INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS - Página pessoal de Felipe Beruttifelipeb.com/unipampa/aulas/cm/CMCAP1.pdf · ciência dos materiais-demat-ee-ufrgs 1. introduÇÃo aos materiais 1-1 introduÇÃo

Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS

INTRODUÇÃO AOS

MATERIAIS

CIÊNCIA DOS MATERIAIS


1. INTRODUÇÃO AOS

MATERIAIS

1-1 INTRODUÇÃO

1-2 TIPOS DE MATERIAIS

1-3 RELAÇÃO: ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES

1-4 EFEITOS DO MEIO SOB O COMPORTAMENTO DO MATERIAL

1-5 SELEÇÃO DE MATERIAIS


1-1 INTRODUÇÃO

MATERIAIS

Possível definição: ‘Qualquer substância que pode ser usada em

aplicações práticas’

utilização – desde os primórdios da civilização

são parte integrante da vida humana

o conhecimento dois materiais definiu as diversas idades da história

da humanidade: idade da pedra, idade do bronze, idade do ferro

Com uso, por exemplo, em:

- máquinas

- estruturas

- dispositivos

- produtos

Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-1 Introdução

CICLO GLOBAL DOS MATERIAIS:

MATÉRIA-PRIMA

BÁSICA

metal, papel, cimento,

fibras, produtos químicos

SUCATA

ou

RESÍDUOS

A TERRA

MATÉRIA-PRIMA

BRUTA

carvão, minérios, madeira,

petróleo, rochas,planta,

argilas

MATÉRIA-PRIMA

INDUSTRIAL

cristais, ligas, tecidos,

chapas, cerâmicos, plásticos

BENS DE

CONSUMOcarros, pontes, relógios,

equipamentos, máquinas, prédios

Transformaçãoou

Processamento

Usoou

Serviçoou

Desempenho

Fabricação

Montagem

Descarte

Extraçãoou

Refinoou

Processamento

Prospecçãoou

Mineraçãoou

ColheitaReciclagem

Ciência e

Engenhariado

Meio Ambiente

Ciência eEngenharia:

Materiaisaplicados naEngenharia

ou

TERRA: fonte e depósito de todos os materiais



Ex.: Ciclo do Alumínio

Alumínio – abundante, mas não se apresenta sob a forma pura

Constituinte de materiais como BAUXITA

MICA

FELDSPATO

CRIOLITA Único material utilizado para produção do alumínio

Solução de soda cáustica – separação do óxido de alumínio das impurezas do minério

Precipitação hidrato de alumínio produto sólido calcinação1000ºC

Processo Bayer (químico):

Alumina metalúrgica (produção Alumínio)

Alumina especial (cerâmicos e refratários)



Ex.: Ciclo do AlumínioAlumina metalúrgica Redução: etapa eletrolítica

(eletricidade produzindo reação química)

Fornos de Redução Alumina banho de sais fundidos

Dois eletrodos: transformam a alumínio em líquido (900º)

Refusão: Correção química Transformação em ligas Resfriamento

Material sólido



Ex.: Ciclo do Alumínio

Reciclagem da lata de alumínio

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.


CONHECIMENTO CONHECIMENTO

ENCICLOPÉDICO FENOMENOLÓGICO

1-1 Introdução

X

EVOLUÇÃO DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS:

compreensão das propriedades dos materiais e a conseqüente capacidade de desenvolver e preparar novos materiais para aplicações particulares


EVOLUÇÃO DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS:


TODO ENGENHEIRO

manufatura materiais

processa materiais

projeta materiais

constrói com materiais

seleciona materiais

testa e analisa materiais

Ponte nos

EUA

Série

LIBERTY:

1000 navios

1-1 Introdução


Todo ENGENHEIRO responsável está interessado em

melhorar a performance do que está projetando ou

manufaturando

elétrico (materiais elétricos/dielétricos)

civil: 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.


OBJETIVO DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS

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

seu potencial (e limitações) de utilização em função das

condições de serviço e do meio


1-2 TIPOS DE MATERIAIS

CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS:

CRITÉRIOS

aplicações pela indústria

– metais, cerâmicos, polímeros e compósitos

pelo grau de desenvolvimento tecnológico

– naturais, empíricos, desenvolvimento científico e

projetados

morfologia estrutural

– monoestruturados, recobrimentos, gradiente e

aleatório

Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-2 Tipos de Materiais

Metálicos Cerâmicos Poliméricos Compósitos

Classificação dos materiais pela indústria

Cobre

Ferro fundido

Ligas de aço

Porcelana

Vidros

Tijolos

Refratários

Louças

Polietileno

Epóxi

Fenólicos

Grafite-epóxi

Carbeto de

Cobalto e

Tungstênio


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


Metais



Materiais cerâmicos são não-

metálicos e inorgânicos.

Geralmente são óxidos, nitretos e

carbetos

São geralmente isolantes de calor e

eletricidade

São mais resistentes a altas

temperaturas e à ambientes

severos que metais e polímeros

Os materiais cerâmicos são

materiais de alta dureza, porém

frágeis

Cerâmicos



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



Materiais compósitos são

constituídos de mais de um tipo

de material insolúveis entre si.

Os compósitos são projetados

para a obtenção de propriedades

as quais não estão presentes em

um material monofásico

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



Resistência

mecânica

representativa para

diferentes

categorias de

materiais

As diferentes propriedades dos materiais são determinantes na sua classificação



O uso das diferentes classes dos materiais tem sido alterado com a evolução tecnológica.



Materiais 1977 (%) 1999 (%)

Ferro 15 11

Plásticos 5 8

Outros metais (Al, Cu, Zn, Mg) 5 10

Borracha 4 4

Vidros 2 3

Aço 60 55

Competição entre os materiais:

Evolução da participação

dos materiais no peso da

carroceria dos veículos

americanos entre 1977 e

1999.




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 2003

Entrada em Serviço: Prevista para 2008

Porcentagem de materiais compósitosno peso do avião:

Estimada entre 50 e 60%




1º Chassis em compósito: 1981 (McLaren MP4-1)

Chassis em fibra de carbono/epoxy (Prost AP-01) após um acidente

(2 impactos laterais, o primeiro a 180Km/h)



Classificação

dos materiais

Metais

Polímeros

Cerâmicos

Aplicação 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

Densidade (g/cm3): 1,35

Espessura de parede:

8,0 mm

%peso

embalagem/conteúdo:

46,80

Densidade (g/cm3):

2,70




Etapas no processo de fabricação de latas de alumínio para bebidas

Classificação 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 elevado


PROJETADOS:

Viabilização de

projetos de alta

tecnologia


Ex. :

lâmpada de sódio (1000oC) com tubo de alumina: 100 lúmens/W

lâmpada convencional 15 lúmens/W

Alumina convencional (opaca) Alumina translúcida

Materiais projetados:

Classificação dos materiais quanto ao grau de desenvolvimento tecnológico


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 gradiente

de propriedades

4.Composição aleatória de diferentes materiais:

reforço por segunda fase


1-3 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-

PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES

MATERIAIS PARA ENGENHARIA

desenvolvidos para uso na Indústria

fundamento: CIÊNCIA DOS MATERIAIS

interrelação entre ESTRUTURA e PROPRIEDADES

ESTRUTURA PROPRIEDADES



ESTRUTURA

PROPRIEDADES

PROCESSOS DE FABRICAÇÃO

Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades


PROCESSO DE FABRICAÇÃO





ESTRUTURA ATÔMICA

ESTRUTURA CRISTALINA

MICROESTRUTURA

MACROESTRUTURA

FUNDIÇÃO

LAMINAÇÃO

EXTRUSÃO

METALURGIA DO PÓ

PRENSAGEM

COLAGEM

OUTROS ...

MECÂNICAS

FÍSICAS

QUÍMICAS


– DIVISÃO DA ESTRUTURA NOS MATERIAIS



PROPRIEDADES DOS MATERIAIS

mecânicas

resistência à tração, compressão, flexão

resistência ao escoamento, à fluência, à fadiga

ductilidade

módulo de elasticidade

resistência ao desgaste

físicas

propriedades elétricas

magnéticas

térmicas

ópticas

densidade

químicas

resistência à corrosão


DE SUPERFÍCIE

DE CORPO

PROPRIEDADES

reatividade com o meio,

resistência à corrosão e ao

desgaste,

biocompatibilidade,

efeito decorativo

comportamento mecânico,

propriedades elétricas e

magnéticas, condutividade

térmica


Exemplos representativos: aplicações e propriedades de cada categoria de material

METAIS APLICAÇÕES PROPRIEDADES

Cobre Cabos elétricosAlta condutividade elétrica, boa

conformabilidade

Fofo cinzento Blocos de motores de combustãoBoa moldagem por fundição,

absorção de vibrações, usinabilidade

Aços ForjadosBoa susceptibilidade a tratamentos

térmicos

CERÂMICOS APLICAÇÕES PROPRIEDADES

SiO2 – Na2O – CaO Vidro de JanelaBoas propriedades óticas e

isolamento térmico

Al2O3, MgO, SiO2 Refratários

Isolamento térmico, alto ponto

de fusão, relativamente inerte ao

metal fundido

Titanato de bário Transdutor para toca-discosComportamento piezoelétrico

(converte som e eletricidade)


Exemplos representativos: aplicações e propriedades de cada categoria de material

COMPÓSITOS APLICAÇÕES PROPRIEDADES

Grafite-epóxiComponentes para a

indústria aeronáutica

Elevada relação resistência

mecânica/peso

Carbeto de W-CoFerramentas de corte para

usinagem

Elevada dureza e boa resistência

ao impacto

Aços recobertos

com TiVasos de reatores

Baixo custo, alta resistência

mecânica do aço com boa

resistência à corrosão do titânio

POLÍMEROS APLICAÇÕES PROPRIEDADES

Polietileno Embalagem para alimentosFacilmente moldável em filmes

finos, flexíveis e impermeáveis

EpóxiEncapsulamento para

circuitos integrados

Bom isolamento elétrico e

resistência à umidade

FenólicosAdesivos para madeiras

condensadas

Resistência mecânica e à

umidade



os materiais precisam adquirir forma e dimensões para ser

utilizáveis na Indústria

são definidos em função das propriedades dos materiais iniciais e

das propriedades necessárias para fazer frente às condições de

serviço da peça ou componente

METAIS

Fundição: areia, vazamento, molde permanente, cera perdida, lingotamento contínuo

Conformação: forjamento, extrusão, estampagem profunda, dobramento, laminação

Junção: soldagem a gás, por resistência elétrica, brasagem, a arco, a estanho, por fricção e por difusão

Usinagem: torneamento, perfuração, fresa, corte

Metalurgia do pó

CERÂMICOS

Fundição ou colagem

Compactação: extrusão, prensagem e prensagem isostática

Sinterização

POLÍMEROS

Moldagem por injeção

Conformação: a vácuo, por repuxamento, por extrusão

COMPÓSITOS

Fundição, incluindo infiltração

Conformação

Junção: junção adesiva, ligadura por explosão, por difusão

Compactação e sinterização



DIFERENTES PROCESSOS DE FABRICAÇÃO

DIFERENTES MICROESTRUTURAS



ESTRUTURA

PROPRIEDADES


DESEMPENHO

• como os materiais se comportam nas condições de serviço

• (laboratório, acompanhamento e análise post-mortem)





1-4 EFEITOS DO MEIO SOBRE O

COMPORTAMENTO DO MATERIAL

• Os materiais têm seu comportamento influenciado

pelo meio em que se encontram:

TEMPERATURA

CORROSÃO

RADIAÇÃO

DESGASTE

Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-4 Efeitos do meio sobre o comportamento do material

TemperaturaTendência: T RM

troca rápida de temperatura - catastrófica

Aumento de

temperatura

diminui a

resistência

mecânica dos

materiais

CorrosãoMetais e polímeros reagem com O2 e outros gases

aumento de temperatura reage mais

pode ocorrer corrosão por líquidos

pits, trincas fratura

Cerâmicos podem ser atacados por outros líquidos cerâmicos


Alumínio

atacado por

bactéria

Hidrogênio

dissolvido no

cobre

fratura frágil


Radiação De alta energia

Ex.: nêutrons de reatores nucleares que podem afetar a estrutura

interna dos materiais, diminuir a resistência mecânica e fragilizar o

material, devido a formação de fissuras.

Desgaste Abrasão

Ex.: pisos cerâmicos desgastados com o tráfego de pessoas


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

1º: Caracterizar quais as condições de serviço a que será submetido o material elevantar as propriedades requeridas para tal aplicação. Deve-se incluir os fatores dedegradação de propriedades, como temperatura de trabalho, agentes corrosivos -ataque químico, desgaste, radiações, nessas considerações.

2º: Determinar (ou saber como foram determinados) as propriedades de interesse esaber qual o desempenho e limitações e restrições no uso dos materiaisselecionados.

Em raras ocasiões um material reúne uma combinação ideal de propriedades,ou seja, muitas vezes é necessário reduzir uma em benefício da outra. Umexemplo clássico são resistência e ductilidade, geralmente um material de altaresistência apresenta ductilidade limitada. Este tipo de circunstância exige quese estabeleça um compromisso razoável entre duas ou mais propriedades.

3º: Disponibilidade de matéria-prima e viabilidade técnica em obter a dimensão eforma da peça para seu emprego.

4º: Impacto ambiental da produção e reciclabilidade do material após uso

5º: Custo total


Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-5 Seleção de Materiais

Em resumo deve-se selecionar um material que:

1. Apresente as propriedades adequadas

Compromisso entre propriedades

Confiabilidade

2. Possa ser processado na forma desejável

3. Seja economicamente viável (matéria-prima e processo de fabricação)

4. Possa ser produzido com baixo impacto ambiental e posa ser reciclado

Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-5 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



RELAÇÃO: RESISTÊNCIA/DENSIDADE

1-5 Seleção de Materiais

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