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Súúmumulala CiêCiênncciaia dodossMM ateaterriaisiais
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Avaliacao: Avaliacao: Prova 1: Capítulos 1, 2 e 3 Prova 1: Capítulos 1, 2 e 3 Prova 2: Capítulo 4 Prova 2: Capítulo 4 Prova 3: Capítulos 5 e 6 Prova 3: Capítulos 5 e 6 Listas de exercícios Listas de exercícios Nota
Nota <<4: Recuperacao da prova4: Recuperacao da prova
Mais de uma abaixo de 4: Exame Mais de uma abaixo de 4: Exame
Recuperação de conceito: Pode-se recuperar
Recuperação de conceito: Pode-se recuperar 1 prov1 prova no dia da recuperaçãoa no dia da recuperação
Conceitos: Conceitos: Média (P1+P2+P3)/3 = Média (P1+P2+P3)/3 = M < 6 – D M < 6 – D 6 6 MM <<7,5 – C7,5 – C 7,5 M 7,5 M <<9 – B9 – B M M ≥≥9 – A9 – A Bibliografia Bibliografia 1.
1. CallisCallister ter Jr., Jr., WW.D., .D., MM ateateririals Sals Sccieiencnce and e and EngEngineineeeriring an ng an intrintrooduducctiontion, , 3ª E3ª Ediçdiçãoão,, Ne
Neww YoYork,rk, JJoohnhn WileWileyy & & SSoonsns,, 11999494..
2.
2. AsAskelkelandand, , DonDonald ald R.: R.: ThThe e ScienScience ce and and EnEnginegineerinering g of of MateMaterialrials, s, 2ª 2ª EdiEdição, ção, LonLondondon,, Chapman and Hall, 1991.
Chapman and Hall, 1991. 3.
3. ShShackackeleldfodford, rd, JamJames es F. F. InIntrodutroductiction on to to MaMateriterials als SciScience ence fofor r EnEngingineerseers. . New New JerJerseysey,, Prentice-Hall, Inc., 4
Prentice-Hall, Inc., 4aa. Ed. 1996.. Ed. 1996. 4. v
4. van an VlackVlack, L, Lawrencawrence He H.: P.: Princírincípio pio de de ciênciências dos cias dos mamateriais. teriais. São São PaulPaulo, o, EdgaEdgar r BlBlücher,ücher, 1970.
1970.
5. van Vlack, Lawrence H.: Princípio de ciências e
5. van Vlack, Lawrence H.: Princípio de ciências e tecnologia dos materiais. 4º Etecnologia dos materiais. 4º Edição, Rio dedição, Rio de Janeiro, Campus, 1984.
Janeiro, Campus, 1984.
6. Anderson, J.C. et alli: Materials Sc
6. Anderson, J.C. et alli: Materials Science. 4º Edição, London, Chapman and Hall, 1990.ience. 4º Edição, London, Chapman and Hall, 1990. 7. Meyers, Marc A. e Chawla, Krishan K.: Princípios de Metalurgia Mecânica. São Paulo, 7. Meyers, Marc A. e Chawla, Krishan K.: Princípios de Metalurgia Mecânica. São Paulo, Edgar Blücher, 1982.
Edgar Blücher, 1982.
8. Flinn, Richard A. e Trojan, Paul K.: Materiales de Ingeneria y sus Aplicaciones. Bogotá, 8. Flinn, Richard A. e Trojan, Paul K.: Materiales de Ingeneria y sus Aplicaciones. Bogotá,
1.1 INTRODUCAO
ConceitosBásicos
Ciência dos M ateriais: A ciência investiga a relação entre a estrutura dos materiais a nível
molecular ou atômico e suas correspondentes propriedades a nível macroscópico. Isto inclui elementos da física aplicada e química assim como também engenharia elétrica, química, mecânica, civil.
Engenharia: Com base nas correlações entre estrutura e propriedade, a engenharia consiste
no projeto ou engenharia da estrutura de um material para produzir um conjunto predeterminado de propriedades.
Estrutura: A estrutura de um material está geralmente relacionada ao arranjo de seus
componentes internos. A estrutura atômica envolve elétrons no interior dos átomos e as interações com seus núcleos. Na estrutura cristalina, temos a organização dos átomos ou moléculas em relação uns aos outros. A microestrutura engloba grandes grupos de átomos normalmente conglomerados e pode ser observada usando algum tipo de microscópio. Já a estrutura macroscópica ou macroestrutura pode ser vista a olho nu.
Propriedade: É uma peculariedade do material em termos do tipo e da intensidade da
resposta a um estímulo específico que lhe é imposto, ou seja, resposta do material a uma solicitação externa ou de serviço, independente da geometria e tamanho. Propriedades elétricas, térmicas, magnéticas, óticas...
Exceção: A nível nanométrico, fenômenos quânticos começam atuar e possibilitam a obtenção de propriedades diferenciadas daquelas obtidas a partir de um mesmo material, porém estruturado em escala de grandeza superior.
História dosmateriais
Os materiais são utilizados desde os primórdios da civilização e a escolha de um material em determinada era acabaram por definir esta: Idade da Pedra, Idade do Bronze, Idade do Ferro.
2 milhões de anos 5.000 anos 3.000 anos 300-400 anos 100 anos 60 anos
O desenvolvimento e o avanço das sociedades estão ligados às habilidades dos seus membros em produzir e manipular materiais para atender suas necessidades. Nos primórdios das civilizações, um número limitado de materiais era utilizado, como a pedra, madeira, argilas e peles. A partir do desenvolvimento de técnicas de produção e processamento de materiais, pôde-se obter materiais com melhores propriedades, como as cerâmicas e os metais. Com o avanço no campo dos materiais, procurou-se modificar as propriedades básicas destes, seja pela combinação de materiais, por meio de tratamentos térmicos, adição de novas substâncias, etc.
Nos últimos 30-40 anos a pesquisa mundial tem o foco voltado para a Nanotecnologia. A Nanotecnoliga envolve basicamente três pontos: a pesquisa e o desenvolvimento de materiais nanoestruturados, ou seja, materiais da ordem de 1 a 100 nm; criação e uso de estruturas, dispositivos e sistemas que possuam propriedades e funções inovadoras devido ao seu tamanho reduzido; habilidade em controlar ou manipular a matéria em escala atômica.
Nos materiais nanoestruturados, fenômenos quânticos começam atuar e possibilitam a obtenção de propriedades diferentes daquelas obtidas pelo mesmo material, porém em escala maior. Devido à finíssima espessura, o número de átomos na superfície, com relação ao número de átomos totais, é bastante elevado, possibilitando o aparecimento de fenômenos de superfície. Ainda, as discordâncias (defeitos de empilhamento dos átomos) nestes materiais são raras, podendo levar a tensão de escoamento deste material muito próxima à tensão teórica. Exemplo: filmes finos magnéticos.
Ciclo Global dosM ateriais
1.2 I NTERRELACAO: Processamento x Estrutura x Propriedadesx Desempenho
A figura abaixo mostra a inter-relação de quatro importante componentes em ciência dos materiais. Ainda, esta apresenta um quinto elemento que é a caracterização do material, que possibilita interrelacionarmos estes componentes.
Como mostra a figura, todos os componentes estão interrelacionados, a estrutura de um material vai depender da maneira como ele é processado. Além disso, o desempenho ou performance do material será função de suas propriedades que estão intimamente relacionadas
analisado em laboratório, pode ser acompanhado e avaliado durante a vida útil do mesmo ou ainda fazendo uma análise post-mortem.
Exemplo desta interrelacao: Barra de alumínio laminada:
Estrutura:
Podemos dividir a estrutura em quatro principais:
- Estrutura atômica - Estrutura Cristalina - Microestrutura - Macroestrutura
Propriedades:
As propriedades podem ser de superfície ou de corpo.
As propriedades de corpo são as propriedades de material como um todo enquanto que as propriedades de superfície ocorrem na superfície dos corpos e podem oferecer vantagens adicionais sem que se precise alterar as propriedades de corpo. Exemplo: Pecas decorativas revestidas com cromo, pecas nitretadas, pecas com revestimento metálico e partículas cerâmicas...
Mecânicas:
- Resistência à tração, compressão, flexão;
- Resistência ao escoamento: resistência à deformação plástica.
- Resistência ao desgaste: resistência à remoção e material de superfícies sólidas como resultado de uma superfície movendo-se em contato com outra.
- Módulo de elasticidade: razão entre a tensão e a deformação quando a deformação é totalmente elástica; também é uma medida da rigidez do material.
- Ductilidade: medida da habilidade de um material em ser submetido a uma deformação plástica apreciável antes de sofrer uma fratura.
Físicas: - Propriedades elétricas - Magnéticas - Térmicas - Opticas Químicas: - Resistências à corrosao.
- Fragilizarão por hidrogênio: algumas ligas sofrem redução em suas propriedades mecânicas quando hidrogênio atômico penetra no interior do material.
Processamento:
O processamento de um material é definido em função das propriedades iniciais do material e das propriedades necessárias para fazer frente às condições de serviço da peca ou componente. Diferentes processos de fabricação originam diferentes microestruturas, como pode ser verificado na figura abaixo:
Através do processamento, os materiais adquirem forma e dimensões para serem utilizados na indústria.
Exemplos de processos: moldagem por injeção, deposição química de vapor, fundição, conformação, compactação e sinterização, crescimento de cristais, eletrodeposição...
1.3 TIPOS DE MATERIAIS
Classificacao dosM ateriais
Critérios:
1. Aplicação pela indústria: metais, cerâmicos, polímeros, compósitos e
semicondutores.
2. Grau de desenvolvimento tecnológico: naturais, empíricos, desenvolvimento
científico e projetados.
3. M orfologia estrutural: monoestruturados, recobrimentos, gradiente e aleatório.
1. Aplicacao pela indústria
METAIS:
São normalmente combinações de elementos metálicos. Estes possuem um grande número de elétrons não ligados a qualquer átomo em particular e por isto, são bons
resistentes e ainda assim deformáveis, o que é responsável pelo seu uso em aplicações estruturais. Exemplos: Fe, Au, aço (liga Fe-C), latão (liga Cu-Zn)...
CERÂMICOS:
São compostos entre elementos metálicos e nao-metálicos (O, N, C, P, S); eles são geralmente óxidos, nitretos e carbetos. São tipicamente isolantes à passagem de eletricidade e calor, e são mais resistentes a altas temperaturas e ambientes abrasivos que os metais e polímeros. Com relação ao comportamento mecânico, são duros, porém quebradiços (frágeis). Exemplos: Vidros, argilas, cimento...
POLÍMEROS:
São geralmente compostos orgânicos baseados em carbono, hidrogênio e outros elementos não metálicos. São constituídos de moléculas grandes (macro-moléculas). Possuem tipicamente baixa densidade e podem ser extremamente flexíveis. Exemplos: plásticos e borrachas.
COMPÓSITOS:
São constituídos de mais de um tipo de material insolúveis entre si. Estes materiais são projetados para mostrar uma combinação das melhores propriedades de cada um dos materiais que o compõe e que não estão presentes no material monofásico. Exemplo: matriz polimérica com fibra de vidro, matriz metálica com partículas cerâmicas...
SEMICONDUTORES:
Possuem propriedades elétricas que são intermediárias entre aquelas apresentadas pelos condutores elétricos e pelos isolantes. Além disto, as características elétricas destes materiais são extremamente sensíveis à presença de minúsculas concentrações de átomos de impurezas (dopantes). São a base da tecnologia eletrônica e óptica, com suas aplicações em lasers, detectores, células solares, circuitos integrados e muitas outras aplicações. Exemplos: Si, GaAs, InGaAsP.
2. Grau de desenvolvimento tecnológico
EMPIRICAMENTE DESENVOLVIDOS: sem conhecimento tecnológico prévio. Ex: argila vermelha para tijolos.
DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO: a ciência participando do desenvolvimento destes materiais.
MATERIAIS PROJETADOS: fabricados com grau de conhecimento elevado. Ex: lâmpada de sódio com alumina translúcida.
3. M orfologia estrutural
MONOESTRUTURADOS: único conjunto de propriedades. Ex: isolante de vela automotiva (alumina densa), silício monocristalino, tijolos de argila vermelha.
RECOBRIMENTO: propriedades de superfície diferente das de corpo. Ex: torneiras revestidas, palhetas de turbina aspergidas com materiais cerâmicos, pintura automotiva.
GRADIENTE: multicamadas com gradiente de propriedades. Ex: multicamadas de material magnético e não-magnético, embalagens tetrapack, MDF.
ALEATÓRIO: reforço por uma segunda fase. Ex: níquel com partículas cerâmicas, carbeto de tungstênio-cobalto.
1.4 EFEITO DO M EIO SOBRE O COM PORTAMENTO DO M ATERIAL
TEMPERATURA
A tendência é que, com o aumento da temperatura, ocorra uma diminuição na resistência mecânica dos materiais.
Cerâmicos: são bastante resistentes à corrosão, que pode ocorrer a temperaturas elevadas ou ambientes extremos. Podem ser atacados por outros líquidos cerâmicos
Polímeros: para estes materiais, o termo degradação é utilizado com mais freqüência. Os polímeros podem dissolver quando estão expostos a um solvente líquido ou podem absorver o solvente e sofre inchamento; ainda, o intemperismo e o calor podem causar alterações e rompimento na estrutura molecular.
RADIACAO: Certos tipos de radiação possuem energia suficiente para penetrar em materiais e afetar a estrutura interna destes, diminuindo a resistência mecânica e fragilizado o mesmo. DESGASTE: Superfícies deslizando uma sobre as outras, acabam removendo partículas das mesmas e provocando desgaste. Ex: pisos cerâmicos com tráfego de pessoas.
1.5 SELECAO DE M ATERIAIS
Quaisoscritériospara seleçãoum material?
1. Apresentar as propriedades adequadas para as condições de serviço a que será submetido o material.
Dificilmente um material apresenta uma combinação ideal de propriedades, muitas vezes é necessário reduzir uma em benefício da outra →Compromisso entre propriedades.
Deve-se saber qual o desempenho e restrições no uso dos materiais selecionados →
Confiabilidade
2. Possa ser processado na forma desejável.
3. Seja economicamente viável: disponibilidade de matéria-prima, processo de fabricação →
Custo total.
