Profa. Dra. Rachel Magnago

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CIÊNCIAS DOS MATERIAIS

• Profa. Dra. Rachel Magnago
• rachel.magnago_at_unisul.br

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ASSUNTO

• Introdução à ciência e engenharia dos materiais

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PROGRAMA DISCIPLINA
AULAS TEÓRICAS 1. Introdução à ciência e
engenharia dos materiais e classificação dos
materiais 2. Ligação química nos
sólidos - Energias e forças de ligações - Ligações
interatômicas primárias - Ligação de Van der
Waals 3. Materiais cristalinos -Estrutura
cristalina conceitos fundamentais, célula
unitária, - Sistemas cristalinos,
- Polimorfismo e alotropia - Direções e planos
cristalográficos, anisotropia, - Determinação
das estruturas cristalinas por difração de
raios-x.
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PROGRAMA DISCIPLINA
AULAS TEÓRICAS 4. Imperfeições cristalinas -
Defeitos pontuais - Defeitos de linha
(discordâncias) -   Defeitos de interface (grão e
maclas) -  Defeitos volumétricos (inclusões,
precipitados) 5.Mecanismos de movimento atômico
(difusão) - Mecanismo da difusão -  Fatores que
influem na difusão -  Difusão no estado
estacionário -  Difusão no estado
não-estacionário 6. Propriedades Mecânicas dos
Metais - Deformação elástica e deformação
plástica - Coeficiente de Poisson
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PROGRAMA DISCIPLINA
AULAS TEÓRICAS 7. Discordâncias e Mecanismos de
Aumento de Resistência - Conceitos básicos
características das discordâncias, sistemas de
escorregamento - Aumento da resistência por
diminuição do tamanho de grão -  Aumento da
resistência por solução sólida - Encruamento,
recuperação, recristalização e crescimento de
grão 8. Falha nos metais - Fratura dúctil,
fratura frágil - Fluência nos metais - Fadiga
nos metais
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BIBLIOGRAFIA

• 1-Van Vlack L.H., Princípios de Ciência dos
  Materiais, Ed. Edgard Blücher, S.P.
• 2- William D. Callister Jr., Introdução à Ciência
  e Engenharia de Materiais, Ed. LTC, 2000.
• 3- Chiaverini V., Tecnologia Mecânica, Vol. I e
  III Ed. McGraw Hill S.P

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INTRODUÇÃO

• As propriedades dos materiais definem
• o desempenho de um determinado componente e o
  processo de fabricação do mesmo.

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RELAÇÃO ENTRE MICROESTRUTURA, PROCESSAMENTO,
PROPRIEDADES E DESEMPENHO
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PERSPECTIVA HISTÓRICA Inicialmente se
utilizavam somente materiais naturais pedra,
madeira, argila, peles.
Cerca de 5 mil anos a.C. ? os primeiros
utensílios domésticos. Utensílios a partir de
metais e ligas, desenvolvendo o arado, a carroça,
as embarcações a vela.
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PROCESSAMENTO E DESEMPENHO
Processamento conjunto de técnicas para obtenção
de materiais com formas e propriedades
específicas. Desempenho resposta do material a
um estímulo externo.
Três amostras de alumina (Al2O3) processadas por
diferentes rotas. Da esquerda para a direita (i)
monocristal (transparente), (ii) policristal
denso (translúcido) e (iii) policristal poroso
(opaco).
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Efeito da microestrutura nas propriedades da
alumina
Fonte Prof. Sidnei Paciornik do Departamento de
Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio

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• O número de materiais cresceu muito nas últimas
  décadas e a tendência é de se proliferarem mais
  num futuro próximo
• Desenvolvimento e aperfeiçoamento dos métodos de
  extração de materiais da natureza
• Modificação de materiais naturais
• Combinação de materiais conhecidos para a
  formação de novos materiais

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Como definir qual o melhor material para um
determinado fim? Exemplo Copo

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

• Custo
• Tempo de vida ou Durabilidade
• Aparência
• Finalidade Natureza do líquido

Depende
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SELEÇÃO DOS MATERIAIS

• Resistencia
• Resistencia/peso
• Custo p/Kg/US

Material Liga de aço Titânio Alumínio (AA7074) PRFC
Resistência à tração (MPa) 1.000 800 500 700
Material Liga de aço Titânio Alumínio (AA7074) PRFC
Resistencia/peso 133 170 185 390
Material Liga de aço Titânio Alumínio (AA7074) PRFC
Custo p/Kg/US 0,75 15 3 20
PRFC Polímero reforçado com fibra de carbono
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Como escolher?

• Em raras ocasiões um material reúne uma
  combinação ideal de propriedades!
• Ex. resistência X ductilidade
• ? resistência ? ductilidade

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

• Em primeiro lugar, o engenheiro deve caracterizar
  quais as condições de operação que será submetido
  o referido material e levantar as propriedades
  requeridas para tal aplicação, saber como esses
  valores foram determinados e quais as limitações
  e restrições quanto ao uso dos mesmos.

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

• A segunda consideração na escolha do material
  refere-se ao levantamento sobre o tipo de
  degradação que o material sofrerá em serviço.
• Por exemplo, elevadas temperaturas e ambientes
  corrosivos diminuem consideravelmente a
  resistência mecânica.

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

• Provavelmente a econômica definira
• Qual o custo do produto acabado???
• Um material pode reunir um conjunto ideal de
  propriedades, porém com custo elevadíssimo.

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TIPOS DE INDÚSTRIA - INFLUÊNCIA DOS MATERIAIS
INDÚSTRIA DE PONTA
PRODUÇÃO EM MASSA
Figura copiada do material do Prof. Arlindo Silva
do Instituto Superior Técnico da Universidade
de Portugal
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CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS

• Metais
• Cerâmicas
• Polímeros
• Compósitos
• Semicondutores
• Biomateriais (Mat. Biocompatíveis)

Classificação tradicional
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CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS

• Metais

• Materiais metálicos são geralmente uma combinação
  de elementos metálicos.
• Os elétrons não estão ligados a nenhum átomo em
  particular e por isso são bons condutores de
  calor e eletricidade
• Não são transparentes à luz visível
• Têm aparência lustrosa quando polidos
• Geralmente são resistentes e deformáveis
• São muito utilizados para aplicações estruturais

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CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS

• Materiais cerâmicos são geralmente uma combinação
  de elementos metálicos e não-metálicos.
• Geralmente são óxidos, nitretos e carbetos
• São geralmente isolantes de calor e eletricidade
• São mais resistentes à altas temperaturas e à
  ambientes severos que metais e polímeros
• Com relação às propriedades mecânicas as
  cerâmicas são duras, porém frágeis
• Em geral são leves

• Cerâmicas

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CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS

• Materiais poliméricos são geralmente compostos
  orgânicos baseados em carbono, hidrogênio e
  outros elementos não-metálicos.
• São constituídos de moléculas muito grandes
  (macro-moléculas)
• Tipicamente, esses materiais apresentam baixa
  densidade e podem ser extremamente flexíveis
• Materiais poliméricos incluem plásticos e
  borrachas

• Polímeros

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CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS

• Materiais compósitos são constituídos de mais de
  um tipo de material insolúveis entre si.
• Os compósitos são desenhados para apresentarem
  a combinação das melhores características de
  cada material constituinte
• Muitos dos recentes desenvolvimento em materiais
  envolvem materiais compósitos
• Um exemplo clássico é o compósito de matriz
  polimérica com fibra de vidro. O material
  compósito apresenta a resistência da fibra de
  vidro associado a flexibilidade do polímero

• Compósitos

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CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS

• Materiais semicondutores apresentam propriedades
  elétricas que são intermediárias entre metais e
  isolantes
• Além disso, as características elétricas são
  extremamente sensíveis à presença de pequenas
  quantidades de impurezas, cuja concentração pode
  ser controlada em pequenas regiões do material
  (para formar as junções p-n)
• Os semicondutores tornaram possível o advento do
  circuito integrado que revolucionou as indústrias
  de eletrônica e computadores
• Ex Si, Ge, GaAs, InSb, GaN, CdTe..

• Semicondutores

InP
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CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS

• Biomateriais são empregados em componentes para
  implantes de partes em seres humanos
• Esses materiais não devem produzir substâncias
  tóxicas e devem ser compatíveis com o tecido
  humano (isto é, não deve causar rejeição).
• Metais, cerâmicos, compósitos e polímeros podem
  ser usados como biomateriais.

• Biomateriais

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EVOLUÇÃO DA UTLIZAÇÃO DOS MATERIAIS
Fonte Prof. Arlindo Silva do Instituto Superior
Técnico da Universidade de Portugal
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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 sofisticados
• Exemplos destas aplicações incluem equipamentos
  eletrônicos (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 otimizadas ou
  materiais novos de alto desempenho.

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ALGUMAS CONSIDERAÇÕES SOBRE A NECESSIDADE DE
MATERIAIS MODERNOS

• Matérias 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

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Efeitos Ambientais Sobre os MATERIAIS

• Temperaturas (altas e baixas)
• Tensões mecânicas cíclicas
• Impactos súbitos
• Corrosão
• Oxidação
• Radiação
• Animais e plantas

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Temperatura
Material / Temperatura Temperaturas elevadas Temperaturas baixas
Metais e ligas Perdem a resistência Frágil
Polímeros Fundem ou queimam Frágil
Cerâmicas Fundem ou queimam Frágil

World Trade Center 11/09/01
Challenger 01/02/03
Titanic 10/04/12
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Corrosão

• Ocorre principalmente com metais e também com
  polímeros.
• Líquidos corrosivos (ácidos e alcalinos).
• Aneel financia projetos de desenvolvimento
  tecnológico para novas formas de energia,
  materiais resistentes a corrosão pela maresia e
  oxidação.

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Fadga

• Os componentes devem ser projetados e utilizados
  para que a carga mecânica não chegue causar
  deformações permanentes.
• Falha de fadiga microtrincas
• trincas
• ruptura

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Taxa de deformação

• É a taxa de mudança da deformação, ou seja a
  quantidade de deformação colocada em um material
  por unidade de tempo.

Sofre estiramento quando for deformado lentamente
(baixa taxa de deformação) e se rompe se for
deformado rapidamente (alta taxa de
deformação). - Polímeros e metais
Silly Putty