a. Apresentação da disciplinab. Perspectiva históricac. Ciência e engenharia dos materiaisd. Tipos de materiaise. Materiais avançadosf. Projeto e seleção de materiaisg. exercíciosh. Referências Bibliográficas

ftec

disciplina: Ciência dos Materiaisprofessor: Ulisses Caetano

aula 1

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Competências da disciplina

Foto do Professor Ulissesno Science Museum Londres

Disciplina: Ciências dos MateriaisTurma: Segunda-feira noiteProfessor: Ulisses CaetanoAno/Semestre: 2016/1Horário: 18h45min – 22h45minCarga Horária: 80 horasCurso(s): Engenharias

a. apresentação da disciplinaCueca/Fralda de Astronauta

Aprender as diferenças entre ciências dos materiais e engenharia demateriais e conhecer os principais tipos de materiais;Conhecer as estruturas atômicas e ligações atômicas presentes nosprincipais tipos de materiais;Aprender as principais estruturas cristalinas dos materiais metálicos ecerâmicos e estruturas de materiais poliméricos;Conhecer os principais defeitos dos materiais e modos de falhas;Entender o mecanismo de difusão, diagrama de fases, transformaçõesde fases e métodos de aumento de resistência;

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Competências da disciplina

a. apresentação da disciplina

Adquirir conhecimentos básicos sobre a correlação entre estruturainterna e propriedades mecânicas, elétricas e térmica dos materiais;Conhecer os principais tipos de aplicações dos materiais; Conhecer os principais fatores que devem ser levados em conta naseleção de materiais

Foto do Professor Ulissesno Science Museum Londres

Coração artificial Desenvolvido por Robert Javirk, 1970

Disciplina: Ciências dos MateriaisTurma: Segunda-feira noiteProfessor: Ulisses CaetanoAno/Semestre: 2016/1Horário: 18h45min – 22h45minCarga Horária: 80 horasCurso(s): Engenharias

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Habilidades da disciplina

a. apresentação da disciplina

• Conhecer os principais tipos de materiais;• Saber diferenciar os tipos de materiais de acordo com sua estrutura

atômica e cristalina;• Saber os mecanismos de difusão, aumento de resistência

mecânica dos materiais; • Saber quais características podem levar a falha dos materiais

quando em serviço;• Entender como as propriedades dos materiais influenciam no seu

comportamento quando em uso e como proceder a correta seleção de um ou mais materiais para uma determinada aplicação;

• Saber os principais diagramas de fases e microestruturas dos materiais metálicos;

• Conhecer os materiais e seus processos de fabricação;• Aprender a selecionar os materiais de acordo com suas

propriedades, aplicações;• Entender os principais conceitos de degradação dos materiais;

Foto do Professor Ulissesno Science Museum Londres

Crash Test Dummies - 1970

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Referências bibliográficas básicas

a. apresentação da disciplina

CALLISTER, W.D. Ciência e engenharia de materiais: UmaIntrodução. 5ª ed. LTC, 2002;SMITH, F. W., HASHEMI, J. Fundamentos de Engenharia e Ciênciados Materiais. Porto Alegre: McGrawHill, 5a ed., 2012;SHACKELFORD, J. F. Fundamentos da Ciência e Engenharia de Materiais: Uma abordagem integrada. Ed. LTC, 2006 (2º ed.)

CALLISTER, W.D SMITH, F. W. SHACKELFORD, J. F

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b. perspectiva históricaVivemos no mundo dos materiais. São os materiais que dão substância a tudo que vemos etocamos. Objetos projetados, tanto simbólicos como funcionais, precedem qualquer linguagem registrada, e nos dão a mais antiga evidência de uma sociedade cultural e do raciocínio simbólico, Ashby (2011).

Historicamente, o desenvolvimento e o avanço das sociedades têm estado intimamente ligadosàs habilidades de seus membros em produzir e manipular os materiais para satisfazer suasnecessidades, Callister (2006).

Na idade da pedra (2,5 milhões de anos atrás) nossos ancestrais lascavam pedras para formararmas para caça. A idade do bronze (2.000 a.C. até 1.000 a.C.) representa a base dametalurgia, na qual ligas* de cobre e estanho foram descobertas, para produzir armas eferramentas melhores. A idade do ferro (1.000 a.C. até 1 a.C.) gradualmente as ligas metálicassubstituíram as ligas de cobre na fabricação de armas e ferramentas na Europa. Da mesmaforma os artefatos cerâmicos datam de 4.000 a.C. na Mesopotâmia e oferecem algumas dasmelhores descrições das culturas humanas por milhares de anos, Shackelford (2008).

* Ligas são metais compostos de mais de um elemento. 6

b. perspectiva históricaA importância relativa histórica dos materiais

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Triciclo Benz . 1886

Hydrogen Bubby . 2009

b. perspectiva históricaA importância relativa histórica dos materiais

Figura 1: Importância relativa histórica dos materiais

polímeros industriais (1935 e 1945)

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b. p

ersp

ectiv

a hi

stór

ica

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b. perspectiva histórica

b. perspectiva históricaAs Figuras abaixo apresentam ferramentas fabricas de sílex (qualquer forma de pedra) produzidaspelos ancestrais do homem no período Paleolítico e Neolítico.

Pedras de Sílex (200.000 à 4.000 a.C.)

Foto do Professor Ulissesno Museu do Louvre Paris

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b. perspectiva históricaO processo de fabricação em massa do aço se deu através do do desenvolvimento do conversorBessemer (Figuras abaixo) inventado pelo engenheiro Henry Bessemer, com patente registrada em 1850.Nesse processo o ferro gusa fundido (produto da redução do minério de ferro) é convertido em aço.A capacidade de produção por batelada do conversor Bessemer era de 15 toneladas (15.000 kg).Era fabricado em aço com revestimento e cerâmica refratária (materiais capazes de suportar elevadas temperaturas).

Representação esquemática do conversor Bessemer

Fonte: Conversor Bessemer

Conversor Bessemer

Foto do Professor Ulissesno Science Museum Londres 12

b. perspectiva históricaPouco mais de 100 anos atrás os plásticos (são considerados polímeros mais aditivos) não existiam.No Egito a cerca de 2.000 a.C. eram fabricados artesanalmente produtos de materiais córneos (doinglês, horn ou chifre), conforme Figura abaixo. O chifre pode ser considerado um polímero natural.

Pentes e prendedores de cabelo egípcios

Foto do Professor Ulissesno Museu do Louvre Paris 13

b. perspectiva históricaA goma laca: em 1290 Marco Polo, retornou à Europa desuas viagens pela Ásia, trazendo consigo agoma laca. Esse polímero natural é produzido por umpequeno inseto chamado Kerria Iacca. A fêmea do inseto insere seu ferrão em um galho ou pequenoramo da árvore e vive da sua seiva e sua secreção é umlíquido espesso, que seca lentamente e isso imobiliza oinseto. O macho fertiliza a fêmea e logo após ela aumenta asecreção desse suco e é totalmente coberta por ele,vindo a óbito no local. Quando os ovos eclodem, os insetosjovens comem sua cobertura e o ciclo se reinicia.Um dos primeiros produtos fabricados de goma laca foi oestojo de Daguerre, conforme apresentado na Figura ao lado. A goma laca é brilhante, quase transparente e é usada comocamada protetora em pisos e móveis, Lokensgard (2014).

Kerria Iacca

Estojo de Daguerre

Fonte: Daguerre

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iência dos materiais:Estuda a relação entre as estruturas e as propriedades dos materiais, ampliando o conhecimento sobre os materiais;Entende seu potencial de uso;Avalia efeitos do meio ambiente sobre o material;Compreende o comportamento dos materiais em uso.

ngenharia dos materiais:Aplicação das relações das estruturas e propriedades em projetos;Escolha de materiais para obter melhor custo/benefício;Considera questão técnica, econômica e ambiental;Considera a seleção, teste, processamento e uso dos materiais.

c. ciência e engenharia dos materiais

Callister (2006)

Callister (2006)

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materiais: São as matérias que dão corpo aos projetos;Utilização desde os primórdios da civilização;Quase todos materiais utilizados hoje foram desenvolvidos nos últimos 100 anos;Atualmente existem cerca de 16 mil materiais diferentes;

c. ciência e engenharia dos materiais

Ashby (2011)

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EstruturaÉ o arranjo dos componentes internos dos materiais, podendo ser classificada em:Estrutura atômica: arranjo dos elétrons e as suas interações com os núcleos dos átomos;Estrutura cristalina: organização dos átomos e das moléculas;Estrutura microscópica: sujeito a observação por microscopia;Estrutura macroscópica: sujeito a observação a olho nu.A Figura 7 apresenta a classificação das estruturas e sua ordem de grandeza.

c. ciência e engenharia dos materiais

Figura 7: Classificação das estruturas e sua ordem de grandeza

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PropriedadesEnquanto em serviço os materiais estão expostos a estímulos externos que causam algum tipo de resposta. A propriedade consiste em uma peculiaridade de um dado material em termos do tipo e da intensidade da sua resposta a um estímulo específico que lhe é imposto.Podem ser agrupadas em seis categorias de acordo com Callister (2006):

a) Propriedades mecânicas, b) Propriedades elétricas, c) Propriedades térmicas, d) Propriedades magnéticas, e) Propriedades ópticasf) Propriedades deteriorativas.

c. ciência e engenharia dos materiais

Motor carro de Fórmula 1 em funcionamento

Fonte: Motor F1 18

processamento: Modo como os materiais são transformados em componentes úteis e com propriedades adequadas.Influencia diretamente as propriedades e o desempenho de um material.

c. ciência e engenharia dos materiais

desempenho Defina o que você entende por desempenho de um material.

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d. tipos dos materiaisMetaisSão constituídos pela combinação de materiais metálicos presentes na tabela periódica, como por exemplo: ferro, cobre, alumínio, níquel, titânio.Apresentam uma grande quantidade de elétrons de valência (elétrons livres), os quais são responsáveis pelas suas propriedades térmicas e elétricas, sendo bons condutores de eletricidade e calor.Sua estrutura cristalina é composta por átomos que possuem ordenação de longo alcance. Não são transparentes, sua superfície quando polida possui aparência brilhosa.São muito resistentes ao mesmo tempo que são deformáveis.São divididos em metais/ligas ferrosas (aços e ferros fundidos) e metais/ligas não ferrosas (alumínio, zinco, titânio e níquel).Possuem várias aplicações na engenharia civil, na indústria aeroespacial, automotiva, biomédica, etc.

Fonte: Callister (2006) e Smith e Hashemi (2010)

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d. tipos dos materiaisTorre Eiffel (Figuras 9 e 10)Ano de fabricação 1887-89Fabricada com 7.300.000 kg de vigas de aço.Gustave Eiffel disse sobre as vantagens do aço na fabricação da torre Eiffel:“C ’es t en p remie r l i eu sa résistance. Au point de vue des charges que l’on peut faire supporter avec sécurité à l’un ou l’autre de ces matériaux, on sait que, à surface égale, le fer est dix fois plus résistant que le bois et vingt fois plus résistant que la pierre”.

Figura 9: Tour Eiffel

Foto do Professor Ulisses

Figura 10: Alturas e áreas da Tour Eiffel

Fonte: Torre Eiffel 21

Aço damasco Aço da época das cruzadas, fabricado inicialmente na cidade de Damasco (Síria); Possui cerca de 1,5% de carbono em sua constituição;Fabricado por forjamento, o aço é dobrado e conformado. Posteriormente seu acabamento é obtido por polimento mecânico e ataque com solução ácida para revelar a estrutura, Verhoeven (2001).

d. tipos dos materiais

Faca Kai: fabricada com 32 camadas de aço damasco, resistente à corrosão, possui dureza de cerca de 61HRc (Rockwell C).

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CerâmicasSão constituídos por materiais metálicos e não metálicos.Podem ser cristalinos, não cristalinos ou a mistura de ambos.Possuem, geralmente, alta resistência em elevadas temperaturas, porém tendem a ser quebradiços, ou seja possuem baixa resistência ao impacto. Ainda, são extremamente resistentes ao desgaste, ao calor e são bons isolantes térmicos.Podem ser divididas em dois grupos:1) Materiais cerâmicos convencionais: obtidas a partir de argila, sílica e feldspato.2) Materiais cerâmicos de engenharia: compostos puros ou praticamente puros como o óxido de alumínio (Al2O3), carbeto de silício (SiC), nitreto de silício (Si3N4). A Figura ao lado apresenta a aplicação do óxido de alumínio em cabeças femorais.

d. tipos dos materiaisFigura 11: Bloco de cerâmica de argila

Fonte: Pauluzzi

Figura 12: Cabeça femoral de alumina

Fonte: Cerâmica de Óxido23

vidrosVidros são amorfos e geralmente obtidos de sílica fundida;A fibra ótica é feita de vidro de sílica de alta pureza;Exemplo: material Zerodur, usado nos grandes telescópios Chandra e Hubble, conforme Figura 13.Os vidros podem ser processados por fusão e moldagem.

d. tipos dos materiaisFigura 13: Lente de Telescópio fabricado com Zerodur

Fonte: Zerodur

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polímerosSão compostos orgânicos formados por elementos não metálicos, como:C, N, H, O, F, Si;São produzidos por reações químicas de polimerização;São moléculas grandes e de baixa densidade;São extremamente flexíveis, com boa relação resistência/peso.A Figura ao lado apresenta a aplicação de polímeros na fabricação da bicicleta Frii do designer Dror Peleg.

d. tipos dos materiaisBicicleta Frii do designer Dror Peleg

Fonte: Bicicleta Frii

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compósitosd. tipos dos materiais

Os materiais compósitos são formados por uma mistura ou combinação de dois ou mais micro ou macro constituintes que diferem na forma e composição química e que, em essência, são solúveis uns nos outros.Sua principal vantagem se deve ao fato de se poder obter propriedades superiores em alguns aspectos às propriedades de cada um dos seus componentes.Exemplos de materiais compósitos:Polímeros reforçados com fibra de vidro, fibra de aramida e fibra de carbono; Concreto;Madeira compensada.

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poliamida+ 30% F.V.

análise de esforços

d. tipos dos materiaisCompósitos

Projeto de tubo plástico para bombas hidráulicasProjeto Prof. Ulisses Caetano em parceria com a DHB

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d. tipos dos materiaisCompósitos

Fonte: Fibra de Vidro (2011) . www.youtube.com/watch?v=SeqDm9l3yEM;

Vídeo sobre o processo de fabricação de produtos com fibra de vidro.

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Materiais inteligentesSão materiais sensíveis a estímulos do ambiente externo, como temperatura, tensão, luz, umidade e campo elétrico e respondem a tais estímulos variando suas propriedades mecânicas, elétricas, aparência, sua estrutura e funções, Smith e Hashemi (2012).Um exemplo de materiais são as ligas com memória. Essa ligas quando deformadas revertem a sua forma original quando expostas à temperatura de transformação crítica que se deve a uma mudança da sua estrutura cristalina quando a temperatura ultrapassa a temperatura de transformação.

e. materiais avançados

Fonte: Material com memória de forma (2009) www.youtube.com/watch?v=QYp9rIJRM8s

Vídeo sobre liga Níquel - Titânio com memória de forma.

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NanomateriaisSão materiais que possuem escala de comprimento (diâmetro de partícula, tamanho de grão, espessura da camada, etc.) menores que 100nm = 10 m.Os metalurgistas sempre souberam que, pelo refinamento da estrutura do grão de um metal em níveis ultrafinos, é possível aumentar substancialmente sua resistência e dureza em comparação com metais com grão maiores. Atualmente novas ferramentas tornaram possíveis a observação e caracterização desses materiais bem como novos métodos de processamento permitiram os pesquisadores produzirem mais facilmente e com mais eficiência esses materiais, Smith e Hashemi (2012).

e. materiais avançados

Fonte: Nano materiais (2013) . www.youtube.com/watch?v=t1Tr8t77tgE

Vídeo sobre coberturas com nano materiais

-9

Fonte de consulta:www.nanotechcoatings.com

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O engenheiro deve ter familiaridade com as classes de materiais, suas propriedades e estruturas.A medida que aumenta a complexidade do produto a ser desenvolvido também aumentam a complexidade da análise e o número de fatores envolvidos no processo de seleção dos materiais. Um exemplo é a seleção de um material para aplicação em um quadro de bicicleta. Esse material deve ser forte para suportar a carga sem deformação permanente ou fratura. Também deve ser rígido o suficiente para não sofrer excessiva deformação elástica ou falha por fadiga. A resistência à corrosão é outro fator importante a ser considerado, bem como o custo da matéria prima e de fabricação do quadro e sua leveza.

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f. projeto e seleção de materiais

f. projeto e seleção de materiaisBicicleta com quadro de madeira

Fonte: mocoloco.com/archives/011637.php

Bicicleta com quadro de papelão

Fonte: www.cardboardtech.com/

Bicicleta com quadro de polímero

Fonte: Bicicleta Friiwww.designboom.com/design/dror-peleg-frii-

plastic-bike/

Bicicleta com quadro de fibra de carbono

Fonte: www.yankodesign.com/2010/03/11/advance-carbon-fiber-

electric-bike/ 32

1) Leitura sobre famílias de materiais.2) Resolver a lista de exercícios 1 postada no Moodle.3) Pesquisa e preparação de apresentação (10 minutos . 10 slides) sobre materiais que podem ser

usados na fabricação de um quadro de bicicleta, motos ou chassis de automóveis:1) Metálicos

1) Aços. 2) Alumínios.

2) Polímeros1) PET2) Policarbonato3) Trivex

3) Compósitos1) Fibra de vidro2) Fibra de carbono 3) Fibra de aramada

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g. exercícios

#consiga amostras desses produtos

ASHBY, M. F. Materiais e Design: Arte e Ciência da Seleção de Materiais no Design de Produto. Rio de Janeiro: Elsevier, 2011;BICICLETA FRII. Acesso em 20 de fevereiro de 2014, disponível em www.designboom.com/design/dror-peleg-frii-plastic-bike/CALLISTER, W. D. J. Fundamentos da Ciência e Engenharia dos Materiais: Uma Abordagem Integrada. Rio de Janeiro: LTC, 2006;CERÂMICA DE ÓXIDO. Acesso em 20 de fevereiro de 2014, disponível em www.ceramtec.com/files/mt_safety_ reminder_inserts_en.pdf;DAGUERRE. Acesso em 20 de fevereiro de 2014, disponível em http://www.metmuseum.org/Collections/search-the-collections/269155?rpp=40&pg=1&rndkey=20140220&ao=on&ft=*& deptids=19&what=Daguerreotypes&pos=10#fullscreen;FIBRA DE VIDRO. Acesso em 20 de fevereiro de 2014, disponível em www.youtube.com/watch?v=SeqDm9l3yEM;LOKENSGARD, E. Plásticos Industriais: Teoria e Aplicações. São Paulo: Cencage Learning, 2014;MATERIAL COM MEMÓRIA DE FORMA. Acesso em 21 de fevereiro de 2014, disponível em www.youtube.com/watch?v=QYp9rIJRM8s;MOTOR F1. Acesso em 20 de fevereiro de 2014, disponível em crossdrilled.blogspot.com.br/2010/09/ode-to-v8.html;NANO MATERIAIS. Acesso em 21 de fevereiro de 2014, disponível em www.youtube.com/watch?v=t1Tr8t77tgE;PAULUZZI. Acesso em 21 de fevereiro de 2014, disponível em www.pauluzzi.com.br;SHACKELFORD, F. J. Introdução à Ciência dos Materiais para Engenheiros. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2008; SMITH, W. F., HASHEMI, J. Fundamentos de Engenharia e Ciência dos Materiais. Porto Alegre: AMGH, 2012;TORRE EIFFEL. Acesso em 20 de fevereiro de 2014, disponível em www.tour-eiffel.fr/images/PDF/tout_savoir.pdf;VERHOEVEN, J. D. The Mistery of Damascus Blades. Scientific American, 2001;ZERODUR. Acesso em 21 de fevereiro de 2014, disponível em www.schott.com/english/news/press.html?NID=2022

h. referências bibliográficas

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mercimany thanks

obrigado

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