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Novos Materiais de Engenharia
- Propriedades e Aplicações Industriais -
Júlio F. Baumgarten, Mestre Eng. de Materiais & Processos Avançados
METALAB Análise de Materiais Ltda.
Centro Tecnológico de Engenharia de Materiais
Desde 1999
1. Introdução aos Novos Materiais de Engenharia
Desde os primórdios, os homens se preocupam com a evolução dos
materiais, quer seja através o uso de materiais naturais, como pedras,
madeiras, ossos de animais, etc., quer seja desenvolvendo novos materiais
através do uso de tecnologia. Um aspecto importante, é que o “Domínio da
Área de Materiais” sempre representou domínio de um Povo sobre o outro,
isto é, aquele que possuía as Melhores Armas era o Vencedor!
A comprovação da importância dos Materiais sobre a Humanidade está
inclusive na forma de separar as diferentes “Eras da Humanidade” onde
encontramos a Idade do Cobre (6.000 AC), Idade do Bronze (5.000 AC), Idade
do Ferro (4.000 AC), sendo que os mais importantes desenvolvimentos
tecnológicos ocorreram a partir do ano 1.700 DC.
Descoberta dos Metais ao longo do Tempo
A partir de 1.750 houve um aumento significativo na descoberta
dos (novos) elementos químicos.
MATERIAIS DE ENGENHARIA
“O domínio e o conhecimento dos materiais
sempre representou poder para o Homem”
2. Classificação dos Materiais
AÇOS
FERROSOS
METÁLICOS
CRISTALINO
SÓLIDOS
MATERIAIS
LÍQUIDOS
GASOSOS
AMORFO
Baixo Carbono
Alto Carbono
Baixa Liga
Média Liga
Alta Liga
FERRO FUND.
Alumínio
Cobre
Ñ FERROSOS
Níquel
Zinco
Titânio
Polímeros de Engenharia
Cerâmica Avançada
Ñ. METÁLICOS
Vidros Cristal
Cinzento
Nodular
Branco
Maleável
Vermicular
Cermets
COMPÓSITOS
Matriz Metálica
Glass
Cerâmica Avançada
Plásticos de Engenharia
Polímeros
ORGÂNICOS
Elastômeros
Madeiras
INORGÂNICOS
Vidros
Metal Amorfo
Cerâmica Avançada
Classes dos Materiais de Engenharia
Os Materiais de Engenharia estão separados em 4 Classes, como
função de sua Natureza Físico – química e Microestrutura.
Num Projeto podemos utilizar:
-
Metais e Ligas
Polímeros de Engenharia
Cerâmica Avançada
Materiais Compósitos
Os Materiais Compósitos são ainda classificados em função da
sua Matriz Estrutural em: CMM, CMP e CMC.
Evolução dos Materiais ao longo do Tempo
EXEMPLO DE COMPÓSITOS - FIBRA DE CARBONO
Extra - 300
Bordo de Ataque da Asa
Caracterização dos Novos Materiais
Em qualquer Projeto onde se utilizam Novos Materiais, a principal
preocupação será garantir as Propriedades deste.
Num Projeto devemos ter cuidados com:
-
Microestrutura do Material
Processamento
Condição de Aplicação
Propriedades Intrínsecas
* Para avaliar o Componente, analisamos suas características.
3. Definição de Propriedade dos Materiais
“UMA PROPRIEDADE É UMA QUALIDADE QUE O MATERIAL
APRESENTA QUANDO SOLICITADO, INDEPENDENTE
DAS
CONDIÇÕES EM QUE O MESMO ESTEJA , ISTO É , A
PROPRIEDADE É UMA QUALIDADE INTRÍNSECA DO MATERIAL”
Classificação das Propriedades dos Materiais
Estática
- Tração
- Torção
- Compressão
- Cizalhamento
- Flexão
RESIST. MECÂNICA
Dinâmica
- Fadiga (esforço cíclico)
- Tenacidade (resist. ao impacto)
- Fluência (escoamento a quente)
PROP. TÉRMICAS
- Resistência Mecânica ( Creep)
- Capacidade de Absorção de Calor
- Condutibilidade Térmica
- Dilatação Térmica
- Resistência ao Calor
PROP. ÓTICAS
- Condutibilidade Luminosa
- Refração
- Difração
Classificação das Propriedades dos Materiais
PROP. QUÍMICAS
- Resistência à Oxidação
- Reação com outros materiais
- Resistência à Corrosão
PROP. MAGNÉTICAS
- Ferromagnetismo
- Paramagnetismo
- Diamagnetismo
PROP. ELÉTRICAS
- Condutividade
- Semicondutividade
- Isolamento
PROP. FUNCIONAIS
- Estanqueidade
- Densidade ( Peso Específico )
- Resis. ao Desgaste ( Tribologia )
- Acabamento Superficial
- Amortecimento de Vibrações
- Elasticidade
- Permeabilidade ( Tubulações / Tanques )
- Cor e Tonalidade
4. CRITÉRIOS PARA SELEÇÃO DE NOVOS MATERIAIS
Atender com Segurança as condições de serviço, com o menor custo,
levando em conta as propriedades mecânicas, resistência à corrosão,
facilidade de fabricação e manutenção. Portanto, a primeira etapa
para a escolha de um Novo Material, é uma Avaliação Criteriosa dos
seguintes parâmetros de seleção:
- Propriedades Mecânicas
- Condições de Serviço
- Disponibilidade no Mercado
- Custo (material & fabricação)
- Segurança e Meio Ambiente
Propriedades Mecânicas dos Materiais
- Limite de Resistência
- Limite de Escoamento
- Alongamento
- Limite de Fadiga
- Tenacidade à Fratura
- Dureza (superfície & núcleo)
- Resistência ao Desgaste
- Resistência à Corrosão
Condições de Serviço dos Componentes
- Temperatura de Operação
- Fluido de Serviço:
. composição química
. concentração
. pH
. impurezas
. sólidos em suspensão
. ponto de fulgor
. toxidez, etc.
- Pressão de Operação
- Velocidade do Fluido
- Nível e Natureza de Tensões no material
5. O ESTADO DA ARTE DOS MATERIAIS DE ENGENHARIA
Atualmente, o desenvolvimento de Novos Materiais está voltado
para a obtenção de Produtos cada vez mais resistentes,
econômicos e menos poluentes.
Os principais objetivos nas pesquisas dos Novos Materiais são:
- Metais: Ligas com maior Resistência Específica e Tenacidade.
- Polímeros: Blendas com melhor Desempenho Mecânico e
Térmico, com menores custos de processamento.
- Cerâmicos: Melhoria na Tenacidade e Aumento da Resistência
Mecânica, com menores custos de processamento.
- Compósitos: Materiais mais Resistentes Mecanicamente e
Termicamente, com menores custos de processamento.
5.1 - O ESTADO DA ARTE DOS MATERIAIS METÁLICOS
Com o desenvolvimento de Novos Materiais Metálicos, o mercado
mundial tem a oferecer:
- Aços: Materiais Microligados, Chapas de Ultraplasticidade, Ligas
de Soldabilidade Melhorada, Superligas (Ultraresistência).
- Alumínio: Ligas especiais, principalmente contendo Lítio, Titânio
e Vanádio, Ligas para Tratamentos Térmicos T6, Ligas com
Forjamento Melhorado (rodas & componentes aeronáuticos).
- Magnésio: Ligas Especiais de Elevada Tenacidade e Resistência
Mecânica (componentes esportivos & aeronáuticos).
- Inoxidáveis: Ligas P.H. (precipitating hardening), Ligas
Biocompatíveis, Ligas de alta Resistência ao Desgaste.
- Ligas Refratárias: Hastelloy, Monel, Inconel.
Ligas Metálicas Especiais
ESTRUTURA DO CHASSI DO FORD GT
ESTRUTURA FORD GT - SUPER CAR 2012
5.2 - O ESTADO DA ARTE DOS MATERIAIS POLIMÉRICOS
Com o desenvolvimento de Novos Materiais Poliméricos, o
mercado mundial tem a oferecer:
- Polímeros de Alto Desempenho: Poliimidas, Polisulfonas,
Polieterimida, Polietersulfona, Polietér-eter-cetona, Poliacrilato,
Fluorpolímeros, Polímero de Cristal Líquido, Polisulfeto de
Fenileno, Poliftalamida, Poliamida 12.6, Náilon de Alta
Temperatura, Policetona e outros.
- Polímeros de Engenharia: Policarbonato, Blendas de Polisulfona,
Polietileno Tereftalato, Polibutileno Tereftalato, Polióxido de
Fenileno, Poliacetal, Poliamida 6.6, Polietileno de Ultra-alta
Densidade, Polimetilmetacrilato e outros.
Blendas Poliméricas Especiais
5.3 - O ESTADO DA ARTE DOS MATERIAIS CERÂMICOS
Com o desenvolvimento de Novos Materiais Cerâmicos (Al2O3 /
ZrO2 / SiC / Si3N4), o mercado mundial tem a oferecer:
- Componentes para Alta Temperatura: Turbinas, rotores,
suportes para fornos, tubeiras de foguetes, anéis de vedação,
ponteiras de solda, tubos queimadores para fornos, suporte
para catalizadores, molas para altas temperaturas, etc..
- Componentes para Alta Resistência ao Desgaste: Rolamentos,
fieiras de trefilação, ferramentas de usinagem, peças de
motores de combustão, placas de desgaste, selos mecânicos,
próteses, equipamentos esportivos, ferramentas de perfuração,
equipamentos bélicos, etc..
Materiais Cerâmicos Especiais
5.4 - O ESTADO DA ARTE DOS MATERIAIS COMPÓSITOS
Com o desenvolvimento de Novos Materiais Compósitos (CMM /
CMC / CMP), o mercado mundial tem a oferecer:
- Indústria de Transporte: Componentes aeronáuticos (aeronaves
e helicópteros), indústria automotiva, indústria de ônibus e
veículos rodoviários, indústria ferroviária, indústria naval e de
submarinos, componentes de motores e turbinas, etc..
- Outras Aplicações: Fórmula 1, indústria de materiais esportivos,
indústria bélica (armas, roupas e equipamentos), indústria
aeroespacial & satélites, construção civil, indústria química,
indústria de máquinas e equipamentos, indústria eólica,
materiais ortopédicos, etc..
Materiais Compósitos Especiais
6. Propriedades a serem Controladas nos Novos Materiais
Para a garantia da qualidade na aplicação dos Novos Materiais destinados ao
mercado mundial, as Normas Internacionais especificam uma série de
requisitos (propriedades) que deverão ser atendidas pelos Componentes.
-
Composição Química do Material
-
Macroestrutura do Material
-
Microestrutura (com tratamento)
-
Dureza (superfície e núcleo)
-
Microdureza das Fases
-
Propriedades Mecânicas Monotônicas
-
Propriedades Mecânicas Dinâmicas
Metalografia Quantitativa Digital
6.1 - Ensaios para Análise de Novos Materiais
A partir dos Testes Especificados em Normas, são realizados os seguintes
Ensaios Técnicos objetivando o Controle do Processo de Fabricação.
-
Espectrometria de Emissão Ótica (Análise Química)
-
Macrografia Digital da Microestrutura da Matéria Prima
-
Metalografia Quantitativa Digital para determinação da Matriz, Tamanho
de Grão, Nível de Inclusões Não Metálicas, Porosidades, Wiskers, etc..
-
Ensaios de Dureza Brinell HBW / Rockwell C / Shore A - D
-
Ensaios de Microdureza Vickers ou Knoop (fases e camadas superficiais)
-
Ensaio de Tração (Tensão de Ruptura, Lim. Escoamento, Alongamento)
-
Ensaio de Impacto Charpy (Sub-zero -18C / -73C / -101C)
Ensaio de Microdureza Vickers
Espectrometria de Emissão Ótica
Metalografia Quantitativa
Ensaio de Impacto Charpy Digital
Laboratórios de Ensaios
Máquina Universal de Ensaios Mecânicos
Carga 100 Toneladas
65 Toneladas
20 segundos
Dispositivo de Compressão - ASTM A 194M : 12
Ensaio de Prova de Carga em Super - Porcas
Laboratórios de Ensaios
6.2 - Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)
É o mais avançado equipamento utilizado na pesquisa de materiais.
Um feixe elétrons primários “varre” a superfície da amostra,
retirando elétrons secundários que serão capturados por um
detector especial que processa o
sinal eletrônico e gera a imagem
observada no sistema.
Normalmente se utiliza ampliação
entre 50 x a 30.000 x de aumento.
Sua principal vantagem é a elevada
profundidade de foco, permitindo
análise de superfícies de fratura.
Laboratórios de Ensaios
MEV – Hitachi TM 3000
6.3 - Microanálise Química (EDS)
É um equipamento fundamental utilizado na pesquisa dos novos
materiais. A microanálise química permite determinar a composição de fases existentes no material, avaliando a concentração dos
elementos químicos entre o Boro (B)
e Urânio (U).
Está acoplado junto ao Microscópio
Eletrônico de Varredura permitindo
realizar o mapeamento e o line scanning dos elementos presentes
no material.
EDS – Quantax 70
Laboratórios de Ensaios
7. Análise Conclusiva
Com o exposto, concluímos que os Novos Materiais de Engenharia são de
fundamental importância para o dia-a-dia da humanidade, sendo que
podemos afirmar que o Status Atual da Tecnologia está baseado no
Desenvolvimento dos Materiais oferecidos para o Mercado Mundial.
O Desenvolvimento dos Novos Materiais garantem:
-
Fabricação de Equipamentos e Máquinas com maior desempenho
-
Desenvolvimento de Sistemas Eletrônicos mais velozes
-
Sistemas de menor consumo de energia
-
Componentes com Vida útil maior e maior Segurança
-
Produtos cada vez mais baratos
-
Sistemas mais Ecológicos (menor agressão ao meio ambiente)
Novos Materiais de Engenharia
- Propriedades e Aplicações Industriais Júlio F. Baumgarten, Mestre Eng. de Materiais & Processos Avançados
METALAB Análise de Materiais Ltda.
Centro Tecnológico de Engenharia de Materiais
Joinville / SC - Fone: (47) 3205 6700
Para Download da Palestra: www.metalab.com.br/downloads/