CIÊNCIA DOS MATERIAIS

É notório que nos dias hodiernos existe uma infinidade de materiais a disposição de um engenheiro, independente da área de engenharia. Quando é pensado em projetar um dispositivo ou até mesmo uma estrutura, algumas propriedades precisam ser analisadas antes da escolha para erros não serem ocasionados.

Um exemplo sobre estudo de materiais presente no cotidiano, é o desenvolvimento dos automóveis. Antes de 1919, um grande número de veículos não possuía para-brisas, sendo os motoristas expostos a chuvas e borrifos de lama. Para solucionar tais empecilhos, os projetistas de carros listaram as propriedades desejáveis para selecionar o material para o desenvolvimento de para-brisas.

Ao fazer a escolha do material que será utilizado para determinado fim, o profissional deverá levar em consideração: a resistência térmica, condutividade elétrica e térmica, densidade, o comportamento do material durante o processamento e qual será o seu uso. Ademais, custo e disponibilidade do mesmo também são de extrema importância.

Classificação dos Materiais e suas Propriedades

A classificação dos materiais é baseada na estrutura atômica e química. Os materiais sólidos foram agrupados tradicionalmente em três categorias básicas: metais, cerâmicas e polímeros. Porém, existe o grupo dos compósitos, sendo eles uma combinação de dois ou mais materiais diferentes.

Fonte: Princípios de Ciência dos Materiais. Van Vlack, Lawrence H

Metais

Os metais possuem em sua estrutura elementos metálicos (ferro, alumínio, cobre, titânio, ouro e níquel), embora também seja possível encontrar elementos não metálicos (carbono, nitrogênio, oxigênio) em pequenas quantidades. Os átomos nos metais e em suas ligas estão arranjados de forma ordenada e, quando comparado às cerâmicas e aos polímeros, tornam-se relativamente densos. Caracterizam-se por serem rígidos, resistentes, dúcteis (ou seja, se deformam intensamente sem sofrer fratura) e por resistirem à fratura. Amplamente utilizados em aplicações estruturais.

Os materiais metálicos possuem grande número de elétrons livres, que não estão ligados a qualquer átomo, e devido a isso, são bons condutores de eletricidade e de calor, não sendo transparentes à luz visível, isto é, uma superfície metálica possui uma aparência brilhosa.

Cerâmicas

Constituídos por elementos metálicos e não metálicos. Existem duas formas de classifica-las: através dos compostos químicos, podendo ser óxidos, carbetos, nitretos, sulfetos e fluoretos; ou de acordo com suas principais propriedades. Os materiais, mais utilizados e suas respectivas aplicações são:

  • Alumina (Al2O3) usada quando há a necessidade de temperaturas elevadas e, também, quando é preciso de uma alta resistência mecânica;
  • Diamante (C) é uma cerâmica natural;
  • Sílica (SiO2) material com ampla abrangência, constitui a base de muitos vidros;
  • Carbeto de sílica (SiC) possui boa resistência à oxidação mesmo com temperaturas bem elevadas, por isso, é possível encontrar em equipamentos de siderurgia;
  • Nitreto de Silício (Si3N4) usada na fabricação de componentes automotivos e de turbinas a gás.

As cerâmicas são amplamente empregadas em componentes tecnológicos, como refratários, velas de ignição, sensores e meios magnéticos de gravação. Outro exemplo onde é possível encontra-la, é o corpo humano, o qual produz hidroxiapatita, uma cerâmica encontrada nos dentes e em ossos.

 

Polímeros

Nos materiais poliméricos estão inclusos os plásticos e as borrachas. São compostos orgânicos constituídos de carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e outros materiais não metálicos. Alguns exemplos de polímeros: o polietileno (PE), o náilon, o cloreto de polivinila (PVC), o policarbonato (PC), o poliestireno (PS) e a borracha silicone.

Apresentam baixas massas específicas, quando comparado aos metais e as cerâmicas, tornam-se menos rígidos e menos resistente. Existe muitos polímeros extremamente dúcteis e flexíveis (plásticos), e são quimicamente inertes, não reagindo em um grande número de ambientes.

Compósitos

Os compósitos são obtidos através de combinações de materiais ou fases, com o intuito de atingir as propriedades ideais para uma determinada situação. Os materiais são selecionados para obter resultados melhores na rigidez, resistência mecânica, densidade, desempenho em altas temperaturas, resistência a corrosão, dureza, ou ainda, condutividade. Na natureza é possível encontrar alguns exemplos de compósitos, podendo citar a concha, a madeira, ossos e dentes. Outro exemplo que pode ser citado, é o concreto, muito presente nos dias hodiernos, onde o cimento (cerâmica) é reforçado com areia e pedregulhos.

Preço dos materiais

Alguns materiais são vendidos de acordo com a sua massa e outros pela quantidade de peça. Na imagem a seguir, pode-se observar o custo dos materiais por unidade de peso.

 

Fonte: Princípios de Ciência dos Materiais. Van Vlack, Lawrence H

            Desse modo, pode-se perceber que o preço de cada material é um fator importante e muitas vezes decisivos na seleção dos mesmos. Ademais, ao projetar algo, o profissional deve conhecer todas as etapas que o material será submetido e assim, escolher o mais adequado, ou no caso de precisar de um compósito, saber as propriedades ideais para conseguir ter a combinação correta, sem ocasionar falhas ou até mesmo, agredir o meio ambiente.

REFERÊNCIAS

Van Vlack, Lawrence H.; Princípios de Ciência dos Materiais / traduzido pelo Eng. Luiz Paulo Camargo Ferrão. São Paulo: Blucher, 1970.

Askeland, Donald R.; Ciência e engenharia dos materiais / Donald R. Askeland, Wendelin J. Wright; traduzido por Solange Aparecida Visconti. São Paulo: Cengage Learning, 2014.