Profa. Eleani M. da Costa

Sem. 2005/01

CIÊNCIAS DOS MATERIAIS

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S ASSUNTO

1. Introdução à ciência e engenharia dos materiais e classificação dos materiais

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PROGRAMA DISCIPLINAAULAS 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 DISCIPLINAAULAS 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 DISCIPLINAAULAS 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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PROGRAMA DISCIPLINAAULAS TEÓRICAS

9. Diagramas de fase em condições de equilíbrio

- Definições e conceitos básicos: identificação das fases, limite de solubilidade, microestrutura das fases

-  Diagramas de equilíbrio binários isomorfos e eutéticos

-   Reações eutetóides e peritéticas

- Sistema Fe-C e microestruturas que se formam no resfriamento lento

10. Transformações de fases em metais e microestruturas

- Conceitos básicos

- Alterações microestruturais das ligas Fe-C e propriedades (curvas Temperatura-Tempo-Transformação).

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PROGRAMA DISCIPLINACONTEÚDOS EXTRAS

11-PROPRIEDADES ELÉTRICAS E MAGNÉTICAS

12- CORROSÃO E DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS

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PROGRAMA DISCIPLINA          Aulas Teórico-Práticas     1-Ensaio de resistência à tração 2-Ensaio de resistência à choque 3-Ensaio de Dureza Brinell 4-Ensaio de Dureza Rockwell 5-Ensaio de Dureza Vickers 6-Metalografia dos Metais I– Macrografia 7-Metalografia dos Metais II - Micrografia

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S BIBLIOGRAFIA1-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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DATAS DAS PROVASTURMAS 2LM11/04 : PROVA 123/05 : PROVA 2 20/06: PROVA 327/06 : PROVA DE RECUPERAÇÃO04/07: EXAME

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DATAS DAS PROVASTURMAS 3JK12/04 : PROVA 117/05 : PROVA 2 21/06: PROVA 328/06 : PROVA DE RECUPERAÇÃO05/07: EXAME

www.em.pucrs.br/~eleani

HOMEPAGE DA DISCIPLINAHOMEPAGE DA DISCIPLINA

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S INTRODUÇÃO

Ciência dos materiais faz parte do conhecimento básico para todas as engenharias

As propriedades dos materiais definem: o desempenho de um determinado

componente e o processo de fabricação do mesmo

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Propriedades dos Propriedades dos MateriaisMateriais

Composição e ProcessoComposição e Processode Fabricaçãode Fabricação

MicroestruturaMicroestrutura

EENNGGEENNHHAAR R I I AA

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Figura copiada do material do 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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Entre 40000 e 80000 diferentes, contando as variantes

de tratamento térmico e composição de cada material

QUANTOS MATERIAIS DIFERENTES EXISTEM ?

COMO ESCOLHER ??

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

VidroCerâmicaPlásticoMadeiraMetalPapel

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)

Depende

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SQuais 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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SQuais 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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SQuais os critérios que um engenheiro deve adotar

para selecionar um material entre tantos outros?

Finalmente, a consideração talvez mais convincente é provavelmente a econômica:

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

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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 800 500 700

à 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 185390

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SELEÇÃO DOS MATERIAIS POR ÍNDICE DE MÉRITO

Ex. Custo p/Kg/US$:

Material Aço-liga Ti Al PRFC

(alta resist.) (AA7074)

0,75 15 320

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INDÚSTRIA DE PONTA PRODUÇÃO EM MASSA

TIPOS DE INDÚSTRIA - INFLUÊNCIA DOS MATERIAIS

SELEÇÃO CUIDADOSA(FATOR CUSTO SECUNDÁRIO)

SELEÇÃO CUIDADOSA(FATOR CUSTO PRIMORDIAL)

• Grande exigência tecnológica

• Utilização dos mate-riais nos limites

• Produtos nãodiferenciados

• Utilização de materiais abaixo dos limites

Figura copiada do material do Prof. Arlindo Silva do Instituto Superior Técnico da Universidade de Portugal

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SQuais os critérios que um engenheiro deve adotar

para selecionar um material entre tantos outros? Em raras ocasiões um material reúne uma

combinação ideal de propriedades, ou seja, muitas vezes é necessário reduzir uma em benefício da outra.

Um exemplo clássico são resistência e ductilidade, geralmente um material de alta resistência apresenta ductilidade limitada. Este tipo de circunstância exige que se estabeleça um compromisso razoável entre duas ou mais propriedades.

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CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS

A classificação tradicional dos materiais é geralmente baseada na estrutura atômica e química destes.

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CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS

MetaisCerâmicasPolímerosCompósitosSemicondutoresBiomateriais (Mat. Biocompatíveis)

Classificação tradicional

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SCLASSIFICAÇÃO 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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SCLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS

Cerâmicas 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 resistêntes 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

ALUMINA

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OS MATERIAS CERÂMICOS NA TABELA PERIÓDICA

Os cerâmicos são constituídos de metais e não-metais

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SCLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS

Polímeros 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

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SCLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS

Compósitos 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 classico 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

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SCLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS

Semicondutores

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..

InP

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SCLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS

Biomateriais 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.

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SEVOLUÇÃO DA UTLIZAÇÃO DOS MATERIAIS

Figura copiada do material do Prof. Arlindo Silva do Instituto Superior Técnico da Universidade de Portugal

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S 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