Propriedades dos Materiais e Métodos de Teste

1. Propriedades dos Materiais

As propriedades de um material dependem de sua estrutura interna e determinam seu comportamento durante o processo de fabricação, sendo úteis para diversas aplicações. Se quisermos modificá-las, devemos variar sua estrutura interna, no caso dos metais, através de ligas ou tratamentos térmicos. A escolha de um material deve levar em conta suas propriedades químicas, físicas, mecânicas, econômicas e estéticas. Através de um estudo detalhado das propriedades físicas e químicas de átomos, moléculas e compostos, e utilizando ferramentas de desenho assistido por computador, cientistas de materiais projetam materiais com propriedades surpreendentes.

1.1 Propriedades Químicas

A interação entre o material e o ambiente provoca efeitos. As propriedades de perda ou dano serão diferentes dependendo do material: metal, cerâmica ou polímeros.

a) Oxidação

O material combina-se com oxigênio. Reação de oxidação. Prata (Ag), Ouro (Au) ou Platina (Pt) não se oxidam, mas são caros para a indústria. Ligas com Cromo (Cr) ou Níquel (Ni) tornam o aço inoxidável. Utilizam-se revestimentos de proteção, galvanização ou cromagem.

b) Corrosão

Há uma lenta deterioração do material pela ação de um agente (O₂) na presença de água. Não é um processo uniforme, aparecendo pontos de corrosão em diferentes partes do material.

1.2 Propriedades Físicas

São devidas à ordenação espacial dos átomos nos materiais.

a) Densidade

Relação entre a massa de uma quantidade de material e o volume que ocupa. Se a densidade for inferior a 1 kg/m³, o material flutua na água destilada.

b) Propriedades Elétricas

Mostram a resistência à passagem de corrente elétrica quando exposto a uma diferença de potencial. A resistência elétrica de um material condutor depende, entre outros fatores, da sua natureza, ou seja, da presença de elétrons móveis e do seu grau de mobilidade sob a ação de um campo elétrico. Esta propriedade específica da substância é chamada de resistividade.

• Isolantes
• Condutores
• Semicondutores
• A resistividade de um Supercondutor vai a zero e a corrente flui sem oposição por um período indeterminado (tem muitas aplicações médicas). A mudança para a condução normal ocorre na temperatura crítica (Tc) dos supercondutores, que está relacionada com as propriedades magnéticas do material.

c) Propriedades Térmicas

Efeitos do aquecimento contínuo: absorção, transferência de calor e expansão ou dilatação.

• Coeficiente de Expansão Térmica Linear: O material se expande, aumentando sua temperatura (se não houver mudanças de fase) devido à maior vibração dos átomos e maior separação entre eles. Fórmula: ΔL = L₀ (1 + αΔT), onde α é o coeficiente de expansão linear.
• Calor Específico: Energia absorvida para aumentar a temperatura de 1°C de um material sem a ocorrência de mudanças de fase.
• Temperatura de Fusão: Com o aquecimento contínuo, a vibração das partículas torna-se mais ampla, ocorrendo dilatação. Se a temperatura continuar a aumentar, a amplitude de vibração é tal que a estrutura do material se rompe, atingindo o ponto de fusão. A fusão é acompanhada por um aumento de volume. Um ponto de fusão mais alto indica forças mais fortes que mantêm as partículas unidas.
• Condutividade Térmica: A transferência de calor por condução ocorre através de corpos de pontos de temperatura mais baixa e é devida às colisões entre átomos e partículas. A condutividade térmica indica o comportamento de cada corpo na transferência de calor por condução.

d) Propriedades Magnéticas

As propriedades magnéticas de um material representam a interação da estrutura atômica com um campo magnético. Magnetização (M): ocorre quando dipolos permanentes ou induzidos se orientam com o campo magnético (B). M = χH (onde χ é a suscetibilidade magnética). Descreve o ciclo de histerese (B-H).

• Diamagnetismo: O campo magnético induz dipolos que se opõem ao campo B aplicado, de modo que o campo interno é mais fraco. Suscetibilidade magnética (χ) < 0.
• Paramagnetismo: O campo magnético interno é um pouco maior do que o aplicado. Dipolos alinham-se com B. Suscetibilidade magnética (χ) > 0.
• Ferromagnetismo: Suscetibilidade magnética (χ) >> 0. Domínios magnéticos. Os dipolos permanentes alinham-se com o campo B aplicado.

e) Propriedades Ópticas

Interação de um material com radiações de luz visível. Quando a luz incide sobre a superfície de um corpo: parte é refletida, parte é transmitida e parte é absorvida (aumentando sua energia interna). A cor de um corpo deve-se à luz refletida (se o corpo for opaco) ou transmitida (se for translúcido ou transparente). Opaco: absorve ou reflete toda a luz. Transparente: transmite a luz, permitindo ver através. Translúcido: permite a passagem da luz, mas não a visão clara através. As propriedades ópticas de um material são determinadas pelo seu índice de refração (n = c/v).

2. Propriedades Mecânicas

Descrevem como um material suporta as forças aplicadas, incluindo tensão, compressão, impacto, fadiga cíclica ou altas temperaturas. Muitos materiais, quando em serviço, estão sujeitos a forças ou cargas. Nessas condições, é necessário conhecer as propriedades dos materiais para o projeto do componente, garantindo que os esforços apresentados não sejam excessivos e que o material não frature. O comportamento mecânico de um material é um reflexo da relação entre sua resposta (deformação) e uma força ou carga aplicada.

a) Elasticidade e Plasticidade

A elasticidade é a capacidade de um material de recuperar sua forma original após a remoção da força que o deformava. Em um sólido, cada átomo ocupa uma posição de equilíbrio devido à existência de forças internas de coesão. Se uma força externa é aplicada e, ao ser removida, o material retorna à sua forma original, a deformação é considerada elástica (reversível). Caso contrário, é plástica. Para determinar a elasticidade e plasticidade do material, são realizados ensaios de tração e compressão. Em muitos materiais, incluindo metais, a deformação elástica é diretamente proporcional ao esforço (Lei de Hooke).

b) Plasticidade

Capacidade de um material de manter sua nova forma após ser deformado. É fundamental em processos de conformação (especialmente em metais), como laminação a quente de aço ou conformação a frio de chapas para automóveis.

• c) Ductilidade: Capacidade do material de ser esticado em fios.
• d) Maleabilidade: Capacidade de um material de ser esticado em chapas sem ruptura.
• e) Dureza: Oposição a riscos ou penetração; resistência ao desgaste.
• f) Tenacidade: Resistência de um corpo que se opõe a esforços de separação quando submetido a tensões lentas.
• g) Fragilidade: O material quebra-se facilmente quando submetido a impacto.
• h) Fadiga: Deformação de um material sob cargas variáveis, abaixo da carga de fratura, quando age por um certo tempo ou número de ciclos.
• i) Outras Propriedades Mecânicas:
  • Usinabilidade: Facilidade de corte ou usinagem.
  • Fragilização por Deformação a Frio: Aumento da fragilidade, dureza e resistência em certos metais como consequência da deformação a frio.
  • Fusibilidade: Capacidade do material de preencher um molde.

3. Testes e Técnicas de Medição de Propriedades

Os testes podem ser destrutivos ou não destrutivos. Exemplos de testes não destrutivos incluem: raios X, raios gama, ultrassom, partículas magnéticas, líquido penetrante, correntes parasitas e testes sônicos. De acordo com o método, os testes podem ser:

• Químicos: Composição química e comportamento aos agentes químicos.
• Metalográficos: Estudo da estrutura interna para avaliar tratamentos térmicos e mecânicos (homogeneidade, rachaduras, superfícies de grãos, laminação, forja, etc.).
• Físicos: Densidade, ponto de fusão, condutividade elétrica e térmica.
• Mecânicos.

3.2 Testes de Dureza

3.2.1 Testes de Dureza por Risco

• a) Teste de Martens: Medição da largura da linha provocada por uma ponta de diamante piramidal.
• b) Ensaio com Lápis de Dureza: Para o aço leve.

3.2.2 Testes de Penetração

Técnicas quantitativas baseadas na penetração de um indentador na superfície do material sob carga controlada, medindo-se a profundidade ou o tamanho da impressão.

• a) Teste Brinell: Utiliza uma esfera de aço temperado.
• b) Teste de Vickers: Utiliza um indentador de diamante em forma de pirâmide regular.
• c) Teste Rockwell.

3.3 Teste Dinâmico ou Ensaio de Impacto (Resiliência)

Objetivo: Determinar a energia absorvida pela amostra para causar a ruptura em um único golpe. Exemplo: Pêndulo de Charpy.

3.4 Testes de Fadiga

Peças submetidas a tensões variáveis (rotação, flexão ou vibração), cuja magnitude e direção se repetem, podem quebrar com cargas inferiores à carga de ruptura estática.

3.5 Teste de Creep (Fluência)

Creep (Fluência): Deformação progressiva de um material em função do tempo e da temperatura, quando submetido a uma tensão ou carga constante (ex: pás de turbina).