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Microestrutura dos materiais

Noções básicas

Objetivos

� melhor compreensão

� base científica

� avaliação das propriedades

� desenvolvimento

ao longo do tempodurabilidadefadigadeformação lenta

ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulos 6 e 7.

Leitura complementar Classificação dos materiais

� metais (ferrosos e não ferrosos)

� cerâmica (vidro, concreto e cerâmica)

� condutores e supercondutores

� polímeros (madeira, betumes, resinas, plásticos, borrachas)

� compósitos (fibra + polímero, fibra + matriz cimentícia)

� biomateriais

� materiais especiais (alto desempenho)

Ciência dos Materiais

� 14. cerâmica vermelha� 15. cerâmica para acabamentos e aparelhos (ex.

louças)� 16. materiais para alvenaria estrutural� 17. materiais refratários e abrasivos� 18. vidro� 19. madeira para acabamentos� 20. madeira como material estrutural� 21. plásticos� 22. tintas, hidrofugantes e vernizes� 23. sistemas de impermeabilização e isolamento

térmicos� 24. borrachas, mastiques e selantes� 25. materiais betuminosos� 26. compósitos de matriz polimérica� 27. fibrocimento� 28. resíduos, fibras naturais e materiais

alternativos� 29.novos materiais

� 1. metais não estruturais (alumínio, cobre, entre outros)

� 2. aço para concreto armado e alvenaria estrutural

� 3. aço para estruturas metálicas� 4. solo como material de construção (ex.

terra crua, solo-cimento, solo-cal)� 5. rocha para revestimento (mármore e granito)

� 6. agregados para concretos e argamassas� 7. cimento Portland� 8. cimentos especiais com base mineral� 9. cal� 10. gesso� 11. argamassas� 12. concreto de cimento Portland� 13. produtos a base de cimento

Materiais de construMateriais de construççãoão� 14. cerâmica vermelha� 15. cerâmica para acabamentos e aparelhos (ex.

louças)� 16. materiais para alvenaria estrutural� 17. materiais refratários e abrasivos� 18. vidro� 19. madeira para acabamentos� 20. madeira como material estrutural� 21. plásticos� 22. tintas, hidrofugantes e vernizes� 23. sistemas de impermeabilização e isolamento

térmicos� 24. borrachas, mastiques e selantes� 25. materiais betuminosos� 26. compósitos de matriz polimérica� 27. fibrocimento� 28. resíduos, fibras naturais e materiais

alternativos� 29. novos materiais

� 1. metais não estruturais (alumínio, cobre, entre outros)

� 2. aço para concreto armado e alvenaria estrutural

� 3. aço para estruturas metálicas� 4. solo como material de construção (ex.

terra crua, solo-cimento, solo-cal)� 5. rocha para revestimento (mármore e granito)

� 6. agregados para concretos e argamassas� 7. cimento Portland� 8. cimentos especiais com base mineral� 9. cal� 10. gesso� 11. argamassas� 12. concreto de cimento Portland� 13. produtos a base de cimento

Materiais de construção x Ciência dos Materiais

Materiais Metálicos

Materiais Cerâmicos

Materiais Cerâmicos

Materiais Poliméricos

Materiais Compósitos

Novos materiais e materiais mais sustentáveis

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SistemasSistemas

� Sistemas de vedações verticais (paredes)

� Sistemas de vedações horizontais (forros e cobertur as)

� Sistemas de revestimentos e acabamentos

� Sistemas estruturais

� Sistemas de pintura e proteção

� Sistemas de impermeabilização

� Sistemas de isolamento térmico e acústico

� Sistemas de instalações prediais

� ...

Classificação dos materiais (Eng. de materiais)

� materiais para vedações

� materiais para revestimentos

� materiais para cobertura

� materiais estruturais

� materiais para pintura e proteção

� materiais para impermeabilização

� ...

Aplicação

Microestrutura

� Forma como os componentes internos dos materiais se arranjam.

� Várias formas/níveis de estudo da estrutura do material em função do que se pretende analisar.

� Objetivos: entender e obter propriedadesdesejadas.

Princípio básico

O comportamento do material depende da microestrutura

O comportamentocomportamento do material depende da microestrutura

Níveis de estudo� Sub-atômico (Å)

� átomo� microscopia eletrônica de

tunelamento

� Atômico (ηm - µm)� moléculas, cristais� Difração de raios X� Microscopia eletrônica de

varredura

Níveis de estudo� Microscópico (mm-mm)

� fases, partículas� microscópios ótico e de

varredura� ensaios físicos

� Macroscópico (>mm)� todo o material� ensaios mecânicos

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Propriedades x nível de estudo

� Sub-atômico (condutividade elétrica e propriedades térmicas)

� Atômico (ligações interatômicas e estado de agregação da matéria)

� Microscópico (caracterísitica do material em função do arranjo)

� Macroscópico (medida de propriedades médias do material)

� Massa esta concentrada no núcleo.� Núcleo ocupa pequena parte do volume total do átomo!

� Eletrosfera ocupa maior parte do volume.

� Eletrosfera tem pouca massa!

Estrutura do átomo

Estrutura do átomo

núcleo

nuvem deelétrons

Forças interatômicas

atração + repulsão ligação

atraçã

o

Fo r

ça

repu

lsão distância interatômica (α)

0

Fr

Fa

α'0

Átomo x esforços mecânicos

� Eletrosfera deformável

� Ruptura das ligações

� Ruptura do material

� Esforço >> força de ligação

� Compressão aproxima os núcleos� Tração afasta os núcleos� Elasticidade

Ligações

� iônica� atração eletrostática

perda de elétrons +ganho de elétrons -

� não direcional� sólido� solúveis (solv. polares)� exemplos: CaCl2 - NaCl

4

Ligações

� covalente� elétrons compartilhados nos orbitais

� direcional� exemplo: polímeros

� metálica� elétrons livres� não direcional� + compacta� propriedades

plásticas� condutores� exemplo: metais

Forças de Van der Waals� ligações secundárias� aglutinam molécula

� efeitos dipolo� moléculas polarizadas por indução ou

permanentes

� efeitos de dispersão� oscilação de pares de elétrons

� Exemplo: pontes de hidrogênio

Energia de ligação (energia mínima para criar ou quebrar ligações)

Tipo predominante de ligação x material Ligações x materiais

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Estruturas dos sólidos

� formas com que os átomos se organizam

molecularcristalina

vítrea ou amorfa

molecularcristalina

vítrea ou amorfa

Sólidos moleculares

� Molécula� Grupos de átomos c/

forte ligação

� Sólido� moléculas c/ ligação

fraca

� Deformação� moléculas deslizam

� Exemplo :� Betumes e alguns

polímeros (algumas resinas)

� Podem ser� cristalinos� vítreos

Sólidos cristalinos� ordem

� simetria

� repetição

� estáveis

� planos de clivagem

� Anisotrópicos

� Exemplo: ferro, aço, compostos do cimento e da pasta, areia, granito)

� iônicos ou covalentes� alto ponto de fusão� resistentes� duros� Exemplo: Metais

Sólidos Cristalinos

� moleculares� moles� baixo ponto de fusão� > expansão térmica

polietileno

Exemplos de arranjos cristalinos Sólidos vítreos ou amorfos

� ausência de:� ordem� simetria� ponto de fusão

� balanço elétrico� isotrópicos� menos estáveis� Ex. pozolanas, escória

alguns vidros� Escória de alto-forno� cadeia básica (Si e O)� modificadores (Ca, Na, Fe, Al, ...)

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Sólidos vítreos ou amorfos

pozolana

Sólidos vítreos ou amorfos

escória de alto-forno

Sólidos vítreos e cristalinos

cerâmica

Estrutura dos sólidos x nível de energia

Propriedades X cristalinidade

� Material mais cristalino

� Material mais amorfo

� Maior dureza� Maior resistência� Maior rigidez (polímeros)

� Menor reatividade (atécerto ponto)

� Maior durabilidade

� Maior flexibilidade� Maior reatividade� Maior rigidez (alumínio)� Maior resistência (ligas metálicas)

� Menor durabilidade

Fases, soluções e dispersões

� fase:� parte homogênea � superfícies definidas� sistema heterogêneo� Ex. clínquer Portland

� solução� sistema homogêneo� soluto (dissolvido) � solvente (o que

dissolve)

� dispersão� solução de 2 fases

� gel (solução coloidal)� pasta� emulsão

� substâncias imiscíveis

� espumas

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Materiais estruturais polifásicos� Agregados� Argamassas� Concreto� Alguns compósitos� Metais

Importância dos defeitos

� porosidade� relação água/cimento� relação água/gesso

� fissuras� falhas cristalinas� interfaces 0

0.25

0.5

0.75

1

0 5 10 15 20 25

Volume de Poros (%)

Res

istê

ncia

Rel

ativ

a

(Neville, 1983)

Importância dos defeitos

� Movimentação iônica X defeitos

� Reatividade = f(nível de cristalização)� Resistência = f(nível de cristalização)

� Naturais = f(resfriamento)� Induzidos ligas metálicas (Ex.: Al)

ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulos 6.

Leitura complementar

Microestrutura dos materiais metálicos

ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulo 10.

Leitura ComplementarLeitura Complementar

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Ligas ferrosas

Ligas não ferrosas

� CobreResistência à corrosão

Não suporta tratamento térmico

Ex. Latão (zinco como impureza)

� AlumínioBaixa densidade, alta condutibilidadde elétrica e térmica

Resistência à corrosão

Baixa temperatura de fusão

Tratamento a frio melhora a resistência e piora a corrosão

Microestrutura dos materiais cerâmicos

9


Leitura complementarLeitura complementar

10

Características dos Materiais Cerâmicos� dificuldade de cristalização (estruturas cristalinas mais complexas);

� alta dureza;� resistência mecânica (maior resistência àcompressão do que à tração);

� ruptura frágil;� estabilidade química e térmica (alto ponto de fusão), e

� baixa condutibilidade elétrica e térmica.

Transdutores elétricos

Refratária, isolante elétrica e abrasiva Características elétricas e magnéticas

11

Material refratário e lubrificante

Ligações covalentes e iônicas

14

Microestrutura dos materiais poliméricos

15


Leitura ComplementarLeitura Complementar

16

Ex. Metano (CH4)

Ex. Acetileno (C2H2)

(C2H4).

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Exemplos

(Butadieno estireno)

Dispersões poliméricas

� Butilacrilato e estireno: modificações de ligantes hidráulicos e adesivos;

� Acrílico-estireno: fabricação de tintas látex, fibras, massas de recobrimento e recobrimento de tecidos;

� Acrilato-estireno: modificações de ligantes hidráulicos e preparação de recobrimentos flexíveis;

� Termopolímero acrílico-estireno-butadieno: fabricação de massas de recobrimento.

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Aplicações de polímeros termoplásticos

Aplicações de polímeros termorígidos

Vulcanização (ligações cruzadas)

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Elastômeros:propriedades e aplicações Plásticos

Fibras

� Prolipropileno� Náilon� Poliéster� Poliamida� Polietileno� Celulose� Kevlar

Cristalinidade dos polímeros

� Compostos de macromoléculas, o que restringe a cristalização.

� É preciso que a estrutura das cadeias seja regular.

� Muito difícil em meros complexos ou ramificados.

Polímeros cristalinos e amorfos

� Microestrutura dos materiais: noções básicas

� Microestrutura dos Materiais Metálicos� Microestrutura dos Materiais Cerâmicos� Microestrutura dos polímeros

Teste T2, 07/07 Teste T2, 07/07 (aulas e leitura dos cap. 6, 10, 11 e 12, duração 1,5h, individual, sem consulta)

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Aula do dia 07/07

� Teste� Materiais e sustentabilidade

Prova Final (14/07)

� Toda a matéria

ExercExercíício 1: Leitura cio 1: Leitura Individual Individual (a ser realizada na (a ser realizada na semana de engenharia)semana de engenharia)

� ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulos 1 e 5.

� Entregar no início da aula (28/04) resumo(máximo 5 páginas).

O que é concreto de alto desempenho?

Como ele se enquadra dentro dos desafios e tendências dos materiais de construção?

Como situar a ciência de materiais e a engenharia de materiais neste caso

específico?

Exercício 2a (17/03, até 02 alunos, 60 minutos, durante a aula)

O que é concreto de alto desempenho?

Como ele se enquadra dentro dos desafios e tendências dos materiais de construção?

Como situar a ciência de materiais e a engenharia de materiais neste caso

específico?

Exercício 2b (entrega no dia 24/03, pesquisa individual)

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Pesquise e selecione 2 (duas) tendências na área de materiais de construção civil (sorteio de grupo), oferecer ênfase em aplicação de princípios de ciência dos materiais

Exercício 3 (entrega e apresentação em 10

a 15 minutos no dia 28/04, 14:00-18:00, até 02 alunos)

Aponte 2 (duas) tendências na área de materiais de construção civil em 3 (três) sistemas, dando ênfase em aplicação de princípios de ciência dos materiais

Exercício 4 (aula do dia 05/05, individual, 40minutos)

Exercício 5a (aula 24/03, até 2 alunos)

Conceitue e diferencie :

Dutilidade, tenacidade

Materiais dúteis, materiais frágeis

Material duro, material resistente à compressão

Deformações elásticas, deformações plásticas

Resistência mecânica, resistência química

Exercício 5b (aula 28/04, pesquisa individual, texto escrito)

Conceitue e diferencie :

Dutilidade, tenacidade

Materiais dúteis, materiais frágeis

Material duro, material resistente à compressão

Deformações elásticas, deformações plásticas

Resistência mecânica, resistência química

� ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulos 4, 8, 13.

� Fazer nas aulas do dia 14/04 e 21/04 (14:00-18:00), entregar no início daaula (28/04) resumo (máximo 5 páginas).

Exercício 6: Leitura Individual

Entregar no início da aula (12/05) resumo(máximo 6 páginas).ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulos 2 e 3.


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AULA 19/05

� Revisão de propriedades� Discussão de resultados de laboratório

Exercício 8: Microestrutura x propriedades (Texto escrito + apresentação 15 minutos em 26/05, 14:00-18:00 (02/06, se necessário,14:00-18:0 0), até 2 alunos)

� 1. metais não estruturais (alumínio, cobre, entre outros) Simone e Lhais

� 2. aço para concreto armado e alvenaria estrutural Renan e Hedjaz

� 3. aço para estruturas metálicas Alvaro e Maxwell4. rocha para revestimento (mármore e granito) Caio e Vinicius

� 5. agregados para concretos e argamassas Layla e Letícia

� 6. cimento Portland Filipe e Marco� 7. cimentos especiais com base mineral

Luiz Fernando e Marcos� 8. cal Guilherme Schulzs e Paulo Octávio� 9. gesso Camila� 10. argamassas Mariana e Clarice� 11. concreto de cimento Portland Lucas

e Marcelo� 12. cerâmica vermelha e louças Julyana

e Vitor

� 13. vidro Jaqueline e Mariana� 14. madeira (acabamentos e material

estrutural) Rafael e Pedro� 15. plásticos Vinicius e Miguel

16. tintas, hidrofugantes e vernizes Alex e Pedro

� 17. sistemas de impermeabilização e isolamento térmicos Camila e Raphael

� 18. borrachas, mastiques e selantesCarolina e Eliza

� 19. materiais betuminosos Eugênio e Nathalia

� 21. compósitos de matriz polimérica Jonathan e Naycou

� 22. fibrocimento e outros produtos a base de cimento Dayane e Júlia

� 23. Resíduos, fibras naturais e materiais alternativos Felipe e Mateus

� 24 Novos materiais de construção Rubya e Júlio

Aula 26/05

� Discussão de resultados de laboratório� Revisão de desempenho� Início da apresentação de trabalho

Entregar no início da aula (02/06) resumo(máximo 10 páginas).ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulos 6 e 7.


Aula 02/06

� Estrutura dos materiais � Propriedades� Desempenho� Critérios para a seleção de materiais

Teste T1, 09/06 Teste T1, 09/06 (aulas e leitura dos cap. 02, 04, 05, 08, 13, duração 1,5h, Início 15h, individual, sem consulta)

23

Exercício 10 (2 alunos, aula do dia 09/06, com consulta, início 16:40)

Levante mecanismos de deterioração e requisitos

de desempenho em serviço a serem observados

por ocasião da especificação e da seleção de

materiais nos sistemas externos (não importa o material!!!) de um edifício residencial de Vitória (proximidade ao mar, Tambiente = 35oC, UR=85%, ventos,

proximidade a indústrias). . Justifique.

Sistemas do Exercício 10

� Sistemas de vedações verticais

� Sistemas de vedações horizontais (forros e cobertur as)

� Sistemas de revestimentos e acabamentos

� Sistemas estruturais

� Sistemas de pintura e proteção

� Sistemas de impermeabilização

� Sistemas de isolamento térmico e acústico

� Sistemas de instalações prediais

� ...

Materiais do exercício 10� 1. metais não estruturais (alumínio,

cobre, entre outros)� 2. aço para concreto armado e alvenaria

estrutural � 3. aço para estruturas metálicas � 4. rocha para revestimento (mármore e

granito)� 5. agregados para concretos e

argamassas� 6. cimento Portland� 7. cimentos especiais com base mineral � 8. cal� 9. gesso� 10. argamassas� 11. concreto de cimento Portland� 12. cerâmica vermelha

� 13. vidro� 14. madeira (acabamentos e material

estrutural) � 15. plásticos

16. tintas, hidrofugantes e vernizes 17. sistemas de impermeabilização e isolamento térmicos

� 18. borrachas, mastiques e selantes19. materiais betuminosos

� 21. compósitos de matriz polimérica � 22. fibrocimento e outros produtos a

base de cimento� 23. Resíduos, fibras naturais e

materiais alternativos� 24 Novos materiais de construção

Aula de 16/06 (ATENÇÃO)14:00-15:40 – Moldagem de corpos-de-prova no LEMAC, Prof. Avancini (Alex a Eliza (T0) e de Filipe a Lucas (T1))

16:00-17:40 – Moldagem de corpos-de-prova no LEMAC, Prof. Avancini (Luiz Fernando a Pedro Pereira (T2) e Pedro Kfuri a Vitor Brandão (T3)

Microestrutura (Lab. de Microestrutura, CTIII, Prof. Flávio) T3 de 14:30-15:10T2 de 15:15-15:55T1 de 16:00-16:40T0 de 16:45-17:30

Aula de 23/06 (ATENÇÃO)

14:00-15:00 – Aglomerante (LEMAC), Prof. Avancini, de Alex a Jonathan

15:00-18:00 – Sala do CT1 (Prof. Florindo), caracterização Ambiental

Aula 25/06 (ATENÇÃO)

16:00-17:00 – Aglomerante (LEMAC), Prof. Avancini, de Julia Nascimento a Pedro Pereira

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16:00-17:00 – Aglomerante (LEMAC), Prof. Avancini, de Rafael Cosmo a Vitor


14:00-15:00 – Agregados, LEMAC, de Alex a Jonathan

15:00-18:00 – Estrutura e propriedades, CT1.


16:00-17:00 – Agregados, LEMAC, de Julia Nascimento a Pedro Pereira


16:00-17:00 – Agregados, LEMAC, de Rafael Cosmo a Vitor

Entregar no início da aula (30/06) resumo(máximo 5 páginas).ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulo 10.

ExercExercíício 11: Leitura Individualcio 11: Leitura IndividualMicroestrutura dos materiais metálicos


ExercExercíício 12: Leitura Individualcio 12: Leitura IndividualMicroestrutura dos polímeros

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ExercExercíício 13: Leitura Individualcio 13: Leitura IndividualMicroestrutura dos materiais CerâmicosMicroestrutura dos materiais Cerâmicos

� Microestrura dos materiais: noções básicas

� Microestrutura dos Materiais Metálicos� Microestrutura dos Materiais Cerâmicos� Microestrutura dos polímeros

Teste T2, 07/07 Teste T2, 07/07 (aulas e leitura dos cap. 6, 10, 11 e 12, duração 1,5h, individual, sem consulta)

Aula do dia 07/07

� Teste� Materiais e sustentabilidade

Prova Final (14/07)

� Toda a matéria

microestrutura dos materiais - ecivilufes · pdf fileisaia, g. c. (editor) materiais de...

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