pompeu*Introduo a Cincia e Engenharia dos MateriaisTE:09004Prof. Dr. Bernardo Borges Pompeu NetoFaculdade de Engenharia CivilUNIVERSIDADE FEDERAL DO PARINSTITUTO DE TECNOLOGIAFACULDADE DE ENGENHARIA CIVILe-mail : pompeu@ufpa.br Tel: 3201-7615

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pompeu** ProgramaIntroduo Objetivo. Os materiais na Engenharia. Ligao Atmica. Uma reviso. Modelos de tomos. Ligaes qumicas. Ordenao Atmica dos Materiais. Cristalinidade. Estrutura cristalina. Sistemas cristalinos. Indexao de pontos, direes e planos em cristais. Difrao de R-X. Desordem atmica dos Materiais. Cristais perfeitos, imperfeitos e materiais amorfos. Defeitos na rede cristalina : pontuais, lineares, superficiais e volumtricos. Vibraes atmicas. Difuso. Diagramas de Fase. Definio de fase. Diagramas de fase de substncias puras ou elementos. Diagrama isomorfo. Regra da alavanca. Diagrama euttico. Diagrama ferro-carbono. Propriedades Mecnicas. Propriedades vs. estrutura. Deformao elstica. Deformao plstica. Diagrama tenso e deformao de engenharia e real. Caracterizao mecnica dos materiais: limite de resistncia, limite de escoamento, ductilidade. Escoamento e encruamento. Endurecimento, recuperao, recristalizao e crescimento de gro. Fratura. Fadiga. Fluncia. Os Materiais Metlicos. Ligas ferrosas. Ferros fundidos Ligas no-ferrosas Os Materiais Cermicos. Estrutura cristalina e fases amorfas. Comportamento mecnico, eltrico e ptico. Os Materiais Polimricos. Estrutura. Reaes de Polimerizao. Termoplsticos e termofixos. Aditivos. Propriedades mecnicas. Os Materiais Compsitos. Classificao. Propriedades mecnicas. Regra das Misturas.

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Livro Texto e Referncias eBibliogrficas

W.D.Callister, Ciencia e Engenharia de Materiais : Uma introduo -LTC- Livros tcnicos e Cientficos Editora S.A , 2002

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

Van Vlack, L.H, Prcipios de Cincia e Tecnologia dos Materiais Editora Campus, 1984

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pompeu*OBJETIVO DO CURSO Desenvolver uma avaliao em Materiais. Entender os princpios fundamentais de Cincia de Materiais e como aplic-lo em materiais de Engenharia Civil Melhorar interao com seus colegas. Ter uma experincia agradvel com a " prtica" de Engenharia

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pompeu*SEMINRIOS2- Microestrutura do Concreto (02/10) 1- Caractersticas, Aplicaes, e processamento dos polmeros (27/09/2007) 3- Aplicaes e processamento das Cermicas(16/10) 5- Diagrama de fase (25/10) 4- Propriedades Mecnicas de Materiais Cermicos(18/10) 6- Aplicao e Processamento dos Polmeros (06/11) 8- Corroso de Metais (27/11)

7- Corroso de Mat.Cermicos e Degradao de polmeros (27/11) 9- Compsitos Reforados com Fibras e com Partculas grandes (18/12) 10-Questes Econmicas, Ambientais e Sociais na Cincia e Eng dos Mat. (06/12)

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pompeu*"Materiais: quanto melhores forem, melhores sero as obras de engenharia. Por isso, todas as engenharias so, ou deveriam ser, em certo grau... Engenharia de Materiais." William. F. Smith

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pompeu*1. Introduo1.1 Perspectiva Histrica Ns vivemos em um mundo em que a posse de materiais define nossas relao social e qualidade de vida econmica.

Cada seguimento de nossas vidas dirias influenciado em maior ou menor grau pelos materiais.Historicamente, o desenvolvimento e o avano das sociedades tm estado intimamente ligados s habilidades dos seus membros em produzir e manipular materiais para satisfazer as suas necessidades. Transportes, habitao, vesturio, comunicao, recreao e produtos alimentcios.

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pompeu*Os primeiros seres humanos tiveram acesso a apenas um nmero limitado de materiais Ex: pedra, madeira, argila, peles etc.Com o tempo descobriram tcnicas para a produo de materiais que tinham propriedades superiores s dos produtos naturaisEx : cermica e vrios metaisAs civilizaes antigas foram designadas pelo nvel de seus desenvolvimentos em relao aos materiais: Idade da pedra, idade do bronze.Alm disso, foi descoberto que as propriedades de um material poderiam ser alteradas atravs de tratamentos trmicos e pela adio de outras substncias.

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pompeu*A utilizao de um material era totalmente um processo de seleo:Decidia-se, a partir de um conjunto relativamente limitado de materiais disponveis, aquele que era o mais adequado para uma dada aplicao em virtude de suas caractersticas.No foi seno em tempos relativamente recentes que os cientistas compreenderam as relaes entre os elementos estruturais dos materiais e suas propriedades.Dezenas de milhares de materiais diferentes foram desenvolvidos com caractersticas relativamente especficas que atendem as necessidades de nossa moderna e complexa sociedade; estes incluem metais, plsticos, vidros e fibras.

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pompeu*O desenvolvimento de muitas tecnologias que tornam a nossa existncia to confortvel tem estado intimamente associado com a acessibilidade a materiais adequados.Um avano na compresso de um tipo de material freqentemente o precursor da progresso escalonada de uma tecnologiaPor exemplo:Os automveis no teriam sido possveis sem a disponibilidade de ao a baixo custo ou de algum outro substituto comparvel.Em nossos tempos, dispositivos eletrnicos sofisticados dependem de componentes que so feitos a partir dos chamados materiais semicondutores.

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pompeu*1.2 Cincias e Engenharia dos MateriaisCincia dos materiais: Envolve a investigao das relaes que existem entre as estruturas e as propriedades dos materiaisEngenharia de Materiais: Consiste, na escolha e uso da estrutura de um material para produzir uma srie de propriedades pr - determinadas.Devemos chamar a ateno para as relaes existentes entre as propriedades dos materiais e os elementos estruturais A estrutura de um material est geralmente relacionada ao arranjo de seus componentes internos. Devem ser considerados vrios nveis de estudo:

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pompeu*A estrutura subatmica envolve eltrons no interior dos tomos individuais e a interao com seus ncleos. No nvel atmico, a estrutura engloba a organizao dos tomos ou molculas entre si Nvel Macroscpico : so os elementos estruturais que podem ser vistos a olho nu.Nvel microscpico: grandes grupos de tomos ou molculas aglomerados (com a possibilidade de observao direta da estrutura com um microscpio).Ex : estrutura eletrnica; estrutura cristalina Ex : microestrutura

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pompeu**Relao Estrutura x PropriedadesAs propriedades cotidianas dos materiais dependem da estrutura em escala atmica da microestrutura (estrutura em escala intermediria)

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pompeu*Virtualmente, todas as propriedades importantes dos materiais slidos podem ser agrupadas em seis categorias diferentes: mecnica eltrica trmica magntica tica e deteriorativa. Propriedade uma peculiaridade do material em termos do tipo e da intensidade da resposta a um estmulo especfico que lhe imposto. Ex : Enquanto em uso, todos os materiais esto expostos a estmulos externos que provocam algum tipo de resposta uma amostra sujeita a fora ir experimentar uma deformao. Mecnicas relacionam deformaes com uma carga ou fora aplicada. Ex. mdulo de elasticidade e a resistncia.

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pompeu*Trmica - O comportamento trmico de um slido pode ser representado em termos da capacidade calorfica e da condutividade trmica.Magnticas demonstram a resposta de um material aplicao de um campo magntico.ticas o estmulo a radiao eletromagntica ou luminosa. Ex. ndice de refrao e a refletividade Deteriorativas - indicam a reatividade qumica dos materiais.Eltricas: O estmulo um campo eltrico. Ex.condutividade eltrica e a constante dieltrica.

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pompeu*Com respeito s relaes destes quatro componentes, a estrutura de um material ir depender da maneira como ele processado Alm disso, o desempenho de um material ser uma funo das suas propriedades.Assim, a inter-relao entre processamento, estrutura, propriedades e desempenho linear, conforme esquema abaixo.Processamento Estrutura Propriedade DesempenhoAlm da estrutura e propriedade, dois outros componentes importantes esto envolvidos na cincia e na engenharia dos materiais, quais sejam, processamento e desempenho.

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pompeu*Ex: propriedades pticas(TRANSMITNCIA DA LUZ)de cada um dos trs materiais so diferentes.

Material xido de Aluminio1)monocristal;2)numerosos monocristais muitos pequenos3) composta no somente por muitos cristais pequenos interligados, mas tambm por um grande nmero de poros ou espaos vazios muitos pequenos

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pompeu*Ex: Alumina porosa e no-porosaA presena de poros causa espalhamento de luz e o material se torna opaco.A eliminao dos poros atravs da adio de 0.1% de MgO gera um material translcido.Lmpada de vapor de sdio. O gs em alta temperatura (1000C) guardado dentro de um cilindro translcido de alumina.

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pompeu*1.3 Porque estudar Cincia e engenharia dos Materiais?Muitos engenheiros(civis, mecnicos, qumicos ou eltricos) iro uma vez ou outra ficar expostos a um problema de projeto que envolva materiais. Ex: a superestrutura de uma ponte, uma engrenagem de transmisso, um componente de uma refinaria de petrleo, ou um chip de circuito integrado Muitas vezes, um problema de materiais consiste na seleo do material correto dentre muitos milhares de materiais disponveis:

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pompeu*QUANTOS MATERIAIS DIFERENTES EXISTEM ?COMO ESCOLHER ??

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pompeu*Exemplo: CopoComo definir qual o melhor material para um determinado fim? VidroCermicaPlsticoMadeiraMetalPapelDependeCustoTempo de vida ou DurabilidadeAparnciaFinalidade: Natureza do lquido (ex: copo de metal e papel no pode ser usado para caf, suco de laranja no pode ser armazenado numa taa antiga de peltre porque remove o Pb da liga)

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pompeu*Em primeiro lugar, as condies de servio devem ser caracterizadas, uma vez que estas iro ditar as propriedades exigidas do material. Existem vrios critrios nos quais a deciso final est normalmente baseada:Somente em raras ocasies que um material possui a combinao mxima ou ideal de propriedades. Um exemplo: envolve a resistncia e a ductilidade; normalmente, um material que possui uma alta resistncia ter apenas uma ductilidade limitada.

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pompeu*Uma segunda considerao de seleo qualquer deteriorao das propriedades dos materiais que possa ocorrer durante a operao em servio.Por exemplo, redues significativas na resistncia mecnica podem resultar da exposio a temperaturas elevadas ou a ambientes corrosivos.Por fim, provavelmente a considerao dominante estar relacionada aos fatores econmicos:Quanto ir custar o produto j acabado?

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pompeu*Quanto mais familiarizado estiver o engenheiro com as varias caractersticas e relaes estrutura propriedades, bem como com as tcnicas de processamento dos materiais, mais capacitado e confiante ele estar para fazer opes ponderadas de materiais com base nestes critrios.

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pompeu*Seleo de MateriaisEx: Cilindro de armazenamento de gases Requerimento: resistir a altas presses (14MPa) ResistnciaMetais Cermicas Polmeros Semicondutores CompsitosFlexibilidadeCusto

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pompeu*Seleo de MateriaisEx: Vaso de presso de uma aeronave Requerimento: resistir a altas presses e ser leve Aqui o custo menos importante do que a funcionalidade Prefere-se um material leve e forte, mesmo sendo caro.Metais Cermicas Polmeros Semicondutores Compsitos ResistnciaFlexibilidadeLeveza

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pompeu*Seleo de MateriaisDecises profissionais:DesempenhoAtualizaoManutenoAspectos econmicosConsideraes ambientais.Reator Nuclear

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pompeu*Casa construda 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 necessrio empregar um alto nvel de tecnologia e de desenvolvimento de materiais, a fim de poder competir em custo e qualidade com os materiais convencionais.

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pompeu*SELEO DOS MATERIAIS POR NDICE DE MRITOEx. Resistncia:Material Ao-liga Ti Al PRFC (alta resist.) (AA7074)

Resist. (MPa) 1000 800 500700 traoPRFC= Polmero reforado com fibra de carbono

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pompeu*SELEO DOS MATERIAIS POR NDICE DE MRITO Ex. Resistncia/peso:Material Ao-liga Ti Al PRFC (alta resist.) (AA7074)

133 170 185 390

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pompeu*1.4 Classificao dos MateriaisOs materiais slidos tm sido convenientemente agrupados em trs classificaes bsicas:metais, cermicos e polmeros.Baseado principalmente na composio qumica e estrutura atmica, e a maioria dos materiais se encaixa em um outro grupo distinto, embora existam alguns materiais intermedirios.compsitos, semicondutores e biomateriais.Outros grupos de materiais importantes na engenharia:

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pompeu*Possuem um nmero grande de eltrons no localizados, isto , estes eltrons no esto ligados a qualquer tomo em particular. Muitas propriedades dos metais so atribudas diretamente a estes eltrons.Os metais so condutores extremamente bons de eletricidade e calor.No so transparentes luz visvel. Uma superfcie metlica polida possui uma aparncia lustrosa.Os metais so muito resistentes, e ainda assim deformveis. METAIS Materiais metlicos: So normalmente combinaes de elementos metlicos.

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pompeu*METAIS Ex; ao estrutural, molas, grampos

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pompeu*Os metais na tabela peridica

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pompeu*So compostos formados entre os elementos metlicos e no metlicos; CERMICOS So freqentemente xidos, nitretos e carbetos.A grande variedade de materiais que se enquadra nesta classificao inclui cermicos que so compostos por minerais argilosos, cimento e vidro.So materiais tipicamente isolantes passagem de eletricidade e calor e so mais resistentes a altas temperaturas e ambientes abrasivos do que os metais e polmeros. Com relao ao comportamento mecnico, os cermicos so duros, porm muito quebradios.

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pompeu*Cermicas e vidrosFornos feitos de cermica e vidro prov boas propriedades trmicase mecnicas. A caarola pode resistir ao choque trmico simultneo de alta e baixa temperatura.

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pompeu*As cermicas na tabela peridica Cermicas so formadas por combinao de metais (quadrados mais claros) com os elementos C, N, O, P e S. Si e Ge so semicondutores mas so usados em cermicas de forma equivalente a metais

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pompeu* Os polmeros compreendem os materiais comuns de plsticos e borracha. POLMEROS

Muitos deles so compostos orgnicos que tm sua qumica baseada no carbono, no hidrognio e em outros elementos no-metlicos; alm disso, eles possuem estruturas moleculares muito grandes. Estes materiais possuem tipicamente baixas densidades e podem ser extremamente flexveis.

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pompeu*POLMEROSFonte: Materials Science for engineers : Shackelford J. F.

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pompeu*Os polmeros na tabela peridica

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pompeu* um material formado por uma mistura ou combinao de dois ou mais micro ou macro constituintes que diferem na forma e na composio qumica e que, na sua essncia, so insolveis uns nos outros.COMPSITOS A fibra de vidro um exemplo familiar, no qual fibras de vidro so incorporadas no interior de um material polimrico.Um compsito projetado para mostrar uma combinao das melhores caractersticas de cada um dos materiais que o compe.

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pompeu*Fibra de VidroMadeiraConcretoCompsitos

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pompeu*Possuem propriedades eltricas que so intermedirias entre aquelas apresentadas pelos condutores eltricos e pelos isolantes. SEMICONDUTORES Alm disso, as caractersticas eltricas destes materiais so extremamente sensveis presena de minsculas concentraes de tomos de impurezas, concentraes que podem ser controladas ao longo de regies espaciais muito pequenas.Os semicondutores tornaram possvel o advento dos circuitos integrados

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pompeu*Semicondutores

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pompeu**Os semicondutores na tabela peridicaQuando combinados entre si (coluna III-V e II-VI) os metais (quadrados claros) assumem propriedades semicondutoras.

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pompeu*BIOMATERIAIS Os biomateriais so empregados em componentes implantados no interior do corpo humano para a substituio de partes do corpo doentes ou danificados.

Esses materiais no devem produzir substncias txicas e devem ser compatveis com os tecidos do corpo.

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pompeu*MATERIAIS AVANADOSSo materiais utilizados em aplicaes de tecnologia de ponta, ou seja, so materias utilizados para a fabricao de dispositivos ou componentes que funcionam ou operam usando princpios sofiscadosExemplos destas aplicaes incluem: equipamentos eletrnicos (VCRs, CD players, DVDs), computadores, sistemas de fibra ptica, foguetes e msseis militares, detectores, lasers, displays de cristal lquido, indstria aeroespacial, etc. Estes materiais so geralmente materiais tradicionais cujas propriedades so optimizadas ou materiais novos de alto desempenho.

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pompeu*ALGUMAS CONSIDERAES SOBRE A NECESSIDADE DE MATERIAIS MODERNOSMaterias que apresentem:Alto desempenhoBaixo peso e alta resistnciaResistncia altas temperaturasDesenvolvimento de materiais que sejam menos danosos ao meio ambiente e mais fceis de serem reciclados ou regenerados

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