Ciência dos materiais
Marco Antônio de Morais Alcantara
Alguns temas são importantes para a compreensão dos materiais de construção, no sentido de contribuir para a formação de um "referencial", dos quais eu os apresentaria como sendo os seguintes:
- A microestrutura interna
- As propriedades específicas dos materiais
- A caracterização do produto
- O desempenho final do produto
O tema microestrutura é o que será discutidos a seguir.
O tema microestrutura é o que será discutidos a seguir.
A microestrutura interna
Alguns aspectos podem definir um tipo de microestrutura interna, conforme o escopo em análise.
Nesta apresentação se tomará os seguintes, não sendo estes os únicos que podem caracterizar um tipo de matriz: a natureza das ligações químicas presentes, a organização atômica, a presença de fases quanto à natureza dos materiais dispersos, e o estado de floculação ou de dispersão.
Então, analisaremos:
Nesta apresentação se tomará os seguintes, não sendo estes os únicos que podem caracterizar um tipo de matriz: a natureza das ligações químicas presentes, a organização atômica, a presença de fases quanto à natureza dos materiais dispersos, e o estado de floculação ou de dispersão.
Então, analisaremos:
Alguns tipos de matriz
Nas ilustrações que se seguem são apresentadas três formas distintas de microestrutura quanto ao tipo de matriz formada. No primeiro caso é apresentado um exemplo de matriz composta por material granular, envolvida por algum tipo de aglomerante.
No segundo caso, o material aglomerado apresenta partículas de forma lamelar, diferenciada do caso anterior, do material granular.
Matriz composta de material granular lamelar unida por um aglomerante
E no caso seguinte, uma feixe de fibras compõe um tipo de material aglomerado por algum resina.
Matriz composta de feixe de fibras unido por um aglomerante
O tipo de ligações químicas, estruturação atômica e conexões entre as partes
Uma outra maneira de se abordar a microestrutura dos materiais seria quanto ao arranjo interno dos seus átomos constituintes.
Nas ilustrações seguintes temos alguns exemplos possíveis. No primeiro caso, um material com o arranjo ordenado dos seus átomos, de maneira a existir uma unidade representativa e repetitiva, como nos casos dos materiais cristalinos. O exemplo sugerido trata-se de um arranjo cúbico. Este tipo de arranjo pode estar presente no caso dos materiais metálicos. As ligações químicas presentes são do tipo metálicas, consideradas como ligações fortes. Um outro átomo diferente pode estar inserido no centro ou nas faces, influenciando, por exemplo, nas condições de empacotamento e de densidade do material.
Nas ilustrações seguintes temos alguns exemplos possíveis. No primeiro caso, um material com o arranjo ordenado dos seus átomos, de maneira a existir uma unidade representativa e repetitiva, como nos casos dos materiais cristalinos. O exemplo sugerido trata-se de um arranjo cúbico. Este tipo de arranjo pode estar presente no caso dos materiais metálicos. As ligações químicas presentes são do tipo metálicas, consideradas como ligações fortes. Um outro átomo diferente pode estar inserido no centro ou nas faces, influenciando, por exemplo, nas condições de empacotamento e de densidade do material.
Célula unitária de arranjo cristalino
Já no exemplo seguinte se apresenta um material que não obedece à regra do caso anterior, sendo um caso de material amorfo. Os átomos são dispostos de modo a não obedecer uma ordem quanto à disposição destes. O tipo de ligação química presente pode ser a do tipo covalente, que são consideradas como ligações fortes. Alguns materiais que apresentam arranjos cristalinos, mas que não tenham extensão espacial significativa, ou que apresentem uma pluralidade mineralógica, podem ser também considerados como materiais amorfos; como exemplos têm-se casos dos materiais cerâmicos. Os materiais cerâmicos podem conter tanto estruturas cristalinas como material no estado amorfo, e podem envolver ligações covalentes, iônicas e metálicas.
Material amorfo, sem unidade repetitiva
Os materiais moleculares por sua vez são compostos por cadeias de átomos que formam unidades básicas. As unidades repetitivas são unidas por ligações covalentes através de ligações duplas ou simples, e são denominadas por "meros". No caso, o elemento químico básico para a constituição destas unidades geralmente o carbono, podendo estas unidades criadas sofrer variação com a incorporação de outros elementos que podem ser associados.
As moléculas formadas são unidas por "forças de Van der Waals", as quais são ligações fracas. Neste sentido, as moléculas apresentam fortes ligações intra-moleculares e fracas ligações intermoleculares.
As moléculas formadas são unidas por "forças de Van der Waals", as quais são ligações fracas. Neste sentido, as moléculas apresentam fortes ligações intra-moleculares e fracas ligações intermoleculares.
Cadeias moleculares
A presença de fases quanto à natureza dos materiais dispersos
Ainda poderíamos considerar outro contexto, quando se considera um material seja composto ou não por "fases". Entendemos fases como unidades homogêneas dos materiais.
No exemplo seguinte temos o caso de um material composto por uma única fase.
No exemplo seguinte temos o caso de um material composto por uma única fase.
Material apresentando uma só fase
Já nos exemplos seguintes são apresentados os casos de materiais com mais de uma fase.
N primeiro caso, as fases são solúveis. Isto pode se dar pelas naturezas e compatibilidades entre os elementos envolvidos, como por exemplo refletindo-se na tensão superficial, ou pela tolerância para com os limites de solubilidade, em função de princípios estequiométricos.
N primeiro caso, as fases são solúveis. Isto pode se dar pelas naturezas e compatibilidades entre os elementos envolvidos, como por exemplo refletindo-se na tensão superficial, ou pela tolerância para com os limites de solubilidade, em função de princípios estequiométricos.
Material apresentando duas fases solúveis
No caso em que existam fases não solúveis, estas são apresentadas como fases distintas. O aço e o ferro fundido, por exemplo, são exemplos de materiais onde a distribuição e solubilização do carbono implicam em diferentes tipos de estruturas internas, onde a boa dissolução ou o excesso de carbono não combinado, implicam em diferentes tipos de configuração de fases e em materiais com comportamentos tecnológicos diferenciados.
Sistema apresentando duas fases não solúveis
A presença de fases distintas não solúveis ou combinadas em um material pode ser um indicativo de que o material possui regiões de fraqueza.
O estado de floculação ou de dispersão
Finalmente, dentro desta apresentação procura-se discriminar os casos quanto ao estado de floculação ou de dispersão, em um sistema coloidal ou particulado.
O estado floculado.
O estado floculado.
Material em estado floculado
O estado disperso.
Material em estado disperso
Os estados floculados ou dispersos são decorrentes de fatores físico-químicos, conforme as modificações da chamada "dupla camada difusa". Os concretos e solos, por exemplo, podem ter diferentes comportamentos reológicos frente aos estados de floculação ou de dispersão.
A matriz que um material tem em particular pode contribuir para algumas características de comportamento.
Para o exemplo do material com matriz granular, apresentado, compreende-se que existe homogeneidade conforme as direções ortogonais, e o indicativo para a ocorrência da formação de um material com características isotrópicas, de modo que o comportamento do material independa da direção adotada, seja para um tipo de esforço aplicado, ou para o caso de um fluxo interno. Tenderá a apresentar iguais condições. No caso, a distribuição e o envolvimento dos grãos se dará de modo geral segundo as mesmas condições.
A granulometria adotada para do material de enchimento pode sugerir a ideia de que esta possa atribuir ao material a maior ou a menor compacidade; ou a maior área de contato entre os grãos e o aglomerante, influenciando desta forma na densidade alcançada para o material, ou na resistência do compósito. A compatibilidade entre o material de enchimento e o material aglomerante também pode ser um fator a ser levado em consideração, quando se considera as propriedades individuais, devendo haver uma contra-partida de cada fase.
No exemplo de um material de formato lamelar, aglomerado, já se observa outras implicações, como a existência de uma possível linha diferenciada, onde pode ocorrer, possivelmente, uma região de fraqueza para esforços de cisalhamento, de modo que a ruptura se daria segundo um plano de fraqueza, ou haveria também uma linha preferencial para a percolação de líquidos e gases.
Estes materiais aglomerados podem ser representados pelos casos de misturas cimentícias.
Para os materiais com diferentes arranjos e estrutura interna se tornam relevantes o "comportamento em grupo" ou "individualizado", das unidades, frente à solicitações.
A existência de estruturas diferenciadas e a pluralidade de composição podem criar comportamentos distintos, em razão de diferentes tipos de rigidez, módulos de elasticidade e coeficientes térmicos.
A princípio, considerando casos de materiais mais homogêneos, como no caso de um arranjo cristalino, por exemplo, um esforço mecânico poderá promover deformações de modo coerente com a linha de ação, pelo afastamento dos átomos da estrutura.
Já no caso de um material amorfo, um esforço poderá conduzir a um comportamento individualizado, impedindo a ocorrência de deformação específica, e conduzindo o material à ruptura. O mesmo se pode considerar com relação à ação térmica, onde este comportamento pode levar o material ao fendilhamento.
Nestes dois últimos casos abordados se preocupou com aspectos de comportamento diferenciado, mas não no valor limite último de resistência.
Como apresentado anteriormente, o tipo de arranjo pode implicar em diferentes condições de empacotamento, e diferentes condições de compacidade e de densidade, considerando os vazios internos decorrentes da geometria do empacotamento.
Os materiais moleculares se caracterizam por apresentar fortes ligações intra-moleculares e fracas ligações inter-moleculares, pois as moléculas são são unidas por forças fracas, de modo que estes materiais são pouco resistentes mecanicamente. A consistência do material é dada pelo comprimento e entranhamento entre as cadeias moleculares. Nos casos de estruturas de polímeros, algumas formas particulares podem influenciar na sua estruturação e propriedades, como as cadeias ramificadas, ligações cruzadas (covalentes) entre alguns átomos de cadeias diferentes, ou cadeias tridimensionais, dotadas de ligações químicas covalentes, permitem ao material apresentar melhor consistência, resistência mecânica e propriedades térmicas.
No caso de materiais com uma só fase, ou de diferente fases, isto poderá implicar também em homogeneidade e comportamento isotrópico.
Quando em diferente fases, a boa dissolução implicará em melhores condições para o conjunto, podendo haver, por exemplo, simetria, tomando-se como referência uma partícula inserida dentro de uma massa homogênea. No exemplo compreende-se intuitivamente que uma possível variação dimensional de uma unidade que esteja inserida em uma outra fase, igualmente envolvida por esta outra fase, implicará em esforços igualmente distribuídos em todas as direções, não criando "concentração de tensões", as quais fragilizariam o material.
No caso de haver sistemas com fases distintas sem boa dissolução poderá existir diferenciações de materiais (com diferentes índices tecnológicos), de modo a haver comportamento diferenciado ou regiões de fraqueza, por apresentarem diferentes condições de resistência ou concentrações de tensões, devido à propriedades diferenciadas dos materiais para a absorção ou transmissão de esforços.
Finalmente, o estado de floculação ou de dispersão pode influenciar em processos, sobretudo na energia requerida para a deformação no estado fresco. Ao estado floculado ocorre a maior resistência à deformação em processos de compactação ou manuseios das misturas frescas.
Com base no exposto, tem sido aceitos os seguintes conceitos como básicos para a engenharia dos materiais:
A justificativa para as "propriedades macroscópicas" dos materiais têm sido associadas à caracterização da microestrutura destes, e a maneira de intervir nas propriedades dos materiais passam por intervenção na microestrutura destes. Desta maneira são concebidos os materiais utilizados em engenharia.
Referencias de apoio:
AGOPYAN, V. Estudos de materiais de construção-Materiais alternativos. Separata de artigos de A Construção, São Paulo, PINI/IPT,, 1986, pg13-16
BAUER, L.A.F. Materiais de construção civil, 1992, Rio de Janeiro, Livros Técnicos e Científicos, 2. pg 526-554
VAN VLACK, L.H. Princípios de ciência dos materiais, São Paulo, 1988, Edgard Blücher, 427p.
Sobre o autor:
Implicações decorrentes da microestrutura interna
A matriz que um material tem em particular pode contribuir para algumas características de comportamento.
Para o exemplo do material com matriz granular, apresentado, compreende-se que existe homogeneidade conforme as direções ortogonais, e o indicativo para a ocorrência da formação de um material com características isotrópicas, de modo que o comportamento do material independa da direção adotada, seja para um tipo de esforço aplicado, ou para o caso de um fluxo interno. Tenderá a apresentar iguais condições. No caso, a distribuição e o envolvimento dos grãos se dará de modo geral segundo as mesmas condições.
Suposição de desempenho para material composto à base de matriz granular unida por aglomerante
No exemplo de um material de formato lamelar, aglomerado, já se observa outras implicações, como a existência de uma possível linha diferenciada, onde pode ocorrer, possivelmente, uma região de fraqueza para esforços de cisalhamento, de modo que a ruptura se daria segundo um plano de fraqueza, ou haveria também uma linha preferencial para a percolação de líquidos e gases.
Suposição de desempenho para material composto à base de matriz granular lamelar unida por aglomerante
Estes materiais aglomerados podem ser representados pelos casos de misturas cimentícias.
Para os materiais com diferentes arranjos e estrutura interna se tornam relevantes o "comportamento em grupo" ou "individualizado", das unidades, frente à solicitações.
A existência de estruturas diferenciadas e a pluralidade de composição podem criar comportamentos distintos, em razão de diferentes tipos de rigidez, módulos de elasticidade e coeficientes térmicos.
A princípio, considerando casos de materiais mais homogêneos, como no caso de um arranjo cristalino, por exemplo, um esforço mecânico poderá promover deformações de modo coerente com a linha de ação, pelo afastamento dos átomos da estrutura.
Suposição de desempenho para material cristalino mediante deformação por esforços solicitantes
Já no caso de um material amorfo, um esforço poderá conduzir a um comportamento individualizado, impedindo a ocorrência de deformação específica, e conduzindo o material à ruptura. O mesmo se pode considerar com relação à ação térmica, onde este comportamento pode levar o material ao fendilhamento.
Suposição de desempenho para material amorfo mediante solicitações externas
Como apresentado anteriormente, o tipo de arranjo pode implicar em diferentes condições de empacotamento, e diferentes condições de compacidade e de densidade, considerando os vazios internos decorrentes da geometria do empacotamento.
Condições particulares de empacotamento para diferentes tipos de arranjo cristalino
Os materiais moleculares se caracterizam por apresentar fortes ligações intra-moleculares e fracas ligações inter-moleculares, pois as moléculas são são unidas por forças fracas, de modo que estes materiais são pouco resistentes mecanicamente. A consistência do material é dada pelo comprimento e entranhamento entre as cadeias moleculares. Nos casos de estruturas de polímeros, algumas formas particulares podem influenciar na sua estruturação e propriedades, como as cadeias ramificadas, ligações cruzadas (covalentes) entre alguns átomos de cadeias diferentes, ou cadeias tridimensionais, dotadas de ligações químicas covalentes, permitem ao material apresentar melhor consistência, resistência mecânica e propriedades térmicas.
Cadeias ramificadas. Fonte: VAN VLACK (1988)
Ligações cruzadas. Fonte: VAN VLACK (1988)
Cadeias tridimensionais. Fonte: VAN VLACK (1988)
No caso de materiais com uma só fase, ou de diferente fases, isto poderá implicar também em homogeneidade e comportamento isotrópico.
Suposição de desempenho para material de uma só fase mediante esforços solicitantes
Suposição de desempenho para material de uma fases miscíveis mediante esforços solicitantes
Suposição de desempenho para material fases não miscíveis mediante esforços solicitantes
Finalmente, o estado de floculação ou de dispersão pode influenciar em processos, sobretudo na energia requerida para a deformação no estado fresco. Ao estado floculado ocorre a maior resistência à deformação em processos de compactação ou manuseios das misturas frescas.
Condição particular de material disperso condição particular de material floculado
Com base no exposto, tem sido aceitos os seguintes conceitos como básicos para a engenharia dos materiais:
A justificativa para as "propriedades macroscópicas" dos materiais têm sido associadas à caracterização da microestrutura destes, e a maneira de intervir nas propriedades dos materiais passam por intervenção na microestrutura destes. Desta maneira são concebidos os materiais utilizados em engenharia.
Referencias de apoio:
AGOPYAN, V. Estudos de materiais de construção-Materiais alternativos. Separata de artigos de A Construção, São Paulo, PINI/IPT,, 1986, pg13-16
BAUER, L.A.F. Materiais de construção civil, 1992, Rio de Janeiro, Livros Técnicos e Científicos, 2. pg 526-554
VAN VLACK, L.H. Princípios de ciência dos materiais, São Paulo, 1988, Edgard Blücher, 427p.
Marco Antônio de Morais Alcantara
é Engenheiro Civil formado pela Universidade Federal de São Carlos-BR, com
ênfase em Engenharia Urbana (1986); Mestre em Engenharia Civil, área de
concentração em Geotecnia, pela Universidade Federal de Viçosa-BR (1995); Master
Génie Civil, Matériaux et Structures, pelo Institut National des Sciences
Appliquées de Toulouse-FR (2001); Docteur Génie Civil, Matériaux et Structures,
pelo Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse-FR (2004); e tem pós-doutorado em Estruturas pela
Universidade do Porto-PT (2012). É docente da FEIS/UNESP desde 1987.
