Propriedades dos Materiais de Engenharia:Gerais, Físicas e Mecânicas

Neste artigo iremos discutir sobre:1. Propriedades Gerais dos Materiais de Engenharia 2. Propriedades Físicas dos Materiais de Engenharia 3. Propriedades Mecânicas.

Geral Propriedades de materiais de engenharia :

Os economistas preocupados principalmente com as indústrias de manufatura de materiais de engenharia estão interessados em descobrir maneiras pelas quais os materiais de engenharia podem ser usados ou aplicados da melhor maneira econômica. O economista deve ter conhecimento prático das propriedades e processos de fabricação de vários materiais de engenharia.

Os serviços de tal economista podem ser de extrema utilidade na escolha de materiais de engenharia sob condições específicas ou na decisão da linha de fabricação de materiais de engenharia a partir das matérias-primas locais disponíveis.

Os campos de aplicação de um determinado material de engenharia são governados pelas características e várias propriedades desse material de engenharia.

Essas propriedades podem ser classificadas em várias categorias da seguinte forma:

(1) Propriedades químicas:

As propriedades químicas do material sugerem a tendência do material de se combinar com outras substâncias, sua reatividade, solubilidade e efeitos como corrosão, composição química, acidez, alcalinidade, etc. Corrosão é um dos sérios problemas enfrentados pelos engenheiros na seleção de materiais de engenharia, causados devido às propriedades químicas do metal.

Nos metais, os elétrons de valência são fracamente ligados a seus átomos e podem ser facilmente removidos durante as reações químicas. Assim, quando os metais são expostos na atmosfera e entram em contato com gases como oxigênio, cloro, etc., ocorrem as reações químicas. Quando o ferro reage com o oxigênio, o óxido de ferro é formado, que é de cor vermelha e o metal de ferro é revestido com ele. Isso é chamado de corrosão.

(2) Propriedades elétricas:

Essas propriedades significam a capacidade do material de resistir ao fluxo de uma corrente elétrica e incluem condutividade, rigidez dielétrica e resistividade.

(3) Propriedades magnéticas:

O estudo das propriedades magnéticas do material, como permeabilidade, histerese e força coercitiva, é necessário quando. deve ser usado para geradores, transformadores, etc.

(4) Propriedades mecânicas:

As características que governam o comportamento do material quando forças externas são aplicadas estão incluídas nessas propriedades. Algumas das propriedades mecânicas importantes são elasticidade, dureza, plasticidade, resistência, etc.

(5) Propriedades ópticas:

Quando o material for usado para trabalho óptico, é necessário o conhecimento de suas propriedades ópticas como cor, transmissão de luz, índice de refração, refletividade, etc. Quando a luz atinge qualquer material, ela interage com seus átomos e causa vários tipos de efeitos. A luz pode ser refletida, refratada, espalhada ou absorvida. O estudo da luz nos materiais e como usar esse comportamento para controlar os vários efeitos da luz é chamado de óptica.

(6) Propriedades físicas:

São necessários para avaliar a condição do material sem nenhuma força externa agindo sobre ele e incluem densidade aparente, durabilidade, porosidade, etc.

(7) Propriedades térmicas:

O conhecimento das propriedades térmicas do material, como calor específico, expansão térmica e condutividade, é útil para conhecer a resposta do material às mudanças térmicas. Assim, os materiais adequados podem ser selecionados para resistir a flutuações e altas temperaturas.

(8) Propriedades tecnológicas:

As propriedades dos metais e ligas que influenciam o seu processamento ou aplicação são designadas por propriedades tecnológicas. Fundibilidade, usinabilidade, soldabilidade e trabalhabilidade são algumas das propriedades tecnológicas significativas dos metais e ligas.

De todas essas propriedades, as propriedades físicas e mecânicas são particularmente importantes para um engenheiro de construção.

Propriedades físicas de Materiais de Engenharia:

Os seguintes termos em relação às propriedades físicas dos materiais de engenharia são definidos e explicados:

(1) Densidade aparente

(2) Resistência química

(3) Coeficiente de suavização

(4) Densidade

(5) Índice de densidade

(6) Durabilidade

(7) Resistência ao fogo

(8) Resistência ao gelo

(9) Higroscopicidade

(10) Porosidade

(11) Refratariedade

(12) Resistência à fragmentação

(13) Calor específico

(14) Capacidade térmica

(15) Condutividade térmica

(16) Absorção de água

(17) Permeabilidade à água

(18) Resistência às intempéries.

(1) Densidade em massa:

O termo densidade aparente é usado para significar a massa de uma unidade de volume de material em seu estado natural, ou seja, incluindo poros e vazios. É obtido descobrindo a relação entre a massa da amostra e o volume da amostra em seu estado natural.

As propriedades técnicas do material, como resistência, calor, condutividade, etc., são muito influenciadas por sua densidade aparente e, portanto, a eficiência do desempenho de um material dependerá de sua densidade aparente.

Para a maioria dos materiais, a densidade aparente é menor que sua densidade, exceto para materiais densos, líquidos e materiais obtidos a partir das massas fundidas.

A Tabela 1-1 mostra as densidades aparentes de alguns dos materiais de construção importantes.

(2) Resistência Química:

A capacidade do material de resistir à ação de ácidos, álcalis, gases e soluções salinas é conhecida como sua resistência química.

Esta propriedade é examinada cuidadosamente durante a seleção de material para tubos de esgoto, instalações de engenharia hidráulica, instalações sanitárias, etc.

(3) Coeficiente de suavização:

A relação entre a resistência à compressão do material saturado com água e o do estado seco é conhecido como coeficiente de amolecimento. Os materiais como vidro e metal não são afetados pela presença de água e seu coeficiente de amolecimento é a unidade. Por outro lado, os materiais como a argila perdem facilmente sua resistência quando embebidos em água e, portanto, seu coeficiente de amolecimento é zero.

Os materiais com coeficiente de amolecimento igual a 0,8 ou mais são referidos como materiais resistentes à água. É aconselhável evitar a utilização de materiais com coeficiente de amolecimento inferior a 0,8 para situações que possam ficar expostas de forma permanente à ação da umidade.

(4) Densidade:

O termo densidade de um material é definido como a massa de uma unidade de volume de um material homogêneo. É obtido calculando a relação entre a massa do material e o volume do material no estado homogêneo. As propriedades físicas de um material são muito influenciadas por sua densidade.

(5) Índice de densidade:

A razão entre a densidade aparente de um material e sua densidade é conhecida como índice de densidade e, portanto, denota o grau em que seu volume é preenchido com matéria sólida.

Como praticamente não existem substâncias densas na natureza, o índice de densidade da maioria dos materiais de construção é menor que a unidade.

(6) Durabilidade:

A propriedade de um material de resistir à ação combinada de fatores atmosféricos e outros é conhecida como durabilidade.

O custo de funcionamento ou manutenção de um edifício dependerá naturalmente da durabilidade dos materiais que o compõem.

(7) Resistência ao fogo:

O termo resistência ao fogo é usado para significar a capacidade de um material de resistir à ação de alta temperatura sem perder sua capacidade de suporte de carga, ou seja, sem perda substancial de resistência ou deformação na forma.

Esta propriedade de um material é de grande importância em caso de incêndio e como a operação de combate a incêndio costuma ser acompanhada por água, esta propriedade de um material é testada pelas ações combinadas de alta temperatura e água. O material deve ser suficientemente à prova de fogo para oferecer segurança e estabilidade em caso de incêndio.

(8) Resistência ao gelo:

A capacidade de um material saturado de água de resistir ao congelamento e descongelamento repetido sem diminuição considerável da resistência mecânica ou sinais visíveis de falha é conhecida como resistência ao gelo. A resistência ao gelo de um material depende da densidade do material e de seu grau de saturação com água.

Em geral, os materiais densos são resistentes à geada. Os materiais porosos cujos poros estão fechados ou cheios de água a menos de 90% do seu volume são resistentes ao gelo.

(9) Higroscopicidade:

A propriedade de um material de absorver o vapor de água do ar é conhecida como higroscopicidade e é governada pela natureza da substância envolvida, número de poros, temperatura do ar, umidade relativa, etc. A água - substâncias retentoras ou hidrofílicas dissolvem-se prontamente na água.

(10) Porosidade:

O termo porosidade é usado para indicar o grau em que o volume de um material é ocupado por poros. É expresso como uma relação entre o volume dos poros e o da amostra. A porosidade de um material é indicativa de suas várias propriedades, como resistência, densidade aparente, absorção de água, condutividade térmica, durabilidade, etc. e, portanto, deve ser cuidadosamente estudada e analisada.

(11) Refratariedade:

A capacidade de um material de resistir à ação prolongada de alta temperatura sem derreter ou perder a forma é conhecida como sua refratariedade.

(12) Resistência à fragmentação:

A capacidade de um material de suportar um certo número de ciclos de variações bruscas de temperatura sem falhar é conhecida como sua resistência à fragmentação e depende principalmente dos coeficientes de expansão linear de seus constituintes.

(13) Calor específico:

O termo calor específico é definido como a quantidade de calor, expressa em quilocalorias, necessária para aquecer 1 N de material em 1 ° C. O calor específico de um material deve ser considerado quando o acúmulo de calor for levado em consideração.

Os calores específicos de aço, pedra e madeira são os seguintes:

Aço - 0,046 x 10 ³ J / N ° C

Pedra - 0,075 a 0,09 x 10 ³ J / N ° C

Madeira - 0,239 a 0,27 x 10 ³ J / N ° C.

(14) Capacidade térmica:

A propriedade de um material de absorver calor é conhecida como sua capacidade térmica e é resolvida pela seguinte equação -

T =H / M (T ₂ - T ₁ )

Onde, T =Capacidade térmica em J / N ° C

H =Quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura do material de T ₁ para T ₂ em J M =Massa do material em N

T ₁ =Temperatura do material antes do aquecimento em ° C

T ₂ =Temperatura do material após aquecimento em ° C.

(15) Condutividade térmica:

A condutividade térmica de um material é a quantidade de calor em quilocalorias que fluirá através da área unitária do material com espessura unitária em tempo unitário quando a diferença de temperatura em suas faces também for unitária. A unidade de condutividade térmica é J por m hr ° C e geralmente é denotada por K. A condutividade térmica de um material depende de sua densidade, porosidade, teor de umidade e temperatura.

O termo resistividade térmica de um material é usado para significar o recíproco de sua condutividade térmica. A resistência térmica de um material é igual à resistividade térmica multiplicada por sua espessura.

(16) Absorção de água:

A capacidade de um material de absorver e reter água é conhecida como absorção de água. O material seco é totalmente imerso em água e, em seguida, a absorção de água é calculada como porcentagem do peso ou porcentagem do volume do material seco. Depende principalmente do volume, tamanho e formato dos poros, presentes no material.

(17) Permeabilidade à água:

A capacidade de um material de permitir que a água passe por ele sob pressão é conhecida como sua permeabilidade à água e é descrita como a quantidade de água que passará pelo material em uma hora sob pressão constante , a área da seção transversal da amostra sendo de 1 cm. Os materiais densos como vidro, aço, etc. são à prova d'água ou impermeáveis à água.

(18) Resistência à intempérie:

O termo resistência às intempéries é usado para expressar a capacidade de um material de resistir a condições alternadas de umidade e seca sem afetar seriamente sua forma e resistência mecânica. Assim, indica o comportamento dos materiais quando expostos a mudanças nas condições de umidade.

Propriedades mecânicas de materiais de engenharia:

As propriedades mecânicas dos materiais, como rigidez, ductilidade e resistência, são de vital importância na determinação de sua fabricação e possíveis aplicações práticas.

Os materiais de construção apresentam uma ampla gama de propriedades mecânicas, desde a dureza do diamante até a ductilidade do cobre puro e o surpreendente comportamento elástico da borracha. De maneira semelhante, muitos materiais se comportam de maneira bem diferente quando submetidos a tensões diferentes. Por exemplo, ferro fundido, cimento e tijolos são muito mais resistentes à compressão, enquanto a madeira e o aço são mais resistentes à tração.

Os seguintes termos em relação às propriedades mecânicas comuns dos materiais de construção são definidos e explicados:

(1) Abrasão

(2) Deslizamento

(3) Elasticidade

(4) Fadiga

(5) Dureza

(6) Força de impacto

(7) Plasticidade e fragilidade

(8) Força

(9) Desgaste.

(5) Dureza

(1) Abrasão:

A resistência de um material à abrasão é determinada dividindo a diferença nos pesos das amostras antes e depois da abrasão pela área de abrasão.

(2) Deslocamento:

Em muitas aplicações, os materiais de construção são necessários para sustentar cargas estáveis por longos períodos. Sob tais condições, o material pode continuar a se deformar até que sua utilidade seja seriamente reduzida. Essas deformações dependentes do tempo de uma estrutura podem crescer grandes e podem até mesmo resultar em fratura final sem qualquer aumento na carga. Se a deformação continua mesmo quando a carga é constante, essa deformação adicional é conhecida como fluência.

A maioria dos materiais de construção rasteja até certo ponto em todas as temperaturas. No entanto, os metais de engenharia, como aço, alumínio e cobre, fluem muito pouco à temperatura ambiente. As altas temperaturas levam a uma rápida fluência, frequentemente acompanhada por mudanças microestruturais. O fenômeno da fluência é importante em polímeros à temperatura ambiente, em ligas de alumínio a 100 ° C e em aços acima de 300 ° C.

(3) Elasticidade:

Quando uma carga é aplicada a um material, há mudança em sua forma e dimensão. O termo elasticidade é usado para indicar a capacidade de um material de restaurar sua forma e dimensões iniciais após a remoção da carga.

A diferença entre os dois termos a seguir deve ser observada:

(i) Deformação elástica:

Uma deformação é considerada elástica quando o sólido se deforma quando é carregado, mas retorna à sua posição original quando descarregado. Uma mudança na pressão ou uma aplicação de carga resulta na deformação elástica. O termo deformação ideal é usado para significar a deformação que ocorre instantaneamente após a aplicação de força e desaparece completamente com a remoção da força.

Tais deformações obedecem à lei de Hooke e a deformação elástica do metal é diretamente proporcional à força aplicada. A deformação ideal ocorre com forças de deformação comparativamente menores que podem manter as tensões de trabalho dentro do limite elástico.

(ii) Deformação plástica:

Uma deformação é considerada plástica quando o sólido retém total ou parcialmente a mudança de forma após a remoção da carga. A deformação plástica é observada quando a tensão ultrapassa o limite elástico e sua taxa é controlada pela taxa de deformação, tensão aplicada e temperatura. Pode ocorrer sob tensões de tração, compressão e torção. É intencionalmente realizado em processos como laminação, forjamento, etc., de modo a fazer produtos úteis.

(4) Fadiga:

Quando os materiais são submetidos a uma tensão repetitiva ou flutuante, eles falharão com uma tensão muito menor do que a necessária para causar a fratura sob cargas constantes.

Este comportamento é denominado fadiga e é distinguido pelas seguintes três características:

(i) Aumento da incerteza na resistência e vida útil;

(ii) Perda de ductilidade; e

(iii) Perda de força.

A seguir estão os motivos das falhas por fadiga:

(i) Ambientes corrosivos resultando na redução da resistência à fadiga;

(ii) Pontos de concentração de estresse;

(iii) Imperfeições da superfície, como marcas de usinagem e irregularidades da superfície; e

(iv) Temperatura, a resistência à fadiga sendo alta em baixas temperaturas e diminuindo gradualmente com o aumento da temperatura.

(5) Dureza:

A capacidade de um material resistir à penetração de um corpo mais duro é conhecida como dureza. É um fator importante na decisão da trabalhabilidade e uso de um material para pisos e superfícies de estradas. A dureza não é uma propriedade fundamental. Mas é um efeito combinado de propriedades compressivas, elásticas e plásticas em relação ao modo de penetração, forma do penetrador, etc.

A dureza tem uma relação bastante constante com a resistência à tração de um determinado material. Portanto, pode ser usado como um teste prático não destrutivo para se ter uma ideia aproximada da resistência à tração do material e do estado do metal próximo à superfície.

A dureza dos materiais de pedra pode ser determinada com a ajuda da escala de dureza de Mohs. É uma lista de dez materiais dispostos em ordem crescente de dureza. A dureza de um material situa-se entre a dureza de dois materiais, isto é, aquele que arranha e o outro que é arranhado pelo material a ser testado.

A Tabela 1-2 mostra a escala de dureza de Mohs.

(6) Força de impacto:

A resistência ao impacto de um material é a quantidade de trabalho necessária para causar sua falha por seu volume unitário. Assim, indica a tenacidade de um material e os materiais são testados em uma máquina de teste de impacto para determinar sua resistência ao impacto.

A resistência ao impacto é uma característica complexa que leva em consideração a tenacidade e a resistência de um material.

Varia de acordo com os seguintes fatores:

(i) Se as dimensões da amostra forem aumentadas, também haverá aumento na resistência ao impacto.

(ii) Se a nitidez do entalhe aumentar, a resistência ao impacto necessária para causar a falha diminui.

(iii) O ângulo do entalhe também melhora a resistência ao impacto após certos valores.

(iv) A resistência ao impacto também é afetada até certo ponto pela velocidade do impacto.

(v) A temperatura da amostra em teste dá uma indicação sobre o tipo de fratura que é provável de ocorrer, ou seja, transição dúctil, frágil ou dúctil para frágil.

(7) Plasticidade e fragilidade:

O termo plasticidade de um material é definido como sua capacidade de mudar sua forma sob carga sem rachar e reter sua forma após a remoção da carga.

Os materiais podem ser divididos em dois grupos, a saber, materiais plásticos e materiais quebradiços. O aço, cobre, betume quente, etc. são materiais plásticos. Os materiais quebradiços falham repentinamente sob pressão sem deformação apreciável precedendo a falha. Os materiais rochosos, materiais cerâmicos, vidro, ferro fundido, concreto e alguns outros materiais são frágeis e oferecem baixa resistência à flexão, impacto e tensão.

(8) Força:

A capacidade de um material de resistir à falha sob a ação de tensões causadas por uma carga é conhecida como sua resistência. As cargas às quais um material é comumente submetido são compressão, tensão e flexão. A resistência correspondente é obtida dividindo a carga final com a área da seção transversal da amostra.

As tensões nos materiais de construção não podem exceder uma certa porcentagem de sua resistência final. Assim, uma margem de segurança é fornecida e o termo fator de segurança é usado para denotar a razão entre o estresse final e o estresse seguro. Por exemplo, se o fator de segurança for dois, a tensão a ser adotada para fins de projeto seria a metade da tensão final.

Os valores dos fatores de segurança são especificados por padrões de projeto e são estruturados levando-se em consideração vários fatores, como natureza do trabalho, qualidade do material, condições de serviço, considerações econômicas, etc.

(9) Use:

A falha de um material sob as ações combinadas de abrasão e impacto é conhecida como seu desgaste. A resistência ao desgaste é geralmente expressa como uma porcentagem de perda de peso e é de grande importância para decidir a adequação de um material para uso em superfícies de estradas, lastro ferroviário, etc.

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