Ciência dos Materiais I

(1)

Ciência dos Materiais I

Prof. Dr. Carlos Roberto Grandini

Bauru

2006

(2)

Programação

Ciência dos Materiais: História e Perspectivas 10/03

Estrutura Atômica 17/03

Arranjos Atômicos 24/03

Imperfeições em Arranjos Atômicos 31/03

Movimentação Atômica em Materiais 07/04

Primeira Avaliação 28/04

Equilíbrio Termodinâmico: Estado e Fase 06/05

Estabilidade de Estados 19/05

Transformações de Fase 26/05

Processos de Difusão e Transporte 02/06

Segunda Avaliação 09/06

Visão Geral sobre Propriedades Físicas e Aplicações de Materiais: metais, polímeros, cerâmicas e vidros,

semicondutores, compósitos 23, 30/06

Segunda Avaliação 07/07

(3)

Critério de Avaliação

Média de 3 provas;

A prova substitutiva, se realizada, substitui a menor nota,

independente de for maior ou menor que a anterior; Conceitos:

10 ≥ Mp ≥ 9,0 Conceito A 8,9 ≥ Mp ≥ 7,0 Conceito B 6,9 ≥ Mp ≥ 5,0 Conceito C

(4)

Bibliografia Básica

D.R. Askeland, P.P. Phulé, The Science and

Engeneering of Materials, 4th _{Edition, Thomson, New}

York, 2003.

W.D. Callister Jr., Materials Science and Engeneering: an integrated approach, 2th _{Edition, John Willey, New York,}

2005.

J.F. Shackelford - Materials Science for Engineers, 6th Edition, Prentice Hall, New York, 2005.

W.F. Smith, Principles of Materials Science and Engineering, 3rd _{Edition, McGraw Hill, New York, 1998.}

L.H. Van Vlack, Princípios de Ciência e Tecnologia de Materiais, 4a _{Edição, Campus, Rio de Janeiro, 1984.} C. Kittel, Introdução à Física do Estado Sólido, 5ª Edição,

Guanabara-Koogan, Rio de Janeiro, 1978.

P.W. Atkins, Physical Chemistry, 4th_{. Edition, Oxford} University Press, Oxford, 1992.

(5)

Ciência dos Materiais

Hist

ó

ria e Perspectivas

Materiais:

(6)

(7)

–

intimamente relacionados com a ascensão do homem:

» Idade da pedra:

» Idade do bronze:

(8)

–

Civilizações antigas:

–

Evolução:

» materiais naturais:

Pedra, madeira, argila, peles(couro), etc...

» Materiais naturais poderiam ser tratados originando outros com propriedades

(9)

O que são materiais?

– Uma parte da matéria no universo;

Ciência e Engenharia de Materiais (CEM):

– São as substâncias cujas propriedades as tornam utilizáveis em estruturas, máquinas, dispositivos ou produtos consumíveis.

– é a área da atividade humana associada com a geração e com a aplicação de conhecimentos que relacionem composição, estrutura e processamento dos materiais às suas propriedades e aplicações.

Ciência dos Materiais:

– a CEM, em conjunto, formam uma ponte de conhecimentos sobre materiais, que liga as ciência básicas às diversas especialidades de engenharia.

– visa essencialmente a descoberta de conhecimentos fundamentais sobre os materiais.

(10)

Se desejarmos realçar a parcela da Ciência dos Materiais

neste espectro, devemos agir no sentido de entender a

natureza dos materiais, estabelecendo teorias ou

descrições que relacionem a estrutura com a composição,

propriedades e comportamento. A Engenharia de

Materiais, por seu turno, sintetizará e empregará, tanto os

conhecimentos fundamentais quanto os empíricos, no

sentido de desenvolver, preparar, modificar e aplicar os

materiais que atendam às exigências.

Engenharia de Materiais:

(11)

Ciência dos Materiais

é um empreendimento com propósitos que alcançam desde o

micromundo dos átomos e dos elétrons até o gigantesco macromundo

material com funções e serviços que apóiem o homem na busca das

soluções para os problemas da sociedade;

sentido mais amplo:

– é uma multidisciplina que abraça (mas não substitui) algumas disciplinas:

– metalurgia e cerâmicos;

– física do estado sólido e química orgânica.

Há, por certo, muitos cientistas e engenheiros que são especialistas em

materiais metalurgistas, ceramistas e químicos especializados em polímeros

-inteiramente envolvidos com a Ciência e Engenharia de Materiais. Um

importante registro assinala que a cada seis horas do trabalho profissional de

qualquer outro tipo de engenheiro, pelo menos uma hora ele lida diretamente

com materiais e sua utilização. Para físicos e químicos as frações são bem

mais altas.

(12)

Estrutura – Propriedades – Desempenho Processamento Ciência e Entendimento Básico Necessidades e Experiências Sociais

(13)

METAIS

POLÍMEROS

VIDROS

CERÂMICAS

COMPÓSITO

S

(14)

(15)

Classificação dos Materiais

Os materiais são agrupados em três grupos principais, baseados em princípios químicos e na estrutura:

Metais:

» Materiais metálicos são normalmente uma combinação de elementos metálicos; » Possuem elétrons livres;

» Bons condutores de eletricidade e calor; » Não transparentes;

» Muito resistentes;

» Facilmente deformáveis.

(16)

–

Cerâmicas:

» Composições de elementos metálicos e não metálicos; » Óxidos, nitretos e carbetos;

» Argilas, cimento e vidro; » Normalmente isolantes; » Duros e quebradiços;

» Resistente a altas temperaturas

(17)

–

Polímeros:

» Plásticos, borrachas e adesivos;

» Compostos orgânicos baseados em carbono, hidrogênio e outros elementos não metálicos;

» Produzidos pela criação de grandes estruturas moleculares a partir de moléculas orgânicas;

» Baixa condutividade elétrica; » Baixa resistência à temperatura.

(18)

Em adição, existem outras categorias de importância que consistem

na combinação destes tipos de materiais:

– Compósitos:

» Formados por dois ou mais tipos de materiais.

(19)

Compósitos de fibras reforçadas (fibras de carbono em matriz polimérica) utilizados na estrutura de bicicletas.

Partes do “corpo” de carros de corrida, e de alguns veículos comuns, são feitos de fibras de vidro em matriz polimérica.

(20)

– Semicondutores:

» Possuem propriedades elétricas intermediárias entre condutores e isolantes;

» Sensíveis à presença de impurezas.

(21)

– Nanomateriais:

» São materiais contendo cristais ou clusters de átomos com dimensões da ordem do nanômetro, que corresponde a uma escala intermediária entre o átomo isolado e o material macroscópico.

(22)

– Biomateriais:

» São materiais biológicos que são implantados no corpo humano.

(23)

O projeto de James Auger e Jimmy Loizeau, pesquisadores do Laboratório de Mídia do Massachusetts Institute of Technology -MIT em Dublin, na Irlanda, desenvolveu um dente que pode ser usado para receber sinais de um telefone celular.

O dispositivo é apenas um conceito e sequer um protótipo foi construído. Segundo Auger, é necessário esperar que haja interesse comercial na idéia.

(24)

Existem várias propriedades que devem ser levadas em consideração no desenvolvimento de materiais e/ou alternativas de processo e aplicações: • Econômicas • Mecânicas • Superficiais • Fabricação • Físicas e Químicas • Microestruturais • Estéticas

(25)

FUNÇÃO

PROCESSO

FORMA

MATERIAL

(26)

•

Preço

• Custos Financeiros

• Valor de Mercado

• Incentivos Fiscais

• Disponibilidade

• Fornecedores Alternativos

• Materiais com Propriedades Equivalentes

• Atualização Tecnológica

• Ciência e Tecnologia Evoluem Rapidamente!

• Necessário Estudo Permanente

(27)

Propriedades Mecânicas

• Resistência

• Dureza

• Ruptura

• Fadiga

• Escoamento (início da deformação plástica)

• Fluência (processo lento de deformação, depende da

temperatura e tempo)

(28)

• Corrosão

• Desgaste

• Abrasão

• Adesão

• Erosão

• Revestimento

Propriedades Superficiais

(29)

• Usinagem • Soldagem • Colagem • Fundição • Conformação • Acabamento

Propriedades de Fabricação

METALURGIA DO PÓ

As peças são produzidas a partir de pequenas partículas na forma de pó, aquecidas sob pressão dentro de uma matriz, abaixo da temperatura de fusão. Este processo de consolidação é chamado de “Sinterização”