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Ciências dos materiais
Apresentação
Nesta Unidade de Aprendizagem você vai estudar a Ciência dos Materiais. Toda e qualquer
atividade da Engenharia estará sujeita a interferência das características e propriedades dos
Materiais de Construção. Cabe ao futuro profissional buscar informação sobre os principais
aspectos que invariavelmente estarão sempre sujeitos a constante atualização derivada das novas
tecnologias.
Bons estudos.
Ao final desta Unidade de Aprendizagem, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
- Identificar a importância do estudo da Ciência dos Materiais.
- Descrever as responsabilidades do Engenheiro de Materiais.
- Diferenciar os principais tipos de Materiais de Construção.
Desafio
Imaginando uma situação em que você estiver atuando na prática, cite ao menos dez
responsabilidades do Engenheiro e a postura que deve ter diante de situações problemas.
Conteúdo do livro
Acompanhe um trecho do livro Materiais de Construção Civil , capitulo Ciência dos Materiais.
Boa leitura.
MATERIAIS DE
CONSTRUÇÃO
André Luis Abitante
Ederval de Souza Lisboa
Gustavo Alves G. de Melo
Ciência dos materiais
Objetivos de aprendizagem Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados: Identificar a importância do estudo da ciência dos materiais. Descrever as responsabilidades do engenheiro de materiais. Diferenciar os principais tipos de materiais de construção.
Introdução
Neste texto, você vai estudar a ciência dos materiais e aprender que toda e qualquer atividade da engenharia está sujeita à interferência das características e propriedades dos materiais de construção. Cabe ao futuro profissional buscar informação sobre os principais aspectos que invariavelmente estarão sempre sujeitos à constante atualização derivada das novas tecnologias.
Contextualização
Você deve levar em consideração que a questão ambiental estará presente em qualquer área de interesse no conteúdo de ciência dos materiais, pois os recursos do planeta são limitados. Há uma parcela da humanidade que detém a exploração econômica e, recentemente, considerou que o nível de qualidade de vida do pla- neta depende de como vive a população que o habita. Do mesmo modo, você deve levar em conta a forte dependência dos recursos naturais, sendo fundamental in- vestir na exploração dos conhecimentos desses recursos com o objetivo de trans- formar, gerenciar e verificar os níveis de poluição durante todos os processos. O melhor conceito de recursos naturais é trabalhar na manutenção dos organismos, populações e ecossistemas. Estas são as questões de interesse da conservação do meio ambiente:
Recursos renováveis: que obedecem ao ciclo natural e retornam depois de usados.
Recursos não renováveis: aqueles que não se renovam por meios naturais após o uso. Podem ser subdivididos em duas classes: Minerais energéticos (petróleo, carvão mineral, etc.) Minerais não energéticos (ferro, argilas em geral, etc.)
Os materiais que o homem utiliza para a produção de bens são os recursos naturais compostos de matérias (fisicamente); que são substâncias com pro- priedades que as tornam mais úteis na construção de máquinas, estruturas, dispositivos e produtos. Em resumo, as propriedades e o processamento de materiais são objetivo principal da ciência dos materiais com a obtenção de conhecimentos básicos sobre a estrutura interna. A engenharia dos materiais é voltada principalmente para a utilização de conhecimentos básicos e aplicados sobre os materiais, de maneira que você pode transformar em produtos necessários ou desejados pela sociedade. Assim, a ciência dos materiais é voltada para o conhecimento básico (científico) e a engenharia dos materiais para o conhecimento aplicado (empírico). As diferentes engenharias sempre vão precisar de conhecimentos sobre materiais, sendo capazes de ser selecionadas para uma determinada aplicação. Nas considerações ambientais, você deve levar em conta a escolha do mate- rial, o conhecimento técnico-científico, a viabilidade econômica, além das questões ambientais ligadas ao consumo de energia, à poluição e ao descarte.
Ciência dos materiais
A ciência dos materiais é um conjunto de conhecimentos sistematizados, adquiridos por meio da observação, identificação, pesquisa e explicação de determinadas categorias de fenômenos e fatos, os quais são formulados de forma metódica e racional. O saber científico é um conjunto de conhecimentos adquiridos, produ- zidos e acumulados durante o tempo histórico, que evolui em escala geomé- trica, interage entre os diversos segmentos das ciências afins, e esclarece, demonstra, comprova e produz mais perguntas do que respostas. Tais conhe- cimentos foram conquistados devido a diversos avanços tecnológicos que explicam melhor os fenômenos relacionados com a estrutura dos materiais, por meio de pesquisas que progrediram no uso de materiais nos campos das ciências básicas, como física, química e matemática.
14 Materiais de construção: concreto e argamassa
A sílica, a alumina e o cal são a base principal da composição dos mate- riais cerâmicos. Dessa forma, essas substâncias são muito utilizadas na cons- trução civil por constituir como agregados em materiais como cimento, vidro, concreto, argamassas, tijolos, louça sanitária, entre outros. A maioria das ce- râmicas é cristalina e algumas são amorfas, como é o caso do vidro. Os materiais poliméricos são obtidos a partir de substâncias simples cha- madas monômeros e podem ser de origem natural ou sintética. Também são maus condutores de eletricidade e por isso não conduzem calor com efici- ência, sendo empregados para fins de isolamento. Os polímeros naturais têm origem vegetal (madeira, algodão, borracha natural) ou animal (crina, ossos, couro) sendo empregados desde início da humanidade.
O primeiro polímero sintético desenvolvido que teve grandes aplicações foi o baque- lite. Após um momento evolutivo, chegou-se à era dos polímeros projetados, com des- taque para o neoprene, que é uma borracha sintética.
As principais matérias-primas para a produção de polímeros são: o pe- tróleo e o gás natural. A nafta, que é o derivado do petróleo, é a principal matéria-prima da indústria petroquímica tendo como finalidade viabilizar a produção de polímeros. Dessa forma, a ciência deu início à sua contribuição para o desenvolvimento de materiais de interesse para a modernidade da humanidade que exige novas aplicações. É fundamental que você compreenda o ciclo de vida dos materiais empregados na fabricação de produtos que atendam a tais necessidades e, assim, elaborar projetos baseados no descarte e em suas consequências ambientais.
Engenharia de materiais
A evolução dos novos materiais associada com novas necessidades e evoluídos sistemas de controle de processos de fabricação vêm possibilitando a substi- tuição de materiais convencionais por novos materiais, que superam também na qualidade. Portanto, é exigido das soluções de engenharia a elaboração de projetos de elevada confiabilidade em relação ao uso desses novos materiais.
16 Materiais de construção: concreto e argamassa
Conheça o exemplo de aplicação atual de materiais poliméricos: os DVDs, que são as mídias para a produção de discos de vídeos digitais. Eles são conhecidos como materiais plásticos e, em geral, têm baixa densidade e se decompõem ou amolecem sob temperaturas relativamente altas. Para as diversas aplicações em componentes de máquinas são desenvolvidos os cha- mados plásticos de engenharia.
Para viabilidade tecnoeconômica do emprego de materiais poliméricos, você deve in- vestir em misturas de polímero com polímero, denominadas ligas poliméricas, mais conhecidas como elastômero.
Essas misturas são muito usadas em para-choques de automóveis, no acon- dicionamento de ferramentas de corte, em materiais esportivos e nos compo- nentes sintéticos de muitas instalações cobertas de atletismo, que são geral- mente feitas de uma combinação de borracha e poliuretano. Revestimentos de acrílico em cores brilhantes, com adição de várias fibras e materiais de enchi- mento, são usados para revestir o piso de quadras de tênis e parques infantis. Para proteção contra corrosão, ambientes quimicamente agressivos, choque tér- mico, impacto, desgaste e abrasão são utilizados outros materiais poliméricos de revestimento. A busca por novos polímeros e ligas poliméricas é em virtude de seu baixo custo e de suas propriedades adequadas a várias aplicações.
Os metais podem ser empregados em diversas áreas industriais para finalidades impor- tantes da vida moderna, como aeroespacial, biomédica, semicondutores, eletrônica, energia, construção civil e transportes.
Exemplo
Engenheiros e cientistas de materiais estão cada vez mais engajados em desenvolver novas ligas metálicas e trabalhando para aprimorar as proprie- dades das ligas já existentes com maiores resistências para missões críticas, como alta temperatura e suportar vibrações elevadas.
Ciência dos materiais 17
de reforço apropriado e uma resina aglutinadora adequada a fim de que se obtenham as características específicas e as propriedades desejadas. Entre os diferentes tipos de materiais compósitos destacam-se os fibrosos e particulados, os quais são formados por uma matriz e um material de re- forço. O material da matriz pode ser um metal, uma cerâmica ou um polímero. Dessa maneira os materiais compósitos são classificados em compósitos de base metálica, de base cerâmica ou de base polimérica. Os compósitos mais avançados apresentam rigidez e resistência mecânica próxima dos metais aliados a uma baixa densidade tornando-se atrativos para aplicações em que o peso dos componentes é um fator decisivo para o projeto do produto, como, por exemplo, máquinas móveis, em especial as aeronaves. Para essas finalidades especialmente, os materiais compósitos modernos usados em aplicações de engenharia são reforços em fibra de vidro, em matriz de poliéster ou epóxi, e em fibras de carbono em matriz de epóxi, que apresentam maior tolerância a deformações, sendo assim, mais flexíveis mecanicamente. As combinações de materiais utilizados no projeto de compósitos de- pendem principalmente do tipo de aplicação e do ambiente no qual o material será́ utilizado. Isso requer a presença intensa do engenheiro para evitar que ocorram falhas nos componentes durante o seu uso, o que pode representar um problema de segurança grave.
Materiais de construção
Os materiais mais empregados na construção civil são os cerâmicos e metá- licos. Há uma informação que não é tão divulgada, mas que você deve saber, a respeito das roupas à prova de bala: elas são feitas por polímeros e sua resis- tência é de até sete vezes maior que a do aço. Esse fato é importante pois esse material também pode ser utilizado em estruturas de concreto. Existem produtos mais comuns em obras civis nomeados de cerâmica ver- melha, como telhas e azulejos, compostos à base de silicato de alumínio hi- dratado e que apresentam coloração vermelha pela presença de óxido de ferro. Você também pode elaborar materiais mais simples e baratos, por exemplo, usar areia para fabricar telha e óxidos para os azulejos. É preciso ter consciência que com o aumento populacional, tanto a quan- tidade de resíduos e poluição quanto o consumo dos recursos naturais aumen- taram. Por isso, você deve discutir como será o processo de transformação para a diminuição no impacto ambiental e encontrar maneiras para trabalhar a sustentabilidade.
Ciência dos materiais 19
Além do crescimento do setor industrial também há o crescimento urbano, assim é exigido melhores condições de transporte (tanto de pessoas quanto de mercadorias). Você deve pensar em estratégias para diminuir a poluição, como, o uso de fontes alternativas de energia em construções habitacionais e indus- triais. Além de planejamentos sustentáveis, por exemplo, numa população eco- nomicamente não ativa, que requer demanda por água potável e ar limpo. A humanidade vem utilizando várias espécies de materiais para a cons- trução, mas sem sombra de dúvida, o concreto de cimento sempre foi o mate- rial preferido para atender às necessidades de obras de infraestrutura, como pontes, edifícios, rodovias ou barragens. A indústria do concreto e da arga- massa são os maiores consumidores de recursos naturais, e os de maior im- pacto são água, areia e agregados graúdos.
O concreto, no sentido mais amplo, é qualquer produto ou massa produzido a partir do uso de um meio cimentante. Geralmente, esse meio é o produto da reação entre um cimento hidráulico e água, mas atualmente mesmo essa definição pode cobrir uma grande escala de produtos.
Exemplo
Para a construção de máquinas geralmente são empregados aços, cuja qualidade vem certificada pelo fabricante, e a partir desse material os compo- nentes são fabricados. Para o caso da construção civil a garantia da qualidade do concreto é de quem o faz, o fabricante do cimento oferece a qualidade como garantia, mas apenas isso não basta para a estrutura do concreto, o que pode gerar falhas. O clássico exemplo é do confeiteiro que faz o bolo cuja qualidade da farinha (ci- mento) não garante a boa qualidade. Entenda que no caso do concreto, existe uma qualidade específica e outra realizada, ou seja, o projetista e o respon- sável pela especificação que determinam a qualidade potencial, e a compe- tência de quem executou e do fornecedor que controlam a qualidade efetiva na estrutura acabada.
20 Materiais de construção: concreto e argamassa
ISAIA, G. C. Materiais de construção civil e princípios de ciência e engenharia de material. 2. ed. São Paulo: IBRACON, 2011. NEVILLE, A. M.; BROOKS, J. J. Tecnologia do concreto. 2. ed. Porto Alegre: Bookman, 2013. SMITH, W. F.; HASHEMI, J. Fundamentos de engenharia e ciência dos materiais. 5. ed. Porto Alegre: AMGH, 2012.
Leituras recomendadas
22 Materiais de construção: concreto e argamassa
Dica do professor
O vídeo aborda uma introdução sobre os Materiais de Construção e sua Importância.
Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar.
Exercícios
Quais dos itens abaixo não fazem parte da filosofia dos 4R?
A) Refazer.
B) Reciclar.
C) Reutilizar.
D) Reduzir.
E) Resíduo.
Qual das propriedades abaixo não é característica dos metais?
A) Condutores de eletricidade.
B) Condutores de calor.
C) Boa resistência mecânica.
D) Deformáveis.
E) Resistentes a temperaturas elevadas.
Qual das propriedades abaixo não são características das cerâmicas?
A) Resistentes.
B) Rígidos.
C) Densos.
D) Deformáveis.
E) Isolantes.
Qual das propriedades abaixo não são características dos polímeros:
A) Baixa resistência mecânica.
