Propriedades a suas Unidades de uma Forma Geral

Cada material tem um conjunto de atributos que caracteriza o seu perfil de propriedades e que são montados a partir de ensaios sistemáticos (GARCIA, 2000). Portanto, as principais características e unidade das propriedades dos materiais são

apresentadas no quadro 2, no qual se destacam as classes, propriedades, unidades e símbolos de cada uma, em conformidade com o sistema internacional (SI).

Classe Propriedade Símbolo e unidade

Gerais Densidade ρ(kg/m³ ou Mg/m³)

Preço Cm($/kg)

Mecânicas

Módulos de elasticidade (de Young, transversal, de elasticidade volumétrica)

E, G, K (GPa) Tensão limite de escoamento Ϭy (MPa)

Limite de resistência Ϭts (MPa)

Resistência à compressão Ϭc (MPa)

Resistência à falha Ϭf (MPa)

Dureza H (Vickers)

Alongamento ε (-)

Limite de fadiga Ϭe (MPa)

Tenacidade à fratura K1c (Mpa.m1/2)

Tenacidade G1c (KJ/m²)

Coeficiente de perda (capacidade de amortecimento) ɳ(-) Taxa de desgaste (constante de Archard) KAMPa-1

Térmicas

Ponto de fusão Tm (°C ou K)

Temperatura de transição Vítrea Tg (°C ou K)

Temperatura de serviço máxima Tmáx (°C ou K)

Temperatura de serviço mínima Tmín (°C ou K)

Condutividade térmica λ (W/m.K)

Calor específico Cp (J/Kg.K)

Coeficiente de expansão térmica Α (K-1)

Resistência a choque térmico ΔTs (°C ou K)

Elétricas

Resistividade elétrica ρe (Ω.m ou μΩ.cm

Constante dielétrica Εr (-)

Força dielétrica Vb (106 V/m)

Fator de potência P (-)

Óticas Índice de refração n (-)

Propriedades ecológicas

Energia incorporada Hm (Mj/kg)

Pegada de carbono CO2 (kg/kg)

Quadro 2: Propriedades de materiais básicas que limitam o projeto, e suas unidades SI usuais. Fonte: (ASHBY, 2012).

Ashby (2012) apresenta descreve as características de cada classe de propriedades:

 Propriedades gerais: a densidade é a massa por unidade de volume. Medida como antigamente por Arquimedes, pesando ao ar e em um fluído de densidade conhecida. O preço é um atributo que varia de acordo com o mercado por uma faixa muito ampla, pela qualidade do material e quantidade. Mas é de suma importância conhecer uma média desse valor para os passos iniciais do processo de seleção do material.

 Propriedades mecânicas básicas: o módulo de elasticidade é a inclinação da parte elástica linear na curo tensão deformação. O módulo de Young mostra a curva do carregamento de compressão ou tração e tem seus fundamentos na famosa lei de Hook que envolve tensão e deformação, figura 22.

Figura 22: Curva Tensão x Deformação para o módulo de Young. Fronte: (DIETER, 1988).

O módulo de elasticidade transversal mostra a curva sobre carregamento de cisalhamento, figura 23, e é dependente do coeficiente de Poisson (ѵ).

Figura 23: Curva Cisalhamento X Deformação angular de cisalhamento. Fonte: (GARCIA, 2000).

Já o módulo de elasticidade volumétrica mostra na figura 24 à resposta a pressão hidrostática para situações como exemplo um vaso de pressão de uma indústria qualquer.

Figura 24: Acidente com vaso de pressão. Fonte: (ASHBY, 2012).

A característica de resistência irá depender da classe de material. Para um metal ela é definida como a tensão de escoamento no gráfico Tensão X Deformação para 0,2% de deformação. Significa o quanto o material irá resistir após ultrapassar o limite elástico do gráfico, passando pela curva de deformação plástica até se romper. Cabe ao engenheiro avaliar os limites de segurança para deformação em um projeto. Em polímeros a definição é vista como a tensão à qual a cursa Tensão X Deformação torna-se notavelmente não linear, causada por cisalhamento e que deixa o material com uma deformação plástica permanente (figura 25). Pode ser visto quando o material polimérico tem uma cor esbranquiçada após sofrer elevada tração (DIETER, 1988).

Figura 25: Curva Tensão X Deformação para Polímeros. Fonte: (DIETER, 1988).

Em materiais cerâmicos e vidros a resistência está relacionada à fratura sobre carregamento de tração e quando compressão significa resistência ao esmagamento que é maior quando comparado à tração, figura 26.

Figura 26: Curva Tensão X Deformação para materiais cerâmicos. Fonte: (DIETER, 1988).

Em materiais que trabalham sob flexão ou que são difícil de fixar, como no caso da cerâmica, a resistência também pode ser medida por flexão. Nesse caso chamamos de resistência à flexão, ou módulo de ruptura, que representa (figura 27) a máxima tensão superficial em uma viga flexionada no instante da fratura, onde temos o módulo de ruptura MOR, que é a tensão superficial na falha por flexão e em materiais cerâmicos é igual ou ligeiramente maior em materiais que a tensão de falha sob tração (GARCIA, 2000).

Figura 27: Módulo de ruptura MOR para o caso de flexão. Fonte: (ASHBY, 2012).

O resultado para o ensaio de flexão em três perfis distintos é apresentado no gráfico representado pela figura 28, tendo no eixo Y a carga (F) e no eixo X a Deflexão (Símbolo: δ).

Figura 28: Gráfico Carga (F) X Deflexão (δ). Fonte: (GARCIA, 2000).

Para os compósitos, sua resistência é bem mais definida, pois existe um desvio padrão designado em relação ao comportamento elástico linear que vale 0,5%. Isso significa que a inclinação da reta em 0,5% para a direita, no eixo X, representa a parcela de deformação plástica no ponto de seu rompimento. Para compressão é adotado o valor de 30% para em materiais naturais, devido à flambagem das fibras, restringindo ainda mais a boa aplicação dos compósitos para esforços de tração. Na Engenharia e avaliação de materiais por ensaio de Flexão, os metais são categorizados por sua função escoamento, que descreve de forma geral

a curva do campo elástico e a do campo plástico. Essa última é a muita importante, pois define o limite de escoamento do material até sua ruptura, conforme exemplificado na figura 29. Registra-se aqui apenas para conhecimento como critério de Von Mises (REDDY, 2008).

A resistência à tração ou limite de resistência, que consiste na resistência da aplicação de uma carga de tração uniaxial crescente em um material específico até a ruptura (figura 29). O objetivo dessa característica é verificar a variação do comprimento do material na direção axial como função de uma carga (F). Através de ensaios de tração podem-se observar características importantes que abrangem vários itens deste tópico como, o próprio limite de resistência a tração (Ϭu), limite de escoamento (Ϭe), módulo de elasticidade (E), módulo de resiliência (Ur), módulo de tenacidade (Ut), ductilidade, coeficiente de encruamento (n) e coeficiente de resistência (k). O ensaio de tração é muito influenciado pela temperatura, pela velocidade de deformação, anisotropia do material, tamanho do grão, porcentagem de impurezas e condições ambientais (GARCIA, 2000).

Figura 29: Curva obtida pelo ensaio de tração. Fonte: (GARCIA, 2000)

No que tange aos carregamentos de tração, tem que se destacar o seu principal efeito: ao contrário dos carregamentos de compressão para qualquer

classe de material, nos esforços trativos podem ocorrer o aparecimento de trincas e, consequentemente, a propagação das mesmas, ainda que já internas, devido a defeitos ou impurezas, tanto quanto geradas pelo carregamento e que acarretam em falhas catastróficas. Os carregamentos podem ser de natureza cíclica ou não, visto que os cíclicos podem ser do tipo alternado (reversíveis), pulso e/ou flutuante ou irregular aleatória (parcialmente reversíveis) (GARCIA, 2000).

 Alternada: tem a aplicação da carga (F) tanto na forma de tração quanto compressão. São de alto risco de segurança e devem ser tratados cuidadosamente em um projeto mecânico (figura 30).

Figura 30: Exemplo de carregamento Alternado. Fonte: (GARCIA, 2000)

 Pulso e/ou flutuante: são os carregamentos que possuem uma única definição de carga trativa ou compressiva. Sendo que apenas na ação de carga trativa faz propagar trincas. Esse tipo de carregamento pode trabalhar somente na zona trativa ou compressiva, ou seja, não existindo carregamento em que o material retorne ao estado livre de tensões externas aplicadas, que é o caso de ser flutuante, figura 31.

Figura 31: Exemplo de carregamento flutuante. Fonte: (GARCIA, 2000).

 Irregular aleatória: neste tipo de aplicação parte da carga é trativa ou parte tem comportamento compressivo. Cabe ao projetista dar atenção a quantos ciclos cada uma exerce no projeto ou máquina (figura 32).

Figura 32: Exemplo de carregamento irregular. Fonte: (GARCIA, 2000)

A dureza expressa uma propriedade superficial do material devido à natureza de sua concepção que se refere à resistência a penetração de um material qualquer, só que mais duro e independente da forma geométrica. Essa propriedade é caracterizada pelo ensaio de dureza que utiliza a penetração de uma ponta (esférica, cônica ou piramidal constituída de material duro) em um corpo de prova e é medida por diversos tipos de escalas diferentes, de acordo com a necessidade, figura 33 (GARCIA, 2000).

Figura 33: Escalas comparativas dos valores para vários métodos de durezas e aplicações recomendáveis para diversos materiais.

Fonte: (GARCIA, 2000).

A tenacidade é a energia total necessária para provocar uma fratura em condições de solicitação estática. Sua função é medir a resistência de um material à propagação de uma trinca. As medidas obtidas e tabeladas são extraídas de ensaios em que o material recebe entalhes em locais específicos do corpo de prova e

posteriormente é submetido a um alto impacto ou esforços cíclicos de tração e compressão. Na Engenharia essa tenacidade à fratura é caracterizada por três modos de falhas, nos quais chamamos de KIC, KIIC e KIIIC, que demonstram a abertura e direção de propagação da trinca, conforme figura 34. Esses modos auxiliam o projetista a definir a aplicação do material e direciona a seleção do material mais adequado para aumentar a resistência perante a característica e condições de funcionamento do projeto (GARCIA, 2000).

Figura 34: Modos básicos de deslocamento da superfície da trinca para materiais isotrópicos. Fonte: (GARCIA, 2000).

 Propriedades térmicas básicas:

Na seleção de materiais a temperatura de fusão e a temperatura de transição vítrea, tanto em Kelvin quanto em Celsius, são as mais fundamentais por estarem diretamente relacionadas à resistência das ligações moleculares nos sólidos. Materiais para componentes expostos elevados temperaturas, alterações de temperaturas e/ou gradientes térmicos exigem conhecimento prévio por parte do projetista sobre as respostas térmicas dos materiais na aplicação de calor ou em baixas temperaturas (ASHBY, 2012).

Segundo Dieter (1988), em projetos de Engenharia é útil definir além das citadas acima, a temperatura de serviço máxima e mínima. A máxima caracterizará o material nos quesitos como utilização sem oxidação, mudanças químicas ou fluência excessiva. Já a mínima irá demonstrar o comportamento do material diante situações baixa temperatura que influenciam na transição dúctil frágil.

A capacidade térmica ou calor específico demonstrada na figura 35 é a energia para aquecer 1kg de um material por 1K, medida a pressão atmosférica e recebe o símbolo Cp. Em termos de gases, o termo é Cv onde se torna mais usual por medir a capacidade térmica a volume constante. Essa capacidade térmica é medida da mesma forma que se me de a temperatura de transição vítrea Tg, por calorimetria. O método de medição é fornecer uma quantidade de energia conhecida para um material de massa também conhecida, assim a elevação da temperatura é medida, e fornece o cálculo da energia/kg.K (ASHBY, 2012).

Figura 35: Capacidade térmica - a energia para elevar em 1°C a temperatura de 1kg de material. Fonte: (ASHBY, 2012).

Aquecer um material demanda tempo e energia, isso significa gasto de dinheiro. Portanto, outra propriedade na qual identifica essa demanda é a condutividade térmica que calcula a taxa à qual o calor é conduzido através de um sólido em regime permanente. A medição é feita medindo-se o fluxo de calor q(W/m²) que atravessa o material de uma superfície que está a uma temperatura mais alta T1 a uma superfície que está a uma temperatura mais baixa T2, separadas por uma distância X e calcula-se a condutividade térmica pela lei de Fourier (figura 36). Em casos que a condução de calor é transiente, onde o perfil de temperatura muda com o tempo, o fluxo depende da difusividade térmica (ASHBY, 2012).

Figura 36: Condutividade térmica. Fonte: (ASHBY, 2012).

A expansão térmica linear (α) ocorre devido ao fato da maioria dos materiais se expandirem quando aquecidos, possibilitando a medição da deformação térmica por grau de mudança de temperatura. Os materiais termicamente isotrópicos apresentam o volume de expansão de 3α, mas no caso de ser anisotrópico será necessário dois ou mais coeficientes para avaliar, o que torna o volume de expansão a soma das principais deformações térmicas, figura 37 (ASHBY, 2012).

Figura 37: Coeficiente de expansão térmica linear α mede a mudança no comprimento, por unidade comprimento, quando a amostra é aquecida.

Fonte: (ASHBY, 2012).

A propriedade que caracteriza a resistência ao choque térmico ΔT, que mede a máxima diferença de temperatura à qual um material pode ser resfriado repentinamente com água sem apresentar qualquer dano. Essa propriedade

caminha juntamente com a resistência a fluência, pois na fluência medimos a deformação lenta dependente do tempo quando materiais são aquecidos de 1/3Tm ou 2/3Tg (ASHBY, 2012).

 Propriedades elétricas:

Segundo Ashby (2012), a resistividade elétrica é o contrário da condutividade que são propriedades bem notadas nos metais, figura 38. A resistividade mede a resistência de um material à corrente elétrica, que é influenciada pela temperatura na maioria dos materiais. Existem projetos que necessitam de materiais com elevada condutividade elétrica como redes de alta tensão, nos quais precisam bloquear essa condutividade, como casos de luvas para manipulação em redes elétricas.

Figura 38: Resistividade elétrica. Fonte: (ASHBY, 2012).

Uma propriedade relacionada com a anterior é a constante dielétrica (figura 39) atribuída a materiais isolantes, que mede a tendência à polarização de um isolante (ou dielétrico) quando colocado em um campo elétrico, que é polarizado e aparecem em sua superfície cargas que tendem a proteger o interior contra o campo elétrico. Em outras palavras, é a relação entre a quantidade de eletricidade armazenada em presença de um isolante e a quantidade de eletricidade armazenada na presença de vácuo. Um exemplo da aplicação são os capacitores

que servem para armazenar energia, que nada mais são que duas placas condutoras separadas por um dielétrico (ASHBY, 2012).

Figura 39: Constante Dielétrica - mede a capacidade de polarização de um isolante. Fonte: (ASHBY, 2012).

E para concluir as propriedades elétricas básicas, temos o potencial de ruptura (MV/m) é o gradiente de potencial elétrico ao qual um isolante sofre ruptura e um surto prejudicial de corrente o atravessa.

 Propriedades óticas:

Todo material possui um índice de refração (n) que é representado por um valor adimensional atribuído a uma substância, que é denominada de meio. Desse modo, pode-se dizer que o índice de refração (n) é a relação entre a velocidade da luz no vácuo sobre a velocidade da luz no meio. Destaca-se que a velocidade da luz quando incide sobre um material, é menor que sua velocidade no vácuo, isso ocorre em consequência do fenômeno causado quando um feixe de luz ao atingir a superfície de um material a um ângulo qualquer α de incidência, entra no material com outro ângulo (β), chamado de ângulo de refração (DIETER, 1988).

Esse índice de refração é dependente do comprimento de onda e, portanto, da cor da luz. Quanto mais denso for o material, e mais alta sua constante dielétrica, maior será o índice de refração (figura 40).

Figura 40: Exemplo de refração em dois sólidos de metal com densidades diferentes. Fonte: (Internet).

 Propriedades ecológicas:

Com a elevação da temperatura no globo terrestre, surgem novas responsabilidades ambientais. A propriedade ecológica é referente à pegada de CO2 que é a massa de dióxido de carbono liberada na atmosfera durante a produção de 1kg de material. Ou seja, é referente às quais ferramentas e processos são utilizados para produzir um produto ou material e o quanto ele polui ou poluirá depois de terminado (ASHBY, 2012).