Ciência dos Materiais – 1ª Parte
Documento Provisório-2002
Joana de Sousa Coutinho
1.4.5 Materiais electrónicos
Os materiais electrónicos não constituem um grupo importante em termos de
volume de materiais, mas são um grupo extremamente importante em termos de
tecnologias avançadas. O material electrónico mais importante é o silício puro, o qual é
modificado de várias maneiras, a fim de se alterarem as suas características eléctricas.
Um grande número de circuitos electrónicos complexos pode ser miniaturizado num
chip de silício, isto é, num cristal de silício, com a forma de um quadrado com cerca de
0,635 cm (1/4 de polegada) de lado. Foram os sistemas de microelectrónica que
tornaram possível o aparecimento de novos produtos e equipamentos, tais como os
satélites de comunicação, os computadores, as calculadoras de bolso, os relógios
digitais e os robots de soldadura (Smith, 1998).
1.5 Comparação e variabilidade dos materiais
1.5.1 Selecção de materiais
A variabilidade das composições física e química dos diversos materiais tem de
ser considerada pelos utilizadores ligados ao projecto de estruturas que tem de
estabelecer critérios formais para definir que materiais se devem utilizar.
O engenheiro terá que considerar a aptidão do material escolhido para a estrutura
projectada. O critério mais importante na selecção do material é justamente a aptidãopara-o-uso, pois é necessário garantir que o material apresente um desempenho
satisfatório quer durante a fase construtiva, quer em serviço, quando a estrutura já
estiver construída. Satisfazer este critério será, provavelmente, ter que considerar as
propriedades principais do material:
a) O material terá que ser suficientemente resistente de modo a resistir às cargas
a que a estrutura estará sujeita.
b) Os elementos fabricados com o material não poderão deformar-se demasiado.
c) O material não poderá degradar-se significativamente durante o período de
vida útil da estrutura.
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d) Outros aspectos poderão ser incluídos no critérios da aptidão-para-o-uso. Por
exemplo, a impermeabilidade poderá ser essencial, ou o prazo de construção. Também a
estética e os efeitos no ambiente não podem ser esquecidos.
Em muitas situações práticas existe mais de um material que satisfaz os critérios
de aptidão-para-o-uso. Por exemplo elementos em tracção poderão ser feitos de aço ou
madeira, placas de revestimento de edifícios poderão ser executados com compósitos de
fibras, metal, madeira ou alvenaria. Então a questão será resolvida pelo engenheiro que
terá de decidir e julgar qual o material que é mais adequado entre os que satisfazem os
critérios de aptidão-para-o-uso. Á primeira vista parecerá simples esta decisão mas
mesmo com vastos conhecimentos e informações sobre cada material é muitas vezes
necessário recorrer á ajuda de especialistas.
Um outro critério que pode resolver e, em geral, resolve a questão de qual o
material mais adequado dentro dos com aptidão-para-o-uso, é a questão do CUSTO. O
custo estimado de uma obra não poderá exceder, evidentemente, o valor disponível, e
muitas vezes a solução escolhida é a mais barata. Aparentemente esta solução é um
critério simples em que se comparam valores de custos entre as várias soluções. Na
prática, não é assim tão simples. Pois por exemplo poderá haver dificuldades em
interpretar o balanço entre o primeiro investimento e custos de manutenção, ou, por
exemplo, avaliar os custos dos efeitos de não cumprimento de prazos de construção
causado por entregas tardias na obra, do material escolhido (prazos de entrega não
garantidos). (Illston, 1998)
1.5.2 Variabilidade
O utilizador de materiais terá então de considerar os critérios de aptidão-para-ouso para decidir que material empregar. Uma questão importante reside na variabilidade
das propriedades do material em si. Esta variabilidade depende claramente da
homogeneidade do material na estrutura, que, por sua vez depende de como o dito
material foi produzido.
Num extremo da escala a produção de aço constitui um processo bem
desenvolvido e controlado pelo que um determinado tipo de aço pode ser facilmente
reproduzido e a variabilidade de propriedades como a resistência é reduzida; No
extremo oposto a madeira natural que apresenta nós e defeitos que conduzem
inevitavelmente a uma variação maior dos valores das propriedades.
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A maioria das propriedades varia de acordo com a Lei Normal ou de Gauss:
y=
 (x − x)2 
exp −

2σ 2 
σ 2π

1
em que:
y é a função densidade de probabilidade
x é a variável
Consideremos que x representa por exemplo, a resistência. Então esta
propriedade pode ser representada por dois números:
A resistência média, x , para n amostras, é dada por:
x=
∑x
n
A variação da resistência, representada pelo desvio padrão σ , é dada por:
σ2 =∑
(x − x)2
n −1
O desvio padrão apresenta as mesmas unidades que a variável e expressa a sua
variabilidade. Para se compararem diferentes materiais ou diversos tipos do mesmo
material, utiliza-se o coeficiente de variação que é uma grandeza adimensional:
c.v. =
σ
x
Como em principio a madeira natural tem maior variabilidade do que o aço, para
propriedades comparáveis o coeficiente de variação será maior na madeira. É possível
reduzir o coeficiente de variação quando o material é fabricado. Por exemplo, o
coeficiente de variação de aglomerado de madeira é bastante menor do que de madeira
natural.
Apresentam-se valores típicos da resistência média e coeficientes de variação de
alguns materiais no Quadro 1.1 obtidos em ensaios em provetes do mesmo lote ou
amassadura dos material típico (Illston, 1998).
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Quadro 1.1 – Resistências e coeficientes de variação de alguns materiais de construção (Illston, 1998)
Material
Resistência média c.v. comentário
MPa
%
Aço
460 tracção
2
Aço macio de construção
Betão
40 compressão
15 Betão de massa volúmica normal.
Provetes cúbicos.28 dias.
Madeira
30 tracção
35 Resinosas, não classificada
120 tracção
18 Sem nós,de resinosas, paralelamente ás
fibras
11 tracção
10 Contraplacado estrutural
Compósitos
18 tracção
10 Fibras contínuas de polipropileno com
cimentícios com
6% (em volume) na direcção das tensões
fibras
alvenaria
20 compressão
10
Muros pequenos de tijolo com argamassa
1.6 Resumo
A ciência de materiais e a engenharia de materiais (conjuntamente, ciência e
engenharia de materiais) formam uma ponte de conhecimentos sobre materiais, que liga
as ciências básicas às diversas especialidades de engenharia. A ciência de materiais visa
essencialmente a descoberta de conhecimentos fundamentais sobre os materiais,
enquanto a engenharia de materiais se dedica principalmente à aplicação desses
conhecimentos.
Os três tipos principais de materiais são: os materiais metálicos, os materiais
poliméricos e os materiais cerâmicos. Existem, no entanto, outros dois tipos de
materiais que são muito importantes nas tecnologias modernas: os materiais compósitos
e os materiais electrónicos. Neste livro, serão tratados todos estes tipos de materiais.
Os materiais competem uns com os outros na conquista dos mercados actuais e
futuros, pelo que é frequente assistir-se, para determinadas aplicações, à substituição de
um material por outro. A disponibilidade de matérias primas, os custos de produção,
bem como o desenvolvimento de novos materiais e de novas técnicas de fabrico, são os
principais factores que provocam mudanças no consumo dos materiais (Smith, 1998)
1.7 Definições
Materiais: substâncias com as quais se fazem objectos. A designação materiais
de engenharia é usada, por vezes, em referência específica aos materiais que se utilizam
para o fabrico de produtos técnicos. Contudo, não há uma linha de separação clara entre
as duas designações, pelo que ambas são usadas indistintamente.
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Ciência de materiais: disciplina científica que visa fundamentalmente a
descoberta de conhecimentos básicos sobre a estrutura interna, as propriedades e o
processamento de materiais.
Engenharia de materiais: especialidade de engenharia que se dedica
essencialmente à aplicação dos conhecimentos científicos sobre materiais, de modo a
que estes possam ser convertidos em produtos úteis ou desejados pela sociedade.
Materiais metálicos (metais e ligas metálicas): materiais caracterizados por
possuírem elevadas condutividades térmica e eléctrica. A título de exemplo, citam-se o
ferro, o aço, o alumínio e o cobre.
Materiais
metálicos
ferrosos:
materiais
metálicos
que
contêm
uma
percentagem elevada de ferro, tais como os aços e os ferros fundidos.
Materiais metálicos não ferrosos: materiais metálicos que não contêm ferro ou
em que o ferro surge apenas em pequena quantidade. O alumínio, o cobre, o zinco, o
titânio e o níquel, bem como as respectivas ligas, são exemplos de materiais não
ferrosos.
Materiais cerâmicos: materiais formados por compostos de metais com não
metais. São geralmente duros e frágeis. Os materiais feitos de argila, o vidro e o óxido
de alumínio, compactado e densificado a partir de pós, constituem exemplos de
materiais cerâmicos (Smith, 1990).
Materiais poliméricos: materiais formados por longas cadeias moleculares de
elementos leves, tais como o carbono, o hidrogénio, o oxigénio e o azoto. A maioria dos
materiais poliméricos tem uma condutividade eléctrica baixa. O polietileno e o cloreto
de polivinilo (PVC) são exemplos de materiais poliméricos.
Materiais compósitos: materiais que consistem em misturas de dois ou mais
materiais. A título de exemplo, citam-se os materiais constituídos por fibras de vidro
numa matriz de poliéster ou de resina epoxídica. (Smith, 1990). O betão, a madeira
(celulose e lenhina) e os ossos, são exemplos de materiais compósitos.
Materiais electrónicos: materiais usados em electrónica, e especialmente em
microelectrónica. Citam-se, a título de exemplo, o silício e o arsenieto de gálio (Smith,
1998).
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