Caracterização de Materiais: como realizar?

Publicado por Materiais Júnior em junho 19, 2018junho 19, 2018

O interesse na composição e estrutura dos materiais de engenharia se elevou de tal forma que fez-se necessário o surgimento de uma ciência voltada para a área – a Ciência dos Materiais. Buscando otimização de processos, melhor desempenho, qualidade e diversas outras variáveis, o conhecimento dos materiais passou a ser essencial, em especial a caracterização de materiais.

Na área de Engenharia de Materiais, existem três pilares principais que devem ser conhecidos pelo engenheiro em qualquer circunstância:

• Estrutura: é o arranjo interno dos componentes de um material. A estrutura de um polímero é composta por suas macromoléculas e sua organização, enquanto a estrutura de um metal ou cerâmica é o arranjo espacial de seus átomos de maneira ordenada, formando cristais;
• Propriedades: São respostas do material a um estímulo. Propriedades mecânicas, por exemplo, são as respostas do material às solicitações mecânicas tração, torção, compressão, etc);
• Processamento: São conjuntos de técnicas para obtenção de materiais com uma forma determinada pela solicitação.

O desempenho de um material está amplamente ligado com todos esses fatores. Uma peça oca de alumínio será bem mais resistente que um filme fino, mesmo sendo formada do mesmo metal. Analogamente, o diamante será muito mais duro que qualquer polímero, independente do processo de produção do mesmo, pois a estrutura é muito diferente. 

Mas o que é uma caracterização?

A caracterização é essencial na compreensão dos pilares      da Engenharia de Materiais.

A análise e a caracterização de materiais é uma área importante que permite a seleção adequada do material para um produto. As técnicas de caracterização são extremamente abrangentes, estão intrinsecamente ligadas ao conceito de matéria e, para que aquelas sejam aplicadas, devemos ter em mente que as propriedades que a matéria possui (mecânicas, ópticas, etc.) são o que definem as aplicações tecnológicas do material em estudo. A caracterização é, portanto, o processo de identificação de material através da análise de sua estrutura e de suas propriedades por meio de uma técnica.

Para que um Engenheiro de Materiais realize a caracterização de um material, se faz necessária a utilização de técnicas de análise química e física, que permitirão a compreensão de diversos aspectos relacionados à composição e à estrutura. Hoje se conta com diversas técnicas, e cada uma terá uma adequação melhor dependendo do objetivo da caracterização.

Principais técnicas de caracterização de materiais

Listamos as principais e mais utilizadas técnicas e análises para caracterização de qualquer material. Todas elas estão no portfólio de serviços da Materiais Júnior.

Ensaio de Tração

O ensaio de tração é um dos ensaios mecânicos mais utilizados para analisar o comportamento de um material sob um esforço de tração. Nele, uma extremidade da amostra do material é presa na máquina, enquanto a outra é tracionada até sua fratura. Um software constrói um gráfico mostrando pontos como o Limite de Resistência à Tração, que pode ser utilizado para verificar a composição da amostra de acordo com dados bibliográficos.

O ensaio de tração, junto com outros ensaios mecânicos como o de dureza, são úteis para analisar as propriedades, mas não fornecem maiores detalhes sobre a composição e estrutura do material.

Por conta da natureza frágil das cerâmicas, o ensaio de tração pode ser substituído por o de flexão em dois pontos, que fornecerá dados melhores para a caracterização da amostra.

Análise Metalográfica – Metalografia

Ao estudar ligas metálicas, o primeiro passo é realizar uma metalografia que analisará e classificará o metal. A peça é cortada, lixada e polida, procedimento preparatório para a análise e realização de ensaio em qualquer amostra metálica.

A peça então é atacada por um reagente químico específico para o objetivo da análise, podendo a partir daí, observar no microscópio ótico características como identificação das fases presentes e suas proporções, tamanho de grão, dispersão de inclusões, etc. A análise metalográfica também pode fornecer informações sobre o processamento e tratamento térmico do material.

Análises de Microscopia

O microscópio eletrônico incide um feixe de elétrons sobre a amostra, diferentemente do microscópio ótico, o que permite um aumento de imagem muito maior. Isso permitiu avanços na análise e caracterização dos materiais, tornando os ensaios de microscopia muito presentes na vida do cientista de materiais. Listamos os principais ensaios presentes em nosso portfólio.

Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)

No MEV, os elétrons colidem com a amostra e são refletidos para serem coletados acima da amostra. O ângulo de reflexão será diferente para cada amostra, permitindo a análise de diferentes superfícies.

O MEV é capaz de avaliar a morfologia do material, identificando linha de solda, interface de blenda, trincas, poros, etc. Em conjunto, é possível realizar a Espectroscopia por Dispersão de Energia de Raios-X (EDS), que identifica os elementos químicos e suas proporções na amostra.

Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET) 

Diferente do MEV, a coleta do feixe de elétrons é feita sob a amostra, que é atravessada. O MET realiza uma análise microestrutural, estudando estruturas cristalinas e lamelares. É possível obter informações sobre morfologia, composição, cristalografia, dispersão de cargas e aditivos e separação de fases.

Microscopia de Força Atômica (AFM) 

O microscópio de Força Atômica funciona como uma ‘agulha’ que tange a superfície da amostra através de ‘scanner’ de alta resolução. O AFM não necessita de vácuo ou nitrogênio líquido como o MEV e MET, podendo operar em condições especiais.

Essa análise permite verificar a rugosidade da superfície, forças intermoleculares e distinção de fases.

Microscopia de Luz Polarizada (MOLP)

Técnica utilizada para analisar a porção cristalina da estrutura de um polímero. Na imagem obtida é possível visualizar os esferulitos e informações sobre a velocidade de cristalização. O MOLP é muito utilizado em análises de comportamento termo-óptico de polímeros.

Ensaios Térmicos

O entendimento do comportamento do material quando exposto a diferentes temperaturas é indispensável na indústria, uma vez que alterações na temperatura modificam as propriedades dos materiais, causando variação no desempenho. Listamos as principais análises térmicas.

Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) 

O DSC é uma análise térmica muito utilizada na identificação e caracterização de polímeros, obtendo propriedades como Temperatura de Fusão (Tm), Temperatura de Transição Vítrea (Tg), Temperatura de Cristalização (Tc), calor específico, capacidade calorífica, grau de cristalinidade.

Análise Termogravimétrica (TGA) 

Essa técnica se baseia na observação da massa do polímero em função do tempo ou temperatura. Através da termogravimetria é possível conhecer os efeitos do aquecimento no material, identificando a temperatura em que o polímero começa a se degradar e acompanhar as reações de desidratação, oxidação, combustão, entre outras. A perda de massa pode indicar a evaporação de compostos voláteis como água, aditivos e monômeros, assim como o ganho sugere a formação de compostos não-voláteis após oxidação.

Ensaios Químicos

Difração de Raios-X (DRX)

O ensaio de DRX busca identificar as fases de um material cristalino,obtendo informações da célula unitária e cristalinidade. Funciona através da observação dos ângulos e intensidade de difração do feixe pelos átomos do material.

Fluorescência de Raios-X (FRX)

O FRX consiste na incidência de raios de alta energia para depois detectar as emissões secundários de raios-x de cada elemento, possibilitando a identificação da composição elementar da amostra.

Espectroscopia no Infravermelho (FTIR)

O ensaio de FTIR é utilizado na caracterização de materiais orgânicos e inorgânicos, sendo com ele possível identificar contaminações e materiais desconhecidos, avaliar degradação, determinar índice de oxidação e avaliar misturas.

Como realizar uma caracterização de materiais?

A presença dos instrumentos laboratoriais necessários para a caracterização é, na maioria das vezes, inviável dentro das empresas, resultado de diversos motivos como altos custos do próprio instrumento, altos custos de manutenção, além da necessidade de um operador preparado para as diferentes situações em que será submetido.

A Materiais Júnior é uma empresa adequada para realizar uma caracterização eficiente. Temos ao nosso alcance toda a instrumentação necessária nos diversos laboratórios espalhados pelo Departamento de Engenharia de Materiais da UFSCar (o maior da América Latina), em destaque o LCE (Laboratório de Caracterização Estrutural), além da disposição de professores, profissionais da área e de um vasto material de apoio.

Interessado em identificar a composição de um material ou conhecer mais sobre nosso portfólio de ensaios e serviços? Entre em contato conosco!