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Introdução a Ciência e Engenharia dos MateriaisTE:09004

Prof. Dr. Bernardo Borges Pompeu NetoFaculdade de Engenharia Civil

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁINSTITUTO DE TECNOLOGIA

FACULDADE DE ENGENHARIA CIVIL

e-mail : pompeu@ufpa.br

Tel: 3201-7615

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2 Programa• Introdução

Objetivo. Os materiais na Engenharia. • Ligação Atômica. Uma revisão.

Modelos de átomos. Ligações químicas. • Ordenação Atômica dos Materiais.

Cristalinidade. Estrutura cristalina. Sistemas cristalinos.

Indexação de pontos, direções e planos em cristais. Difração de R-X.

• Desordem atômica dos Materiais. Cristais perfeitos, imperfeitos e

materiais amorfos. Defeitos na rede cristalina : pontuais,

lineares, superficiais e volumétricos. Vibrações atômicas. Difusão.

• Diagramas de Fase. Definição de fase. Diagramas de fase de substâncias puras

ou elementos. Diagrama isomorfo. Regra da alavanca. Diagrama eutético. Diagrama ferro-carbono.

• Propriedades Mecânicas. Propriedades vs. estrutura. Deformação elástica. Deformação plástica. Diagrama tensão e deformação de

engenharia e real. Caracterização mecânica dos materiais:

limite de resistência, limite de escoamento, ductilidade.

Escoamento e encruamento. Endurecimento, recuperação, recristalização

e crescimento de grão. Fratura. Fadiga. Fluência.

• Os Materiais Metálicos. Ligas ferrosas. Ferros fundidos Ligas não-ferrosas

• Os Materiais Cerâmicos. Estrutura cristalina e fases amorfas. Comportamento mecânico, elétrico e óptico.

• Os Materiais Poliméricos. Estrutura. Reações de Polimerização. Termoplásticos e termofixos. Aditivos. Propriedades mecânicas.

• Os Materiais Compósitos. Classificação. Propriedades mecânicas. Regra das Misturas.

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Livro Texto e Referências eBibliográficas

W.D.Callister, Ciencia e Engenharia de Materiais : Uma introdução -LTC- Livros técnicos e Científicos Editora S.A , 2002

J. F. Shackelford, Introduction to Materials Science for Engineerrs-Prentice – Hall, Inc, 2000

Van Vlack, L.H, Prícipios de Ciência e Tecnologia dos Materiais – Editora Campus, 1984

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OBJETIVO DO CURSO• Desenvolver uma avaliação em Materiais.

• Entender os princípios fundamentais de Ciência de Materiais e como aplicá-lo em materiais de Engenharia Civil

• Melhorar interação com seus colegas.• Ter uma experiência agradável com a " prática" de Engenharia

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SEMINÁRIOS

2- Microestrutura do Concreto (02/10)

1- Características, Aplicações, e processamento dos polímeros (27/09/2007)

3- Aplicações e processamento das Cerâmicas(16/10)

5- Diagrama de fase (25/10)

4- Propriedades Mecânicas de Materiais Cerâmicos(18/10)

6- Aplicação e Processamento dos Polímeros (06/11)

8- Corrosão de Metais (27/11)

7- Corrosão de Mat.Cerâmicos e Degradação de polímeros (27/11)

9- Compósitos Reforçados com Fibras e com Partículas grandes (18/12)

10-Questões Econômicas, Ambientais e Sociais na Ciência e Engº dos Mat. (06/12)

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"Materiais: quanto melhores forem, melhores serão as obras de engenharia. Por isso, todas as

engenharias são, ou deveriam ser, em certo grau... Engenharia de Materiais."

William. F. Smith

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1. Introdução1.1 Perspectiva Histórica• Nós vivemos em um mundo em que a posse de materiais define nossas relação social e qualidade de vida econômica.

Cada seguimento de nossas vidas diárias é influenciado em maior ou menor grau pelos materiais.

•Historicamente, o desenvolvimento e o avanço das sociedades têm estado intimamente ligados às habilidades dos seus membros em produzir e manipular materiais para satisfazer as suas necessidades.

Transportes, habitação, vestuário, comunicação, recreação e produtos alimentícios.

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Os primeiros seres humanos tiveram acesso a apenas um número limitado de materiais Ex: pedra, madeira, argila, peles etc.

Com o tempo descobriram técnicas para a produção de materiais que tinham propriedades superiores ás dos produtos naturaisEx : cerâmica e vários metais

As civilizações antigas foram designadas pelo nível de seus desenvolvimentos em relação aos materiais: Idade da pedra, idade do bronze.

•Além disso, foi descoberto que as propriedades de um material poderiam ser alteradas através de tratamentos térmicos e pela adição de outras substâncias.

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•A utilização de um material era totalmente um processo de seleção:

•Decidia-se, a partir de um conjunto relativamente limitado de materiais disponíveis, aquele que era o mais adequado para uma dada aplicação em virtude de suas características.

•Não foi senão em tempos relativamente recentes que os cientistas compreenderam as relações entre os elementos estruturais dos materiais e suas propriedades.

•Dezenas de milhares de materiais diferentes foram desenvolvidos com características relativamente específicas que atendem as necessidades de nossa moderna e complexa sociedade; estes incluem metais, plásticos, vidros e fibras.

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•O desenvolvimento de muitas tecnologias que tornam a nossa existência tão confortável tem estado intimamente associado com a acessibilidade a materiais adequados.

•Um avanço na compressão de um tipo de material é freqüentemente o precursor da progressão escalonada de uma tecnologia

Por exemplo:Os automóveis não teriam sido possíveis sem a disponibilidade de aço a baixo custo ou de algum outro substituto comparável.

Em nossos tempos, dispositivos eletrônicos sofisticados dependem de componentes que são feitos a partir dos chamados materiais semicondutores.

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1.2 Ciências e Engenharia dos Materiais

•Ciência dos materiais: Envolve a investigação das relações que existem entre as estruturas e as propriedades dos materiais

•Engenharia de Materiais: Consiste, na escolha e uso da estrutura de um material para produzir uma série de propriedades pré - determinadas.

•Devemos chamar a atenção para as relações existentes entre as propriedades dos materiais e os elementos estruturais

•A estrutura de um material está geralmente relacionada ao arranjo de seus componentes internos.

• Devem ser considerados vários níveis de estudo:

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•A estrutura subatômica envolve elétrons no interior dos átomos individuais e a interação com seus núcleos. No nível atômico, a estrutura engloba a organização dos átomos ou moléculas entre si

• Nível Macroscópico : são os elementos estruturais que podem ser vistos a olho nu.

•Nível microscópico: grandes grupos de átomos ou moléculas aglomerados (com a possibilidade de observação direta da estrutura com um microscópio).

Ex : estrutura eletrônica; estrutura cristalina

Ex : microestrutura

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Relação Estrutura x Propriedades

• As propriedades “cotidianas” dos materiais dependem da estrutura em escala atômica da microestrutura (estrutura em escala intermediária)

Fibras de vidro em uma matriz de polímero.

Alumínio (estrutura cúbica)

Magnésio (estrutura hexagonal)

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•Virtualmente, todas as propriedades importantes dos materiais sólidos podem ser agrupadas em seis categorias diferentes: mecânica – elétrica – térmica – magnética – ótica e deteriorativa.

•Propriedade é uma peculiaridade do material em termos do tipo e da intensidade da resposta a um estímulo específico que lhe é imposto.

Ex : Enquanto em uso, todos os materiais estão expostos a estímulos externos que provocam algum tipo de resposta “ uma amostra sujeita a força irá experimentar uma deformação”.

•Mecânicas – relacionam deformações com uma carga ou força aplicada. Ex. módulo de elasticidade e a resistência.

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Térmica - O comportamento térmico de um sólido pode ser representado em termos da capacidade calorífica e da condutividade térmica.

Magnéticas – demonstram a resposta de um material à aplicação de um campo magnético.

Óticas – o estímulo é a radiação eletromagnética ou luminosa. Ex. índice de refração e a refletividade

Deteriorativas - indicam a reatividade química dos materiais.

Elétricas: O estímulo é um campo elétrico. Ex.condutividade elétrica e a constante dielétrica.

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•Com respeito às relações destes quatro componentes, a estrutura de um material irá depender da maneira como ele é processado

•Além disso, o desempenho de um material será uma função das suas propriedades.Assim, a inter-relação entre processamento, estrutura, propriedades e desempenho é linear, conforme esquema abaixo.

Processamento Estrutura Propriedade Desempenho

Além da estrutura e propriedade, dois outros componentes importantes estão envolvidos na ciência e na engenharia dos materiais, quais sejam, processamento e desempenho.

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Ex: propriedades ópticas(TRANSMITÂNCIA DA LUZ) de cada um dos três materiais são diferentes.

Material Óxido de Aluminio1)monocristal;2)numerosos monocristais muitos pequenos3) composta não somente por muitos cristais pequenos interligados, mas também por um grande número de poros ou espaços vazios muitos pequenos

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Ex: Alumina porosa e não-porosa

A presença de poros causa espalhamento de luz e o material se torna opaco.

50 µm

Poros

50 µm

A eliminação dos poros através da adição de 0.1% de MgO gera um material translúcido.

Lâmpada de vapor de sódio. O gás em alta temperatura (1000ºC) é guardado dentro de um cilindro translúcido de alumina.

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1.3 Porque estudar Ciência e engenharia dos Materiais?

Muitos engenheiros(civis, mecânicos, químicos ou elétricos) irão uma vez ou outra ficar expostos a um problema de projeto que envolva materiais.

Ex: a superestrutura de uma ponte, uma engrenagem de transmissão, um componente de uma refinaria de petróleo, ou um chip de circuito integrado

•Muitas vezes, um problema de materiais consiste na seleção do material correto dentre muitos milhares de materiais disponíveis:

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QUANTOS MATERIAIS DIFERENTES EXISTEM ?

Entre 40000 e 80000 diferentes, contando as variantes

de tratamento térmico e composição de cada material

COMO ESCOLHER ??

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Exemplo: Copo

Como definir qual o melhor material para um determinado fim?

• Vidro• Cerâmica• Plástico• Madeira• Metal• Papel

Depende

• Custo• Tempo de vida ou

Durabilidade• Aparência• Finalidade: Natureza do

líquido (ex: copo de metal e papel não pode ser usado para café, suco de laranja não pode ser armazenado numa taça antiga de peltre porque remove o Pb da liga)

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Em primeiro lugar, as condições de serviço devem ser caracterizadas, uma vez que estas irão ditar as propriedades exigidas do material.

•Existem vários critérios nos quais a decisão final está normalmente baseada:

Somente em raras ocasiões é que um material possui a combinação máxima ou ideal de propriedades.

Um exemplo: envolve a resistência e a ductilidade; normalmente, um material que possui uma alta resistência terá apenas uma ductilidade limitada.

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Uma segunda consideração de seleção é qualquer deterioração das propriedades dos materiais que possa ocorrer durante a operação em serviço.

Por exemplo, reduções significativas na resistência mecânica podem resultar da exposição a temperaturas elevadas ou a ambientes corrosivos.

Por fim, provavelmente a consideração dominante estará relacionada aos fatores econômicos:

Quanto irá custar o produto já acabado?

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““Quanto mais familiarizado estiver o Quanto mais familiarizado estiver o

engenheiro com as varias características e engenheiro com as varias características e

relações estrutura – propriedades, bem como relações estrutura – propriedades, bem como

com as técnicas de processamento dos com as técnicas de processamento dos

materiais, mais capacitado e confiante ele materiais, mais capacitado e confiante ele

estará para fazer opções ponderadas de estará para fazer opções ponderadas de

materiais com base nestes critérios”.materiais com base nestes critérios”.

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Seleção de Materiais• Ex: Cilindro de armazenamento de gases

Requerimento: resistir a altas pressões (14MPa)

ResistênciaMetais

Cerâmicas Polímeros

Semicondutores Compósitos

Flexibilidade Custo

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Seleção de Materiais• Ex: Vaso de pressão de uma aeronave

Requerimento: resistir a altas pressões e ser leve Aqui o custo é menos importante do que a funcionalidade

Prefere-se um material leve e forte, mesmo sendo caro.

Metais Cerâmicas Polímeros

Semicondutores Compósitos

Resistência Flexibilidade Leveza

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Seleção de Materiais

Decisões profissionais:

Desempenho

Atualização

Manutenção

Aspectos econômicos

Considerações ambientais.

Reator Nuclear

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Casa construída com materiais reciclados, conservando os recursos da terra e energia, ao mesmo tempo em que se preserva o meio ambiente.

Para fabricar os metais reciclados, vidros,

concretos, etc é necessário empregar um alto nível de tecnologia e de desenvolvimento de materiais, a fim de poder

competir em custo e qualidade com os

materiais convencionais.

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SELEÇÃO DOS MATERIAIS POR ÍNDICE DE MÉRITO

• Ex. Resistência:Material Aço-liga Ti Al PRFC

(alta resist.) (AA7074)

Resist. (MPa) 1000 800 500 700à tração

PRFC= Polímero reforçado com fibra de carbono

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SELEÇÃO DOS MATERIAIS POR ÍNDICE DE MÉRITO

Ex. Resistência/peso:

Material Aço-liga Ti Al PRFC (alta resist.) (AA7074)

133 170 185 390

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1.4 Classificação dos Materiais

Os materiais sólidos têm sido convenientemente agrupados em três classificações básicas:

metais, cerâmicos e polímeros.

•Baseado principalmente na composição química e estrutura atômica, e a maioria dos materiais se encaixa em um outro grupo distinto, embora existam alguns materiais intermediários.

compósitos, semicondutores e biomateriais.

Outros grupos de materiais importantes na engenharia:

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•Possuem um número grande de elétrons não localizados, isto é, estes elétrons não estão ligados a qualquer átomo em particular.

•Muitas propriedades dos metais são atribuídas diretamente a estes elétrons.•Os metais são condutores extremamente bons de eletricidade e calor.•Não são transparentes à luz visível.

•Uma superfície metálica polida possui uma aparência lustrosa.

•Os metais são muito resistentes, e ainda assim deformáveis.

METAIS

Materiais metálicos: São normalmente combinações de elementos metálicos.

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METAIS

Ex; aço estrutural, molas, grampos

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Os metais na tabela periódica

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•São compostos formados entre os elementos metálicos e não

metálicos;

CERÂMICOS

•São freqüentemente óxidos, nitretos e carbetos.•A grande variedade de materiais que se enquadra nesta

classificação inclui cerâmicos que são compostos por minerais

argilosos, cimento e vidro.•São materiais tipicamente isolantes à passagem de eletricidade e

calor e são mais resistentes a altas temperaturas e ambientes

abrasivos do que os metais e polímeros. •Com relação ao comportamento mecânico, os cerâmicos são duros,

porém muito quebradiços.

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Cerâmicas e vidros

Fornos feitos de cerâmica e vidro provê boas propriedades térmicase mecânicas. A caçarola pode resistir ao choque térmico simultâneo de alta e baixa temperatura.

ALUMINA

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As cerâmicas na tabela periódica

Cerâmicas são formadas por combinação de metais (quadrados mais claros) com os elementos C, N, O, P e S.

Si e Ge são semicondutores mas são usados em cerâmicas de forma equivalente a metais

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• Os polímeros compreendem os materiais comuns de plásticos e

borracha.

POLÍMEROS

•Muitos deles são compostos orgânicos que têm sua química

baseada no carbono, no hidrogênio e em outros elementos não-

metálicos; além disso, eles possuem estruturas moleculares muito

grandes.

•Estes materiais possuem tipicamente baixas densidades e podem

ser extremamente flexíveis.

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POLÍMEROS

Fonte: Materials Science for engineers : Shackelford J. F.

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Os polímeros na tabela periódica

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•É um material formado por uma mistura ou combinação de dois ou

mais micro ou macro constituintes que diferem na forma e na

composição química e que, na sua essência, são insolúveis uns nos

outros.

COMPÓSITOS

•A fibra de vidro é um exemplo familiar, no qual fibras de vidro são

incorporadas no interior de um material polimérico.

•Um compósito é projetado para mostrar uma combinação das

melhores características de cada um dos materiais que o compõe.

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Fibra de Vidro Madeira Concreto

Compósitos

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•Possuem propriedades elétricas que são intermediárias entre

aquelas apresentadas pelos condutores elétricos e pelos isolantes.

SEMICONDUTORES

•Além disso, as características elétricas destes materiais são

extremamente sensíveis à presença de minúsculas concentrações

de átomos de impurezas, concentrações que podem ser

controladas ao longo de regiões espaciais muito pequenas.

•Os semicondutores tornaram possível o advento dos circuitos

integrados

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Semicondutores

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Os semicondutores na tabela periódica

Quando combinados entre si (coluna III-V e II-VI) os metais (quadrados claros) assumem propriedades semicondutoras.

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BIOMATERIAIS

• Os biomateriais são empregados em componentes implantados no

interior do corpo humano para a substituição de partes do corpo

doentes ou danificados.

•Esses materiais não devem produzir substâncias tóxicas e devem

ser compatíveis com os tecidos do corpo.

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MATERIAIS AVANÇADOS– São materiais utilizados em aplicações de tecnologia

de ponta, ou seja, são materias utilizados para a fabricação de dispositivos ou componentes que funcionam ou operam usando princípios sofiscados

– Exemplos destas aplicações incluem: equipamentos eletrônicos (VCRs, CD players, DVDs), computadores, sistemas de fibra óptica, foguetes e mísseis militares, detectores, lasers, displays de cristal líquido, indústria aeroespacial, etc.

– Estes materiais são geralmente materiais tradicionais cujas propriedades são optimizadas ou materiais novos de alto desempenho.

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ALGUMAS CONSIDERAÇÕES SOBRE A NECESSIDADE DE MATERIAIS MODERNOS

• Materias que apresentem:- Alto desempenho- Baixo peso e alta resistência- Resistência à altas temperaturas- Desenvolvimento de materiais que sejam

menos danosos ao meio ambiente e mais fáceis de serem reciclados ou regenerados