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Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
INTRODUÇÃO AOS
MATERIAIS
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
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
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
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
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-1 Introdução
CICLO GLOBAL DOS 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)
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-1 Introdução
CICLO GLOBAL DOS MATERIAIS:
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
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-1 Introdução
CICLO GLOBAL DOS MATERIAIS:
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.
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
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
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-1 Introdução
EVOLUÇÃO DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS:
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
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
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-1 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.
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-1 Introdução
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
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
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
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-2 Tipos de Materiais
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
Classificação dos materiais pela indústria
Metais
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-2 Tipos de Materiais
Classificação dos materiais pela indústria
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
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-2 Tipos de Materiais
Classificação dos materiais pela indústria
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
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-2 Tipos de Materiais
Classificação dos materiais pela indústria
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
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-2 Tipos de Materiais
Classificação dos materiais pela indústria
Resistência
mecânica
representativa para
diferentes
categorias de
materiais
As diferentes propriedades dos materiais são determinantes na sua classificação
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Classificação dos materiais pela indústria
O uso das diferentes classes dos materiais tem sido alterado com a evolução tecnológica.
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-2 Tipos de Materiais
Classificação dos materiais pela indústria
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.
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-2 Tipos de Materiais
Classificação dos materiais pela indústria
Competição entre os materiais:
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%
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-2 Tipos de Materiais
Classificação dos materiais pela indústria
Competição entre os materiais:
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)
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-2 Tipos de Materiais
Classificação dos materiais pela indústria
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
Competição entre os materiais:
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-2 Tipos de Materiais
Classificação dos materiais pela indústria
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
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PROJETADOS:
Viabilização de
projetos de alta
tecnologia
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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
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-2 Tipos de Materiais
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
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-2 Tipos de Materiais
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
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
MATERIAIS PARA ENGENHARIA
ESTRUTURA
PROPRIEDADES
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades
ESTRUTURA PROPRIEDADES
PROCESSO DE FABRICAÇÃO
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades
ESTRUTURA PROPRIEDADES
PROCESSO DE FABRICAÇÃO
ESTRUTURA ATÔMICA
ESTRUTURA CRISTALINA
MICROESTRUTURA
MACROESTRUTURA
FUNDIÇÃO
LAMINAÇÃO
EXTRUSÃO
METALURGIA DO PÓ
PRENSAGEM
COLAGEM
OUTROS ...
MECÂNICAS
FÍSICAS
QUÍMICAS
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades
– DIVISÃO DA ESTRUTURA NOS MATERIAIS
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades
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
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades
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
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades
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)
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades
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
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO
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
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO
DIFERENTES PROCESSOS DE FABRICAÇÃO
DIFERENTES MICROESTRUTURAS
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades
MATERIAIS PARA ENGENHARIA
ESTRUTURA
PROPRIEDADES
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO
DESEMPENHO
• como os materiais se comportam nas condições de serviço
• (laboratório, acompanhamento e análise post-mortem)
ESTRUTURA PROPRIEDADES
PROCESSO DE FABRICAÇÃO
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
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
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-4 Efeitos do meio sobre o comportamento do material
Alumínio
atacado por
bactéria
Hidrogênio
dissolvido no
cobre
fratura frágil
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-4 Efeitos do meio sobre o comportamento do material
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
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
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
1-5 SELEÇÃO DE MATERIAIS
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
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
1-5 SELEÇÃO DE MATERIAIS
RELAÇÃO: RESISTÊNCIA/DENSIDADE
1-5 Seleção de Materiais