introducao ciencia dos materiais

CIÊNCIA DOS

MATERIAIS

Prof. Rafael S. Peres – PPGE3M - DEMAT - EE – UFRGS –2015

Material Prof. Prof. C. P. Bergmann - DEMAT

Ciência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS

SÚMULACiência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS

1. INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS

2. ESTRUTURA ATÔMICA

3. ESTRUTURA CRISTALINA

4. MICROESTRUTURA (FASES)

5. PROPRIEDADES VS. ESTRUTURA

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS

–O curso objetiva apresentar os fundamentos da Ciência dos Materiais a alunos do

curso de Engenharia: a interrelação entre os diferentes níveis de estrutura que

constituem os materiais e as propriedades aí definidas.

OBJETIVO DO CURSO

CRONOGRAMA - AVALIAÇÃOCiência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS

IMPORTANTE: Para cada capítulo há uma lista de exercícios, que devem ser resolvidos e

entregues obrigatoriamente no dia da prova.

APOIO EXTRA-CLASSE: Slides das aulas disponível no Moodle (acesso pela página da UFRGS).

Contato por e-mail ([email protected]), telefone (3308-9412) ou pessoalmente (sala 111,

prédio da engenharia de materias, Campus do Vale).

1ª semana 03/08/2015 Área 1 05/08/2015 Área 1




5ª semana 31/08/2015 Área 1 (revisão/exercícios) 02/09/2015 1ª avaliação (Área 1)

6ª semana 07/09/2015 Feriado 09/09/2015 Área 2



9ª semana 28/09/2015 Área 2 30/09/2015 Área 2 (revisão/exercícios)

10ª semana 05/10/2015 2ª avaliação (Área 2) 07/10/2015 Área 3


12ª semana 19/10/2015 Semana Acadêmica 21/10/2015 Semana Acadêmica

13ª semana 26/10/2015 Área 3 28/10/2015 Feriado


15ª semana 09/11/2015 Área 3 11/11/2015 Área 3 (revisão/exercícios)

16ª semana 16/11/2015 3ª avaliação (Área 3)

17ª semana 23/11/2015 Recuperação (uma Área)

18ª semana 30/11/2015 Exame (toda a matéria)

1. Callister Jr., W.D., Materials Science and Engineering an

introduction, 7ª Edição, New York, John Wiley & Sons,

2012.

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

Materials, 6ª Edição, London, Chapman and Hall, 2009.

3. Shackeldford, James F. Introduction to Materials Science

for Engineers. New Jersey, Prentice-Hall, Inc., 7a. Ed.

2008.

4. van Vlack, Lawrence H.: Princípio de ciências dos

materiais. São Paulo, Edgar Blücher, 1970.

5. van Vlack, Lawrence H.: Princípio de ciências e

tecnologia dos materiais. 4º Edição, Rio de Janeiro,

Campus, 1984.

6. Anderson, J.C. et alli: Materials Science. 4º Edição,

London, Chapman and Hall, 1990.

7. Meyers, Marc A. e Chawla, Krishan K.: Princípios de

Metalurgia Mecânica. São Paulo, Edgar Blücher, 1982.

8. Flinn, Richard A. e Trojan, Paul K.: Materiales de Ingeneria

y sus Aplicaciones. Bogotá, 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 SUGERIDACiência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS

CAPÍTULO 1 -INTRODUÇÃO

AOS MATERIAIS

1. INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS

1-1 INTRODUÇÃO

1-2 TIPOS DE MATERIAIS

1-3 RELAÇÃO: ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES

1-4 SELEÇÃO DE MATERIAIS


1.1 INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS

1-1 INTRODUÇÃOCiência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS

MATERIAIS: ‘Matéria utilizada em aplicações práticas / industriais’- máquinas

-artefatos

- dispositivos

- componentes

-estruturas (prédios)

-outros

ENGENHARIA!

utilização – desde os primórdios da civilização

são parte integrante da vida humana

o conhecimento dos materiais definiu algumas idades da história da humanidade: idade da pedra, idade do bronze, idade do ferro

Com uso, por exemplo, em:

- máquinas

- estruturas

- dispositivos

- produtos2 milhões de anos 5.000 anos 3.000 anos 100 anos 60 anos400-300 anos


compreender as propriedades dos materiais e ter capacidade de desenvolver e

processar (novos) materiais para aplicações industriais

ENGENHEIRO

1-1 INTRODUÇÃOENGENHARIA

–manufatura materiais

–processa materiais

–projeta materiais

–constrói com materiais

–seleciona materiais

–testa e analisa materiais


Palheta de turbina

ENGENHEIRO está preocupado em melhorar a performance do que está

projetando ou manufaturando

–elétrico (materiais elétricos/dielétricos)

–civil (estruturas com durabilidade, estética, resistência à corrosão

–automotivos (leves, resistentes e duráveis)

–aeroespacial (densidade/resistência mecânica, alta temperatura)

–mecânico (estruturas, componentes)

–materiais (materiais com melhor desempenho, com menor custo)

PARA TANTO, É NECESSÁRIO...

–ampliar os conhecimentos dos materiais disponíveis

–entender seu comportamento em geral e seu POTENCIAL

de utilização

–reconhecer os efeitos do meio e condições de serviço -

LIMITAÇÕES

–fornecer subsídios para compreender o comportamento

de materiais em serviço

POTENCIAL e LIMITAÇÕES de utilização em função

das condições de serviço e do meio

1-1 INTRODUÇÃO


EVOLUÇÃO DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS:

compreensão das propriedades dos materiais e a consequente capacidade de

desenvolver e preparar novos materiais para aplicações particulares

Materiais funcionais

Nanomateriais

Obtenção de materiais avançados


A Iniciativa Nacional em Nanotecnologia (EUA) considera Nanotecnologia somente se envolver os seguintes itens:

1. Pesquisa e desenvolvimento em escala atômica, molecular ou macromolecular, numa escala aproximada de 1-100 nm

2. Criação e uso de estruturas, dispositivos e sistemas com propriedades e funções inovadoras por seu tamanho reduzido

3. Habilidade em controlar ou manipular a matéria em escala atômica

Estruturas de C

Nanotubos de Carbono

Nanotubos de carbono (CNT) são uma nova classe de materiais

descobertos em 1991 por Sumio Iijima e apresentam extraordinárias

propriedades mecânicas, elétricas e térmicas. Possuem a maior

resistência a ruptura sob tração conhecida, na ordem de 200 GPa, 100

vezes superior ao mais resistente aço com apenas 1/6 de sua densidade.

Já foram desenvolvidos diversos processos de síntese sendo os

principais a descarga entre eletrodos de grafite e por Deposição Química

de Vapor Catalisada (DQVC). Esta última apresenta o maior potencial

para produção em massa de nanotubos.

1-1 INTRODUÇÃO

1-1 INTRODUÇÃO

Espumas biodegradáveis

1-1 INTRODUÇÃO

Magnetos

fabricados a

partir dos metais

de terras raras.

Resinas biodegradáveis

1-1 INTRODUÇÃO

• Evolução dos materiais – Drug delivery

http://www.nanotech-now.com/news.cgi?story_id=27008

1-1 INTRODUÇÃO


Síntese de reagentes

•Elevado número de átomos na superfície / Contorno de grão;

ORIGEM DAS PROPRIEDADES DIFERENCIADAS DOS NANOMATERIAIS:

Deformação plástica

Maior dureza

Difusividade

Reatividade

Tenacidade

Condutividade térmica menor•Defeitos atômicos e discordâncias:

-As discordâncias (tanto móveis ou não) são raras em nanopartículas ou materiais com tamanho de grão muito reduzido

-Materiais com tamanho de grão muito reduzido podem ter tensão de escoamento muito próximo à tensão teórica.

Negro de fumo em pneusCores em vitrôs

No passado No presente

Microscopia eletrônica

Controle + Simulação por computadores


Aplicações de Nanomateriais na IndústriaPintura resistente a intemperismos

Carros mais leves, seguros, não-poluentes

Carros elétricos com maior autonomia e de

recarga rápida

Nanopaint Convencional

- Componentes estruturais com alta resistência

mecânica; baixo peso; capazes de absorver vibrações

Nanopartículas de TiO2 incorporadas no

concreto (pavimento) 6000 m2

Redução de até 60% nos níveis de NOx

Súper hidrofobicidade


Aplicações de Nanomateriais na Indústria

Aplicação futurística:

elevador orbital

Produção de fios e cabos ultra-resististes a partir de florestas de NTC


EVOLUÇÃO DOS MATERIAIS ?: O mosquito possui 2.700 espécies. Pode voar de 1,6 a 3

km/h. A fêmea bebe sangue e néctar das plantas, o macho

apenas o néctar das plantas. Quando a fêmea pica, ela injeta

um anti-coagulante para manter a vítima sangrando. Ela

encontra sua vítima pela visão e olfato. Vive 1 mês. A fêmea

põe 40 a 400 ovos.

Euprymna scalopo: Mimetismo graças a

nanoreflectores em sua pele

Pigmentos que mudam de cor

conforme o ângulo de visão

http://www.enchantedlearning.com/subjects/insects/mosquito/

http://www.enchantedlearning.com/subjects/insects/mosquito/


Gasoduto na Sibéria

Ponte nos EUAFALHA EM SERVIÇO

OLEODUTO ROMPIDO POR

CORROSÃO EM CAMPINAS, 1990

Série LIBERTY: 1000 navios

Plataforma off-shore

Trilhos de trem


CICLO GLOBAL DOS MATERIAIS:

TERRA: fonte e depósito de todos os materiais


Alumínio primário: bauxita

CICLO GLOBAL DOS MATERIAIS: produção do Alumínio

Alumínio secundário: reciclagem

Economia de 95% da energia usada na obtenção do alumínio Economia de etapas: evita a extração, refino e redução

Economia de tempo: uma lata reciclada volta ao mercado em 90 dias Economia de recursos naturais (bauxita): para se produzir

1 ton de alumínio são necessárias 5 ton de bauxita - mineral extraído do solo - o que pode ser evitado com a reciclagem.

1-2 TIPOS DE MATERIAIS• CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS:

CRITÉRIOS

APLICAÇÕES PELA INDÚSTRIA

metais, cerâmicos, polímeros e compósitos

GRAU DE DESENVOLVIMENTO TECNOLÓGICO

naturais, empíricos, desenvolvimento científico e projetados

MORFOLOGIA ESTRUTURAL

monoestruturados, recobrimentos, gradiente e aleatório


•combinação de elementosmetálicos.

•elétrons livres: bonscondutores de calor eeletricidade, brilho e opacos.

•geralmente são resistentes edeformáveis.

1-2 TIPOS DE MATERIAISCiência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS

•materiais não-metálicos e inorgânicos.

•geralmente isolantes de térmicos e elétricos.

•resistentes a altas temperaturas e a ambientes corrosivos.

•frágeis e geralmente de alta dureza.

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

•compostos orgânicos com C, H e não-metais (plásticos e borrachas).

•moléculas muito grandes (macromoléculas).

•geralmente tem baixa densidade e alta elasticidade.

•constituídos de mais de um tipode fases insolúveis entre si.

•propriedades que não estãopresentes em um materialmonofásico.


Classificação dos materiais pela indústria

Competição entre os materiais:

Boeing 777

Início do projeto: 1990

Entrada em Serviço: 1994

Porcentagem de materiais

compósitos no peso do avião: 9%

Boeing 7E7 Dreamliner

Início do Projeto: Final de 2007

Entrada em Serviço: Prevista para 2008

Porcentagem de materiais compósitosno peso do avião:

Estimada entre 50 e 60%

1-2 TIPOS DE MATERIAIS

• Classificação

dos materiaisMetais

Polímeros

Cerâmicos


Aplicação pela

indústria

Classificação dos materiais pela indústria

Espessura de parede: 0,15 mm

%peso embalagem/conteúdo: 3,85

Densidade (g/cm3): 2,70

Espessura de parede: 0,30 mm

%peso embalagem/conteúdo: 2,90


Espessura de parede:

8,0 mm

%peso

embalagem/conteúdo:

46,80


1-2 TIPOS DE MATERIAISClassificação dos materiais quanto ao

grau de desenvolvimento tecnológico

1. Naturais: utilizados como se encontram na natureza

2. Empiricamente desenvolvidos:

ex. argila vermelha

3. Desenvolvimento científico:

a ciência no desenvolvimento dos materiais

4. Materiais projetados: fabricados

com grau de conhecimento elevadoPROJETADOS:

Viabilização de

projetos de alta

tecnologia


Exemplo: lâmpada de sódio (1000oC) com tubo de alumina

(100 lúmens/W convencional 15 lúmens/W)

Alumina convencional (opaca) Alumina translúcida


Materiais projetados:

Classificação dos materiais quanto ao

grau de desenvolvimento tecnológico

porosidade: 3% porosidade: 0,3%

Lâmpada de vapor de sódio: o gás em alta temperatura é

guardado dentro de um cilindro translúcido de alumina.

A presença de poros causa espalhamento

de luz, e o material se torna opaco

POROS

A eliminação dos poros e a microestrutura do material com

tamanho de grão menor gera um material translúcido


Classificação dos materiais segundo morfologia

1.Monoestruturados: único conjunto de propriedades

2.Recobrimentos: propriedades da superfície diferente

das do corpo

3.Gradiente material: multicamadas com gradientede propriedades

4.Composição aleatória de diferentes materiais: reforço por segunda fase

MATERIAIS PARA ENGENHARIA desenvolvidos para uso na Indústria

fundamento: CIÊNCIA DOS MATERIAISinterrelação entre ESTRUTURA e PROPRIEDADES

ESTRUTURA PROPRIEDADESCIÊNCIA DOS MATERIAIS


1-3 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES

• MATERIAIS PARA ENGENHARIA

ESTRUTURA NOS MATERIAIS

• ESTRUTURA ATÔMICA

• ESTRUTURA CRISTALINA

• MICROESTRUTURA

• MACROESTRUTURA



– DIVISÃO DA ESTRUTURA NOS MATERIAIS


Qual o critério da divisão da

estrutura dos materiais?




Engenharia de superfícies



IMPORTANTE:

- PROCESSOS DE FABRICAÇÃO




1-3 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADESDEGRADAÇÃO

1-4 SELEÇÃO DE MATERIAISCiência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS

1-4 SELEÇÃO DE MATERIAIS

Material Resistência Mecânica

(MPa)

Densidade Resistência/peso

(m2s-2103)

Polietileno 7 0,83 8

Alumínio puro 45 2,7 17

Cobre puro 207 8,9 23

Aço baixo-carbono 393 7,8 50

Titânio puro 241 4,4 55

Al2O3 207 3,9 53

Nylon 76 1,11 68

Epóxi 103 1,4 74Aço alto-carbono 614 7,8 79

Si3N4 483 3,2 151

Aço-liga tratado termicamente 1655 7,8 212

Liga de alumínio tratada termicamente 593 2,7 220

Compósito carbono-carbono 414 1,8 230

Liga de titânio tratada termicamente 1172 4,4 256

Compósito Kevlar-epóxi 448 1,4 320

Compósito carbono-epóxi 551 1,4 393

RELAÇÃO: RESISTÊNCIA/DENSIDADE


1-4 SELEÇÃO DE MATERIAISRELAÇÃO: RESISTÊNCIA/DENSIDADE


1-5 EXERCÍCIOS(Data de entrega: DATA DA 1a PROVA)

1 Com que se ocupa a Ciência dos Materiais e qual sua importância na Engenharia?

2 Diferencie conhecimento fenomenológico e enciclopédico.

3 Classifique os materiais segundo os seguintes critérios: a) aplicação na indústria; b) grau de

desenvolvimento tecnológico e c) morfologia.

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

gradiente e d) composição aleatória.

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

material?

6 Dê dois exemplos que evidenciam a relação entre estrutura e propriedades dos materiais.

7 Como se divide e qual o critério no estudo da estrutura de um material?

8 Em que estaria baseada a mudança de propriedades de um mesmo material fabricados por diferentes

processos?

9 Diferencie propriedades de corpo e de superfície.

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

11 Do que depende a escolha de um determinado processo de fabricação?

12 Diferencie com suas palavras os tipos de materiais quanto às suas propriedades (físicas, químicas e

mecânicas) típicas.


1-5 EXERCÍCIOS(Data de entrega: DATA DA 1a PROVA)

13 Por que utiliza-se uma alumina translúcida como invólucro de uma lâmpada de sódio?

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

propriedades de interesse em cada aplicação.

15 Quais são os critérios para a seleção de um material para determinada aplicação.

16 O que é compromisso entre as propriedades de um material?

17 Como a questão ambiental está presente na seleção de um material para determinado emprego.

18 Liste seis diferentes classificações de propriedades dos materiais que determinam sua

aplicabilidade.

19 Explique o conceito de Nanotecnologia e o porque de seu potencial no desenvolvimento de materiais

para a Engenharia.

20 Liste 3 aplicações que, em sua opinião, necessitam que materiais apresentem alta tenacidade e

baixa densidade.

21 Liste materiais que têm aplicações baseadas em suas propriedades ópticas.

22 Cite três critérios que são importantes no processo de seleção de materiais.

23 Defina materiais funcionais.


introducao ciencia dos materiais

Documents