Conheça o provável substituto do alumínio como metal estrutural de baixo peso

Pense em um metal que possua aplicações estruturais e que seja bastante leve. Pensou em alumínio ou alguma de suas ligas? De fato esses materiais são os mais conhecidos e utilizados com esta função. O que poucos sabem é que existem materiais cerca de 30% mais leves do que o alumínio e que prometem vir com tudo para a indústria nos próximos anos: As ligas de magnésio.

De acordo com o Dr. Suveen Mathaudhu, professor assistente em Ciência e Engenharia de Materiais na NC State University, as ligas de magnésio têm “um potencial real como opção para substituir o aço e outros materiais em diversas aplicações, particularmente na indústria de transportes”. Isso porque o magnésio é o metal estrutural mais leve que existe, apresentando densidade de 1,7 g/cm³ (a do alumínio é de 2,7g/cm³). Como a indústria de transportes trabalha duro em busca de soluções para reduzir a massa dos veículos e com isso reduzir a energia necessária para movê-lo, reduzindo também o consumo de combustível, as ligas tornam-se particularmente interessantes. O material não é tão resistente mecanicamente quanto o aço, ainda assim se compararmos ambos em termos de resistência específica (resistência/massa), o magnésio é muito superior, de modo semelhante ao que já havíamos constatado para o titânio.

Comparadas ao alumínio, as ligas de magnésio apresentam vantagens que vão além de uma densidade inferior. Com elas, é possível fazer peças fundidas com espessura de parede de até 1 mm, contra os 2 mm do alumínio, e que ainda irão solidificar mais rápido devido ao menor calor latente de fusão do magnésio (quantidade de calor que o magnésio precisa liberar para passar do estado líquido para o sólido). Além disso, o magnésio solubiliza uma menor quantidade de ferro quando comparado ao alumínio, tornando-o menos susceptível a soldar com o molde durante o processo de fundição, no qual normalmente utilizam-se moldes feitos de aço.

Peça

Peça de liga de magnésio obtida por fundição. Fonte: Siobhan Fleming.

No entanto, nenhum material é perfeito. As principais dificuldades em trabalhar com magnésio e suas ligas estão relacionadas a sua estrutura cristalina e sua baixa resistência à corrosão. À temperatura ambiente, esses materiais possuem estrutura hexagonal compacta (HC), que possui poucos sistemas de escorregamento e, portanto, restringe a capacidade do material em se deformar, dificultando o processamento do mesmo.

HC

Célula unitária da estrutura cristalina hexagonal compacta (HC).

Além disso, como mencionado, o material possui baixa resistência à corrosão, principalmente em seu estado puro. Em outras palavras, as ligas de magnésio possuem uma resistência à corrosão superior ao metal puro, mas ainda assim é recomendado em muitos casos o uso de revestimentos de superfície para proteção anticorrosiva. Algumas opções são tratamentos químicos, anodização eletrolítica, selamento com resina epóxi, pintura, esmaltação (material vítreo), principalmente quando o material estiver em contato com outras partes metálicas, o que poderia formar uma pilha galvânica e desencadear um grande processo corrosivo. O problema da proteção por revestimento é que o desgaste, a abrasão e eventuais danos mecânicos podem danificar a proteção da superfície e permitir que o material passe a sofrer corrosão.

Uma solução para essa limitação foi descoberta recentemente pelo pesquisador Mohsen Esmaily, que, apenas manipulando a microestrutura de ligas de magnésio, verificou que é possível elevar em cerca de 4x sua resistência à corrosão. Para isso, Esmaily utilizou um processo de fusão denominado reofundição, no qual o metal líquido é resfriado gradualmente até que uma parcela dele esteja solidificado. Nesse momento, é realizada uma agitação mecânica ou eletromagnética do material para estimular a nucleação de grãos e favorecer a formação de grãos globulares. Em seguida, o metal é injetado no molde, que deve ter um bom controle térmico para garantir o total preenchimento, já que o líquido já estava parcialmente solidificado. A microestrutura formada por este processo proporciona uma resistência à corrosão 4x superior à fundição por injeção, na qual o metal é forçado para o molde em uma condição bastante líquida e sem passar por um processo de agitação.

Microestruturas

Microestrutura de liga de magnésio processada por reofundição (acima) e por fundição por injeção (abaixo). Fonte: Chalmers University of Technology.

Com a descoberta de Esmaily, espera-se desenvolver ligas de magnésio com maior resistência mecânica e à corrosão do que nunca e com isso alavancar a inserção das ligas de magnésio no mercado.

Fontes:

Corrosion-resistant magnesium could replace aluminium in decreasing vehicle weight;

An Overview of Magnesium based Alloys for Aerospace and Automotive Applications – Siobhan Fleming;

Breakthrough for magnesium lightweight materials;

Technique promises stronger, lighter magnesium alloys.

O que afinal faz um engenheiro de materiais?

O primeiro desafio de um estudante de engenharia de materiais é explicar para o mundo o que ele faz. Essa tarefa não é nada fácil, considerando que apenas todas as coisas do mundo são feitas de materiais, então imagine o quão amplo é este campo de trabalho. Definir engenharia de materiais é parecido com tentar definir energia, não existe uma resposta pronta. Apesar disso, nosso objetivo hoje é definir o que é essa ciência e ajudá-lo a explicar para aquele tio ou tia que sempre pergunta nas festas de família!

O engenheiro de materiais pode ser considerado o profissional que faz engenharia de microestruturas, ou seja, introduz, reduz, manipula a presença de defeitos em um material, modificando com isso as suas propriedades. Assim, através de diferentes condições de processamento ou de diferentes composições químicas para produzir determinado material, o engenheiro de materiais consegue fazer combinações mais adequadas a cada aplicação. Um exemplo muito claro ocorre na fabricação de materiais cerâmicos: Se o objetivo é uma maior resistência mecânica, faz-se um material com poucos poros (que são vazios no interior do material), enquanto se o objetivo for diminuir o peso do componente, a introdução desses vazios torna-se uma opção muito interessante.

Resumidamente, a engenharia de materiais funciona baseada em um tetraedro, em que um dos vértices é a estrutura e a composição química do material e os demais são aplicação, processamento e propriedades do mesmo.

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A ideia do tetraedro é mostrar como todos esses fatores são interdependentes: Para utilizar um material para determinada aplicação, é necessário que ele possua algumas propriedades específicas. Para obter essas propriedades, o material precisa estar organizado de determinada maneira em termos de estrutura, o que se consegue produzindo-o por uma determinada rota de processamento. Para outra aplicação, são necessárias outras propriedades, outra estrutura e portanto outra rota de processamento. E assim, com tudo isso em mente, o engenheiro de materiais trabalha com o objetivo de desenvolver materiais mais otimizados para uma determinada aplicação ou na seleção de materiais já existentes para aquela aplicação.

Claro que nem sempre a técnica de processamento resolverá os problemas existentes, pode ser necessário modificar a composição química do material ou mesmo misturar mais de um tipo deles. Basicamente, dividem-se os materiais em metais, polímeros e cerâmicas, cada qual com suas vantagens e desvantagens. Por exemplo: os metais normalmente são os melhores condutores de eletricidade, mas são sensíveis à corrosão (a conhecida ferrugem no caso do ferro e dos aços). As cerâmicas, são muito resistentes a temperaturas elevadas, mas normalmente são pouco resistentes a impacto e quebram. Os polímeros são extremamente leves, mas não suportam temperaturas muito elevadas. Assim, em determinadas aplicações, deseja-se uma combinação de propriedades que não existe em um único tipo de material, fazendo com que seja necessário juntá-los e com isso formar um material que chamamos de compósito. Em alguns casos, recorre-se ainda à nanotecnologia para alcançar determinada propriedade. Com ela, é permitido modificar o material lá em sua escala nanométrica (míseros 10-9 metros), conseguindo atingir propriedades que o material convencional muitas vezes não consegue, por não estar tão bem organizado.

Basicamente este é o mundo da engenharia de materiais. Agora que você tem uma boa ideia de como ele funciona, voltemos à pergunta inicial: com o que afinal esse profissional trabalha?

Há muitos engenheiros de materiais em empresas que desenvolvem polímeros, cerâmicas, ligas metálicas, aperfeiçoando esses materiais, tornando-os mais baratos e sustentáveis, atuando em seu controle de qualidade, entre outros. No cenário brasileiro atual as duas indústrias que mais contratam profissionais da área são a siderúrgica e a petroquímica. A siderúrgica está muito relacionada com as montadoras de carros presentes no Brasil, que buscam cada vez mais diminuir o peso dos componentes dos veículos com o intuito de aumentar a eficiência energética. Um exemplo de aço que foi desenvolvido através da engenharia de materiais são os aços TRIP, muito resistentes e com elevada conformabilidade do material. Já na indústria de petróleo e gás um dos principais desafios é o desenvolvimento de um material muito resistente à corrosão marítima e também resistente à pressão que será exercida abaixo d’água.

No entanto, o mercado de trabalho não se restringe apenas às indústrias mencionadas. Muitos engenheiros utilizam o conhecimento que possuem na área para prestar consultoria e resolver problemas relacionados a materiais enfrentados por determinadas empresas, outros optam por atuar na área de perícia, investigando acidentes e propondo causas para os mesmos através de uma análise de falhas do material. Além disso, há aqueles profissionais que se interessam mais por ensinar a outras pessoas as artimanhas do mundo dos materiais, atuando como professores em escolas, cursos técnicos ou universidades.  

Mesmo que muitas pessoas ainda desconheçam a engenharia de materiais, ela está muito presente no nosso dia-a-dia. Exemplos são os vidros resistentes a riscos, baterias e semicondutores, encontrados em nossos celulares, remédios (nanomateriais transportadores de medicamentos), embalagens (isopor e polímeros em geral), roupas e tênis que utilizamos, materiais de construção de nossas casas e universidades, entre outros. Além disso, a área abrange setores de grande importância no meio industrial, tais como: supercondutores, semicondutores, materiais nucleares, fibras óticas, biomateriais (isto é, desenvolvimento de próteses para o corpo humano), soldagem, corrosão, reciclagem, fibra de carbono, impressão 3D, grafeno e qualquer outra coisa que você imaginar! Existem muitos materiais que prometem mudar nossas vidas e ainda não estão prontos para o mercado, como produção de dispositivos flexíveis através de nanotubos de carbono, peles artificiais, órgãos artificiais e capa de invisibilidade através de metamateriais.

Poderíamos permanecer aqui o dia inteiro falando sobre vários lugares que encontramos a engenharia de materiais, mas vale lembrar que até em um garfo ou em um piso existe essa ciência, pois não é por acaso que esse tipo de metal ou de cerâmica foi escolhido, existe toda uma engenharia por trás dos objetos mais simples que temos em nossas casas e teve alguém que estudou muito para isso ser feito, esse alguém é o engenheiro de materiais!