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Materiais metálicos

Os materiais metálicos caracterizam-se pela ligação metálica — uma rede de iões positivos mergulhada num «mar de eletrões» de valência deslocalizados —, de que resultam a condutividade elétrica e térmica, o brilho, a ductilidade e a maleabilidade. Distinguem-se os metais ferrosos (ferro fundido e aços, à base de ferro) dos não ferrosos (alumínio, cobre, titânio, zinco e respetivas ligas), compreende-se por que se ligam os metais e como se tratam e protegem para os aplicar no design. Disciplina de opção da formação específica do 12.º ano, «Materiais e Tecnologias» é avaliada exclusivamente por avaliação interna (sem Exame Final Nacional), de forte componente experimental e de projeto.

4 secções~17 min de leitura3 competênciasNível Base 1 · Padrão 2 · Aprofundamento 1

T·0555 / 17

Perfil de exame

Apropriação e Reflexão: relacionar a ligação metálica com as propriedades dos metaisInterpretação e Comunicação: selecionar metais e ligas em função das aplicaçõesCaracterizar materiais metálicos com linguagem técnica adequada

Operadores:caracterizadistinguerelacionaselecionacomparajustificacalculaidentificaexplica

nível básico

Reconhecer a ligação metálica e o «mar de eletrões» como origem das propriedades dos metais (condutividade, brilho, ductilidade) e distinguir metais ferrosos de não ferrosos, com exemplos.

nível avançado

Justificar a seleção de um metal ou liga para um produto, articulando estrutura, propriedades (massa volúmica, resistência, corrosão), ligas e tratamentos térmicos e de superfície.

Profundidade

Texto

Conteúdo · 4 secções

Materiais metálicos

Estrutura e propriedades dos metais#

BaseAE-materiais-e-tecnologias-metalicos

Os metais têm átomos de baixa eletronegatividade, que cedem facilmente os seus eletrões de valência. Forma-se assim uma rede tridimensional de iões positivos (catiões) mergulhada num «mar de eletrões» — uma nuvem de eletrões de valência deslocalizados, que já não pertencem a nenhum átomo em particular e se movem livremente por todo o material. A ligação metálica é precisamente a atração eletrostática entre essa rede de iões positivos e o mar de eletrões negativos que a envolve (ver Fig. 1). É uma ligação forte e não direcional, o que ajuda a distinguir os metais das restantes classes de materiais.

A ligação metálica: iões positivos e mar de eletrões

Fig. 1Fig. 1 — Modelo da ligação metálica: uma rede de iões positivos (catiões «+») mergulhada num «mar de eletrões» de valência deslocalizados. A atração entre ambos mantém o metal coeso e explica a condução, o brilho e a ductilidade.

No estado sólido, os metais são materiais cristalinos: os iões dispõem-se de forma ordenada e periódica, repetindo um mesmo padrão — a rede cristalina. As estruturas mais comuns são a cúbica de corpo centrado (CCC, como no ferro à temperatura ambiente), a cúbica de faces centradas (CFC, como no alumínio e no cobre) e a hexagonal compacta (HC, como no zinco e no titânio). O empacotamento compacto dos átomos ajuda a explicar a elevada massa volúmica da maioria dos metais.

Quase todas as propriedades características dos metais decorrem do mar de eletrões. Como os eletrões estão livres, transportam carga elétrica (elevada condutividade elétrica) e energia térmica (elevada condutividade térmica). Os mesmos eletrões livres absorvem e reemitem a luz visível à superfície, o que dá aos metais o seu brilho metálico característico e os torna opacos. Por isso um objeto metálico é, ao mesmo tempo, bom condutor, brilhante e opaco — não são propriedades independentes, mas consequências da mesma estrutura.

Sob esforço, os planos de iões podem deslizar uns sobre os outros sem quebrar a ligação, porque o mar de eletrões se reajusta e continua a manter a estrutura coesa. Daí a ductilidade (capacidade de ser estirado em fios, como no cobre) e a maleabilidade (capacidade de ser laminado em chapas ou folhas, como no alumínio). Os metais são ainda, em geral, tenazes e mecanicamente resistentes, com pontos de fusão elevados (o ferro funde a cerca de 1538 °C e o alumínio a 660 °C) — propriedades que os tornam centrais no design de produto e na construção.

A massa volúmica (densidade) é uma propriedade física decisiva na escolha de um metal, sobretudo quando o peso importa. Define-se por «ρ = m/V» e exprime-se em «g/cm³» ou «kg/m³». Os metais cobrem uma gama larga: o alumínio tem apenas 2,70 g/cm³, o titânio 4,50 g/cm³, o aço cerca de 7,85 g/cm³ e o cobre 8,96 g/cm³. Comparar massas volúmicas permite antecipar se uma peça será leve ou pesada antes mesmo de a produzir.

\rho = \dfrac{m}{V}

Massa volúmica (densidade)

Quociente entre a massa «m» e o volume «V» de um corpo; para os metais exprime-se habitualmente em «g/cm³». Quanto maior «ρ», mais pesada é a peça para o mesmo volume.

Exemplo resolvido

Massa de uma peça metálica

Uma peça maciça de cobre destinada a um candeeiro tem um volume de 120 cm³. Sabendo que a massa volúmica do cobre é 8,96 g/cm³, determina a massa da peça e comenta o resultado.

Dados e fórmula
V = 120 cm³ e ρ = 8,96 g/cm³. A massa obtém-se de «ρ = m/V», ou seja «m = ρ · V».
$m = \rho \cdot V$
massa a partir da massa volúmica
Cálculo
m = 8,96 × 120 = 1075,2 g ≈ 1,08 kg.
Interpretação
Mais de um quilograma para uma peça pequena: a elevada massa volúmica é uma propriedade típica dos metais e explica por que os objetos de cobre «pesam» na mão.

Resultado: m = ρ · V = 8,96 × 120 ≈ 1075 g (≈ 1,08 kg).

Erros frequentes

Afirmar que, na ligação metálica, cada eletrão de valência fica preso ao seu átomo. Correção: os eletrões de valência estão deslocalizados (livres) por todo o metal — é essa mobilidade que explica a condução elétrica e térmica.
Trocar «dúctil» com «maleável». Correção: dúctil é poder ser estirado em fios (tração); maleável é poder ser laminado em chapas ou folhas (laminagem/compressão).
Pensar que o brilho e a condução dos metais são propriedades sem relação entre si. Correção: ambas resultam do mesmo mar de eletrões livres, pelo que quase sempre andam juntas.

Revisão ativa

Explica, a partir da ligação metálica e do «mar de eletrões», por que razão um fio de cobre conduz a corrente elétrica, tem brilho e pode ser dobrado sem partir. Indica ainda que propriedade física usarias para prever se uma peça de cobre é mais pesada do que uma peça de alumínio do mesmo volume.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Materiais e Tecnologias — 12.º ano (Direção-Geral da Educação (DGE))

Metais ferrosos: ferro fundido e aços#

PadrãoAE-materiais-e-tecnologias-metalicos

Os metais ferrosos têm o ferro (Fe) como elemento de base. O ferro puro é relativamente mole e pouco resistente, pelo que quase nunca se usa sozinho: emprega-se ligado ao carbono e, muitas vezes, a outros elementos. Uma característica prática dos ferrosos é serem, na sua maioria, ferromagnéticos (atraídos por um íman) — um teste simples para os distinguir dos não ferrosos. O grande inconveniente é a tendência para a corrosão, isto é, para a ferrugem.

O aço é a liga de ferro e carbono com teor de carbono até cerca de 2,1 %. É o metal mais produzido e usado no mundo, por combinar resistência, ductilidade, baixo custo e reciclabilidade. O teor de carbono comanda as propriedades: os aços de baixo carbono (< 0,25 %) são macios e muito trabalháveis (chapa, perfis, estruturas); os de médio carbono equilibram resistência e tenacidade; os de alto carbono (0,6–2,1 %) são duros, próprios para ferramentas de corte e molas.

O ferro fundido é a liga ferro-carbono com teor de carbono acima de 2,1 % (tipicamente 2,5–4 %). O excesso de carbono torna-o duro mas frágil: não se forja nem se lamina, mas funde-se com facilidade e enche bem os moldes, sendo excelente a resistir à compressão e a amortecer vibrações. Usa-se em blocos de motor, fogões e panelas, tampas de saneamento e mobiliário urbano fundido.

O aço inoxidável é um aço ligado com crómio (Cr ≥ 10,5 %) e, frequentemente, níquel. O crómio reage com o oxigénio e forma à superfície uma camada de óxido muito fina, aderente e invisível (Cr₂O₃) que passiva o metal — isto é, sela-o e trava o avanço da corrosão. Daí ser «inoxidável». É a escolha para talheres, bancadas e eletrodomésticos, instrumentos cirúrgicos e revestimentos de arquitetura, onde se exigem higiene, durabilidade e um acabamento limpo.

Podemos, assim, organizar os metais em duas grandes famílias: ferrosos (à base de ferro — aços, aço inoxidável e ferro fundido) e não ferrosos (todos os restantes), como resume a Fig. 2. Dentro dos ferrosos, é sobretudo o teor de carbono que separa os aços — dúcteis e forjáveis — do ferro fundido, duro e frágil, apenas transformável por fundição.

Metais ferrosos e não ferrosos

Fig. 2Fig. 2 — As duas grandes famílias de metais. Os ferrosos (em destaque) têm o ferro como base e separam-se pelo teor de carbono; os não ferrosos incluem metais leves, densos e as suas ligas.

Exemplo resolvido

Classificar materiais ferro-carbono pelo teor de carbono

Classifica os materiais A (0,15 % C), B (0,8 % C) e C (3,5 % C) como aço ou ferro fundido, indica o seu comportamento (dúctil/forjável ou frágil/fundível) e propõe uma aplicação para cada.

Critério
A fronteira está em ≈ 2,1 % de carbono: até aí é aço; acima é ferro fundido.
A (0,15 % C)
Aço de baixo carbono — macio, dúctil e forjável. Aplicação: chapa, perfis e estruturas.
B (0,8 % C)
Aço de alto carbono — duro e resistente ao desgaste. Aplicação: ferramentas de corte, molas.
C (3,5 % C)
Ferro fundido (> 2,1 %) — duro mas frágil, não se forja; funde-se bem. Aplicação: fogões, tampas e mobiliário urbano fundido.

Resultado: A = aço de baixo carbono (forjável); B = aço de alto carbono (duro); C = ferro fundido (frágil, apenas fundível).

Erros frequentes

Dizer que o ferro fundido tem menos carbono do que o aço. Correção: é o contrário — o ferro fundido tem MAIS carbono (> 2,1 %), o que o torna duro e frágil; o aço tem ≤ 2,1 %.
Julgar que o aço inoxidável «não tem óxido» à superfície. Correção: tem, e é graças a essa fina camada de óxido de crómio (passiva) que resiste — o óxido protege, ao contrário da ferrugem porosa do ferro comum, que se destaca e não protege.
Confundir «ferro» com «aço». Correção: o ferro é o elemento químico (Fe); o aço é uma liga de ferro com carbono (até ≈ 2,1 %).

Revisão ativa

Tens três provetes ferrosos com 0,15 %, 0,8 % e 3,5 % de carbono. Classifica cada um (aço de baixo/alto carbono ou ferro fundido), indica se é forjável ou apenas fundível e sugere uma aplicação para cada.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Materiais e Tecnologias — 12.º ano (Direção-Geral da Educação (DGE))

Metais não ferrosos e ligas leves#

PadrãoAE-materiais-e-tecnologias-metalicos

Os metais não ferrosos são todos os que não têm o ferro como base. Em geral não são magnéticos e resistem melhor à corrosão do que os ferrosos, mas costumam ser mais caros. Incluem metais leves — alumínio, titânio, magnésio — e metais mais densos — cobre, zinco, chumbo. A Fig. 3 compara as massas volúmicas de alguns metais e evidencia a leveza do alumínio e do titânio face ao aço e ao cobre.

Massa volúmica de alguns metais

Fig. 3Fig. 3 — Massa volúmica (g/cm³) de cinco metais: alumínio 2,70; titânio 4,50; zinco 7,14; aço 7,85; cobre 8,96. O alumínio e o titânio destacam-se pela leveza.

O alumínio (ρ = 2,70 g/cm³) é o segundo metal mais usado, logo a seguir ao aço. É leve (cerca de um terço da densidade do aço), bom condutor, dúctil e muito resistente à corrosão, porque forma espontaneamente uma camada protetora de óxido (alumina, Al₂O₃); pode ainda ser anodizado e colorido. Obtém-se da bauxite por eletrólise, um processo que consome muita energia — mas é altamente reciclável, gastando a reciclagem apenas uma pequena fração dessa energia. Usa-se em caixilharia, embalagem (latas), transportes e inúmeros objetos de design.

O cobre (ρ = 8,96 g/cm³), de cor avermelhada, é um dos melhores condutores elétricos (a seguir à prata) e resiste à corrosão, ganhando com o tempo uma pátina verde; é essencial em cablagem elétrica, canalizações e coberturas. O titânio (ρ = 4,50 g/cm³) destaca-se pela excelente relação resistência/peso e por ser biocompatível e muito resistente à corrosão, embora caro e difícil de trabalhar; reserva-se para próteses médicas, aeronáutica e equipamento de topo. O zinco serve sobretudo para proteger o aço (galvanização) e para formar ligas, como o latão.

Quando o objetivo é «resistir sem pesar», o que interessa não é apenas a resistência, mas a resistência específica — a resistência a dividir pela massa volúmica. Por isso se desenvolvem as ligas leves: ligas de alumínio, de magnésio e de titânio, que oferecem boa resistência com pouca massa. São a base de aplicações onde a leveza é crítica — aeronáutica, automóvel, bicicletas de competição e equipamento desportivo.

Exemplo resolvido

Leveza: alumínio comparado com aço

Um componente pode ser fabricado em alumínio ou em aço, com o mesmo volume de 300 cm³ (ρ do alumínio = 2,70 g/cm³; ρ do aço = 7,85 g/cm³). Calcula a massa em cada caso, a poupança de massa e a percentagem que a peça de alumínio representa da de aço.

Massa em alumínio
m = ρ · V = 2,70 × 300 = 810 g.
$m = \rho \cdot V$
massa
Massa em aço
m = 7,85 × 300 = 2355 g.
Poupança de massa
Diferença = 2355 − 810 = 1545 g poupados ao usar alumínio.
Percentagem
810 ÷ 2355 ≈ 0,344, ou seja, a peça de alumínio tem apenas ≈ 34 % da massa da de aço (poupa ≈ 66 %).

Resultado: Alumínio 810 g vs aço 2355 g: poupam-se 1545 g; o alumínio pesa ≈ 34 % do aço.

Erros frequentes

Supor que «não ferroso» significa «leve». Correção: há não ferrosos densos — o cobre (8,96 g/cm³) e o zinco (7,14 g/cm³) são bem mais densos do que o alumínio (2,70 g/cm³) e até próximos do aço (7,85 g/cm³); leves são o alumínio, o titânio e o magnésio.
Confundir a resistência à corrosão do alumínio com «não oxidar». Correção: o alumínio oxida, sim — mas o óxido (alumina) forma uma camada fina e aderente que o protege (passivação), ao contrário da ferrugem do ferro.
Escolher um metal apenas pela densidade. Correção: para peças estruturais leves conta a relação resistência/peso (resistência específica), não só a massa volúmica.

Revisão ativa

Para o quadro de uma bicicleta pretende-se leveza e boa resistência. Compara alumínio, titânio e aço quanto à massa volúmica (2,70; 4,50; 7,85 g/cm³) e à relação resistência/peso, e recomenda um material, justificando a escolha também em função do custo.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Materiais e Tecnologias — 12.º ano (Direção-Geral da Educação (DGE))

Ligas, tratamentos e aplicações no design#

AprofundamentoAE-materiais-e-tecnologias-metalicos

Uma liga metálica é um material com propriedades metálicas obtido pela combinação de dois ou mais elementos, sendo pelo menos um deles um metal. Ligam-se metais para melhorar o que o metal puro não oferece: aumentar a resistência e a dureza, melhorar a resistência à corrosão, baixar o ponto de fusão (facilitando a fundição), alterar a cor ou reduzir o custo. Quase todos os metais que usamos no dia a dia são, na verdade, ligas.

Entre as ligas mais importantes contam-se o bronze (cobre + estanho), duro e resistente à corrosão, tradicional na escultura, na medalhística e nos sinos; o latão (cobre + zinco), de cor dourada e fácil de maquinar, usado em torneiras, ferragens e instrumentos de sopro; o próprio aço (ferro + carbono) e o aço inoxidável (ferro + crómio + níquel); e o duralumínio (alumínio + cobre), uma liga leve de alta resistência criada para a aeronáutica. A Fig. 4 relaciona cada liga com a sua composição, propriedades e aplicações.

Ligas metálicas: composição, propriedades e aplicações

Fig. 4Fig. 4 — Ligas metálicas correntes: cada uma resulta de ligar metais para obter propriedades que o metal puro não oferece.

As propriedades de um metal não dependem só da composição: podem ajustar-se por tratamentos térmicos, ciclos controlados de aquecimento e arrefecimento. A têmpera (aquecer e arrefecer rapidamente) aumenta a dureza, mas deixa o aço frágil; o recozimento (aquecer e arrefecer lentamente) amacia o metal, alivia tensões e devolve-lhe ductilidade; o revenido (reaquecer um aço temperado a temperatura moderada) reduz a fragilidade, equilibrando dureza e tenacidade. Assim, do mesmo aço obtêm-se lâminas duras ou peças tenazes, conforme o tratamento.

A corrosão é a degradação de um metal por oxidação eletroquímica com o ambiente; no ferro dá a ferrugem, um óxido poroso que se destaca e não protege. Para prolongar a vida das peças protege-se a superfície: a galvanização reveste o aço com zinco, que funciona como barreira e se sacrifica (oxida-se preferencialmente, protegendo o ferro mesmo se o revestimento for riscado); a anodização espessa artificialmente a camada de óxido do alumínio, tornando-a mais protetora e permitindo colori-la; há ainda pinturas, cromagens, vernizes e esmaltes.

No design de produto, escolher o metal é escolher também o processo e o acabamento. Os metais moldam-se por fundição (formas complexas, escultura), por conformação (forjamento, laminagem, extrusão, estampagem, dobragem — deformar sem retirar material), por maquinagem (tornear, fresar, furar — retirar material) e unem-se por soldadura, rebitagem, aparafusamento ou colagem. Ícones do design mostram-no: o mobiliário em tubo de aço cromado da Bauhaus — como a cadeira de Marcel Breuer, de 1925 — tirou partido da leveza, da resistência e do brilho do metal para criar uma nova linguagem formal.

m_i = w_i \cdot m

massa de um componente da liga

A massa «mᵢ» de um metal numa liga é a sua fração mássica «wᵢ» (em fração decimal) multiplicada pela massa total «m» da peça.

Exemplo resolvido

Composição de uma peça de latão

Uma peça de latão de 240 g tem a composição 70 % de cobre e 30 % de zinco. Determina a massa de cada metal e justifica por que o latão é adequado a uma torneira.

Fração de cobre
m_Cu = 0,70 × 240 = 168 g.
$m_{Cu} = w_{Cu} \cdot m$
massa de cobre
Fração de zinco
m_Zn = 0,30 × 240 = 72 g.
Verificação
168 + 72 = 240 g, a massa total — confirma-se a composição.
Justificação
O latão resiste à corrosão da água, maquina-se com facilidade (roscas e detalhes) e tem uma cor dourada apelativa — daí ser clássico em torneiras e ferragens.

Resultado: m_Cu = 168 g e m_Zn = 72 g (soma 240 g); o latão junta resistência à corrosão, maquinabilidade e estética.

Erros frequentes

Confundir bronze com latão. Correção: bronze é cobre + estanho; latão é cobre + zinco (de cor dourada).
Pensar que a têmpera «melhora tudo». Correção: a têmpera aumenta a dureza, mas também a fragilidade; para recuperar tenacidade faz-se depois um revenido.
Dizer que a galvanização é apenas «pintar de zinco», sem efeito químico. Correção: além de barreira, o zinco oferece proteção catódica (sacrificial) — corrói-se em vez do ferro, protegendo-o mesmo se o revestimento for riscado.

Revisão ativa

Vais desenhar uma torneira e um puxador de porta em latão. Justifica a escolha do latão (composição e propriedades), indica um acabamento de proteção/estética adequado e um processo de fabrico para produzir as peças em série.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Materiais e Tecnologias — 12.º ano (Direção-Geral da Educação (DGE))

Referências e fontes

Fontes

Direção-Geral da Educação (DGE)

Aprendizagens Essenciais de Materiais e Tecnologias — 12.º ano

Materiais metálicos

4 secções~17 min de leitura3 competênciasNível Base 1 · Padrão 2 · Aprofundamento 1

Materiais metálicos

Pontos-chave

Massa de uma peça metálica

Pontos-chave

Classificar materiais ferro-carbono pelo teor de carbono

Pontos-chave

Leveza: alumínio comparado com aço

Pontos-chave

Composição de uma peça de latão

Fontes

Materiais metálicos

Pontos-chave

Massa de uma peça metálica

Pontos-chave

Classificar materiais ferro-carbono pelo teor de carbono

Pontos-chave

Leveza: alumínio comparado com aço

Pontos-chave

Composição de uma peça de latão

Fontes