177

14 OXIDAÇÃO DE MATERIAIS

INTRODUÇÃO

No capítulo anterior, vimos que um dos requisitos de um material de alta temperatura – em uma pá de turbina ou em um tubo de superaquecedor, por exemplo – era que ele deveria resistir ao ataque por gases em altas temperaturas e, em particular, resistir à oxidação. Pás de turbinas realmente se oxidam em serviço e reagem com H 2 S, SO 2 e outros produtos de combustão. É óbvio que um ataque excessivo desse tipo é indesejável em um componente submetido a tensões tão altas quanto ele. Quais materiais resistem melhor à oxidação e como a resistência ao ataque do gás pode ser melhorada?

A atmosfera da Terra é oxidante. Podemos ter uma boa ideia de resistência à oxidação usando a Terra como laboratório e procurando materiais que sobrevivem bem nessa atmosfera. Encontramos materiais cerâmicos por toda parte: a crosta terrestre é quase inteiramente formada por óxidos, silicatos, aluminatos e outros compostos de oxigênio; e, por serem óxidos, são completamente estáveis. Os haletos alcalinos também são estáveis: NaCl, KCl, NaBr, todos encontrados em abundância na natureza. Já os metais não são estáveis: apenas o ouro é encontrado em forma “nativa” sob circunstâncias normais (ele é totalmente resistente à oxidação em todas as temperaturas); todos os outros que aparecem em nossas planilhas de dados serão oxidados em contato com o ar. Os polímeros tampouco são estáveis: a maioria queimará em contato com uma chama, o que signifi ca que se oxidam de imediato. É verdade que carvão e petróleo (a matéria-prima para os polímeros) são encontrados na natureza, mas apenas porque acidentes geológicos os resguardaram de todo contato com o ar. Alguns polímeros, entre eles o politetrafl uoretileno (PTFE) (um polímero à base de –CF 2 –), são tão estáveis que sobrevivem por longos períodos em altas temperaturas, mas são as exceções. O mesmo acontece com compostos à base de polímeros, é claro: a madeira não é conhecida por sua resistência à oxidação em alta temperatura.

A ENERGIA DA OXIDAÇÃO

Essa tendência que muitos materiais têm de reagir com o oxigênio pode ser quantifi cada por testes de laboratório que medem a energia necessária para a reação

Material Oxigênio Energia Óxidode material.+ + →

Se essa energia for positiva, o material será estável; se for negativa , ele se oxidará. O diagrama de barras da Figura 14.1 mostra as energias de formação de óxido para nossas quatro categorias de materiais; valores numéricos são fornecidos na Tabela 14.1 .

195

15 ATRITO E DESGASTE

INTRODUÇÃO

Agora chegamos às últimas propriedades que examinaremos neste livro sobre materiais de engenharia: as propriedades de atrito de materiais em contato e o desgaste que resulta quando esses contatos deslizam, o que é de considerável importância no projeto mecânico. Forças de atrito são indesejáveis em mancais por causa da energia que desperdiçam; e o desgaste é ruim porque leva a más tolerâncias de trabalho e, por fi m, à falha. Por outro lado, ao selecionar materiais para lonas de embreagem e de freios – ou até mesmo para solas de sapatos –, nossa meta é maximizar atrito, mas ainda assim minimizar desgaste, por razões óbvias. Mas o desgaste nem sempre é ruim: em operações como esmerilhação e polimento, tentamos conseguir o máximo desgaste com o mínimo de energia gasta em atrito e sem desgaste não poderíamos escrever com giz em um quadro-negro ou com lápis no papel. Neste capítulo, examinaremos as origens do atrito e do desgaste e exploraremos estudos de casos que ilustram a infl uência do atrito e do desgaste no projeto de componentes.

ATRITO ENTRE MATERIAIS

Como se sabe, quando dois materiais são colocados em contato, qualquer tentativa de fazer com que um dos materiais deslize sobre o outro encontra a resistência de uma força de atrito ( Figura 15.1 ). A força que apenas causará o início do deslizamento, F s , está relacionada com a força P , que age normalmente na superfície de contato por

(15.1)

onde µ s é o coefi ciente de atrito estático . Uma vez iniciado o deslizamento, a força limitadora de atrito se reduz ligeiramente e podemos escrever

(15.2)

onde µ k ( < µ s ) é o coefi ciente de atrito cinético ( Figura 15.1 ). O trabalho realizado no deslizamento contra o atrito cinético aparece como calor.

À primeira vista, esses resultados contradizem nossa intuição – como o atrito entre duas superfícies pode depender somente da força P , que as pressiona uma contra a outra, e não de sua área? Para entender esse comportamento, em primeiro lugar temos de examinar a geometria de uma superfície típica.

Se a superfície de uma barra de cobre bem torneada for examinada por meio de um corte oblíquo (uma “seção cônica” que amplia a altura de quaisquer irregularidades), ou se seu perfi l for medido com um perfi lômetro, percebe-se que a superfície é parecida com a Figura 15.2 . A fi gura mostra um grande

207

16 METAIS

INTRODUÇÃO

Este grupo de capítulos trata de metais. Há tantos metais diferentes – literalmente centenas deles – que é impossível lembrar-se de todos. Mas isso não é necessário – quase todos evoluíram de alguns metais “genéricos” e são modifi cações aperfeiçoadas das formulações básicas. Se você conhecer os metais genéricos, conhecerá grande parte do que precisa.

Este capítulo apresenta os metais genéricos. Todavia, em vez de aborrecer o leitor com um catálogo, nós os apresentamos por meio de três exemplos reais de engenharia. Eles nos permitem não apenas achar exemplos das utilizações dos principais metais genéricos, mas também apresentar o conceito muito importante de como as características de cada metal determinam como ele é usado na prática.

METAIS PARA UM MODELO DE MÁQUINA DE TRAÇÃO

Fazer modelos tornou-se um grande negócio. O teste de modelos em escala proporciona um modo barato de obter informações críticas de projeto para coisas que abrangem desde cascos de iates olímpicos até diques contra marés. Arquitetos vendem suas mais novas criações com a ajuda de versões em miniatura, reproduções fi éis de detalhes, desde um trinco de porta até um arbusto no jardim. Além disso, nesta época em que o tempo de lazer está cada vez maior, muitas pessoas descobrem um escape para sua energia fabricando modelos – talvez montando uma aeronave em miniatura com um conjunto de peças poliméricas ou, no outro extremo, construindo um modelo completo e funcional de uma máquina a vapor, utilizando as matérias-primas básicas na ofi cina que montaram em sua garagem. A Figura 16.1 mostra um modelo de uma máquina de tração a vapor do século XIX construída em uma ofi cina caseira a partir de desenhos publicados em uma revista muito conhecida sobre modelismo. Tudo funciona exatamente como no original – até o carvão queimado na caldeira para obter vapor é do mesmo tipo – e o modelo é capaz de rebocar um automóvel! Mas o que nos interessa aqui é a ampla faixa de metais que foram usados em sua construção e o modo como a seleção desses materiais foi ditada pelos requisitos do projeto. Começamos examinando metais à base de ferro (materiais ferrosos ). A Tabela 16.1 apresenta uma lista de metais genéricos à base de ferro.

Como esses metais são utilizados na máquina de tração? As cargas de projeto sobre componentes como as rodas e estruturas são baixas o sufi ciente para que o aço doce , cujo limite de escoamento σ y é de cerca de 220 MN m -2 , seja resistente o bastante. Além disso, o material é fácil de cortar, dobrar ou usinar para obter um determinado formato. E, por fi m, mas não menos importante, tem baixo custo.

As tensões na maquinaria, como os dentes da roda de engrenagem ou os eixos motores, são bem mais altas e essas peças são feitas de aços de médio carbono, alto carbono ou aços de baixa liga para dar resistência

227

17 DIAGRAMAS DE FASES

INTRODUÇÃO

Ao estudar este capítulo e fazer os exemplos, você obterá um conhecimento prático do que um diagrama de fases (ou diagrama de equilíbrio) signifi ca e de como o utilizar. Para ajudar, colocamos as soluções dos exemplos no fi nal deste capítulo. Não se apresse: aprenda as defi nições e medite um pouco sobre os próprios diagramas, testando você mesmo à medida que progride. Algumas partes (as defi nições, por exemplo) são muito concentradas. Outras (alguns dos exemplos, talvez) podem parecer-lhe triviais. Faça-os. Deve levar cerca de 4 horas para fazer tudo.

Os diagramas de fases são importantes. Sempre que os engenheiros de materiais têm que relatar sobre as propriedades de uma liga metálica, ou uma cerâmica, a primeira coisa que eles fazem é pegar um dia-grama de fases. Ele informa qual é a estrutura, no equilíbrio, da liga ou cerâmica. A estrutura real pode não ser a de equilíbrio, mas a estrutura de equilíbrio dá uma linha básica a partir da qual se pode inferir outras estruturas que não sejam a de equilíbrio.

Algumas fontes de diagramas de fases são dadas a seguir.

LIVROS DE REFERÊNCIA

ASM. Metals Handbook, 2nd desktop edition, ASM, 1999. W. Gale, T. Totemeier. Smithells reference book, 8 th edition. Elsvevier, 2003. M. Hansen, K. Anderko. Constitution of Binary Alloys. McGraw-Hill, 1958; suplementado por R.P. Elliott, 1965, e F.A. Shunk, 1969. J. Hansen, F. Beiner. Heterogeneous Equilibrium. De Gruyter, 1975. W. Hume-Rothery, J.W. Christian, W.B. Pearson. Metallurgical Equilibrium Diagrams. Institute of Physics, 1952. E.M. Levin, C.R. Robbin, H.F. McMurdie. Phase Diagrams for Ceramicists. American Ceramic Society, 1964.

COMPONENTES, FASES E ESTRUTURAS

As defi nições estão encerradas em caixas e rotuladas por “ DEF ”. Você terá de aprendê-las, mas o resto segue de uma maneira lógica.

267

18 A FORÇA MOTRIZ PARA MUDANÇA ESTRUTURAL

INTRODUÇÃO

Quando a estrutura de um metal muda, é porque existe uma força motriz para a mudança. Quando o ferro passa de CCC para CFC, ao ser aquecido, ou quando um dopante de boro se difunde em um semicondutor de silício ou uma superliga pulverizada é sinterizada, é porque cada processo é conduzido por uma força motriz.

Agora, a mera existência de uma força motriz não garante que ocorrerá mudança . Também deve haver uma rota que o processo possa seguir. Por exemplo, ainda que o boro queira se misturar com o silício, só pode fazê-lo se a rota para o processo – difusão atômica – for rápida o sufi ciente. Em alta temperatura, com bastante energia térmica para difusão, o processo de dopagem será rápido, mas, em temperatura baixa, será incomensuravelmente lento. Então, a taxa na qual uma mudança estrutural realmente ocorre é uma função da força motriz , bem como da velocidade, ou cinética da rota; ambas devem ter valores fi nitos se quisermos obter uma mudança.

Vamos abordar a cinética neste Capítulo; mas, antes de podermos fazer isso, precisamos saber o que signifi cam forças motrizes e como as calcular. Neste capítulo mostramos que forças motrizes podem ser expressas em termos de simples quantidades termodinâmicas e ilustramos isso calculando forças motrizes para alguns processos típicos, como solidifi cação, mudanças em estruturas cristalinas e aumento de granularidade com precipitado.

FORÇAS MOTRIZES

Um exemplo familiar de uma mudança é o que ocorre quando se permite que um automóvel desça uma colina ( Figura 18.1 ). Enquanto o carro se desloca colina abaixo, podemos fazer com que ele realize traba-lho – talvez levantando um peso ( Figura 18.1 ) ou rebocando uma máquina. Esse trabalho é denominado trabalho livre, W f . É o trabalho livre que impulsiona a mudança do carro que desce a colina e proporciona o que denominamos “força motriz” para a mudança. (O termo tradicional “força motriz” não é muito apropriado porque não queremos dizer “força”, com unidades de N, mas trabalho, com unidades de J.)

Como podemos calcular o trabalho livre? O caso mais simples é quando o trabalho livre é produzido pelo decréscimo de energia potencial, com

(18.1)

299

19 AS LIGAS LEVES

INTRODUÇÃO

Não menos do que 14 metais têm densidades ≤ 4,5 Mg m -3 (veja Tabela 19.1 ). Destes, titânio, alumínio e magnésio são de uso comum como materiais estruturais. É difícil trabalhar com o berílio, que, além disso, é tóxico, mas ele é usado em quantidades moderadas para blindagem térmica e membros estruturais em foguetes. O lítio é usado como elemento de liga em alumínio para reduzir sua densidade e economizar peso em estruturas de aeronaves. O ítrio possui um excelente conjunto de propriedades e, embora escasso, pode ocasionalmente encontrar aplicações no projeto de aeronaves movidas a energia nuclear. Mas a maioria deles é inadequada para uso estrutural porque são quimicamente reativos ou têm baixos pontos de fusão.

A Tabela 19.2 mostra que ligas à base de alumínio, magnésio e titânio podem ter razões rigidez/peso e resistência/peso melhores do que o aço. E isso não é tudo; elas também são resistentes à corrosão (as de titânio, excepcionalmente), não são tóxicas e o titânio tem boas propriedades de fl uência. Portanto, embora as ligas leves tenham sido originalmente desenvolvidas para utilização na indústria aeroespacial, agora sua utilização é muito mais ampla. O uso predominante de ligas de alumínio é em edifi cação e construção civil: painéis, telhados e estruturas. O segundo maior consumidor é a indústria de recipientes e embalagens; depois dessa, vêm os sistemas de transporte (o setor que cresce com maior rapidez, com alumínio subs-tituindo aço e ferro fundido em carros e sistemas de trânsito de massa) e a utilização de alumínio como

TABELA 19.1 Os metais leves

Metal Densidade (Mg m -3 ) T m (°C) Comentários

Titânio 4,50 1.667 Alta T m – excelente resistência à fl uência.Ítrio 4,47 1.510 Boas resistência e ductilidade; escasso.Bário 3,50 729Escândio 2,99 1.538 Escasso.Alumínio 2,70 660Estrôncio 2,60 770 Reativo em ar/água.Césio 1,87 28,5 Flui/funde; muito reativo em ar/água.Berílio 1,85 1.287 Difícil de processar; muito tóxico.Magnésio 1,74 649Cálcio 1,54 839 Reativo em ar/água.Rubídio 1,53 39Sódio 0,97 98Potássio 0,86 63 14243 Flui/funde; muito reativo em ar/água.Lítio 0,53 181

311

20 AÇOS

INTRODUÇÃO

O ferro é um dos mais antigos metais conhecidos. Métodos para extrair e trabalhar o ferro são praticados há milhares de anos, embora a produção em grande escala de aços-carbono seja um desenvolvimento do século XIX. Desses aços-carbono (que ainda são responsáveis por 90% de toda a produção de aço) evoluiu uma série de aços-liga: os aços de baixa liga (que contêm até 6% de cromo, níquel etc.); os aços inoxidáveis (cuja composição típica é igual a 18% de cromo e 8% de níquel) e os aços-ferramenta (aços de alta liga com cromo, molibdênio, tungstênio, vanádio e cobalto).

Já sabemos bastante sobre as transformações que ocorrem em aços e as microestruturas que elas produzem. Neste capítulo reunimos essas características e passamos a mostrar como elas são essenciais para determinar as propriedades mecânicas dos aços.

O carbono é o elemento de liga mais barato e mais efetivo para endurecer ferro. Na Tabela 16.1 (Capítulo 16), vimos que carbono é adicionado a ferro em quantidades que vão de 0,04 a 4% em peso para produzir ferro fundido e aços de baixo, médio e alto teores de carbono. As propriedades mecânicas são fortemente dependentes, tanto do teor de carbono quanto do tipo de tratamento térmico. Por conseguinte, aços e ferros fundidos podem ser utilizados em uma faixa muito ampla de aplicações (veja Tabela 16.1 ).

MICROESTRUTURAS PRODUZIDAS POR RESFRIAMENTO LENTO (“NORMALIZAÇÃO”)

Os aços-carbono encontrados comumente no comércio foram tratados a alta temperatura (usualmente por laminação) e então resfriados lentamente até a temperatura ambiente (“normalizados”). Portanto, como você pode ver na Figura 20.1 , a microestrutura à temperatura ambiente deve estar bem próxima do equilíbrio e pode ser verifi cada no diagrama de equilíbrio Fe-C. A Tabela 20.1 relaciona as fases no sistema Fe-Fe 3 C e a Tabela 20.2 fornece detalhes das estruturas compostas eutetoides e eutéticas que ocorrem durante resfriamento lento.

As Figuras 20.2 a 20.6 mostram como a microestrutura de aços-carbono em temperatura ambiente depende do teor de carbono. O caso-limite de ferro puro, visto na Figura 20.2 , é direto: quando ferro γ resfria abaixo de 914 °C, grãos γ nucleiam em contornos de grão γ e a microestrutura se transforma para α . Se resfriarmos um aço de composição eutetoide (0,80% em peso de C) abaixo de 723 °C, colônias de perlita nucleiam em contornos de grão e a microestrutura se transforma em perlita, como mostra a Figura 20.3 . Pela Figura 20.4 é possível ver que, se o aço contiver menos do que 0,80% C (um aço hipo-eutetoide ), então a γ começa a se transformar tão logo a liga entre no campo α + γ . A fase α “primária” nucleia em contornos de grão γ e cresce enquanto o aço é resfriado de A 3 até A 1 . Em A 1 , a γ restante

335

21 PRODUÇÃO, CONFORMAÇÃO E UNIÃO

DE METAIS

INTRODUÇÃO

A Figura 21.1 mostra os principais roteiros usados para processar metais brutos e transformá-los em produtos acabados. Métodos convencionais de conformação começam pela fundição , ou seja, fusão do metal básico seguida do vazamento do líquido dentro de um molde. A peça ou objeto fundido pode ser um grande lingote prismático ou uma “tira” obtida por fundição contínua, caso em que é trabalhada até seções padronizadas (por exemplo, chapa, tubo) ou forjada como componentes de formatos determinados. Componentes de determinados formatos também são fabricados a partir de seções padronizadas por usinagem ou trabalho em chapas de metal. Então, os componentes são montados, resultando em produtos acabados por operações de união (por exemplo, soldagem) que costumam ser executadas em conjunto com operações de acabamento (por exemplo, esmerilhamento ou pintura). Como alternativa, a peça fundida pode ser fabricada no formato fi nal do componente, embora, em geral, ele tenha de passar por algum tipo de usinagem leve.

Agora há uma utilização crescente de roteiros de processamento alternativos. Em metalurgia do pó , o metal líquido é pulverizado até pequenas gotículas que se solidifi cam como um pó fi no. Em seguida, o pó é prensado a quente até o formato desejado (como veremos no Capítulo 23, prensagem a quente é o método usado para conformar cerâmicas de alta tecnologia). O melt spinning gera altas taxas de esfriamento e é usado para fabricar ligas amorfas. Por fi m, há vários processos especializados pelos quais os componentes são formados diretamente a partir de compostos metálicos (por exemplo, produção por eletrodeposição ou deposição química de vapor ) .

Não pretendemos apresentar aqui um levantamento abrangente dos processos de conformação relacio-nados na Figura 21.1 . Isso, por si só, ocuparia um livro inteiro e existem muitos livros sobre tecnologia de produção em que podem ser encontrados detalhes sobre esses processos. Em vez disso, estudaremos os princípios subjacentes e os relacionaremos com as características dos materiais dos quais estamos tratando.

FUNDIÇÃO

Os lingotes tendem a ter a estrutura mostrada na Figura 21.2 . Quando o metal fundido é vertido no molde, cristais resfriados nucleiam sobre as paredes frias do molde e crescem para dentro. Mas os cristais resfriados logo são superados pelos grãos colunares, muito maiores. Por fi m, núcleos arrastados para dentro do líquido restante crescem e produzem grãos equiaxiais no centro do lingote.

À medida que crescem, os cristais rejeitam impurezas dissolvidas para dentro do líquido restante, causando segregação , o que pode resultar em faixas de impurezas sólidas (por exemplo, sulfeto de ferro em aço) ou bolhas de gás (por exemplo, de nitrogênio dissolvido). Além disso, como grande parte dos metais se contrai durante a solidifi cação, também haverá uma substancial cavidade de contração ( rechupe ) na parte superior do lingote ( Figura 21.2 ).

355

22 CERÂMICAS E VIDROS

INTRODUÇÃO

As cerâmicas são sólidos inorgânicos e não metálicos. Elas têm uma estrutura que é cristalina, amorfa ou uma mistura de ambas. Muitas são compostos de oxigênio, carbono ou nitrogênio, com metais como alumínio ou silício − alguns dos elementos mais abundantes na crosta terrestre. A palavra “cerâmica” vem do grego keramikos , que signifi ca “da olaria”, e está tradicionalmente associada com a produção manual de coisas como louça ou telhas a partir dos materiais precursores que são “cozidos” a alta temperatura. Entretanto, no contexto de materiais de engenharia, a defi nição se estende para incluir materiais naturais como a rocha e a pedra − que podem ser ígneas (formadas a alta temperatura) ou sedimentárias (formadas a baixa temperatura, geralmente pela deposição ou cristalização a partir da água) − mais partículas pela quebra mecânica da rocha e da pedra (como a areia e o cascalho). Ainda que exista uma larga faixa de compostos químicos que são classifi cados como cerâmicas e muitos formatos diferentes e modos nos quais eles ocorrem naturalmente − ou podem ser processados pela mão humana − eles têm características comuns que defi nem como são usados: muitos são (a) duros (o diamante, uma forma de carbono puro, é o material mais duro conhecido), (b) inerentemente frágeis , (c) quimicamente estáveis , (d) refratários (eles se fundem ou amolecem a altas temperaturas) e (e) isolantes elétricos (carbono, na forma de grafi ta, é uma exceção notável − e essencial). Finalmente, o vidro é opticamente transparente − nenhum outro material pode aproximar remotamente a sua performance para vidros ou sistemas ópticos de precisão.

É difícil apreciar do nosso ponto de vista do século XXI que, mais de 4.000 anos atrás (particularmente na China), os humanos não tinham acesso aos metais (com a possível exceção do ouro, o qual, por ser quimicamente estável, ocorre naturalmente como o metal em vez de um minério). Com exceção dos artigos manufaturados a partir de materiais precursores cerâmicos, tais quais louça e vidraria, eles eram totalmente dependentes dos materiais naturais como a rocha e a pedra, a madeira, as fi bras de plantas e insetos e os produtos de animais, pássaros e formas de vida marinhas. É, portanto, interessante que, com a presente abundância dos metais (e dos polímeros e compósitos sintéticos), as cerâmicas não tenham sido superadas e de fato sejam usadas em maiores quantidades que nunca − ainda que a pedra tenha sido substituída principalmente pelas cerâmicas processadas como cimento e concreto, tijolos e blocos, telhas e compósitos de partículas cerâmicas em matrizes poliméricas.

Duas das mais icônicas estruturas feitas de cerâmica − separadas no tempo por cerca de 2.000 anos − são o aqueduto romano em Segóvia, Espanha ( Figura 22.1 ), e a Casa da Ópera de Sydney, Aus-trália ( Figura 22.2 ).

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23 PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS

INTRODUÇÃO

Quando você compacta um punhado de neve para fazer uma bola, está prensando uma cerâmica a quente. A prensagem (estampagem) de pós a quente é um dos vários métodos-padrão de sinterização utilizados para cerâmicas que requerem métodos adequados às suas propriedades especiais.

O vidro, é verdade, torna-se líquido a uma temperatura modesta (1.000 °C) e pode ser fundido como um metal. A uma temperatura mais baixa (cerca de 700 °C), ele é muito viscoso e volta a poder ser conformado pelos métodos usados para metais: laminação, estampagem e forjamento. Mas as cerâmicas de engenharia têm pontos de fusão altos – perto de 2.000 °C –, o que exclui a possibilidade de fundição e moldagem. Além disso, falta-lhes a plasticidade que permite a ampla série de processos secundários de conformação usados para metais: forjamento, laminação, usinagem, e assim por diante. Portanto, grande parte das cerâmicas é fabricada a partir de pós prensados e queimada de várias maneiras para dar a forma fi nal do produto.

As cerâmicas vítreas são diferentes. A argila, quando úmida, é hidroplástica : a água é sugada por entre as partículas de argila, lubrifi cando seu deslizamento e permitindo que ela seja conformada à mão ou com maquinaria simples. Quando a argila conformada é secada e queimada, um de seus componentes se funde e se espalha ao redor dos outros componentes, ligando-os.

As cerâmicas de baixo grau – pedra e certos refratários – são extraídas e conformadas. Não estamos interessados nessas cerâmicas aqui, mas na produção e conformação de cerâmicas de engenharia de alto desempenho, produtos de argila e vidros. Começamos com as cerâmicas de engenharia.

A PRODUÇÃO DE CERÂMICAS DE ENGENHARIA

O pó de alumina é fabricado a partir da bauxita, um óxido de alumínio hidratado cuja fórmula é Al(OH) 3 . Depois de triturada e purifi cada, a bauxita é aquecida a 1.150 °C para se decompor em alumina, que então é moída e peneirada:

= +2Al(OH) Al O 3H O3 2 3 2

(23.1)

A zircônia, ZrO 2 , é fabricada a partir do mineral natural hidratado, ou de zircônio, um silicato. Car-boneto de silício e nitreto de silício são obtidos pela reação de silício com carbono ou nitrogênio. Embora a química básica seja muito simples, os processos são complicados pela necessidade de um cuidadoso controle de qualidade e pela meta de produzir pós fi nos ( < 1 µ m) que, quase sempre, levam a um produto fi nal melhor. Em seguida, esses pós são consolidados por um dentre vários métodos.

395

24 POLÍMEROS

INTRODUÇÃO

Quase todos os sistemas biológicos são compósitos de polímeros que não somente desempenham funções mecânicas (como madeira, osso, cartilagem, couro), mas também contêm e regulam reações químicas (folhas, veias, células). As pessoas usam esses polímeros naturais, é claro, há milhares de anos, mas foi somente no último século que aprenderam como fazer seus próprios polímeros. Esforços anteriores (baquelite, celuloide, plásticos de aldeído fórmico [formaldeído]) eram fl ácidos e não muito resistentes; a rigidez (para uma dada seção) é muito menor do que a do metal e, a propósito, também do que a da madeira e a do osso, o que ainda é uma característica dos polímeros sintéticos mais simples. Isso porque madeira e osso são compósitos: na realidade, são feitos de fi bras ou partículas rígidas embutidas em uma matriz de polímero simples.

As pessoas também aprenderam como fazer compósitos: as indústrias que fabricam polímeros de alto desempenho reforçados com fi bras de vidro, de carbono ou de Kevlar (GFRP, CFRP, KFRP – Glass-Fibre, Carbon-Fibre, Kevlar-Fibre Reinforced Polymer) gozam de uma taxa de crescimento mais alta (mais de 10% por ano) do que praticamente qualquer outro ramo de produção de materiais. Esses novos materiais são rígidos, resistentes e leves. Embora caros, estão encontrando utilização cada vez maior nos setores aero-espacial, de transporte e de artigos esportivos. E há muitas oportunidades para sua aplicação mais ampla em outros campos, como equipamentos para caminhadas em ambientes inóspitos ( hiking ), insumos médicos e até mesmo em coisas aparentemente insignifi cantes como armações de óculos: em âmbito mundial, no mínimo 10 9 de pessoas usam óculos.

Os novos polímeros são tão interessantes quanto os novos compósitos. Seja por cristalização, ligações cruzadas ou orientação de cadeias, novos polímeros estão sendo feitos e são tão rígidos quanto o alumínio e rapidamente entrarão em franca produção. Os novos métodos de processamento podem conferir resis-tência ao calor, bem como à deformação mecânica, abrindo novas áreas de aplicação para polímeros que já penetraram com força em um mercado que costumava ser dominado por metais. Nenhum projetista pode se dar ao luxo de desprezar as oportunidades agora oferecidas por polímeros e compósitos.

Mas é um erro achar que componentes de metal podem ser substituídos por materiais mais novos sem repensar o projeto. Polímeros são menos rígidos, menos fortes e menos tenazes do que a maioria dos metais; portanto, o novo componente requer a elaboração cuidadosa de um novo projeto. É verdade que os compósitos são rígidos e fortes. Mas costumam ser muito anisotrópicos e, como são ligados por polímeros, suas propriedades podem ser radicalmente alteradas com uma pequena mudança na temperatura. Para elaborar um projeto adequado com polímeros, é preciso entender bem suas propriedades e saber de onde eles vêm. Essa é a função deste capítulo e do próximo.

Neste capítulo apresentaremos os principais polímeros de engenharia. Eles formam a base de várias indústrias importantes, entre elas as de tintas, borrachas, plásticos, fi bras sintéticas e papel. Como acontece com metais e cerâmicas, há um número assustadoramente grande de polímeros e esse número cresce a

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25 PROCESSAMENTO DE POLÍMEROS

INTRODUÇÃO

As pessoas usam os polímeros há muito mais tempo do que os metais. Desde os tempos mais antigos, a madeira, o couro, a lã e o algodão são usados para abrigo e vestimenta. Muitos polímeros naturais são baratos e abundantes (mas nem todos – lembre-se da seda) e fortes. Mas eles evoluíram para fi nalidades naturais específi cas – suportar uma árvore, proteger um animal – e nem sempre estão na forma mais adequada para atender às necessidades da engenharia.

Portanto, as pessoas tentaram melhorar a natureza. Primeiro, tentaram extrair polímeros naturais e modificar sua forma para atender às suas finalidades. A celulose – vista na Tabela 24.4 –, extraí-da de aparas de madeiras e tratada com ácidos, permite a substituição do grupo lateral –OH por –COOCH 3 , resultando em acetato de celulose , o conhecido raiom (usado para reforçar pneus de automóveis) e uma película de acetato transparente. Por sua vez, a substituição por –NO 3 dá nitrato de celulose , o celuloide da indústria do cinema e um componente de muitas lacas. O látex natural da seringueira (árvore-da-borracha) é vulcanizado para dar borrachas, e preenchido (com negro-de-fumo, por exemplo), para tornar-se resistente à luz solar. Mas a faixa de polímeros obtidos desse modo é limitada.

O real avanço veio quando os químicos desenvolveram processos para produzir moléculas grandes a partir de suas menores unidades. Em vez de mais ou menos dez polímeros naturais e modifi cações deles, o engenheiro repentinamente se deparou com centenas de novos materiais com propriedades notáveis e diversas. O número ainda está crescendo.

E ainda estamos aprendendo qual é a melhor maneira de fabricá-los e utilizá-los. Como salientamos no capítulo anterior, sob certos aspectos fundamentais, as propriedades mecânicas dos polímeros são diferentes das dos metais e cerâmicas, e os métodos usados para elaborar projetos com eles também são diferentes. Suas propriedades especiais também precisam de métodos especiais de fabricação. Este capítulo oferece uma descrição geral de como os polímeros são fabricados e unidos. Para entender isso, em primeiro lugar devemos estudar, com um pouco mais de detalhes, sua síntese.

SÍNTESE DOS POLÍMEROS

Os polímeros são produzidos por uma reação química na qual monômeros se somam (sem sobrar nada) ou se condensam (com sobra de H 2 O) para dar um alto polímero (de grande cadeia). O polietileno, um polímero linear, é produzido por uma reação de adição. Ela é iniciada com um iniciador, tal como H 2 O 2 , que gera radicais –OH livres e muito reativos. Um desses radicais rompe a dupla ligação de uma molécula de etileno, C 2 H 4 , quando aquecido sob pressão, resultando em

439

26 COMPÓSITOS: FIBROSOS,

PARTICULADOS E ESPUMADOS

INTRODUÇÃO

A palavra “compósito” tem um quê de moderno. Todavia, usar a alta resistência das fi bras para enrijecer e fortalecer uma matriz de material barato é, talvez, mais velho do que a roda. O Caminho da Procissão da antiga Babilônia, uma das menos cotadas maravilhas do mundo antigo, foi feito de betume reforçado com palha trançada. Palha e crina de cavalo têm sido utilizadas para reforçar tijolos de barro (melhorando sua tenacidade à fratura) há, no mínimo, 5.000 anos. O papel é um compósito, o concreto também; ambos eram conhecidos dos romanos. E quase todos os materiais naturais que devem suportar carga, como madeira, osso, músculo – são compósitos.

Entretanto, a indústria de compósitos é nova. Ela cresceu rapidamente nos últimos 65 anos com o desenvolvimento de compósitos fi brosos : para começar, polímeros reforçados com fi bra de vidro (GFRP ou fi bra de vidro) e, mais recentemente, polímeros reforçados com fi bra de carbono (CFRP). Sua utilização em barcos e a crescente substituição de metais por compósitos em aeronaves e sistemas de transporte terrestre, é uma revolução na utilização de materiais que ainda está ganhando velocidade.

Os compósitos não precisam ser feitos de fi bras. O compensado de madeira é um compósito lamelar , que dá um material com propriedades uniformes no plano da placa (diferentemente da madeira da qual é feito). As chapas de GFRP ou de CFRP são laminadas em conjunto pela mesma razão. E os painéis sanduíche – compósitos feitos de revestimentos rígidos com núcleo de baixa densidade – obtêm propriedades especiais pela combinação, em uma mesma chapa, das melhores características de dois componentes muito diferentes.

Os mais baratos de todos são os compósitos particulados. Agregado mais cimento dá concreto e o com-pósito é mais barato (por unidade de volume) do que o próprio cimento. Polímeros podem ser recheados com areia, pó de sílica ou partículas de vidro, o que aumenta a rigidez e a resistência ao desgaste e, muitas vezes, reduz o preço. Além disso, um compósito particulado, constituído de partículas de carboneto de tungstênio em cobalto (conhecido como “carboneto cementado” ou “metal duro”), é a base da indústria de ferramentas de corte para serviço pesado.

Contudo, alta rigidez nem sempre é o que queremos. As almofadas, as embalagens e os acolchoados antichoque requerem materiais cujos módulos são mais baixos do que os de qualquer sólido. Isso pode ser feito com as espumas – compósitos de um sólido e um gás –, que têm propriedades que podem ser modeladas com grande precisão para atender à necessidade da engenharia.

Agora, passaremos a estudar com um pouco mais de detalhes as propriedades de compósitos fi brosos e particulados e das espumas. Nesses materiais, mais do que em quaisquer outros, podemos inserir pro-priedades conforme o projeto; as próprias características do material podem ser projetadas.

MATERIAIS DE

ENGENHARIA

Largamente adotado em todo o mundo, Materiais de Engenharia, um texto fun-

damental de ciência e engenharia de materiais para estudantes de graduação do

terceiro e quarto anos, fornece uma profunda introdução às propriedades mecâ-

nicas dos materiais usados em uma ampla faixa de aplicações de engenharia, bem

como uma introdução concisa à microestrutura e processamento de materiais. O

texto é deliberadamente conciso; cada capítulo foi projetado para abordar o con-

teúdo de uma aula. Esta edição, mais enxuta do que a anterior, concentra em

apenas um volume os principais conteúdos distribuídos nos dois volumes da

edição anterior. Os capítulos estão em grupos que tratam de classes particulares

as medidas e as técnicas de seleção de materiais, além de exercícios.

Materiais de Engenharia é perfeito como livro-texto de disciplinas como Introdu-

ção à Engenharia de Materiais, Ciência e Tecnologia de Materiais e Materiais para

Engenharia, entre outras correlatas.