autor - grupo nt · e incluem danos neurológicos, redução de qi, anemia, distúrbios nervosos,...

AutorDurval Bertoldo MenezesÉ doutorando em Física na Universität Salzburg, em Salzburg, na Áustria. Mestre em Física pelo Instituto de Física da Universidade Federal de Uberlândia (UFU), possui licenciatura plena em Física pela mesma universidade. Pós-Graduação lato sensu em Ensino a Distância pela Faculdade do Noroeste de Minas. Tem experiência na área de Física, com ênfase em Propriedades Óticas e outras Interações da Matéria com Radiação, extensa experiência no ensino superior e ensino médio. Atualmente, é professor efetivo do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Triângulo Mineiro (IFTM) no campus de Uberlândia.

RevisãoErick Guilhon

Projeto GráficoNT Editora

Editoração EletrônicaThiago Souza

IlustraçãoDaniel Motta

CapaNT Editora

NT Editora, uma empresa do Grupo NTSCS Quadra 2 – Bl. C – 4º andar – Ed. Cedro IICEP 70.302-914 – Brasília – DFFone: (61) [email protected] e www.grupont.com.br

Ciências dos Materiais. / NT Editora.

-- Brasília: 2016. 92p.: il.; 21,0 X 29,7 cm.

ISBN - 978-85-8416-132-4

1. Metais. 2. Polímeros. 3. Esforços Mecânicos. 4. Ligas. 5. Propriedades dos Materiais. 6. Deformação Elástica e Plástica. 7. Ruptura. 8. Fadiga. 9. Tenacidade. 10. Dureza. 11. Fluência e Elasticidade.

Copyright © 2016 por NT Editora.Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida por

qualquer modo ou meio, seja eletrônico, fotográfico, mecânico ou outros, sem autorização prévia e escrita da NT Editora.

LEGENDA

ÍCONES

Prezado(a) aluno(a),Ao longo dos seus estudos, você encontrará alguns ícones na coluna lateral do material didático. A presença desses ícones o(a) ajudará a compreender melhor o conteúdo abordado e também como fazer os exercícios propostos. Conheça os ícones logo abaixo:

Saiba maisEsse ícone apontará para informações complementares sobre o assunto que você está estudando. Serão curiosidades, temas afins ou exemplos do cotidi-ano que o(a) ajudarão a fixar o conteúdo estudado.

ImportanteO conteúdo indicado com esse ícone tem bastante importância para seus es-tudos. Leia com atenção e, tendo dúvida, pergunte ao seu tutor.

DicasEsse ícone apresenta dicas de estudo.

Exercícios Toda vez que você vir o ícone de exercícios, responda às questões propostas.

Exercícios Ao final das lições, você deverá responder aos exercícios no seu livro.

Bons estudos!

4 NT Editora

Sumário

1 MATERIAIS E ESFORÇOS MECÂNICOS �� 71.1 Materiais metálicos ..................................................................................................................71.2 Materiais poliméricos ........................................................................................................... 111.3 Principais ligas utilizadas no setor automobilístico .................................................. 181.4 Tensão normal ........................................................................................................................ 211.5 Tensão de tração .................................................................................................................... 27

2 DEFORMAÇÕES MECÂNICAS E PROPRIEDADES MECÂNICAS GERAIS �� 332.1 Tensão cisalhante .................................................................................................................. 332.2 Torção e flexão ........................................................................................................................ 362.3 Deformação elástica ............................................................................................................. 402.4 Deformação plástica ............................................................................................................ 452.5 Ruptura ..................................................................................................................................... 492.6 Fadiga ........................................................................................................................................ 54

3 PROPRIEDADES MECÂNICAS E GERAIS DOS METAIS E POLÍMEROS �� 613.1 Tenacidade ............................................................................................................................... 613.2 Dureza ....................................................................................................................................... 643.3 Fluência ..................................................................................................................................... 683.4 Ductilidade .............................................................................................................................. 713.5 Propriedades mecânicas ..................................................................................................... 753.6 Propriedades elétricas ......................................................................................................... 773.7 Propriedades térmicas ......................................................................................................... 793.8 Propriedades químicas ........................................................................................................ 823.9 Propriedades ópticas ........................................................................................................... 85

BIBLIOGRAFIA �� 91

GLOSSÁRIO �� 92

APRESENTAÇÃO

5Ciências dos MateriaisSUMÁRIO

Repr

oduç

ão p

roib

ida.

Cop

yrig

ht ©

NT

Edito

ra. T

odos

os

dire

itos

rese

rvad

os.

Caro(a) aluno(a),

Seja bem-vindo(a) às Ciências dos Materiais!

Com o expressivo crescimento atual da nanociência e nanotecnologia, a ciência dos materiais se tornou uma área específica da ciência e da engenharia. As restrições dos materiais que estão dispo-níveis atualmente requerem avanços neste campo, pois essas mudanças trazem um impacto expres-sivo na indústria automotiva. Os novos recursos, além de melhores do ponto de vista físico e químico, são essenciais para diminuir os custos de produção e para tornar os veículos mais leves, o que, por sua vez, impacta diretamente no consumo de combustível dessas máquinas.

Em um veículo moderno, é enorme a dependência de materiais como poliméricos e metálicos, sendo imperativo haver a interação entre ambos para o bom desempenho do veículo. Hoje, diferente de anos atrás, é comum vermos componentes do motor fabricados com plásticos que apresentam resistência suficiente para esta aplicabilidade. Os novos materiais também continuarão fazendo parte da indústria automobilística, principalmente devido à consciência ambiental, que é imprescindível nos processos industriais atuais. O estudo dos materiais é de fundamental importância para a compre-ensão de suas aplicabilidades nas mais diversas partes de um veículo.

Absorva ao máximo os conceitos aqui apresentados, pois eles com certeza serão de fundamen-tal importância para o seu desenvolvimento como profissional.

Bons estudos!

Durval Bertoldo Menezes

6 NT Editora

Repr

oduç

ão p

roib

ida.

Cop

yrig

ht ©

NT

Edito

ra. T

odos

os

dire

itos

rese

rvad

os.

7Ciências dos Materiais

Repr

oduç

ão p

roib

ida.

Cop

yrig

ht ©

NT

Edito

ra. T

odos

os

dire

itos

rese

rvad

os.

Este capítulo é dedicado à apresentação e ao estudo dos materiais metálicos e poliméricos. Estes materiais são de fundamental importância para a indústria automotiva. Sendo assim, a compreensão do comportamento desses recursos, quando submetidos a ação de forças, é extremamente importante para o bom desempenho do produto final (componentes dos veículos, tais como pneus, barra de direção, freios, partes plásticas do interior do veículo, dentre outros) no momento em que este é submetido a condições de uso.

Objetivos

Ao finalizar esta lição, você deverá ser capaz de:

• distinguir materiais metálicos e poliméricos;

• compreender, saber calcular e diferenciar as grandezas tensão normal e tração.

1.1 Materiais metálicosNa história humana, existem diferentes eras que foram marcadas por diferentes metais:

• Idade do cobre - em torno de seis mil anos atrás;

• Idade do bronze - por volta de quatro mil anos atrás;

• Idade do ferro - cerca de três mil anos.

Figura 1 - Químico e físico Jonh Dalton

A presença dos metais na vida do homem foi e ainda é essencial para a sua existência. Na antiguidade, possibilitaram a produção de objetos de uso domésticos, tais como facas, panelas, espetos, entre outros. O ouro, por exemplo, foi um dos primeiros metais a ser encontrado pelo homem e teve um papel importante, pois logo passou a ser utilizado como moeda de troca. Embora muito informalmente, os metais já eram estudados pelos alquimistas da antiguidade porque eles supunham ser possível transformar qualquer metal em ouro. Apesar disso, o químico John Dalton definitivamente eliminou a alquimia dos meios científicos ao sugerir que os átomos eram unidades definidas da matéria. Por esse motivo, não poderiam ser transformados em outros átomos, assim não seria possível transformar, por exemplo, chumbo em ouro, como pretendiam os alquimistas.

Os metais são substâncias encontradas na natureza que foram expelidas para a superfície da Terra durante a evolução do planeta, portanto não podem ser sintetizados. Em outros lugares do universo (cometas, planetas e luas), também existem esses mesmos metais, que na verdade têm suas origens associadas às transformações ocorridas em um Sol específico. Em outras palavras, as estrelas são as verdadeiras fábricas de metais. São elas que fabricam todas as substâncias químicas conhecidas

1 MATERIAIS E ESFORÇOS MECÂNICOS

Alquimista: é a pessoa que pratica a alquimia.

John Dalton: John Dalton (1766-1841) foi um quími-co, meteo-rologista e físico inglês. Além de ser um dos pioneiros na meteorolo-gia, também foi um dos primeiros cientistas a defender que a matéria é feita de pequenas partículas, os átomos.

8 NT Editora

Repr

oduç

ão p

roib

ida.

Cop

yrig

ht ©

NT

Edito

ra. T

odos

os

dire

itos

rese

rvad

os.

e tudo isso é feito a partir de um único átomo, denominado hidrogênio. No caso do planeta Terra, os metais são encontrados em jazidas, como mostrado nas Figuras 2.A e 2.B.

Figura 2.B - Jazida de cobreFigura 2.A - Jazida de ferro

Depois de serem retirados dessas jazidas, os metais passam por um processo de purificação. Isso ocorre porque um metal não é encontrado sozinho na natureza, por isso é necessário separar as outras partes para, em seguida, fazer o processamento final.

Esses recursos começaram a ser misturados com outros metais ou com outros elementos químicos para aumentar seu poder de resistência, como é o caso do aço, o qual é basicamente uma mistura de ferro e carbono. Essas misturas são chamadas de ligas e conferem novas propriedades físicas e químicas ao metal. Algumas ligas bastante usadas são: bronze (cobre + estanho) e latão (cobre + zinco), como mostrado na Figura 3.

Figura 3 - Bronze e latão utilizados para fabricar conectores de baterias e válvulas

A Figura 4, a seguir, mostra os metais na tabela periódica. Como você pode ver, aqueles em amarelo ocupam grande parte dos elementos da tabela.


Repr

oduç

ão p

roib

ida.

Cop

yrig

ht ©

NT

Edito

ra. T

odos

os

dire

itos

rese

rvad

os.

Figura 4 - Tabela periódica

Essencialmente, os metais são partes integrantes dos veículos, desde simples componentes que passam despercebidos a componentes fundamentais como as rodas ou o próprio motor, como mostra a Figura 5.

Figura 5 - Componentes de um veículo fabricados em metal

10 NT Editora

Repr

oduç

ão p

roib

ida.

Cop

yrig

ht ©

NT

Edito

ra. T

odos

os

dire

itos

rese

rvad

os.

Materializando o conhecimento

Sobre os metais, marque a opção incorreta�

a) Os metais podem ser misturados uns aos outros formando as ligas metálicas.

b) As ligas metálicas apresentam propriedades físicas e químicas diferentes dos metais originais.

c) Os metais são encontrados na natureza, no entanto também podem ser sintetizados.

d) Os metais não podem sofrer transmutação, ou seja, não podem se transformar em outros metais.

Se você assinalou a alternativa C, parabéns! Os metais são encontrados na natureza, não podendo ser sintetizados pelo homem.

Das substâncias químicas apresentadas a seguir, por meio de seus símbolos, existe apenas uma que não é um metal� Qual?

a) Ag.

b) Se.

c) Re.

d) Fe.

Ag simboliza a prata; Re, o Rênio; Fe, o Ferro, sendo todos metais. Já o Se, Selênio, não o é.

Saiba mais

Chumbo: uma neurotoxina devastadora

Metal pesado encontrado em abundância na crosta terrestre, o chumbo é o poluente de maior ameaça em escala global: estima-se que 10 milhões de pessoas vivam em regiões contaminadas. Material químico chave para a criação de baterias de carro (75% de sua produção anual é desti-nada à indústria automotiva), o chumbo é frequentemente liberado no meio ambiente mediante processos de reciclagem informais, sem controle de segurança ambiental, e também pela ativi-dade de mineração. As principais formas de contaminação se dão pela ingestão de alimentos ou água contaminados e por inalação de partículas de poeira da substância, que podem ser arma-


Repr

oduç

ão p

roib

ida.

Cop

yrig

ht ©

NT

Edito

ra. T

odos

os

dire

itos

rese

rvad

os.

zenadas por até 30 anos no tecido ósseo. Os efeitos da exposição ao chumbo são devastadores e incluem danos neurológicos, redução de QI, anemia, distúrbios nervosos, perda de controle muscular e, em graus elevados, até a morte. De março a outubro de 2011, por exemplo, mais de 400 crianças menores de cinco anos morreram pelo envenenamento por chumbo no norte da Ni-géria, e outras 18 mil pessoas podem ter sido envenenadas. Na ocasião, o minério, garimpado nas redondezas, que é levado aos vilarejos para processamento – trabalho realizado com frequência por mulheres e crianças pequenas –, teria contaminado o solo, o ar e as fontes de águas locais.

Figura 6 - Componentes de um veículo fabricados em metal Fonte: Ag Solve Monitoramento Ambiental

1.2 Materiais poliméricosPolímero é um termo frequentemente usado hoje como plástico, mas, na verdade, significa

muito mais que isso. Você sabia que comemos polímeros e que usamos polímeros para comer?

Parece um trocadilho, mas serve para lhe mostrar o quanto esses materiais estão presentes em nosso cotidiano, pois são a base de muitos alimentos, remédios e substâncias presentes em nosso corpo. Além disso, são usados na fabricação de pratos, copos, talheres, entre outros. Diante disso, podemos dizer que, literalmente, vivemos no meio de polímeros.

O nome polímero provém do grego e significa “muitas partes iguais ligadas entre si”, pois se origina de poli (muitos) e meros (partes). A Figura 7 mostra uma unidade do polímero tereftalato de polietileno (PET), usado para fabricar as garrafas PET. Essa unidade mostrada é o que denominamos de monômero (n) e é a unidade que se repetirá ao longo de toda a cadeia polimérica, ou seja, esse polímero se forma por várias ligações consecutivas da unidade monomérica.

Figura 7 - Monômero do polímero PET (tereftalato de polietileno)

12 NT Editora

Repr

oduç

ão p

roib

ida.

Cop

yrig

ht ©

NT

Edito

ra. T

odos

os

dire

itos

rese

rvad

os.

Na Figura 8, é demostrada uma cadeia polimérica formada por várias unidades do monômero do polímero PET. Veja que as unidades se repetem por toda a cadeia formando, então, o polímero.

Figura 8 - Cadeia polimérica formada por várias unidades de monômero PET

Nesse sentido, imagine um número extremamente grande dessas cadeias, umas embaraçadas nas outras. O que teremos é o aglomerado de cadeias poliméricas mostradas na Figura 9.A, enquanto na Figura 9.B, temos o polietileno comercial e, na Figura 9.C, garrafas produzidas a partir de polietileno.

Figura 9.A - Aglomerado de cadeias poliméricas

Figura 9.B - PET comercial Figura 9.C - Garrafas produzidas a partir do polímero PET

Assim, um polímero é um composto químico cujas moléculas são ligadas umas nas outras formando longas cadeias, as quais se entrelaçam constituindo uma massa coesa. Os materiais poliméricos têm propriedades físicas e químicas exclusivas, permitindo sua utilização de diversos modos, o que os torna uma forma de material muito versátil.

Os polímeros são classificados em polímeros naturais e sintéticos. Os naturais, como o próprio nome diz, são produzidos a partir de reações químicas encontradas na natureza, como a borracha, produzida a partir do látex (leite) da seringueira, mostrada na Figura 10. Ademais, esses materiais apresentam boas propriedades elásticas e até 1927 foram os únicos utilizados na fabricação de pneus para automóveis. Estão na história do Brasil porque foram os responsáveis por muitos conflitos


Repr

oduç

ão p

roib

ida.

Cop

yrig

ht ©

NT

Edito

ra. T

odos

os

dire

itos

rese

rvad

os.

na região Norte do país e uma das razões pela qual o Brasil comprou parte do território da Bolívia, transformando-o no estado do Acre, como se vê atualmente. A compra de território e os conflitos estão totalmente relacionados à extração do látex para a exportação.

Figura 10 - Látex (poli-cis-isopreno) extraído da seringueira para produzir a borracha natural

Os sintéticos são produzidos pelo homem, por meio da combinação de vários monômeros, a fim de se obter algo similar ao que a natureza produz ou, ainda, obter um novo polímero. Foi assim com a borracha sintética, produzida a partir do petróleo, a qual acabou por substituir a borracha natural extraída da seringueira na produção de pneus para automóveis. Apesar de o látex sintetizado ter propriedades inferiores às da borracha natural, ele é mais abundante e de fácil fabricação e está presente em grande parte dos produtos à base de borracha que usamos hoje em dia, como nos pneus de automóveis e nas borrachas de forma geral, como mostrado na Figura 11.

Figura 11 - Borracha sintética (butadieno-acrilonitrila) é produzida em larga escala a partir do petróleo

Assim, se você supõe que a aplicação de polímeros em veículos se limita aos pneus e borrachas do piso do porta-malas, veja a Figura 12, a qual mostra uma série de aplicações na indústria automotiva.

14 NT Editora

Repr

oduç

ão p

roib

ida.

Cop

yrig

ht ©

NT

Edito

ra. T

odos

os

dire

itos

rese

rvad

os.

Figura 12 - Polímeros na indústria automotiva: (A) reservatório do fluido de freio, (B) grade dianteira, (C) tanque de combustível, (D) praticamente toda a parte interna do carro e (D) conexões dos sistema de ar condicionado e arrefecimento

Os polímeros mais utilizados pela indústria automotiva são os chamados termoplásticos. Termoplásticos são polímeros que podem ser amolecidos repetidas vezes por meio do aumento da temperatura e novamente solidificados por resfriamento. Nesse caso, esses materiais sofrem processos físicos – e não químicos –, pois sua estrutura química não sofre mudanças. Portanto, podem ser reciclados, o que é vantajoso tanto para a indústria, haja vista que dez por cento da produção de polímeros no mundo são utilizados pela indústria automotiva, quanto para o meio ambiente.

A Tabela 1 mostra as vantagens e desvantagens do uso de materiais poliméricos pela indústria automotiva. As principais vantagens são com relação ao custo de fabricação e à redução de peso do veículo, o que impacta diretamente no consumo final de combustível.

Tabela 1 - Vantagens e desvantagens do uso de plásticos nos automóveis em substituição a outros materiais

Vantagens Desvantagens

Redução de peso Deterioração por ação térmica e ambiental

Redução da emissão de CO2 Inflamáveis

Redução de custos Baixa resistência ao impacto

Redução do tempo de produção Deformação permanente

Aumento da resistência à corrosão Facilidade de manchas permanentes


Repr

oduç

ão p

roib

ida.

Cop

yrig

ht ©

NT

Edito

ra. T

odos

os

dire

itos

rese

rvad

os.

Possibilidade de designs mais modernos Baixa estabilidade dimensional

Formatos mais complexos

Excelente processabilidade

Veículos mais silenciosos

Melhor uso de espaço

Aumento de segurança

Fonte: HEMAIS, 2003, p. 107-114.

Os polímeros mais utilizados na indústria automobilística estão listados em seguida com suas respectivas aplicabilidades na fabricação de componentes dos veículos:

• Polietileno de alta densidade (HDPE)

Caixa do triângulo de emergência; proteção anticascalho; peservatório de água do para-brisa; sistema de distribuição de combustível; e tanque de combustível.

• Polipropileno (PP)

Bandeja traseira (sobre o porta-malas); caixa da bateria; caixa de calefação; caixa de ferramentas; caixa de primeiros socorros; caixa do cinto de segurança; caixa do retrovisor interno; caixa elétrica central; calotas; carpetes; cobertura da bateria (proteção da parte superior, prevenção contra curto-circuito); cobertura do volante; cobertura dos amortecedores; conduto de aspiração de ar; condutos de ar; conjunto de regulagem dos bancos; console; corpo do filtro de ar; depósito de expansão da água de refrigeração do motor; depósito do fluido de freio; empunhadura do freio de mão; estribo de acesso das portas; frisos laterais; grades de circulação de ar.

• Poli(óxido de metileno) (POM)

Movimentação dos vidros das portas; manivela de movimentação dos vidros das portas; guia dos vidros das portas; engrenagens do motor redutor do sistema de movimentação dos vidros das portas; limpadores de para-brisa; engrenagens do motor redutor do sistema de acionamento do limpador; cintos de segurança; ancoragem do cinto de segurança na coluna do veículo; dispositivo de retração; espelhos retrovisores; coxim e elementos deslizantes; carcaça e engrenagens do motor redutor do sistema de movimentação do espelho; suporte do espelho retrovisor; fechaduras; carcaça do mecanismo de fechamento; corpo de fechamento da tampa do porta-malas; engrenagens do sistema de fechamento centralizado; circuito de combustível; boia do carburador; carcaça do filtro de combustível; componentes da bomba de combustível; gargalo de alimentação do combustível; tampa do gargalo de alimentação de combustível; válvula antirretorno de combustível.

16 NT Editora

Repr

oduç

ão p

roib

ida.

Cop

yrig

ht ©

NT

Edito

ra. T

odos

os

dire

itos

rese

rvad

os.

• Polímeros fluorados (politetrafluoretileno) (PTFE)

Bomba de combustível elétrica; elemento deslizante do amortecedor; elemento deslizante do freio; guia do pistão do amortecedor; indicador de desgaste de freio.

• Poli(teleftalato de butileno) (PBT) e de alto impacto (PBT-HI)

Ancoragem dos retrovisores laterais; caixa de conectores do sistema elétrico; calota; carcaça da bomba do circuito de água para o para-brisa; carcaça do motor redutor do sistema de movimentação dos vidros; carcaça do motor redutor dos limpadores de para-brisa; carcaça do sistema de ignição (distribuidor); carcaça dos faróis; cinzeiros; comando do sistema de movimentação dos vidros; conectores; elementos de regulagem dos faróis; estojo de fusível; grades; palhetas dos limpadores de para-brisa; para-lama; pistão do servofreio; porta-escovas de motores elétricos; relés; suporte do regulador dos retrovisores laterais; tampa do airbag conectores; porta-escovas de motores elétricos; suporte da bobina.

• Poli(sulfeto de fenileno) (PPS)

Carcaça dos faróis; paletas da bomba de vácuo; suporte da bobina; suporte do porta-escovas do motor de refrigeração; válvulas do filtro de ar.

• Policarbonato (PC)

Faróis; lanternas; painel de instrumento.

• Poliuretano (PU)

Para-choque; estofo dos bancos; coxins; tapes suporte do motor; enchimento do para-choque.

• Poliamida (PA)

Dutos de captação de ar; engrenagens; conectores de sistema de injeção; sistema de freio de estacionamento; escaninho do airbag.

• Poli(metacrilato de metila) (PMMA)

Fibras ópticas; lanternas; protetores de chuva nas janelas.

• Copoli (estirenobutadienoacrilonitrila) (ABS)

Grades; calotas; painel de instrumentos; carcaça de lanterna.

• Poli(cloreto de vinila) (PVC)

Filtros de ar e de óleo; revestimento de bancos; painéis e interiores; revestimento de fios e cabos elétricos.

• Poli(tereftalato de butileno)/Policarbonato (Xenoy)

Painel de instrumento para-choque; painel lateral externo; ponteira de para-choque e spoilers.


Repr

oduç

ão p

roib

ida.

Cop

yrig

ht ©

NT

Edito

ra. T

odos

os

dire

itos

rese

rvad

os.

• Poli(tereftalato de etileno) (PET)

Carcaça de bombas; carburador; limpador de para-brisa; componentes elétricos.

Como pôde ser visto, há uma vasta gama de componentes do carro que são fabricados a partir de polímeros, os quais, hoje, são parte essencial da indústria automobilística. Os dados expostos foram retirados do artigo: HEMAIS, C. A. Polímeros e a Indústria automobilística. Polímeros: Ciência e Tecnologia, v. 13, nº 2, 2003, pp. 107-114. Disponível em: <http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0104-14282003000200008>. Acesso em: 21 ago. 2015.


(UFU-MG) Polímeros são macromoléculas orgânicas construídas a partir de muitas unidades pequenas que se repetem, chamadas monômeros. Indique a alternativa que apresenta somente polímeros naturais.

a) Celulose, plástico, poliestireno.

b) Amido, proteína, celulose.

c) Amido, náilon, polietileno.

d) Plástico, PVC, teflon.

Qualquer tipo de material chamado de plástico é algum tipo de polímero sintético. O náilon, dentro outros usos, é um material bastante presente na indústria têxtil, mas se trata de um polímero sintético, já o amido (alimento), proteínas (parte de nossos corpos) e celulose (papel) são polímeros naturais. A alternativa correta é a letra B.

Saiba mais

A história deste material remonta do período pré-colombiano, quando os ameríndios brinca-vam com bolas rudimentares de seiva de árvore. Entretanto, foram eventos relativamente re-centes que possibilitaram sua ampla utilização em nossos dias: a descoberta da vulcanização, por Charles Goodyear, em 1839, tornando a borracha termicamente mais resistente e mais elás-tica; e o desenvolvimento da borracha sintética, em 1909, por Fritz Hofmann, possibilitando sua obtenção a partir do petróleo. Atualmente, existem inúmeras variedades de borracha, com in-contáveis características e empregos específicos. Dada a versatilidade desse material, ele está presente em uma infinidade de itens, seja para amortecimento, vedação, isolamento sonoro ou até pavimentação. Comumente, os itens que nos vem à mente são pneus, solas de sapato, mangueiras, luvas, etc. Entretanto, se tentássemos listar os bens de nosso cotidiano que contêm borracha, inquestionavelmente, pararíamos logo por exaustão.

Charles Goo-dyear: Char-les Goodyear (1800-1860), inventor estaduniden-se que ficou conhecido por ter descoberto a vulcanização da borracha.

Fritz Hofmann: (1866-1956), químico alemão, considerado o inventor da borracha sintética.

18 NT Editora

Repr

oduç

ão p

roib

ida.

Cop

yrig

ht ©

NT

Edito

ra. T

odos

os

dire

itos

rese

rvad

os.

Figura 13 - Da esquerda para direita temos Charles Goodyear e Fritz Hofmann.

Disponível em: <http://www.fiepr.org.br/fomentoedesenvolvimento/cadeiasprodutivas/uploa-dAddress/BORRACHA[19533].pdf>. Acesso em: 29 set. 2015.

1.3 Principais ligas utilizadas no setor automobilísticoLigas metálicas são produtos que se originam da combinação de duas ou mais substâncias

químicas, sendo uma delas no mínimo um metal. Os metais, às vezes, não apresentam as características desejadas, então se torna necessária a produção de ligas metálicas para proporcionar ao produto final algumas propriedades especificas, tais quais: térmicas, mecânicas, elétricas, entre outras.

Os metais empregados na indústria automotiva não oferecem os atributos esperados para um emprego específico – por exemplo, um metal pode ser muito mole ou sofrer rápida oxidação, de modo que não pode ser usado para fins industriais –, então se procura conseguir, mediante a mistura de elementos, um material que no fim resulte no desejado. Dessa maneira, por oferecerem atributos e propriedades físicas e químicas mais regulares que seus componentes, as ligas metálicas têm grande valor na indústria automobilística.

A metodologia mais usada na produção dessas ligas é a de derreter um dos metais e depois acrescentar os outros componentes. Entretanto, temos metais que naturalmente já vêm misturados, como o cobre e o estanho, os quais geralmente são encontrados juntos nas jazidas. Então, para preparar o bronze (cobre + estanho), basta fundir o metal extraído da natureza, pois os dois já estão juntos, porém a fusão garante que eles ficarão ainda mais unidos e oferecerão propriedades físicas e químicas ideais para o uso aplicado. As principais ligas metálicas

As ligas metálicas se dividem em dois grupos, classificadas como ferrosas e não ferrosas.

As ferrosas são aquelas que têm ferro em sua composição, já as não ferrosas não têm o ferro entre seus componentes. Geralmente, as ligas ferrosas são produzidas em grande escala devido à diversidade de aplicações que possui, como é o caso do aço, por exemplo. No que se refere às ligas não ferrosas, apresentam resistência à corrosão e são no geral mais leves que as ferrosas.


Repr

oduç

ão p

roib

ida.

Cop

yrig

ht ©

NT

Edito

ra. T

odos

os

dire

itos

rese

rvad

os.

Figura 14 - Metais. Alumínio, ferro e cobre, da esquerda para a direita

• Ligas ferrosas: o aço, por exemplo, é composto de ferro e de uma quantidade de carbono, a qual no geral é inferior a 1,8%. O aço simples, porém, é a base para a produção de materiais como o aço inoxidável (aço simples + cromo) e também aços especiais, isto é, com maior proporção de outros elementos.

Figura 15 - Aço é o expoente da indústria automotiva, devido a sua alta resistência mecânica

• Ligas de cobre: é muito comum ouvirmos os nomes latão e bronze, pois essas ligas são muito empregadas na indústria, estando o cobre presente em sua composição. Essa liga está em segundo lugar em quantidade de produção, perdendo apenas para as ligas de ferro. As ligas de cobre são muito usadas na produção de peças e buchas para: motor, câmbio, diferencial, suspensão, moenda, tandem, mancal, dentre outros.

Figura 16 - Produtos feitos com ligas de cobre

20 NT Editora

Repr

oduç

ão p

roib

ida.

Cop

yrig

ht ©

NT

Edito

ra. T

odos

os

dire

itos

rese

rvad

os.

• Ligas de alumínio: o duralumínio está incluído nesta liga e é um material muito expressivo na indústria, porém vários outros componentes automotivos são produzidos a partir dessas ligas, como partes do motor e até o próprio motor.

Figura 17 - Pistão produzido a partir de liga de alumínio

• Ligas de chumbo e estanho: essa liga é extremamente importante porque a solda é fabri-cada a partir dela. No entanto, além de tal aplicação, temos outra de igual importância para o setor automotivo, que é nas placas de baterias.

Figura 18 - Solda de estanho, extremamente importante no setor

eletrônico

• Ligas de manganês: esse tipo de liga se caracteriza por apresentar alto coeficiente de dila-tação térmica, por isso sua importância. Por meio dessa liga, é possível a fabricação de sensores que funcionam baseados na temperatura.

Saiba mais

A história do aço inoxidável

A descoberta do aço inoxidável foi feita por Harry Brearley. Ele começou a trabalhar como ope-rário em uma produtora de aço com a idade de 12 anos, na sua terra natal, Sheffield (Inglaterra).

A pedido dos fabricantes de armas, em 1912, Harry começou a investigar uma liga metálica que apresentasse resistência maior ao desgaste que ocorria no interior dos canos das armas de fogo como resultado do calor liberado pelos gases. Desde o princípio, a pesquisa consistia em inves-

Harry Bre-arley: Harry Brearley (1871-1948) metalúrgico inglês, geral-mente credi-tado com a invenção do aço rustless, que viria a ser chamado de aço inoxi-dável.


Repr

oduç

ão p

roib

ida.

Cop

yrig

ht ©

NT

Edito

ra. T

odos

os

dire

itos

rese

rvad

os.

tigar uma liga que apresentasse maior resistência à corrosão. No entanto, ao realizar o ataque químico para revelar a microestrutura desses novos aços com altos teores de cromo que estava a pesquisar, Brearley notou que o ácido nítrico – um reativo comum para os aços – não surtia efei-to nenhum. Brearley não obteve uma liga metálica que resistia ao desgaste, obteve, na verdade, uma liga metálica resistente à corrosão. A aplicação imediata foi destinada para a fabricação de talheres, que até então eram fabricados a partir de aço-carbono e se corroíam com facilidade devido aos ácidos presentes nos alimentos.

Figura 19 - Harry Brearley

1.4 Tensão normalO estudo das tensões é uma das ferramentas mais importantes para a indústria. Isso porque

conhecer o comportamento dos materiais quando eles são submetidos a esforços constantes é de fundamental importância para que se possa determinar o tipo de material a ser utilizado e também suas dimensões. Assim, conhecer as limitações mecânicas dos materiais é o primeiro passo para se iniciar qualquer projeto, seja ele na área automotiva, na elétrica ou na construção civil. Você já deve ter se deparado com algum carro ou caminhão com defeito devido à quebra de algum componente, como exemplos mostrados na Figura 20.

Figura 20 - Em (A), temos um eixo de transmissão quebrado; em (B), o cardan quebrado

22 NT Editora

Repr

oduç

ão p

roib

ida.

Cop

yrig

ht ©

NT

Edito

ra. T

odos

os

dire

itos

rese

rvad

os.

No entanto, vamos analisar: se os materiais passam por análises, e os projetistas conhecem as limitações deles, por que será que eles ainda assim quebram – como ocorreu na Figura 20? A resposta não é simples, mas podemos dizer, em primeiro lugar, que os componentes de um veículo estão sob a ação de agentes externos.

Como exemplo dessa ação exterior, temos a forma como o veículo é usado ou a frequência de manutenção deles. Veja: uma pessoa compra um caminhão que suporta no máximo oito toneladas, mas com frequência esse caminhão é carregado como 10 toneladas. Não podemos, nesse contexto, esperar que o veículo suporte esse excesso de peso por muito tempo sem algum dano, não é mesmo? Por outro lado, sabemos que os materiais também passam por ações do tempo, como umidade e calor, e esses fatores contribuem com o desgaste, o que pode provocar as quebras.

Devido a isso, estudamos a tensão normal, ou também chamada de compressão normal, a qual tem por objetivo estabelecer as limitações de esforços que determinada peça pode suportar. Esse limite de esforço está relacionado com o material a partir do qual a peça é fabricada, mas também depende de suas dimensões e de sua forma geométrica, como mostra a Figura 21, na qual temos dois parafusos fabricados com o mesmo material, mas com dimensões diferentes. Nesse caso, o parafuso com maior diâmetro suporta maior esforço.

Figura 21 - Parafusos com dimensões diferentes

A tensão Normal, simbolizada pela letra grega σ (sigma), é definida como a relação entre a força normal (F) aplicada à superfície e a área desta superfície (A). A força, nesse caso, deve ser aplicada perpendicularmente à superfície, como mostrado na Figura 22.

Figura 22 - Força (F) sobre a superfície de área (A) produz uma tensão normal na peça


Repr

oduç

ão p

roib

ida.

Cop

yrig

ht ©

NT

Edito

ra. T

odos

os

dire

itos

rese

rvad

os.

Temos, portanto, a seguinte fórmula:

σ =AF

Unidades de medida de tensão normal

A unidade de medida da tensão normal, no Sistema Internacional de Unidade, é Pa (pascal), mas, no meio técnico, a compressão é geralmente dada em GPa (giga pascal). Para se determinar o valor de σ em GPa, a força (F) tem de ser dada em KN (quilo Nnewton) e a área (A) em mm², assim temos que: KN/mm²~GPa. Deve-se ressaltar, contudo, que há outras unidades muito utilizadas, como mostrado na Tabela 2.

Tabela 2 - Unidades de tensão normal mais comuns na área tecnica

1 Pa 1 N/m²

1 Mpa (mega pascal) 1 N/mm²

1 GPa (giga pascal) 1 KN/mm²

Temos, além dessa, também a tensão máxima admissível (σad) de determinado material, a qual define a resistência máxima que ele pode suportar em relação à compressão. Se esse valor de resistência for ultrapassado, o material pode sofrer uma ruptura, como mostra a Figura 23.

Para se definir o valor σad de determinado material, realiza-se um procedimento experimental denominado ensaio de compressão, no qual uma peça é comprimida, como mostrado na Figura 23, até que ela sofra a ruptura, que, por sua vez, é registrada por um mecanismo de medida.

Figura 21 - Parafusos com dimensões diferentes

24 NT Editora

Repr

oduç

ão p

roib

ida.

Cop

yrig

ht ©

NT

Edito

ra. T

odos

os

dire

itos

rese

rvad

os.

Feito o ensaio de compressão, temos o resultado, que geralmente é encontrado em tabelas. Veja alguns deles na Tabela 3.

Tabela 3 - Tensão admissível média de alguns materiais

Material Tensão máxima admissível (Mpa)

Aço 300

Cobre 225

PP - Polipropileno 33

PE - Polietileno - baixa densidade 42

PE - Polietileno - alta densidade 90

PVC - Poly (vinylchloride) 40

Latão 332

Bronze 340

Assim, por exemplo, se você colocar o polipropileno (PP) submetido a uma tensão maior que 33 Mpa, ele vai sofrer ruptura. Cada material tem, portanto, suas propriedades mecânicas específicas, as quais dependem de fatores como a proporção de componentes existentes na liga. No caso de uma liga de alumínio e manganês, ela não apresenta a mesma tensão admissível se as concentrações de alumínio ou manganês forem variadas. Uma dica importante é sempre consultar informações do fabricante do material para que você possa obter as informações de resistência mecânica com precisão.


Um elevador de carro de uma oficina tem o cilindro com diâmetro de aproximadamente 200 mm e é feito de uma determinada liga ferrosa. A partir disso, calcule o máximo esforço que esse cilindro pode suportar, sabendo que a tensão admissível dessa liga é de 82 Mpa.

Figura 24 - Elevador hidráulico


Repr

oduç

ão p

roib

ida.

Cop

yrig

ht ©

NT

Edito

ra. T

odos

os

dire

itos

rese

rvad

os.

Sabemos que a tensão é dada por:

σ =AF

Precisamos, para isso, então, determinar a área do cilindro do elevador para podermos calcular o esforço máximo que ele pode suportar (F). A área transversal de um cilindro é a área de uma circunferência, dada por:

A =4

πd2 , então teremos:

A =4

3,14.2002

A = 31.400 mm²

Assim, podemos agora substituir na expressão da tensão:

σ =AF

82 =31.400

F

F = 2.574.800 N

Dessa forma, o elevador pode suportar uma carga máxima de 2.574.800 N.

A coluna mostrada na Figura 25 sofre um esforço de 40 KN� Calcule a tensão normal a que essa coluna está sujeita�

Figura 25 - Força axial em uma coluna

26 NT Editora

Repr

oduç

ão p

roib

ida.

Cop

yrig

ht ©

NT

Edito

ra. T

odos

os

dire

itos

rese

rvad

os.

Nesse caso, vamos substituir direto na expressão da tensão normal, mas antes devemos calcular a área de ação da força:

A =4πd2

A = 706,5 mm²

A =3,14.302

4

Substituindo na expressão da tensão normal, teremos:

σ =706,5

40

σ = 0,06 MPσ

Diante disso, a coluna está sujeita a um esforço de 0,06 MPa.

Saiba mais

Os carros, antes de chegarem a nós, consumidores, passam por testes de colisão (crash test), com o objetivo de determinar sua eficiência em dissipar a energia durante uma colisão. Assim, os carros não podem ser muito “duros” nem muito “moles”, haja vista que, se forem duros demais, eles não absorve-rão energia na colisão e, se forem mui-to moles, eles poderão deformar muito e, por isso, prejudicar a segurança dos passageiros. Assim, os carros podem ser aprovados ou reprovados nos tes-tes de colisão e, quando reprovados, eles passam por modificações nos materiais e na estrutura para que possam ser mais eficientes. Esses testes estão todos associados ao comportamento dos materiais ao serem submetidos a esforços muito grandes, como é o caso de uma colisão.

Figura 26 - Teste de colisão de um veículo


Repr

oduç

ão p

roib

ida.

Cop

yrig

ht ©

NT

Edito

ra. T

odos

os

dire

itos

rese

rvad

os.

1.5 Tensão de traçãoOs corpos, de forma geral, podem sofrer esforços de compressão, os quais produzem a tensão

normal, ou podem sofrer esforços de tração, o que produzirá a tensão de tração. A Figura 27 mostra a diferença entre a compressão e a tração, respectivamente.

Figura 27 - Esforço de compressão e esforço de tração

Quando é submetido a um esforço de tração, um corpo irá produzir uma tensão de tração σT que é definida pela relação entre a força de tração (F) e a área (A) da transversal onde essa força é aplicada, como mostra a Figura 28.

Figura 28 - Esforço de tração em uma peça cilíndrica

Extrai-se a seguinte fórmula:

σ T =AF

Tal como na tensão normal, as unidades de tensão de tração permanecem, sendo elas o Pa (pascal), MPa (megapascal) e todas outras subunidades.

28 NT Editora

Repr

oduç

ão p

roib

ida.

Cop

yrig

ht ©

NT

Edito

ra. T

odos

os

dire

itos

rese

rvad

os.

Você pode observar que há uma semelhança entre as expressões para o cálculo das duas tensões, porém a diferença está na ação da força. Isso ocorre porque, no caso da tensão normal, o esforço tende a comprimir o corpo; já no que se refere à tração, o esforço tende a “esticar” o corpo, como mostrado na Figura 27.


O parafuso mostrado na Figura 29 é submetido a uma força de tração de 165 KN. Sabendo que a área da seção transversal do parafuso é de 80 mm², calcule a tensão de tração a que este parafuso está submetido.

Figura 29 - Parafuso submetido a esforço de tração

Para calcularmos a tensão de tração, devemos utilizar a expressão:

σ T =AF

σ T =80

165

σ T = 2,06 MPa

F = 165 KN

A = 80 mm²

O parafuso está sujeito, com isso, a uma tensão de tração de 2,06 MPa.

O parafuso mostrado na Figura 30 foi submetido a um excesso de esforço� Marque a opção que representa corretamente sobre tal esforço�

Figura 30 - Parafuso submetido a excesso de esforço


Repr

oduç

ão p

roib

ida.

Cop

yrig

ht ©

NT

Edito

ra. T

odos

os

dire

itos

rese

rvad

os.

a) Foi submetido a um excesso de esforço excedendo a tensão normal.

b) Foi aplicado um esforço muito grande na parte central do parafuso.

c) Foi aplicado um excesso de esforço de tração.

d) O parafuso foi torcido.

A partir da observação da Figura 30, é possível ver que o parafuso sofreu ruptura devido ao excesso de esforço de tração. Alternativa correta é a letra C.

Saiba mais

Por mais duros que possam parecer, os materiais podem ser esticados até determinado limi-te, como se fossem um elástico. Esse tipo de deformação é chamado de deformação elástica e provoca nos corpos um aumento de comprimento enquanto a força está atuando sobre eles; porém, quando a força é retirada, o corpo volta ao seu tamanho original. Essas deformações são milimétricas e praticamente imperceptíveis ao nosso olho. Se o esforço ultrapassar o limite ad-missível, o corpo entra em uma fase de deformação plástica, o que significa que ele não voltará mais a sua forma original, como mostrado na Figura 31, na qual o centro do parafuso sofreu uma deformação plástica por ele ter sido esticado acima do limite admissível.

Figura 31 - Deformação plástica de um parafuso

ResumindoNesta lição, você aprendeu sobre os metais e suas principais características bem como sobre

os materiais poliméricos, que estão muito presentes no nosso cotidiano e são parcela considerável na fabricação de veículos. Os tipos de ligas metálicas mais utilizadas na indústria automotiva foi outro assunto trabalhado nesta lição, na qual mostramos que, apesar de o aço ser a liga mais importante na indústria, há outras ligas que também são fundamentais, pois apresentam características exclusivas.

Depois de conhecer sobre os materiais, nós trabalhamos a questão dos esforços de compressão e tração a que esses materiais podem ficar sujeitos e vimos que todo material tem seus limites, de modo que, se não forem respeitados, pode sofrer ruptura. Continuaremos com esse assunto na próxima lição, portanto é muito importante que você se lembre dos conceitos aqui apresentados e, caso tenha necessidade, volte a esta lição para recordar dos conceitos.

Veja se você se sente apto a:

• distinguir materiais metálicos e poliméricos;

• calcular e diferenciar as grandezas tensão normal e tração.

30 NT Editora

Repr

oduç

ão p

roib

ida.

Cop

yrig

ht ©

NT

Edito

ra. T

odos

os

dire

itos

rese

rvad

os.

Parabéns, você fina-lizou esta lição!

Agora responda às questões ao lado.

Exercícios

Questão 1 - Assinale a alternativa que representa a liga metálica mais usada em quantidade pela indústria automotiva.

a) Bronze.

b) Latão.

c) Aço.

d) Ligas de alumínio.

Questão 2 - Sobre os metais, marque a alternativa correta.

a) São substâncias passíveis de sintetização.

b) São substâncias naturais.

c) Podem sofrer transmutação.

d) É um tipo de substância que não pode ser reciclada.

Questão 3 - Com qual dos metais em seguida nós devemos ter muito cuidado por ser altamente poluente?

a) Ferro.

b) Chumbo.

c) Ouro.

d) Alumínio.

Questão 4 - Os polímeros podem ser classificados em:

a) Proteínas.

b) Lipídios.

c) Naturais e sintéticos.

d) Enzimáticos.

Questão 5 - São materiais muito usados na indústria automotiva e podem ser sintetizados. Essa frase resume os (as):

a) Polímeros.

b) Metais.

c) Gases.

d) Ligas metálicas.


Repr

oduç

ão p

roib

ida.

Cop

yrig

ht ©

NT

Edito

ra. T

odos

os

dire

itos

rese

rvad

os.

Questão 6 - A barra mostrada na figura a seguir tem área transversal de 50 mm². Qual é o valor da tensão de tração que ela sofre?

a) 1,6 MPa.

b) 0,62 MPa.

c) 1,6 GPa.

d) 30 MPa.

Questão 7 - A qual tipo de ensaio está submetido o corpo mostrado na figura a seguir?

a) Tração.

b) Expansão.

c) Elástico.

d) Compressão.

Questão 8 - Analise a figura que se segue e indique qual dos corpos, A, B ou C, sofre maior tensão e por quê.

a) O corpo D, porque está por baixo de todos os outros.

32 NT Editora

Repr

oduç

ão p

roib

ida.

Cop

yrig

ht ©

NT

Edito

ra. T

odos

os

dire

itos

rese

rvad

os.

b) O corpo C, porque tem a maior área da seção transversal.

c) O corpo D, porque tem diâmetro intermediário entre os outros.

d) O corpo B, porque tem menor área da seção transversal.

Questão 9 - A coluna mostrada na figura tem tensão admissível de 40 MPa e sua área transversal é de 100 mm². Qual o valor do esforço P máximo a que ela pode ser submetida?

P

C

a) 40 KN.

b) 0,4 KN.

c) 2,5 KN.

d) 4 KN.

Questão 10 - A figura mostra a suspensão de um carro entre outros elementos. A que tipo de tensão a suspensão fica submetida?

a) Tensão elástica devido ao amortecedor.

b) Tensão de tração.

c) Tensão lateral.

d) Tensão normal.

autor - grupo nt · e incluem danos neurológicos, redução de qi, anemia, distúrbios nervosos,...

Documents