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CINCIA DOS

MATERIAIS

Cincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS

SMULA Cincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS

1. INTRODUO AOS MATERIAIS

2. ESTRUTURA ATMICA

3. ESTRUTURA CRISTALINA

4. MICROESTRUTURA (FASES)

5. PROPRIEDADES VS. ESTRUTURA

6. DEGRADAO DOS MATERIAIS

1. Callister Jr., W.D., Materials Science and Engineering an introduction, 3 Edio, New York,

John Wiley & Sons, 1994.

2. Askeland, Donald R.: The Science and Engineering of Materials, 2 Edio, London,

Chapman and Hall, 1991.

3. Shackeldford, James F. Introduction to Materials Science for Engineers. New Jersey,

Prentice-Hall, Inc., 4a. Ed. 1996.

4. van Vlack, Lawrence H.: Princpio de cincias dos materiais. So Paulo, Edgar Blcher,

1970.

5. van Vlack, Lawrence H.: Princpio de cincias e tecnologia dos materiais. 4 Edio, Rio

de Janeiro, Campus, 1984.

6. Anderson, J.C. et alli: Materials Science. 4 Edio, London, Chapman and Hall, 1990.

7. Meyers, Marc A. e Chawla, Krishan K.: Princpios de Metalurgia Mecnica. So Paulo,

Edgar Blcher, 1982.

8. Flinn, Richard A. e Trojan, Paul K.: Materiales de Ingeneria y sus Aplicaciones. Bogot,

Editorial McGRaw-Hill Latino Americana S.A., 1979.

9. Smith, William F.: Materials Science and Engineering. New York, McGraw-Hill Publ. Co., 2a.

Ed. 1989.

BIBLIOGRAFIA SUGERIDA Cincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS

CAPTULO 1 -INTRODUO

AOS MATERIAIS

1. INTRODUO AOS MATERIAIS

1-1 INTRODUO

1-2 TIPOS DE MATERIAIS

1-3 RELAO: ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES

1-4 EFEITOS DO MEIO SOB O COMPORTAMENTO DO MATERIAL

1-5 SELEO DE MATERIAIS


1-1 INTRODUO


MATERIAIS

Uma definio: Matria utilizada em aplicaes prticas / industriais

Com uso, por exemplo, em:

- mquinas

-artefatos

- dispositivos

- componentes

-estruturas (prdios)

-outros

1-1 INTRODUO MATERIAIS utilizao desde os primrdios da civilizao so parte integrante da vida humana

o conhecimento dos materiais definiu as diversas idades da histria da humanidade: idade da pedra, idade do bronze, idade do ferro

Com uso, por exemplo, em:

- mquinas

- estruturas

- dispositivos

- produtos 2 milhes de anos 5.000 anos 3.000 anos 100 anos 60 anos 400-300 anos

1-1 INTRODUO EVOLUO DA CINCIA DOS MATERIAIS:

compreenso das propriedades dos materiais e a conseqente capacidade de

desenvolver e preparar novos materiais para aplicaes particulares

Obteno de

Materiais avanados

Materiais inteligentes

Nanomateriais


O mosquito 2.700 espcies de mosquitoes. Pode voar de 1,6 a 3 km/h. A fmea bebe sangue e nctar

das plantas, o macho apenas o nectar das plantas.

Quando a fmea pica, ela injeta um anti-coagulante para manter a vtima sangrando. Ela encontra sua

vtima pela viso e olfato. Vive 1 ms. A Fmea pe 40 a 400 ovos

1-1 INTRODUO

reflexivo

MATERIAIS

1-1 INTRODUO

TODO ENGENHEIRO (HARD)

manufatura materiais

processa materiais

projeta materiais

constri com materiais

seleciona materiais

testa e analisa materiais

Palheta de turbina

Degradao de materiais uso

seleo

1-1 INTRODUO

Srie LIBERTY: 1000 navios

Gasoduto na Sibria

Ponte nos EUA

DEGRADAO/SELEO DO MATERIAL

OLEODUTO ROMPIDO POR

CORROSO EM CAMPINAS, 1990

1-1 INTRODUO

Corroso devido ao material orgnico e vapor de gua contaminado em

autoclave. Soluo instalar filtros nas autoclaves para filtrar partculas

(98% tamanho de 0,1m).

CORROSO EM EQUIPAMENTOS MDICOS DEGRADAO/SELEO DO MATERIAL

DEGRADAO DA PONTE HERCLIO LUZ

A ponte pnsil Herclio Luz foi concluda e aberta ao trfego em

1926. Permaneceu aberta ao trfego at 1982, quando vrios

defeitos estruturais foram detectados.

DEGRADAO DA ESTRUTURA

DE CONCRETO ARMADO

1-1 INTRODUO

CICLO GLOBAL DOS MATERIAIS:

MATRIA-PRIMA

BSICA

metal, papel, cimento,

fibras, produtos qumicos

SUCATA

ou

RESDUOS

A TERRA

MATRIA-PRIMA

BRUTA

carvo, minrios, madeira,

petrleo, rochas,planta,

argilas

MATRIA-PRIMA

INDUSTRIAL

cristais, ligas, tecidos,

chapas, cermicos, plsticos

BENS DE

CONSUMO carros, pontes, relgios,

equipamentos, mquinas, prdios

Transformao ou

Processamento

Uso ou

Servio ou

Desempenho

Fabricao

Montagem

Descarte

Extrao ou

Refino ou

Processamento

Prospeco ou

Minerao ou

Colheita Reciclagem

Cincia e

Engenharia do

Meio Ambiente

Cincia e Engenharia:

Materiais aplicados na Engenharia

ou

TERRA: fonte e depsito de todos os materiais

1-1 INTRODUO

Alumina metalrgica Reduo: etapa eletroltica

(eletricidade produzindo reao qumica)

Fornos de Reduo Alumina banho de sais fundidos

Dois eletrodos: transformam o alumnio em lquido (900)

Refuso: Correo qumica Transformao em ligas Resfriamento

Material slido


Ex.: Ciclo do Alumnio

1-1 INTRODUO

Reciclagem da lata de alumnio

Economia de 95% da energia usada na

obteno do alumnio

Economia de etapas: evita a extrao,

refino e reduo

Economia de tempo: uma lata reciclada

volta ao mercado em 90 dias

Economia de recursos naturais (bauxita):

para se produzir 1 ton de alumnio so

necessrias 5 ton de bauxita - mineral

extrado do solo - o que pode ser evitado

com a reciclagem.



CONHECIMENTO CONHECIMENTO

ENCICLOPDICO FENOMENOLGICO X

1-1 INTRODUO

Todo ENGENHEIRO responsvel est interessado em melhorar a

performance do que est projetando ou manufaturando

eltrico (materiais eltricos/dieltricos)

civil: durabilidade, esttica, resistncia corroso

automotivos (leves, resistentes e durveis)

aeroespacial (densidade/resistncia mecnica, alta temperatura)

mecnico (estruturas, componentes)

materiais: materiais com melhor desempenho, com menor custo.

1-1 INTRODUO

OBJETIVO

ampliar os conhecimentos dos materiais disponveis

entender seu comportamento em geral e seu POTENCIAL de

utilizao

reconhecer os efeitos do meio e condies de servio -

LIMITAES

fornecer subsdios para compreender o comportamento de

materiais em servio

seu potencial (e limitaes) de utilizao em funo das

condies de servio e do meio



CLASSIFICAO DOS MATERIAIS:

CRITRIOS

aplicaes pela indstria

metais, cermicos, polmeros e compsitos

pelo grau de desenvolvimento tecnolgico

naturais, empricos, desenvolvimento cientfico e projetados

morfologia estrutural

monoestruturados, recobrimentos, gradiente e aleatrio



Metlicos Cermicos Polimricos Compsitos

Cobre Porcelana Polietileno Grafite-epxi

Ferro fundido Vidros Epxi Carbeto de

Ligas de ao Tijolos Fenlicos cobalto e

Louas Refratrios Tungstnio


Classificao dos materiais pela indstria

Materiais metlicos so geralmente uma combinao de elementos metlicos.

Os eltrons no esto ligados a nenhum tomo em particular e por isso so bons condutores de calor e eletricidade

No so transparentes luz visvel

Tm aparncia lustrosa quando polidos

Geralmente so resistentes e deformveis

So muito utilizados para aplicaes estruturais

Metais




Materiais cermicos so no-metlicos e inorgnicos.

Geralmente so xidos, nitretos e carbetos

So geralmente isolantes de calor e eletricidade

So mais resistentes a altas temperaturas e ambientes severos que metais e polmeros

Os materiais cermicos so materiais de alta dureza, porm frgeis




Cermicos

CERMICAS SO FORMADAS PELA COMBINAO

DE METAIS COM ELEMENTOS C, N, O, P e S.

Materiais polimricos so geralmente compostos orgnicos baseados em carbono, hidrognio e outros elementos no-metlicos.

So constitudos de molculas muito grandes (macro-molculas)

Tipicamente, esses materiais apresentam baixa densidade e podem ser extremamente flexveis

Materiais polimricos incluem plsticos e borrachas




Polmeros

Materiais compsitos so constitudos de mais de um tipo de material insolveis entre si.

Os compsitos so projetados para a obteno de propriedades as quais no esto presentes em um material monofsico

Um exemplo clssico o compsito de matriz polimrica com fibra de vidro. O material compsito apresenta a resistncia da fibra de vidro associado a flexibilidade do polmero

1-2 TIPOS DE MATERIAIS Classificao dos materiais pela indstria

Compsitos


As diferentes propriedades dos materiais so determinantes na sua classificao

Condutividade

eltrica

representativa para

diferentes

categorias de

materiais


1-2 TIPOS DE MATERIAIS Cincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS

As diferentes propriedades dos materiais, tambm determinam a classificao

Resistncia

mecnica

representativa para

diferentes

categorias de

materiais



O uso das diferentes classes dos materiais tem sido alterado com a evoluo tecnolgica.




Competio entre os materiais:

Boeing 777

Incio do projeto: 1990

Entrada em Servio: 1994

Porcentagem de materiais

compsitos no peso do avio: 9%

Boeing 7E7 Dreamliner

Incio do Projeto: Final de 2003

Entrada em Servio: Prevista para 2008

Porcentagem de materiais compsitos no peso do avio:

Estimada entre 50 e 60%


Classificao

dos materiais

Metais

Polmeros

Cermicos

Aplicao pela

indstria


Espessura de parede: 0,15 mm

%peso embalagem/contedo: 3,85

Densidade (g/cm3): 2,70

Espessura de parede: 0,30 mm

%peso embalagem/contedo: 2,90


Espessura de parede:

8,0 mm

%peso

embalagem/contedo:

46,80


Etapas no processo de fabricao de latas de alumnio para bebidas

1-2 TIPOS DE MATERIAIS Classificao dos materiais pela indstria

1-2 TIPOS DE MATERIAIS Classificao dos materiais quanto ao

grau de desenvolvimento tecnolgico

1. Naturais: utilizados como se encontram na natureza

2. Empiricamente desenvolvidos:

ex. argila vermelha

3. Desenvolvimento cientfico:

a cincia no desenvolvimento dos materiais

4. Materiais projetados: fabricados

com grau de conhecimento elevado PROJETADOS:

Viabilizao de

projetos de alta

tecnologia

Exemplo: lmpada de sdio (1000oC) com tubo de alumina

(100 lmens/W convencional 15 lmens/W)

Alumina convencional (opaca) Alumina translcida


Materiais projetados:

Classificao dos materiais quanto ao

grau de desenvolvimento tecnolgico

porosidade: 3% porosidade: 0,3%

Lmpada de vapor de sdio: o gs em alta temperatura

guardado dentro de um cilindro translcido de alumina.

A presena de poros causa espalhamento

de luz, e o material se torna opaco

POROS

A eliminao dos poros e a microestrutura do material com

tamanho de gro menor gera um material translcido

1-2 TIPOS DE MATERIAIS Classificao dos materiais segundo morfologia

1.Monoestruturados: nico conjunto de propriedades

2.Recobrimentos: propriedades da superfcie diferente

das do corpo

3.Gradiente material: multicamadas com gradiente de propriedades

4.Composio aleatria de diferentes materiais: reforo por segunda fase

1-3 RELAO ENTRE ESTRUTURA-

PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES

MATERIAIS PARA ENGENHARIA

desenvolvidos para uso na Indstria

fundamento: CINCIA DOS MATERIAIS

interrelao entre ESTRUTURA e PROPRIEDADES

ESTRUTURA PROPRIEDADES

CINCIA DOS MATERIAIS




ESTRUTURA

PROPRIEDADES

PROCESSOS DE FABRICAO


PROCESSO DE FABRICAO





ESTRUTURA NOS MATERIAIS

ESTRUTURA ATMICA

ESTRUTURA CRISTALINA

MICROESTRUTURA

MACROESTRUTURA



DIVISO DA ESTRUTURA NOS MATERIAIS




PROPRIEDADES DOS MATERIAIS

MECNICAS FSICAS QUMICAS


PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES - PROPRIEDADES DOS MATERIAIS

mecnicas resistncia trao, compresso, flexo resistncia ao escoamento, fluncia, fadiga ductilidade mdulo de elasticidade resistncia ao desgaste

fsicas propriedades eltricas magnticas trmicas pticas densidade

qumicas resistncia corroso

- PROPRIEDADES



DE SUPERFCIE

DE CORPO

reatividade com o meio,

resistncia corroso e ao

desgaste, biocompatibilidade,

efeito decorativo

comportamento mecnico,

propriedades eltricas e

magnticas, condutividade trmica

- PROPRIEDADES DE SUPERFCIE reatividade com o meio, resistncia corroso e ao

desgaste, biocompatibilidade, efeito decorativo



- PROPRIEDADES DE CORPO comportamento mecnico, propriedades eltricas e

magnticas, condutividade trmica





METAIS APLICAES PROPRIEDADES

Cobre Cabos eltricos Alta condutividade eltrica, boa

conformabilidade

Fofo cinzento Blocos de motores de combusto Boa moldagem por fundio, absoro de

vibraes, usinabilidade

Aos Forjados Boa susceptibilidade a tratamentos

trmicos

CERMICOS APLICAES PROPRIEDADES

SiO2 Na2O CaO Vidro de Janela Boas propriedades ticas e

isolamento trmico

Al2O3, MgO, SiO2 Refratrios

Isolamento trmico, alto ponto de

fuso, relativamente inerte ao metal

fundido

Titanato de brio Transdutor para toca-discos Comportamento piezoeltrico

(converte som e eletricidade)

- PROPRIEDADES DOS MATERIAIS Exemplos representativos: aplicaes e propriedades de cada categoria de material


PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES - PROPRIEDADES DOS MATERIAIS Exemplos representativos: aplicaes e propriedades de cada categoria de material

COMPSITOS APLICAES PROPRIEDADES

Grafite-epxi Componentes para a indstria

aeronutica

Elevada relao resistncia

mecnica/peso

Carbeto de W-Co Ferramentas de corte para

usinagem

Elevada dureza e boa resistncia ao

impacto

Aos recobertos com Ti Vasos de reatores

Baixo custo, alta resistncia mecnica

do ao com boa resistncia

corroso do titnio

POLMEROS APLICAES PROPRIEDADES

Polietileno Embalagem para alimentos Facilmente moldvel em filmes

finos, flexveis e impermeveis

Epxi Encapsulamento para circuitos

integrados

Bom isolamento eltrico e

resistncia umidade

Fenlicos Adesivos para madeiras

condensadas Resistncia mecnica e umidade


PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES MATERIAIS PARA ENGENHARIA

PROCESSOS DE

FABRICAO

FUNDIO

LAMINAO

EXTRUSO

METALURGIA DO P

PRENSAGEM

COLAGEM

OUTROS ...





os materiais precisam adquirir forma e dimenses

para ser utilizveis na Indstria

so definidos em funo das propriedades dos

materiais iniciais e das propriedades necessrias

para fazer frente s condies de servio da pea ou

componente


PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES - PROCESSOS DE FABRICAO METAIS

Fundio: areia, vazamento, molde permanente, cera perdida, lingotamento contnuo

Conformao: forjamento, extruso, estampagem profunda, dobramento, laminao

Juno: soldagem a gs, por resistncia eltrica, brasagem, a arco, a estanho, por frico e por difuso

Usinagem: torneamento, perfurao, fresa, corte

Metalurgia do p

CERMICOS

Fundio ou colagem

Compactao: extruso, prensagem e prensagem isosttica

Sinterizao

POLMEROS

Moldagem por injeo

Conformao: a vcuo, por repuxamento, por extruso

SEMI-CONDUTORES

Crescimento de cristais

Deposio qumica de vapores

COMPSITOS

Fundio, incluindo infiltrao

Conformao

Juno: juno adesiva, ligadura por exploso, por difuso

Compactao e sinterizao



- PROCESSOS DE FABRICAO DIFERENTES PROCESSOS DE FABRICAO

DIFERENTES MICROESTRUTURAS



MATERIAIS PARA

ENGENHARIA

Exemplo da relao

tripartite aplicada a uma

barra de alumnio laminado




ESTRUTURA

PROPRIEDADES


DESEMPENHO

como os materiais se comportam nas condies de servio

(laboratrio, acompanhamento e anlise post-mortem)


PROCESSO DE FABRICAO


DESEMPENHO

1-4 EFEITOS DO MEIO SOB O

COMPORTAMENTO DO MATERIAL

Os materiais tm seu comportamento influenciado

pelo meio em que se encontram:

- TEMPERATURA

- CORROSO

- RADIAO

- DESGASTE



Temperatura

Tendncia: T RM

troca

rpida de temperatura - catastrfica

Aumento de

temperatura

diminui a

resistncia

mecnica dos

materiais


COMPORTAMENTO DO MATERIAL Corroso

Metais e polmeros reagem com O2 e outros gases

aumento de temperatura reage mais

pode ocorrer corroso por lquidos

pits, trincas fratura

Cermicos podem ser atacados por outros lquidos cermicos

Alumnio

atacado por

bactria

Hidrognio dissolvido no

cobre

fratura frgil



Radiao De alta energia

Ex.: neutrons de reatores nucleares que podem afetar a estrutura interna dos

materiais, diminuir a resistncia mecnica e fragilizar o material, devido a

formao de fissuras.

Desgaste Abraso

Ex.: pisos cermicos desgastados com o trfego de pessoas

Quais os critrios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros?

Em primeiro lugar, o engenheiro deve caracterizar quais as condies de servio a que ser submetido o material e levantar as propriedades requeridas para tal aplicao. Deve-se incluir os fatores de degradao de propriedades, como temperatura de trabalho, agentes corrosivos - ataque qumico, desgaste, radiaes, nessas consideraes.

Determinar (ou saber como foram determinados) as propriedades de interesse e saber qual o desempenho e limitaes e restries no uso dos materiais selecionados.

Em raras ocasies um material rene uma combinao ideal de propriedades, ou seja, muitas vezes necessrio reduzir uma em benefcio da outra. Um exemplo clssico so resistncia e ductilidade, geralmente um material de alta resistncia apresenta ductilidade limitada. Este tipo de circunstncia exige que se estabelea um compromisso razovel entre duas ou mais propriedades.

Disponibilidade de matria-prima e viabilidade tcnica em obter a dimenso e forma da pea para seu emprego.

Impacto ambiental da produo e reciclabilidade do material aps uso

Custo total


1-5 SELEO DE MATERIAIS Em resumo deve-se selecionar um material que:

1. Apresente as propriedades adequadas

Compromisso entre propriedades

Confiabilidade

2. Possa ser processado na forma desejvel

3. Seja economicamente vivel (matria-prima e processo de fabricao)

4. Possa ser produzido com baixo impacto ambiental e posa ser reciclado


Material Resistncia Mecnica

(MPa)

Densidade Resistncia/peso

(m2s-2103)

Polietileno 7 0,83 8

Alumnio puro 45 2,7 17

Cobre puro 207 8,9 23

Ao baixo-carbono 393 7,8 50

Titnio puro 241 4,4 55

Al2O3 207 3,9 53

Nylon 76 1,11 68

Epxi 103 1,4 74Ao alto-carbono 614 7,8 79

Si3N4 483 3,2 151

Ao-liga tratado termicamente 1655 7,8 212

Liga de alumnio tratada termicamente 593 2,7 220

Compsito carbono-carbono 414 1,8 230

Liga de titnio tratada termicamente 1172 4,4 256

Compsito Kevlar-epxi 448 1,4 320

Compsito carbono-epxi 551 1,4 393

RELAO: RESISTNCIA/DENSIDADE


1-5 SELEO DE MATERIAIS RELAO: RESISTNCIA/DENSIDADE


1-6 EXERCCIOS (Data de entrega: DATA DA 1a PROVA)

1 Com que se ocupa a Cincia dos Materiais e qual sua importncia na engenharia moderna?

2 Diferencie conhecimento fenomenolgico e enciclopdico.

3 Classifique os materiais segundo os seguintes critrios: a) aplicao na indstria; b) grau de

desenvolvimento tecnolgico e c) morfologia.

4 Cite dois produtos que podem ser classificados como: a) monoestruturado; b) recobrimento; c)

gradiente e d) composio aleatria.

5 Como se interrelacionam estrutura, propriedades, processamento e desempenho em servio de um

material?

6 Como se divide e qual o critrio no estudo da estrutura de um material?

7 Em que estaria baseada a mudana de propriedades de um mesmo material fabricados por diferentes

processos?

8 Diferencie propriedades de corpo e de superfcie.

9 Compare a microestrutura de um cobre fundido com a de um cobre trefilado.

10 Do que depende a escolha de um determinado processo de fabricao?

11 Diferencie com suas palavras os tipos de materiais quanto s suas propriedades (fsicas, qumicas e

mecnicas) tpicas.

12 D dois exemplos que evidenciam a relao entre estrutura e propriedades dos materiais.


1-6 EXERCCIOS (Data de entrega: DATA DA 1a PROVA)

13 Por que utiliza-se uma alumina translcida como invlucro de uma lmpada de sdio?

14 A partir de um material de sua escolha, d duas aplicaes para o mesmo e descreva as

propriedades de interesse em cada aplicao.

15 Como podem se degradar as propriedades dos materiais em servio? Cite 3 exemplos prticos.

16 Quais so os critrios para a seleo de um material para determinada aplicao.

17 O que compromisso entre as propriedades de um material?

18 Como a questo ambiental est presente na seleo de um material para determinado emprego.

19. Liste seis diferentes classificaes de propriedades dos materiais que determinam sua

aplicabilidade

20. Cite os quatro componentes que esto envolvidos no design, produo e utilizao de materiais, e

descreva brevemente a interrelao entre estes componentes.

21. Cite trs critrios que so importantes no processo de seleo de materiais.

22. Defina materiais inteligentes

23. Explique o conceito de nanotecnologia e como esta aplicada aos materiais.


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