Materiais de Engenharia: Classificação e Guia de Seleção

Material é matéria ou substância usada para criar algo. Materiais de engenharia são materiais usados para aplicação em obras de engenharia. Baseados em propriedades mecânicas, físicas, químicas e de manufatura, materiais selecionados conforme aplicação.

Propriedades mecânicas: resistência (compressiva ou tração), tenacidade, rigidez, elasticidade, plasticidade, ductilidade, fragilidade e dureza. Propriedades físicas: densidade, condutividade (térmica ou elétrica), acústica (transmissão ou absorção de som), óptica, combustibilidade. Propriedades químicas: composição (óxido ou composto), acidez ou alcalinidade, intemperismo, corrosão.

Propriedades de manufatura: fundibilidade, usinabilidade, velocidades e avanços de usinagem, forma e tamanho para dimensionamento.

Seleção de material para aplicação baseada em fatores:

1. Tensões às quais peça ou componente será submetido.
2. Resistência à corrosão.
3. Resistência a temperatura, desgaste e rasgo.
4. Flexibilidade e rigidez.
5. Facilidade do processo de manufatura.
6. Custo-efetividade para desenvolvimento do produto.
7. Disponibilidade do material.

Classificação de Material de Engenharia:

Dependendo da natureza da substância, materiais classificados como:

1. Metais e ligas
2. Metais ferrosos
3. Metais não ferrosos
4. Não metais
5. Cerâmicas
6. Polímeros
7. Compósitos
8. Semicondutores
9. Biomateriais

1. METAIS E LIGAS:

Materiais metálicos são combinação de elementos metálicos. Propriedade mais proeminente: elétrons não localizados, ou seja, em arranjo atômico elétrons de valência externos não pertencem a átomo individual mas a todo volume do material. Elétrons não localizados livres para transportar carga conduzindo eletricidade. Por isso bons condutores de carga elétrica e térmica.

Metais têm aparência lustrosa. À temperatura normal maioria dos materiais em estado sólido, mas alguns como mercúrio em estado líquido.

Baseado na presença de ferro, metais nomeados como:

1. Metais ferrosos
2. Metais não ferrosos

Metais ferrosos: Conteúdo primário é ferro e carbono. São magnéticos e vulneráveis à ferrugem quando expostos à umidade. Ferro forjado não enferruja por pureza e aço inoxidável por presença de cromo. Ex: ferro, aço etc. Devido à propriedade magnética, usados em aplicações de motores e elétricas.

Metais não ferrosos: Ferro não é conteúdo primário. Devido à ausência de ferro, têm alta resistência à ferrugem e corrosão e são não magnéticos. Ex: cobre, latão, alumínio, tungstênio, chumbo, zinco, ouro etc.

Liga: Combinação de dois ou mais metais. Nomeada baseada em caráter de ligação metálica. Dois tipos: liga de metal ferroso e liga de metal não ferroso. Ferro fundido é liga de ferro, carbono e silício. Latão é liga de cobre e zinco.

Aplicações:

1. Devido à tenacidade e capacidade de esterilizar a altas temperaturas, metais usados como agulhas, lâminas cirúrgicas.
2. Devido à resistência e capacidade de suportar pesos pesados, metais como ferro e aço usados em construção.
3. Metais como ouro, prata, platina usados em joalheria.
4. Metais usados em máquinas e automóveis pois suportam alta temperatura, pressão e cargas.
5. Alumínio e titânio papel importante em categoria leve para ligas de aeronaves.
6. Tungstênio usado em aplicações de alta temperatura.

2. CERÂMICAS:

Partícula ou fibrosa usadas para fazer produtos cerâmicos. Cerâmicas têm estrutura atômica e cristalina regular. São principalmente óxidos, nitretos e carbonetos. Materiais não condutores, devido à propriedade isolante usados como isolantes. Muito duras e frágeis.

Ex: alumina, sílica, carboneto de silício, diamante, tijolos etc.

Aplicações:

1. Devido à resistência à compressão, tijolos usados em construção.
2. Devido ao bom isolamento térmico, ladrilhos cerâmicos usados em fornos.
3. Algumas cerâmicas transparentes a radar e ondas eletromagnéticas usadas em radomes e transmissores.
4. Cerâmicas de vidro têm capacidades de alta temperatura usadas em equipamentos ópticos e isolamento de fibra.
5. Alumina, sílica, carboneto de silício usadas em fabricação de ferramentas.
6. Diamante usado em ornamentos e aplicações de ferramentas de corte.

3. POLÍMEROS:

Polímeros têm estrutura molecular em cadeia com carbono como átomos de espinha dorsal. Feitos principalmente de materiais orgânicos resistentes. São materiais de baixa densidade e flexíveis. Em alguns casos polímeros não são flexíveis.

Polímeros não usados apenas como materiais estruturais, podem ser usados como fibras e resinas na matriz de materiais compósitos.

Ex: poliéster como fibras, fenólicos e epóxidos como resinas.

Elastômeros também são polímeros mas considerados separadamente devido ao projeto específico para certos fins como absorção de choque e vibração.

Polímeros naturais: lã, seda, DNA, celulose, proteínas etc.

Polímeros sintéticos:

1. Termoplásticos
2. Termofixos

Ex: nylon, polietileno, poliéster, Teflon, epóxi, baquelite etc.

Aplicações:

1. Polietileno para sacolas.
2. Polipropileno para produtos resistentes a alta temperatura como mamadeiras.
3. Polietér éter cetona e polietileno cetona para garrafas de água mineral.
4. Policarbonato para polímeros de alto desempenho como transparentes.
5. Polianilina é polímero condutor.
6. Baquelite para materiais isolantes.

4. COMPÓSITOS:

Material compósito é composição de dois ou mais materiais constituintes com diferentes propriedades físicas e químicas para produzir material com características diferentes.

Pode ser ambos metais ou metal e cerâmica ou metal e polímero, dependendo da aplicação a combinação é feita.

Ex: madeira, concreto, fibra de vidro, CFRP (plástico reforçado com fibra de carbono), GFRP (plástico reforçado com fibra de vidro) etc.

Aplicações:

1. CFRP e GFRP para peças de carroceria automotiva.
2. CRPF e compósitos favo de mel para chassis.
3. Alguns tanques de combustível feitos de fibra reforçada com Kevlar.
4. Termofixos reforçados usados em sistemas de molas e para-choques.
5. Plástico reforçado com fibra de vidro para cascos de barcos, varas de pesca, raquetes de tênis, capacetes, arcos e flechas.

5. SEMICONDUTORES:

Semicondutor é material condutor intermediário. Condutividade não alta como metais nem baixa como cerâmicas isolantes. Nestes materiais resistência diminui conforme temperatura aumenta.

Estrutura atômica única permite controlar condutividade.

Ex: silício, germânio, arsenieto de gálio, selênio etc.

Aplicações:

1. Arsenieto de gálio amplamente usado em dispositivos de amplificação de sinal fraco, alto ganho, baixo ruído.
2. Dispositivo semicondutor pode realizar função de tubo a vácuo com centenas de vezes seu volume.

6. BIOMATERIAIS:

Biomateriais são materiais não viáveis. Ex: alumina, zircônia, titânio, tântalo, nióbio, carbono etc.

Aplicações:

1. Metais usados em medicina para curar doenças de deficiência de micronutrientes em humanos e animais, como ferro parte de hemoglobina, biomolécula usada como sulfato ferroso para curar algumas formas de anemia.
2. Implantes no corpo para reparar ou substituir tecido danificado.

NOTA:

Em materiais compósitos o nome indica composição de dois ou mais materiais.

Em semicondutores: semi (meio) e condutor (condutor).

Diferença entre liga e compósito: compósito é reforço de outro material. Liga é combinação (mistura) de ambos ou número requerido de materiais na quantidade necessária.

Ambos semicondutores e biomateriais são substitutos em metais, cerâmicas e polímeros nos locais requeridos.