Entender as características dos materiais é de suma importância, para saber quais são as suas possíveis aplicações. Quando você se senta numa cadeira, você acredita que as pernas terão resistência suficiente para não deformar ou até mesmo quebrar. Ao dormir muitos esperam ter um travesseiro macio e suave. Mas caso construa uma parede, espera-se que ela seja rígida e resistente.
Ser capaz de fabricar e selecionar materiais com as mais diversas características é muito importante para o nosso dia a dia. Por isso, se liga no artigo de hoje e entenda como o material pode ser caracterizado mecanicamente.
Vamos começar pensando no que acontece quando você estica ou contrai uma mola. Para estica-la será necessário aplicar uma determinada força. Algumas molas são bem fáceis de esticar outras nem tanto. Mas tente comprimir uma mola de amortecedor de carro com as mãos. Muito difícil!
A relação que associa o alongamento (ou encurtamento) da mola, é a Lei de Hooke:
F = k ⋅ x
Nesta equação, F representa o módulo do valor da força aplicada na mola e x representa a variação dimensional da mola, quando uma determinada força é aplicada. A variável k representa um valor chamado de constante elástica da mola. Se a mola é fácil de esticar, o valor será baixo, mas caso necessite de muita força, seu valor será bem alto!
Vamos avançar mais um pouco na nossa discussão. Vamos considerar que as ligações entre os átomos podem ser representadas por molas. Nesse caso, materiais que são mais difíceis de deformar, teriam “molas” entre os átomos com valores altos dessa constante elástica. Por outro lado, materiais mais deformáveis serão constituídos por “molas” com baixos valores para k.
Se prendermos um material pelas extremidades, podemos medir a força necessária para tracioná-lo, como forma a Figura 1.
Figura 1 – Ilustração de um ensaio de Tração. O material a ser analisado (1) é chamado de corpo-de-prova.
Neste caso, a lei de Hooke muda um pouco de cara:
σ = Ε ⋅ ε
Mudaram as variáveis, mas o sentido é o mesmo: σ representa a força aplicada sobre a área da seção transversal do material. Essa variável é chamada de tensão. ε representa a deformação do nosso material no sentido da aplicação da força. Sua medida relaciona o valor do alongamento do material em relação ao seu tamanho inicial, antes de aplicarmos qualquer tensão. Por fim Ε representa o Módulo de Elasticidade, ou Módulo de Young do material. Ele mede a resistência em deformar o material, sob uma determinada tensão.
Vamos pensar um pouco…
Se um material é muito rígido, seu valor de Módulo de Young será alto. É o caso dos materiais cerâmicos. Você pode aplicar uma força gigantesca e nem parece que eles sofreram qualquer deformação! Uma borracha, por outro lado, possui valor de Módulo de Young muito mais baixo, o que é coerente, já que não é nada difícil deformá-la.
A tabela a seguir mostra os valores de Módulo de Young para diversos materiais:
Tabela 1 – Módulos de Young para diversos Materiais.
| Material | Módulo de Young (GPa) |
| Alumínio | 68 |
| Kevlar | 70,5 – 112,4 |
| Diamante | 1050 – 1210 |
| Vidro | 47,7 – 83,6 |
| Grafeno | 1050 |
| Borracha | 0,01 – 0,1 |
| Aço | 200 |
É interessante notar que o Módulo de Young do Material tem uma relação direta com as forças de ligação entre os átomos. Caso queira um material rígido, busque materiais com altos valores de módulo de Young. Mas, se você que dormir confortavelmente, busque colchões com menores valores para o módulo de Elasticidade, rs!
Deformação Elástica vs Deformação Plástica
Continuando com as molas, pode ser que você exagere na força… Nesse caso, a mola pode sofrer uma deformação permanente. Se isso ocorrer, dizemos que a mola sofreu deformação permanente ou plástica. Mas se você aplicar força na mola de forma a esticá-la e, após liberar a carga, a mola voltar a ser como antes, então dizemos que ela sofreu apenas deformação elástica.
Entender os detalhes do que ocorre na deformação plástica é muito importante tecnologicamente. Muitos materiais são deformados permanentemente em sua etapa de fabricação. Isso ocorre nos processos de conformação plástica de algumas ligas metálicas. Por exemplo, num processo de estamparia, uma chapa metálica é prensada contra um molde, para adquirir um formato específico. O carro ganha sua forma dessa maneira, a partir da deformação plástica de ligas de aço. Se o processo não for muito bem controlado, a chapa simplesmente pode se rasgar, ao invés de assumir o formato desejado (não queremos isso!!).
A mínima tensão necessária para deformar plasticamente um material é chamada de tensão ou limite de escoamento. Alguns materiais possuem baixíssima capacidade de deformar plasticamente. Os materiais cerâmicos, de maneira geral, são assim. Quando você deixa um copo de vidro cair no chão, ele não amassa… Ele quebra direto. Materiais com baixa capacidade de deformação plástica são em geral muito duros. Mas são também muito frágeis. Por outro lado, alguns plásticos podem sofrer deformações muito altas. Algumas borrachas são capazes de atingir comprimentos 1000 % maiores em relação ao seu tamanho inicial. São, portanto, materiais dúcteis e tenazes.
Entender o que acontece do ponto de vista atômico é importante. No caso dos metais, sua ductilidade está relacionada à capacidade de movimentação de discordâncias, na estrutura cristalina. Já num polímero, a plasticidade é ditada pela movimentação das cadeias moleculares. A deformação plástica sempre envolve a ruptura de ligações químicas. Isso porque para que os átomos mudem de posição na rede, ele vai se “desligar” de seus átomos vizinhos. Porém, rapidamente, as ligações químicas são reestabelecidas, mas a posição dos átomos muda de forma permanente.
Não vamos entrar em detalhes agora, mas é interessante saber que os defeitos cristalinos presentes no material podem facilitar a movimentação dos átomos. Isso ocorre, pois os átomos podem assumir posições mais estáveis na rede. Esse assunto será mais bem explorado em futuros artigos…
Se a força aplicada for excessivamente alta, o material quebra. Isso ocorre, pois a força aplicada foi capaz de superar as forças que mantém os átomos unidos e não foi possível a movimentação atômica para sítios mais estáveis na rede. A máxima tensão que um material suporta antes da sua fratura é chamada de Limite de Resistência do Material. Geralmente definimos o limite de resistência em relação ao tipo de esforço que fazemos, tração, compressão, flexão, etc.
Não sabe o que é uma discordância? Quer saber como é possível verificar qual o limite de resistência de um material? Então continue seguindo o site, que em breve traremos um artigo sobre defeitos cristalinos, ensaios mecânicos e muito mais!