Classificação dos materiais
Profa. Daniela Becker
Classificação dos materiais
„
A classificação tradicional dos
materiais é geralmente baseada
na estrutura atômica e química
destes.
Classificação dos materiais
„
„
„
„
„
„
Metais
Cerâmicos
Polímeros
Compósitos
Semicondutores
Biomateriais
Classificação dos Materiais
„
Metais
„
„
„
„
„
„
Materiais metálicos são geralmente
uma combinação de elementos
metálicos.
Os elétrons não estão ligados a
nenhum átomo em particular e por
isso são bons condutores de calor e
eletricidade
Não são transparentes à luz visível
Têm aparência lustrosa quando
polidos
Geralmente são resistentes e
deformáveis
São muito utilizados para aplicações
estruturais
Classificação dos metais
„
Ligas ferrosas
‰
‰
‰
„
Ferros fundidos
‰
„
Aços com baixo, médio e alto teor de carbono
Aços inoxdiváveis (liga de cromo)
Aço liga
Ferros cinzento, nodular e branco
Ligas não ferrosas
‰
‰
Cobre e suas ligas
Alumínio e suas ligas
Classificação dos aços
QUANTO A COMPOSIÇÃO
„ Aço-Carbono Î - sem elemento de liga
(elementos residuais: Si, Mn, P, S)
Alto, baixo e médio teor de carbono
„
Aço Liga
12%)
baixa liga (máximo 3-3,5%)
média liga
alta liga (teor total mínimo de 10-
Propriedades dos aços-carbono
„
„
„
„
„
„
A resistência aumenta com o teor de Carbono
A ductilidade diminui com o teor de Carbono
São aços de relativa baixa dureza
Oxidam-se facilmente
Suas propriedades deterioram-se a baixas e
altas temperaturas
São os mais usados e de mais baixo custo
Propriedades dos aços baixo carbono
AÇO BAIXO CARBONO Î< 0,3% C
„
„
„
Estrutura é usualmente ferrítica e perlítica
São fáceis de conformar e soldar
São aços de baixa dureza e alta ductilidade
Propriedades dos aços médio carbono
AÇO MÉDIO CARBONO Î 0,3-0,8% C
„
„
„
São aços de boa temperabilidade em água
Apresentam a melhor combinação de
tenacidade e ductilidade e resistência
mecânica e dureza
São os aços mais comuns, tendo inúmeras
aplicações em construção mecânica
Propriedades dos aços médio carbono
AÇO ALTO CARBONO Î > 0,8% C
„
„
„
Apresentam baixa conformabilidade e
tenacidade
Apresentam alta dureza e elevada
resistência ao desgaste
Quando temperados são frágeis
Aços ligados
ELEMENTOS DE LIGA MAIS COMUNS
„ Cr
„ Ni
„ V
„ Mo
„ W
„ Co
„ B
„ Cu
„ Mn, Si, P, S (residuais)
Efeito dos elementos de liga
„
„
Aumentam a dureza e a resistência
Conferem propriedades especiais como:
‰
‰
‰
‰
‰
‰
Resistência à corrosão
Estabilidade à baixas e altas temperaturas
Controlam o tamanho de grão
Melhoram a conformabilidade
Melhoram as propriedades elétricas e
magnéticas
Diminuem o peso (relativo à resistência
específica)
NÍQUEL
„
„
„
Aumenta a resistência ao impacto (2-5% Ni)
Aumenta consideravelmente a resistência à
corrosão em aços baixo carbono (12-20%
Ni)
Com 36% de Ni (INVAR) tem-se coeficiente
de expansão térmica próximo de zero.
Usado como sensores em aparelhos de precisão
CROMO
„
„
„
„
Aumenta a resistência à corrosão e ao calor
Aumenta a resistência ao desgaste (devido à
formação de carbetos de cromo)
Em aços baixa liga aumenta a resistência e a
dureza
É normalmente adicionado com Ni (1:2)
TUNGSTÊNIO
„
„
Mantém a dureza a altas temperaturas
Forma partículas duras e resistentes ao
desgaste à altas temperaturas
Presente em aços para ferramentas
Sistema de classificação dos aços
AISI-SAE
XXXX
1XXX Î Aço-carbono
10XX Î Aço-carbono comum
11XX Î teores diferenciados de S
12XX Î teores diferenciados de S e P
13XX Î alto teor de Mn (1,6-1,9%)
Sistema de classificação dos aços
2XXX Î Aço ao Níquel
3XXX Î Aço ao Níquel e Cromo
4XXX Î Aço ao Molibidênio
40XX Î Mo 0,15-0,3%
41XX Î Mo, Cr
43XX Î Mo, Cr, Ni
5XXX Î Aço ao Cromo
6XXX Î Aço ao Cromo e Vanádio
8XXX Î Aço ao Níquel, Cromo e Molibidênio
9XXX Î Outros
Ferros fundidos
„
„
Formam uma classe de ligas ferrosas que
possui teores de carbono acima de 2,14%
(3,0 a 4,5%C);
Temperaturas de fusão mais baixas (1150 e
1300ºC)
Ferro Cinzento
„
„
„
„
„
2,5 a 4,0%C e 1,0 a 3,0%Si
É fraco e frágil quando submetido a tração
São eficientes no amortecimento de energia
vibracional
Elevada resistência ao desgaste
Baixo custo
Ferro nodular
„
„
„
Adição de pequenas quantidade de magnésio
e/ou cério
Mais resistentes e dúcteis
Aplicação: válvulas, corpos de bombas,
virabrequins, engrenagens e outros
componentes automotivos e de máquinas
Ferro Branco
„
„
„
Ferros fundidos com baixo teor de sílicio
(<0,1%) e taxas de resfriamento rápidas
Extremamente duro e frágil (impossível de
ser usinado)
Aplicações que necessitam um superfície
muito dura e muito resistência à abrasão
Limitação dos aços e outras ligas ferrosas
„
„
„
Densidade relativamente alta
Condutividade elétrica comparativamente
baixa
Suscetibilidade inerente à corrosão em
alguns ambientes
Cobre e suas ligas
„
„
„
„
„
O cobre quando não se encontra na forma de
liga é muito mole e dúctil
Altamente resistente a corrosão
A maioria das liga de Cu não podem ser
endurecidas ou ter a sua resistência melhora
por tratamento térmico
Latões – Zn é o elemento de liga
predominante
Bronze – vários elementos incluindo estanho,
Al, Si e o Ni
Al e suas ligas
„
„
„
„
„
„
Densidade relativamente baixa (2,7g/cm3);
Condutividade elétrica e térmica elevadas
Resistência a corrosão
Alta ductibilidade (mesmo em temperaturas
baixas)
Baixa temperatura de fusão (660ºC)
Elementos de liga Cu, Mg, Si, Mn e o Zn
Ti e suas ligas
„
„
„
O metal puro tem densidade relativamente
baixa, elevado ponto de fusão e alto módulo
de elasticidade
As ligas são extremamente resistentes
Limitação – reatividade química com outros
materiais a temperaturas elevadas
Classificação dos Materiais
„
Cerâmicas
„
Materiais cerâmicos são geralmente
uma combinação de elementos
metálicos e não-metálicos.
„
Geralmente são óxidos, nitretos e
carbetos
„
São geralmente isolantes de calor e
eletricidade
„
São mais resistêntes à altas
temperaturas e à ambientes severos
que metais e polímeros
„
Com relação às propriedades
mecânicas as cerâmicas são duras,
porém frágeis
ALUMINA
Materiais Cerâmicos
„
„
„
„
„
Vidros
Produtos a base de argila
Refratários
Cimentos
Cerâmicas avançadas
Vidros
„
„
„
Usados em enormes quantidades
Todos os vidros importantes são à base se
sílica (SiO2)
Principais
‰
‰
Vidro comum de janela
Vidros de borossilicatos resistentes à temperatura
Produtos a base de argila
„
„
„
„
„
„
Facilidade de conformação
São aluminosilicatos (Al2O3 e SiO2)
Produtos estruturais
Porcelana
Louça e objetos de cerâmica
tijolo
Refratários
„
„
„
Capacidade de resistir a temperaturas
elevadas sem fundir ou decompor
Capacidade de permanecer não-reativo e
inerte quando expostos a ambientes severos
São divididos em : argila refratária, sílica
básica e refratários especiais
Cimentos
„
„
Cimentos inorgânicos: cimento, gesso-deparis e cal
A característica destes materiais é que
quando misturados a em água formam uma
pasta
Cerâmicas Avançadas
„
„
„
Materiais cerâmicos que apresentam
propriedades elétricas, magnética e óticas
Aplicações: motores a combustão interna e
de turbina, chapas de blindagem,
embalagens de componentes eletrônicos,
ferramentas de corte e para conversão,
armazenamento e geração de energia
Exemplos: Alumina densa, carboneto, nitreto
de silício, zircônia cúbica
Classificação dos Materiais
„
Polímeros
Materiais poliméricos são geralmente
compostos orgânicos baseados em
carbono, hidrogênio e outros
elementos não-metálicos.
„
São constituídos de moléculas muito
grandes (macro-moléculas)
„
Tipicamente, esses materiais
apresentam baixa densidade e
podem ser extremamente flexíveis
„
Materiais poliméricos incluem
plásticos e borrachas
Conceitos
Monômero
(gás / líquido)
Polímero
(sólido)
temperatura
pressão
ativadores
catalisadores
MONÔMERO = molécula pequena
MERO = unidade (estrutura química) de repetição da
molécula
OLIGÔMERO = molécula com poucos meros
POLÍMERO = macromolécula com muitos meros
Em relação ao número de diferentes meros
„
HomopolímeroÎapenas um único tipo de
mero
„
Copolímero Îdois ou mais meros
Exemplos de copolímeros
„
„
ABS (terpolímero de acrilonitrila, butadieno
estireno) – muito utilizado na indústria
automobilística (peças sujeitas a grandes
esforços mecânicos)
SAN (copolímero de estireno acrilonitrila) –
peças de alta transparência e que pode
entrar em contato com alimentos (copos de
liquidificadores, partes internas de
refrigerador
Em relação a estrutura química dos meros
„
„
„
PoliolefinasÎpolipropileno, polibutadieno,
poliestireno
PoliésteresÎpoli(tereftalato de etileno),
policarbonato
PoliéteresÎpoli(óxido de etileno), poli(óxido
de fenileno)
„
PoliamidasÎnylon, polimida
„
Polímeros celulósicosÎnitrato de celulose, acetato
de celulose
„
Polímeros acrílicosÎpoli(metacrilato de metila),
poliacrilonitrila
„
Polímeros vinílicosÎpoli(acetato de vinila),
poli(álcool vinílico)
„
Poliuretano
„
Resinas formaldeídas
Classificação quanto a fusibilidade
„
Refere-se ao comportamento ao serem
aquecidos
‰
‰
Termoplásticos
Termorígidos
Classificação – fusibilidade (comportamento
térmico)
„
Termoplástico
Classificação – fusibilidade
„
Termofixo
Classificação quanto ao comportamento
mecânico
„
Plásticos –
‰
„
Elastômeros (ou borrachas)
‰
„
São materiais em que algum estágio da fabricação são
fluídos, podendo ser moldados por aquecimento, pressão,
ou ambos
São materiais de origem natural ou sintética que, após
sofrerem deformação sob ação de uma força, retornam a
sua forma original quando esta força é removida
Fibras
‰
São corpos em que a razão entre comprimento e as
dimensões laterais são muito elevadas
Classificação dos materiais
TIPO DE
MATERIAL
CARACTERÍSTICAS
CONSTITUINTES TÍPICOS
METÁLICOS
Dúctil, Resistência Mecânica
Elevada, Condutor Elétrico e
Térmico, Dureza Elevada,
Opaco
Átomos Metálicos e NãoMetálicos
CERÂMICOS
Frágil, Isolante Térmico e
Elétrico, Alta Estabilidade
Térmica, Dureza Elevada
Transparentes em Alguns Casos
Óxidos, Silicatos, Nitretos,
Aluminatos,
etc.
POLIMÉRICOS
(Plásticos)
Dúctil, Baixa Resistência
Mecânica, Baixa Dureza,
Flexível, Baixa Estabilidade
Térmica, Transparentes em
Alguns Casos
Cadeia Molecular Orgânica
de Comprimentos Elevados
Classificação dos Materiais
„
Compósitos
„
„
„
„
Materiais compósitos são
constituídos de mais de um tipo de
material insolúveis entre si.
Os compósitos são “desenhados”
para apresentarem a combinação
das melhores características de
cada material constituinte
Muitos dos recentes desenvolvimento
em materiais envolvem materiais
compósitos
Um exemplo classico é o compósito
de matriz polimérica com fibra de
vidro. O material compósito
apresenta a resistência da fibra de
vidro associado a flexibilidade do
polímero
Exemplos
„
„
„
Polímero com fibra de vidro, fibra de
carbono, fibra natural e outros
Cimentos armado, cermet
Pneus de banda de aço
Classificação dos Materiais
„
Semicondutores
„
„
„
Materiais semicondutores
apresentam propriedades
elétricas que são intermediárias
entre metais e isolantes
Além disso, as características
elétricas são extremamente
sensíveis à presença de
pequenas quantidades de
impurezas, cuja concentração
pode ser controlada em
pequenas regiões do material
Os semicondutores tornaram
possível o advento do circuito
integrado que revolucionou as
indústrias de eletrônica e
computadores
Alguns exemplos
„
Silício
‰
„
um material semicondutor muito abundante, tem um
interesse muito especial na indústria eletrônica e
microeletrônica, como material básico para a produção de
transistores para chips, células solares e em diversas
variedades de circuitos eletrônicos.
Germânio
‰
‰
Fibra óptica.
Eletrônica: Radares, amplificadores de guitarras elétricas,
ligas metálicas de SiGe em circuitos integrados de alta
velocidade
Classificação dos Materiais
„
Biomateriais
„
Biomateriais são empregados em
componentes para implantes de
partes em seres humanos
„
Esses materiais não devem
produzir substâncias tóxicas e
devem ser compatíveis com o
tecido humano (isto é, não deve
causar rejeição).
„
Metais, cerâmicos, compósitos e
polímeros podem ser usados como
biomateriais.
Exemplos
„
Metais –
‰
aços inoxidáveis,
principalmente os
austeníticos (ortopedia –
confecção de próteses
articuladas e elementos
estruturais)
Cerâmicas
Tipos de biocerâmicas
¾ Bioinertes
Material que permanece no organismo sem induzir resposta
tecidual significativa (Alumina, Zirconia, Carbono)
¾ Bioativas
Material que induz cresicmento tecidual
(osteoindução / osteocondução) (vidros e vitrocerâmicos, fosfato
de cálcio
¾ Reabsorvível
Material que biodegrada no organismo, sendo que os
produtos da degradação são metabolizados sem causar
efeitos nocivos
Polímeros
Vantagens do uso de biomateriais poliméricos
9 Baixa densidade;
9 Facilidade de fabricação em diversos formatos, permitindo bom
acabamento;
9 Elevada eficiência dos processos de fabricação, permite elevada
produtividade;
9 Diversidade de propriedades;
9 Baixo consumo energético p/ processamento;
9 Comportamento elastomérico;
9 Possibilidade de polimerização “in situ”;
9 Resistência a corrosão