Materiais e desempenho
Marco Antônio de Morais Alcantara
Como
materiais, os metais se caracterizam pelas suas propriedades tecnológicas como
a resistência mecânica, maleabilidade, condução de eletricidade, etc.
Como
matéria prima, os metais podem ter ocorrência em estado livre ou em compostos,
como na maioria dos casos. Dá-se o nome de “minério”, à associação
“metal-oxigênio-impurezas”. Normalmente as impurezas são silicatos e materiais
terrosos.
Em
geral, a quantidade de minérios disponíveis na natureza em uma dada região não
permite que estes possam ser aproveitados de forma a se produzir quantidades
significativas do metal. Quando se refere a uma concentração de metais em dada
região que pode ser explorada economicamente, esta é chamada de “jazida”.
A
atividade da extração do minério e a sua concentração é a “mineração”; e,
“metalurgia” tem por finalidade a obtenção do metal puro, sendo que, a
“siderurgia” é a metalurgia do ferro e das suas ligas.
2) Aspectos principais da constituição
A
estrutura cristalina dos materiais metálicos se caracteriza por apresentar-se arranjo ordenado de átomos, em estrutura tridimensional, de longa extensão,
comparado aos demais materiais, como por exemplo os materiais cerâmicos. Os arranjos de “corpo centrado”, e de “faces
centradas” (Figura 1) são os que ocorrem para o ferro, por exemplo, variando-se estas
formas conforme a temperatura. A distância entre átomos e vibração também podem
variar com a temperatura ou estado energético. A distância entre os átomos vem a satisfazer ao estado de menor energia, mantendo-se estável a configuração, de modo que uma aproximação ou um distanciamento entre estes requer a incorporação de energia ao sistema.
Figura 1: arranjos atômicos de corpo centrado e de faces centradas
As ligações químicas que predominam nos materiais metálicos são as ligações metálicas, onde, uma nuvem eletrônica promove uma rede de compartilhamento de modo a satisfazer a demanda de neutralidade dos prótons. Isto contribui para a formação das propriedades dos materiais metálicos, como a condutibilidade térmica e a condutibilidade térmica.
Os cristais dos materiais metálicos são limitados aos “grãos” (Figura 2). Os “grãos” e a sua formação, dependem das condições de temperatura e do tempo. Podem variar quanto ao tamanho ou orientação, definindo-se propriedades importantes do material. Estas últimas características citadas podem ser modificadas pela temperatura, ou por ações mecânicas em tratamentos metalúrgicos, trazendo modificações importantes em propriedades específicas.
Figura 2: Estrutura granular dos materiais metálicos
Filme intercristalino é o espaço entre dois grãos, o qual foi solidificado de forma amorfa, sendo também o local para onde se direcionam as impurezas. As propriedades de resistência do filme são determinantes também para a resistência do material, e consistem em uma região de fraqueza
.
As “ligas” (Figura 3) são associações de um metal
com outro metal, ou com outros elementos, de forma a se constituir em um
terceiro material, com propriedades próprias. Tem-se, por objetivo, quando se
adota este procedimento, a melhoria das propriedades tecnológicas do metal.
Exemplos de ligas são: cobre-zinco (bronze), cobre-estanho (latão),
ferro-carbono (aço). Para a fabricação das ligas são definidas as proporções ou
porcentagens dos metais ou substâncias a compor a liga, e constata-se para cada
caso, a perda das propriedades individuais dos metais que participam da liga,
para a formação de um novo material.
Figura 3: Ligas
3) Propriedades gerais dos materiais metálicos
3.1) Densidade
Para os materiais metálicos é desprezível o índice de vazios. A
densidade destes pode variar conforme o tipo de empacotamento cristalino, sendo em geral elevada. Por exemplo, têm-se de
acordo com Van Vlack (1988) que a densidade do aço é da ordem de 7,86 g/cm3; a do cobre 8,9 g/cm3; ferro fundido 7,7 g/cm3; e a do alumínio 2,7g/cm3. Exemplos comparativos de
densidade de outros materiais, conforme o autor citado, são: concreto, 2,4 g/cm3; e cerâmica, 2,3 g/cm3.
3.2) Propriedades térmicas
As propriedades térmicas são marcantes para
os materiais metálicos, em face da sua estrutura interna. A condutibilidade
térmica para o aço, por exemplo, é da ordem de 0,12 cal.cm./0C. cm2.s, enquanto que para o
alumínio, em torno de 0,53 cal.cm./0C. cm2.s. Este valores podem ser comparados com os demais,
já apresentados em materiais cerâmicos. A expansão térmica também pode ser
variável para os materiais metálicos, como em torno de 11,7.10-6 cm.cm./0C para os aços, e 22.10-6 cm.cm./0C para o alumínio. Valores
comparativos de outros materiais podem ser dados, como 9.10-6 cm.cm./0C para os materiais
cerâmicos, e 12.10-6 cm.cm./0C para o concreto.
3.3) Condutibilidade elétrica
Ela é elevada nos
materiais metálicos, em particular para o cobre e para o alumínio.
3.4) Resistência mecânica
A capacidade de
resistência mecânica é bastante elevada para os materiais metálicos, não sendo,
de modo geral, a causa da ruína na maioria das estruturas em casos de colapso.
Em caso de ruptura do concreto armado, antes que se esgote a capacidade
resistente da armadura, o concreto comprimido já sucumbiu. Por outro lado, é
preocupante em estruturas metálicas o fator estabilidade, independentemente da
capacidade resistente dos aços.
3.5) Capacidade de deformações
Em face da sua estrutura interna os materiais metálicos podem estar sujeitos à deformações quando sujeitos aos esforços mecânicos. Uma consideração importante segundo Souza (2009) é que, segundo a sua estrutura cristalina e tipos de ligações químicas, estas não são orientadas, de modo que a deformação pode assumir a mesma direção que a do esforço atuante. Os materiais metálicos, em particular os aços, podem experimentar ductilidade, em maior ou em menor grau, conforme a espécie.
Deve ser considerado que quando em casos de ruptura, a deformação ocorrida pode ser maior ou menor, dada em porcentagem do comprimento inicial da barra, ou dimensão de referência adotada (Figura 4). Isto é uma característica do tipo e condição do material conforme o tratamento recebido.
Ainda, a seção transversal da barra pode sofrer variação com estreitamento, denominada por estricção (Figura 5).
A Figura 6 ilustra o histórico da tensão e da deformação de aços doces conforme compreendido a partir de Souza (2009) e Garcia et (2010).
De início, o material experimenta um regime de tensão e deformação dentro do limite elástico, com proporcionalidade entre os valores da tensão e da deformação.
Dentre de determinado estágio do carregamento, alcança-se a mudança do regime, onde as relações entre os valores da tensão e da deformação deixam de obedecer ao regime de linearidade, assim como, o material passa a guardar deformações residuais, caso seja realizado o descarregamento. Deixa-se assim o regime elástico, vindo, a seguir, o material a experimentar um novo regime de deformação, o "escoamento".
Nesse novo regime o aço passa a apresentar grandes deformações, para pequenas variações da carga. Com o prosseguimento do carregamento, segue-se as fase plástica, onde o material é submetido ao "encruamento". O encruamento é uma fase onde o material busca um revigoramento, com base nos novos ajustes dos planos atômicos, até um limite a partir do qual segue a trajetória para a ruptura.
Segundo a Figura 6, o valor da tensão limite tende a ser menor do que um determinado valor máximo, apresentado; contudo, ela não diminui, visto que ela não considera a diminuição da área da seção transversal.
Para os casos dos aços diferentes dos aços doces, o comportamento mecânico dos aços passa a ser diferenciado, no sentido de se encontrar dificuldades de instrumentação de modo a se encontrar um patamar nítido de escoamento. Para esses tipos de aços, com composição mais diversificada sobretudo no teor de carbono, a compreensão da tensão de escoamento passa a ser referenciada à uma deformação residual dada em n(%), quando é ultrapassado o regime elástico. Esta deformação comumente é adotada como 0,2% para os casos de metais e ligas gerais, podendo para alguns casos particulares ser adotada como 05% ou 0,1% (SOUZA, 2010).
Desta forma, de modo a simplificar o comportamento dos materiais metálicos para os casos em que estes não tenham patamar de escoamento, pode ser simplificado para um diagrama com o auxílio de uma reta traçada a partir de uma deformação residual de n(%), tocando a curva no ponto a se definir o limite entre o regime elástico e o regime plástico (Figura 7).
A ductilidade dos materiais metálicos provém de sua microestrutura interna, onde, planos atômicos favorecidos por "discordâncias" (falhas) permitem um escorregamento e rearranjamento interno. vindo a ruptura ocorrer por cisalhamento interno (Figura 8).
3.6) Dureza
Deve ser considerado que quando em casos de ruptura, a deformação ocorrida pode ser maior ou menor, dada em porcentagem do comprimento inicial da barra, ou dimensão de referência adotada (Figura 4). Isto é uma característica do tipo e condição do material conforme o tratamento recebido.
Figura 4: Esforço e deformação um uma barra metálica
Figura 5: Estrição
A Figura 6 ilustra o histórico da tensão e da deformação de aços doces conforme compreendido a partir de Souza (2009) e Garcia et (2010).
Figura 6: Ilustração do comportamento dos materiais metálicos com relação ao valor da tensão e da deformação
De início, o material experimenta um regime de tensão e deformação dentro do limite elástico, com proporcionalidade entre os valores da tensão e da deformação.
Dentre de determinado estágio do carregamento, alcança-se a mudança do regime, onde as relações entre os valores da tensão e da deformação deixam de obedecer ao regime de linearidade, assim como, o material passa a guardar deformações residuais, caso seja realizado o descarregamento. Deixa-se assim o regime elástico, vindo, a seguir, o material a experimentar um novo regime de deformação, o "escoamento".
Nesse novo regime o aço passa a apresentar grandes deformações, para pequenas variações da carga. Com o prosseguimento do carregamento, segue-se as fase plástica, onde o material é submetido ao "encruamento". O encruamento é uma fase onde o material busca um revigoramento, com base nos novos ajustes dos planos atômicos, até um limite a partir do qual segue a trajetória para a ruptura.
Segundo a Figura 6, o valor da tensão limite tende a ser menor do que um determinado valor máximo, apresentado; contudo, ela não diminui, visto que ela não considera a diminuição da área da seção transversal.
Para os casos dos aços diferentes dos aços doces, o comportamento mecânico dos aços passa a ser diferenciado, no sentido de se encontrar dificuldades de instrumentação de modo a se encontrar um patamar nítido de escoamento. Para esses tipos de aços, com composição mais diversificada sobretudo no teor de carbono, a compreensão da tensão de escoamento passa a ser referenciada à uma deformação residual dada em n(%), quando é ultrapassado o regime elástico. Esta deformação comumente é adotada como 0,2% para os casos de metais e ligas gerais, podendo para alguns casos particulares ser adotada como 05% ou 0,1% (SOUZA, 2010).
Desta forma, de modo a simplificar o comportamento dos materiais metálicos para os casos em que estes não tenham patamar de escoamento, pode ser simplificado para um diagrama com o auxílio de uma reta traçada a partir de uma deformação residual de n(%), tocando a curva no ponto a se definir o limite entre o regime elástico e o regime plástico (Figura 7).
Figura 7: Diagrama simplificado para o comportamento tensão-deformação nos materiais metálicos
A ductilidade dos materiais metálicos provém de sua microestrutura interna, onde, planos atômicos favorecidos por "discordâncias" (falhas) permitem um escorregamento e rearranjamento interno. vindo a ruptura ocorrer por cisalhamento interno (Figura 8).
Figura 8: Escorregamento entre planos atômicos do material metálico
3.6) Dureza
A “dureza” classifica os metais
conforme eles sejam “duros”, ou “moles”. Entre outros casos, o grau de dureza
dos metais é citado, normalmente, para definir os tipos de produtos obtidos
após os tratamentos térmicos. Cumpre também considerar que, os materiais mais
“duros”, tendem a ser também mais frágeis quanto à ruptura.
3.7) Fadiga
É a resistência dos materiais metálicos
à esforços alternados ou repetitivos.
3.8) Dobramento
É a capacidade dos materiais
metálicos com relação a sua capacidade de serem dobrados, sem que ocorra a
ruptura. Têm grande importância esta propriedade, sobretudo, sob o ponto de
vista de manuseio para a aplicação em ferragens (Figura 9).
Figura 9: situação prática envolvendo barra de aço em canteiro de obras
3.9) Durabilidade
Depende da somatória da
resistência dos materiais metálicos à corrosão, fadiga, ação do fogo, etc.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
BAUER,
L.A.F Materiais de construção, São
Paulo, 1992, Livros Técnicos e Científicos, 2, p.526-554.
GARCIA, M; SPIM, J.A; SANTOS, C.A. Ensaios dos materiais, Rio de Janeiro, 2010, LTC, 247p.
SOUZA, S.A. Ensaios mecânicos de materiais metálicos, São Paulo, 2009, Edgar Blucher, 286p.
VAN VLACK, L.H. Princípios de ciência dos materiais, São Paulo, 1988, Edgard Blücher, 427p.
Sobre o autor:
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.
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.
