ENSAIOS TECNOLÓGICOS

CAPÍTULO 1

1.1) LIGAÇÕES QUÍMICAS

Os átomos possuem um núcleo e, girando em orbitais em volta desse núcleo, os elétrons.

Teoria dos Octetos: os átomos combinam-se entre si, cedendo, recebendo ou compartilhando elétrons, de maneira que fiquem com oito elétrons no último orbital. Esta é uma situação estável e de mínima energia e é destas combinações que surgem os materiais. Nota-se, porém, que os gases nobres (hélio, neônio, argônio, criptônio, xenônio e radônio) não se ligam a outros átomos, pois são estáveis.

1.1.1) LIGAÇÃO IÔNICA

Quando um dos átomos cede os elétrons da última camada (orbital) e um outro recebe esses elétrons, ocorre a ligação iônica. A ligação iônica ocorre entre átomo metálico e átomo não metálico.

Metais: menos que quatro elétrons no último orbital (exemplo: Mg, Fe, Al, Zn, Au, Ag, ...). Metais cedem elétrons com certa facilidade.Não-metais: quatro ou mais elétrons no último orbital (exemplo: O, S, P, ...). Não-metais têm mais dificuldade para ceder elétrons.

Exemplos de materiais que apresentam ligação iônica: refratários , porcelanas,...Algumas características de materiais que apresentam ligação iônica: elevado ponto de fusão, baixa condutividade elétrica, baixa condutividade térmica.

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1.1.2) LIGAÇÃO COVALENTE

Quando uma ligação ocorre devido ao compartilhamento de elétrons do último orbital, para que uma situação estável seja atingida, esta é a ligação covalente. Na ilustração abaixo observa-se, inicialmente, dois átomos de oxigênio (O) isolados e, logo a seguir, os mesmos átomos unidos por ligação covalente havendo o compartilhamento de elétrons e uma situação mais estável.

Outros exemplos de materiais que apresentam ligação covalente: polímeros (plásticos), diamante.Algumas características de materiais que apresentam ligação covalente: elevado ponto de fusão, baixa condutividade elétrica, baixa condutividade térmica.

1.1.3) LIGAÇÃO METÁLICA

Os átomos dos metais apresentam poucos elétrons no último orbital. Estes elétrons podem ser removidos com certa facilidade (enquanto que os demais elétrons permanecem ligados ao núcleo do átomo) e são conhecidos como elétrons livres. Os elétrons livres, em sua constante movimentação, formam a nuvem eletrônica, ou seja, passam, de forma desordenada (em todas as direções), de um átomo para outro. A presença dos elétrons livres determina as características dos metais.

Exemplos que apresentam ligação metálica: Fe, Au, Sn, Zn,...Algumas características de materiais que apresentam ligação metálica: elevado ponto de fusão, boa condutividade elétrica, boa condutividade térmica.

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1.1.4) LIGAÇÃO DE VAN DER WALLS

É considerada uma ligação fraca ou secundária. Ocorre entre moléculas, devido à concentração de dipolos elétricos em determinadas regiões dos materiais, que são atraídas eletrostaticamente.

Os átomos são ligados por ação de forças, formando as moléculas. Estas, também por ação de força (adicional), são ligadas entre si. São as ligações de Van Der Walls.

Exemplos que apresentam ligação de Van Der Walls: polímeros (nestes, há ligações cavalentes e também de Van Der Walls), gases.

1.2) EMPILHAMENTO ATÔMICO DOS MATERIAIS

Material cristalino: é o material que apresenta ordenação e repetitividade no empilhamento atômico (em todas as direções: X, Y e Z), tornando-se possível a representação geométrica deste empilhamento. Nesta representação, como veremos, cada átomo é considerado como sendo uma esfera rígida e, vale lembrar, a mínima quantidade de átomos que ainda permite esta representação é chamada de célula unitária.Nota-se que os materiais, em sua maioria, são cristalinos. Nos materiais cristalinos, há planos compactos e direções compactas no empilhamento. Estes planos e direções corresponderão aos sistemas de escorregamento atômico que ocorrerão durante a deformação mecânica do material, ou seja, quando o material é deformado, os átomos (“esferas”) do empilhamento “escorregam” com mais ou menos facilidade de acordo com o tipo de empilhamento.

O deslizamento (escorregamento) atômico entre direções compactas ocorre com mais facilidade do que entre direções não compactas.

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Na direção compacta, todos os átomos se tangenciam ao longo da linha. Já na direção não compacta, ao longo da linha há espaços vazios.

Material amorfo: diferentemente do material cristalino, é o material que não apresenta repetitividade no empilhamento atômico (exemplo: vidro).

1.2.1) EMPILHAMENTO ATÔMICO CÚBICO DE CORPO CENTRADO (CCC)

Exemplos de metais com empilhamento atômico CCC: ferro, cromo, molibdênio.No CCC tem-se 48 planos e direções compactas. A deformação de todos os materiais CCC ocorre com certa facilidade inicialmente. Porém, pelas muitas direções e planos compactos oferecidos, ao longo da deformação há uma interferência dessas direções e planos umas sobre as outras e, consequentemente, uma dificultação do processo.

1.2.2) EMPILHAMENTO ATÔMICO CÚBICO DE FACES CENTRADAS (CFC)

Exemplos de metais com empilhamento atômico CFC: alumínio, cobre, prata.No CFC tem-se 12 planos e direções compactas. É o empilhamento que apresenta melhor desempenho na deformação mecânica dos metais (há uma certa facilidade para ocorrer deformação).

1.2.3) EMPILHAMENTO ATÔMICO HEXAGONAL COMPACTO (HC)

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Exemplos de metais com empilhamento atômico HC: magnésio, zinco, titânio.No HC tem-se 03 planos e direções compactas, ou seja, três sistemas de escorregamento atômico durante a deformação mecânica. Por isso, a deformação mecânica ocorre com certa facilidade (não há interferências).

1.3) IMPERFEIÇÕES NO EMPILHAMENTO ATÔMICO DOS MATERIAIS

Todo material possui imperfeições em seu empilhamento atômico. Estas podem ser: pontuais, lineares e superficiais.

1.3.1) IMPERFEIÇÕES PONTUAIS

São chamadas de “lacunas”, ou seja, uma ausência de átomos em determinados locais do empilhamento atômico.Considera-se também uma imperfeição pontual, a presença de átomos estranhos ao empilhamento (impurezas).

1.3.2) IMPERFEIÇÕES LINEARES (em linha)

São chamadas de discordâncias. A deformação do material tem início com a movimentação das discordâncias. A dificuldade para ocorrer esta movimentação é traduzida em aumento da resistência mecânica do material. Então, diz-se que as discordâncias e sua movimentação são fundamentais na deformação mecânica dos materiais. Entre as imperfeições lineares, merece destaque a discordância em cunha.

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A discordância em cunha ocorre devido à interrupção na linha de átomos dentro do empilhamento atômico. Esta interrupção provoca um desajuste entre regiões perfeitas.

1.3.3) IMPERFEIÇÕES SUPERFICIAIS

Referem-se à granulação do material. Grão, no material, é a região que apresenta a mesma orientação das células unitárias.

Os locais onde ocorre a transição de orientação das células unitárias no empilhamento, são chamados contornos de grão. Estes, por sua vez, dificultam a movimentação das discordâncias afetando, portanto, as propriedades mecânicas e a conformação mecânica do material. É possível alterar a granulação do material através da deformação mecânica e tratamentos térmicos.

1.4) PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS

1.4.1) RESISTÊNCIA MECÂNICA (referente à tração)

1.4.1.1) TENSÕES

Tensão é a relação entre a carga aplicada sobre uma área: σ = P / SOnde:

σ = tensão (em kgf / cm², N / mm²) (“T” no gráfico abaixo) P = carga (em kgf, N)S = área (em cm², mm²)

σR = TENSÃO DE RUPTURA ou LIMITE DE RUPTURA. É a máxima tensão que o material suporta (“C” no gráfico abaixo)

σe = TENSÃO ESCOAMENTO. É o início da deformação plástica (região de instabilidade).

σad = TENSÃO ADMISSÍVEL. É a tensão utilizada no dimensionamento das peças (é a relação entre a tensão de ruptura e o fator de segurança). A Tensão admissível deve estar, sempre, na fase elástica.

σad = σR / Fator de Segurança

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Onde:

ε = Alongamento. É a relação entre a deformação e o comprimento inicial

1.4.1.2) DEFORMAÇÕES

DEFORMAÇÃO ELÁSTICA: após a retirada da carga, o material retorna ao seu estado (dimensão) inicial. Ocorre na fase elástica.

DEFORMAÇÃO PLÁSTICA: após a retirada da carga, corresponde à deformação permanente, o material não volta ao seu estado inicial. Ocorre na fase plástica.

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Δℓ = DEFORMAÇÃO. É a variação de comprimento.

Δℓ = ℓf - ℓoOnde:

ℓf = comprimento final (em cm, mm)

ℓo = comprimento inicial (em cm, mm)

Se: Δℓ > 0 , há tração.

Se: Δℓ < 0 , há compressão.

ε = ALONGAMENTO. É a relação entre a deformação e o comprimento inicial.

ε = Δℓ / ℓo

ε% = (Δℓ / ℓo).100

REGIAO DE PROPORCIONALIDADE (aqui vale a Lei de Hooke): é a região, do gráfico tensão x deformação do material, onde a deformação é proporcional à tensão aplicada.

LEI DE HOOKE (válido na região de proporcionalidade): E = σ / ε Onde:E = módulo de elasticidade ou módulo de young (em kgf / cm², N / mm²)

ε = alongamento (adimensional)

σ = tensão (em kgf / cm², N / mm²)

Para aço: E ≈ 2,1 x 10 6 kgf / cm²

1.4.2) DUREZA

Indica a capacidade do material resistir à penetração, ao risco, ao corte, abrasão etc. Pode-se estimar a tensão de ruptura do material através da dureza:

Para aço liga: σR ≈ 34.HB (em kgf / cm²)

Para aço carbono comum: σR ≈ 36.HB (em kgf / cm²) Onde:HB = dureza Brinell

1.4.3) DUCTILIDADE

É a capacidade do material poder ser deformado. A ductilidade é fundamental para os materiais que deverão sofrer conformação mecânica. O material dúctil apresenta, no diagrama tensão x deformação, regiões elástica e plástica, e nota-se que quanto maior a região plástica, maior a ductilidade.

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1.4.4) ESTRICÇÃO

É a redução da seção que ocorre no corpo de prova do ensaio de tração, para materiais dúcteis. A estricção é uma característica da ductilidade, visível em corpos de prova rompidos no ensaio de tração.

1.4.5) FRAGILIDADE

Os materiais frágeis apresentam somente a região elástica e, portanto, não são passíveis de conformação mecânica. Exemplo: cerâmicos.

1.4.6) RESILIÊNCIA

É a capacidade do material absorver energia (solicitações dinâmicas de choque) na região elástica.

1.4.7) TENACIDADE

É a capacidade do material absorver energia (grandes cargas) na região plástica.

1.4.8) MALEABILIDADE

Indica a capacidade do material sofrer grandes deformações permanentes em todas as direções, sem atingir a ruptura. Expressa a maior ou menor facilidade do material em ser forjado ou laminado.

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