies químicas metálicas e não metálicas, com ligações iônicas e covalentes com elétrons ligados em posições definidas e fixas. Suas principais propriedades são resistência mecânica, baixa deformação na ruptura, estabilidade a altas temperaturas, resistência ao ataque químico e isolamento elétrico. A ligação covalente se dá por meio de uma aproximação muito intensa entre dois elementos químicos que se ligarão, de maneira que alguns elétrons da camada de valência de um dos átomos circundam o núcleo do outro átomo, e vice-versa. Desse modo, os elementos não perdem nem ganham elétrons, mas sim os compartilham. Para Callister Junior (2006), as ligações covalentes podem ser muito fortes, como no diamante, muito duro e com temperatura de fusão muito alta, ou muito fracas, como no bismuto, que funde em temperatura muito baixa em comparação ao diamante. Os materiais poliméricos tipificam essa ligação, sendo a estrutura molecular básica uma longa cadeia de átomos de carbono que se encontram ligados entre si de maneira covalente. O carbono, por exemplo, é um elemento que existe em várias formas polimórficas e também no estado amorfo, ou seja, aqueles em que os átomos não representam qualquer tipo de regularidade ou organização em termos de sua disposição espacial, ou, caso exista algum ordenamento, ocorre a curto alcance. Esse grupo de materiais, segundo Callister Junior (2006), não se enquadra, na realidade, dentro de qualquer um dos esquemas de classificação tradicionais para metais, cerâmicas e polímeros. O diamante, à temperatura e à pressão atmosférica ambientes, é um polimorfo do carbono, em que cada átomo de sua estrutura se liga a quatro outros átomos de carbono por ligações covalentes. A superfície de perfuratrizes e de outras ferramentas, como discos de corte, tem sido revestida com películas de diamante com o objetivo, por exemplo, de aumentar a dureza superficial dos materiais. Outro polimorfo do carbono é a grafita, com uma estrutura cristalina muito diferente da do diamante, sendo mais estável à temperatura e à pres- são atmosférica ambientes, em que alguns elétrons participam de uma fraca Estrutura e propriedade dos materiais 7
conformação de superfícies com propriedades aerodinâmicas. Outro aspecto considerado é a economia de combustível; portanto, o aço em chapas deve ser também leve e fino. Além disso, tais tipos de aço precisam, em caso de colisão, absorver quantidades significativas de energia, significando, em suma, requisitos contraditórios. Dessa forma, características como composição química, resistência mecânica, peso, propriedades de absorção de energia e maleabilidade devem ser levadas em consideração. Como ocorre com os metais e os materiais cerâmicos, as propriedades dos polímeros estão relacionadas de maneira complexa aos elementos estruturais do material. Os polímeros se constituem em moléculas de cadeia longa com grupos repetitivos que apresentam ligações covalentes geralmente muito for- tes. Os principais elementos dessa cadeia são carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, flúor e outros elementos não metálicos. As cadeias se unem entre si por ligações secundárias (forças de van der Waals) relativamente fracas. Suas propriedades principais são baixa resistência, baixa densidade, facilidade de conformação em formas complexas, difícil reparação e, em geral, baixa resistência aos raios ultravioleta. De acordo com Callister Junior (2006), algumas das características mecânicas e térmicas dos polímeros representam uma função da habilidade dos segmentos da cadeia em experimentar uma rotação em resposta a aplicações de tensões ou a vibrações térmicas. As características físicas de um polímero dependem do seu peso molecular, da sua forma e, também, das diferenças na estrutura das cadeias moleculares. As técnicas modernas de síntese de polímeros permitem um controle considerável sobre várias possibilidades estruturais. Entre as estruturas moleculares, estão as lineares, ramificadas, com ligações cruzadas, em rede, além de várias configurações isoméricas. Portanto, os materiais são escolhidos a partir de um banco de dados obtidos por meio de ensaios laboratoriais, os quais, muitas vezes, podem não se ajustar exatamente às aplicações reais de Engenharia, embora funcionem como um norte para a escolha do melhor material. Por exemplo, materiais com a mesma composição química podem ter propriedades mecânicas muito diferentes, determinadas por sua microestrutura. Além disso, mudanças de tempera- tura, natureza cíclica das tensões aplicadas, alterações químicas causadas pela oxidação, corrosão ou erosão, mudanças microestruturais causadas pela temperatura, ação de eventuais defeitos introduzidos durante a fabricação e outros fatores são capazes de alterar o comportamento mecânico dos materiais. Estrutura e propriedade dos materiais 9
Para saber mais sobre como a estrutura interna dos materiais influencia nas suas propriedades, sugerimos o livro Fundamentos da Engenharia e Ciência dos Materiais, de William F. Smith e Javad Hashemi, publicado pela McGraw-Hill/Bookman em 2012. Macropropriedades dos materiais Pode-se conceituar a propriedade de um material de acordo com o tipo e a intensidade da resposta a um estímulo imposto a este. Entre as propriedades dos materiais, estão as mecânicas, físicas, elétricas, térmicas, magnéticas, ópticas, químicas e de degradação (corrosão, oxidação, desgaste). As propriedades mecânicas correspondem a um conjunto de propriedades de grande importância na indústria mecânica, as quais surgem quando o material está sujeito a esforços de natureza mecânica. Isso quer dizer que se avalia a capacidade do material de transmitir ou resistir aos esforços que lhe são aplicados, ou seja, determina-se a maior ou menor capacidade que o ma- terial apresenta não só durante o processo de fabricação, mas também durante sua utilização. O comportamento de um material quando sujeito a esforços mecânicos define as propriedades mecânicas; dessa forma, solicitações como cargas, peso próprio, ação do vento, etc. podem ser chamadas de esforços mecânicos, a que constantemente se submetem os materiais de construção. Existem alguns comportamentos dos materiais quanto à deformação, quando solicitados a um esforço, que podem ser elásticos ou plásticos. O comportamento elástico refere-se ao momento em que, quando se aplica uma tensão no material e ele deforma, seguida da remoção desse carregamento, sua estrutura inicial é recuperado. O comportamento plástico se dá quando não ocorre essa recuperação inicial após a retirada de tensão, mas uma re- cuperação parcial. A plasticidade pode se apresentar no material como maleabilidade — pro- priedade que um material (p. ex., um aço) apresenta de poder ser laminado, estampado, forjado, entortado e repuxado — e como ductilidade, que corres- ponde ao oposto da fragilidade — os materiais, ao sofrerem a ação de uma força, deformam-se plasticamente sem se romperem. Uma característica do 10 Estrutura e propriedade dos materiais
classificadas como condutividade elétrica, que corresponde à capacidade de determinados materiais de conduzir a corrente elétrica, e, ainda, resistividade, a resistência que o material oferece à passagem da corrente elétrica, como a capa plástica que recobre o fio elétrico. Vale ressaltar que a capacidade isolante de um material nem sempre é proporcional à espessura, existindo outros fatores, como área específica e porosidade, que influenciam nessa característica. A madeira, por exemplo, é um material que apresenta comportamento isolante quando seca; no entanto, quando úmida, tem característica condutora. Ainda, as propriedades térmicas são as que determinam o comportamento dos materiais quando submetidos a variações de temperatura, tanto no proces- samento do material quanto na sua utilização. Tal propriedade é verificada no comportamento que o material pode oferecer quando em trabalho (materiais resistentes a altas ou baixas temperaturas), ou seja, um material pode contrair ou dilatar com a temperatura e sua estrutura se alterar. O conhecimento dessa propriedade também está relacionado à fabricação do material onde o ponto de fusão corresponde à temperatura que o material passa do estado sólido para o líquido e o ponto de ebulição, a temperatura em que o material passa do estado líquido para o gasoso. E, ainda, dentro das propriedades térmicas, está a dilatação térmica, a propriedade que faz com que os materiais, em geral, aumentem de tamanho em temperaturas elevadas, e a condutividade térmica, a capacidade que determinados materiais têm de conduzir o calor. Os materiais metálicos apresentam plasticidade, isto é, podem ser deformados ao se quebrarem e são bons condutores de calor e de eletricidade. Essas propriedades térmica e elétrica estão ligadas à mobilidade dos elétrons e dos átomos da estrutura desses materiais. Em comparação a materiais não metálicos, é possível verificar que, em sua maioria, são maus condutores de calor e eletricidade. A Figura 1 mostra uma fotografia de um cubo quente fabricado a partir de um material isolante à base de fibra de sílica. Apenas alguns segundos após ter sido retirado de um forno quente, o cubo pode ser segurado pelas arestas 12 Estrutura e propriedade dos materiais
com as mãos nuas. A condutividade térmica desse material é tão pequena que a condução de calor do seu interior para a superfície é muito reduzida. Figura 1. Cubo quente feito a partir de material isolante. Fonte: Callister Junior (2006). Para as construções, por exemplo, a condutividade térmica consiste em um parâmetro muito importante, pois permite estimar o fluxo de calor através de uma parede, ou seja, ao se considerarem dois ambientes separados por um elemento com diferentes temperaturas, o calor do ambiente mais quente será transmitido por condução externa e radiação para a superfície da parede, atravessando por condutividade interna e transmitindo-se para o ambiente frio por condutividade externa e radiação. A propriedade magnética é aquela que demonstra a resposta de um material à aplicação de um campo magnético, como o equipamento envolvido na técnica de ressonância magnética. Já a propriedade óptica é aquela em que o estímulo é a radiação eletro- magnética ou a radiação luminosa, verificada pela transmitância de luz de três amostras de óxido de alumínio, uma em monocristral, outra em vários Estrutura e propriedade dos materiais 13
