introducao ciencia dos materiais
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CIÊNCIA DOS
MATERIAIS
Prof. Rafael S. Peres – PPGE3M - DEMAT - EE – UFRGS –2015
Material Prof. Prof. C. P. Bergmann - DEMAT
Ciência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS
SÚMULACiência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS
1. INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS
2. ESTRUTURA ATÔMICA
3. ESTRUTURA CRISTALINA
4. MICROESTRUTURA (FASES)
5. PROPRIEDADES VS. ESTRUTURA
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS
–O curso objetiva apresentar os fundamentos da Ciência dos Materiais a alunos do
curso de Engenharia: a interrelação entre os diferentes níveis de estrutura que
constituem os materiais e as propriedades aí definidas.
OBJETIVO DO CURSO
CRONOGRAMA - AVALIAÇÃOCiência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS
IMPORTANTE: Para cada capítulo há uma lista de exercícios, que devem ser resolvidos e
entregues obrigatoriamente no dia da prova.
APOIO EXTRA-CLASSE: Slides das aulas disponível no Moodle (acesso pela página da UFRGS).
Contato por e-mail ([email protected]), telefone (3308-9412) ou pessoalmente (sala 111,
prédio da engenharia de materias, Campus do Vale).
1ª semana 03/08/2015 Área 1 05/08/2015 Área 1
2ª semana 10/08/2015 Área 1 12/08/2015 Área 1
3ª semana 17/08/2015 Área 1 19/08/2015 Área 1
4ª semana 24/08/2015 Área 1 26/08/2015 Área 1
5ª semana 31/08/2015 Área 1 (revisão/exercícios) 02/09/2015 1ª avaliação (Área 1)
6ª semana 07/09/2015 Feriado 09/09/2015 Área 2
7ª semana 14/09/2015 Área 2 16/09/2015 Área 2
8ª semana 21/09/2015 Área 2 23/09/2015 Área 2
9ª semana 28/09/2015 Área 2 30/09/2015 Área 2 (revisão/exercícios)
10ª semana 05/10/2015 2ª avaliação (Área 2) 07/10/2015 Área 3
11ª semana 12/10/2015 Feriado 14/10/2015 Área 3
12ª semana 19/10/2015 Semana Acadêmica 21/10/2015 Semana Acadêmica
13ª semana 26/10/2015 Área 3 28/10/2015 Feriado
14ª semana 02/11/2015 Feriado 04/11/2015 Área 3
15ª semana 09/11/2015 Área 3 11/11/2015 Área 3 (revisão/exercícios)
16ª semana 16/11/2015 3ª avaliação (Área 3)
17ª semana 23/11/2015 Recuperação (uma Área)
18ª semana 30/11/2015 Exame (toda a matéria)
1. Callister Jr., W.D., Materials Science and Engineering an
introduction, 7ª Edição, New York, John Wiley & Sons,
2012.
2. Askeland, Donald R.: The Science and Engineering of
Materials, 6ª Edição, London, Chapman and Hall, 2009.
3. Shackeldford, James F. Introduction to Materials Science
for Engineers. New Jersey, Prentice-Hall, Inc., 7a. Ed.
2008.
4. van Vlack, Lawrence H.: Princípio de ciências dos
materiais. São Paulo, Edgar Blücher, 1970.
5. van Vlack, Lawrence H.: Princípio de ciências e
tecnologia dos materiais. 4º Edição, Rio de Janeiro,
Campus, 1984.
6. Anderson, J.C. et alli: Materials Science. 4º Edição,
London, Chapman and Hall, 1990.
7. Meyers, Marc A. e Chawla, Krishan K.: Princípios de
Metalurgia Mecânica. São Paulo, Edgar Blücher, 1982.
8. Flinn, Richard A. e Trojan, Paul K.: Materiales de Ingeneria
y sus Aplicaciones. Bogotá, Editorial McGRaw-Hill Latino
Americana S.A., 1979.
9. Smith, William F.: Materials Science and Engineering. New
York, McGraw-Hill Publ. Co., 2a. Ed. 1989.
BIBLIOGRAFIA SUGERIDACiência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS
1. INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS
1-1 INTRODUÇÃO
1-2 TIPOS DE MATERIAIS
1-3 RELAÇÃO: ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
1-4 SELEÇÃO DE MATERIAIS
Ciência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS
1-1 INTRODUÇÃOCiência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS
MATERIAIS: ‘Matéria utilizada em aplicações práticas / industriais’- máquinas
-artefatos
- dispositivos
- componentes
-estruturas (prédios)
-outros
ENGENHARIA!
utilização – desde os primórdios da civilização
são parte integrante da vida humana
o conhecimento dos materiais definiu algumas idades da história da humanidade: idade da pedra, idade do bronze, idade do ferro
Com uso, por exemplo, em:
- máquinas
- estruturas
- dispositivos
- produtos2 milhões de anos 5.000 anos 3.000 anos 100 anos 60 anos400-300 anos
1-1 INTRODUÇÃOCiência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS
compreender as propriedades dos materiais e ter capacidade de desenvolver e
processar (novos) materiais para aplicações industriais
ENGENHEIRO
1-1 INTRODUÇÃOENGENHARIA
–manufatura materiais
–processa materiais
–projeta materiais
–constrói com materiais
–seleciona materiais
–testa e analisa materiais
Ciência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS
Palheta de turbina
ENGENHEIRO está preocupado em melhorar a performance do que está
projetando ou manufaturando
–elétrico (materiais elétricos/dielétricos)
–civil (estruturas com 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)
PARA TANTO, É NECESSÁRIO...
–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
POTENCIAL e LIMITAÇÕES de utilização em função
das condições de serviço e do meio
1-1 INTRODUÇÃO
Ciência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS
EVOLUÇÃO DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS:
compreensão das propriedades dos materiais e a consequente capacidade de
desenvolver e preparar novos materiais para aplicações particulares
Materiais funcionais
Nanomateriais
Obtenção de materiais avançados
1-1 INTRODUÇÃOCiência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS
A Iniciativa Nacional em Nanotecnologia (EUA) considera Nanotecnologia somente se envolver os seguintes itens:
1. Pesquisa e desenvolvimento em escala atômica, molecular ou macromolecular, numa escala aproximada de 1-100 nm
2. Criação e uso de estruturas, dispositivos e sistemas com propriedades e funções inovadoras por seu tamanho reduzido
3. Habilidade em controlar ou manipular a matéria em escala atômica
Estruturas de C
Nanotubos de Carbono
Nanotubos de carbono (CNT) são uma nova classe de materiais
descobertos em 1991 por Sumio Iijima e apresentam extraordinárias
propriedades mecânicas, elétricas e térmicas. Possuem a maior
resistência a ruptura sob tração conhecida, na ordem de 200 GPa, 100
vezes superior ao mais resistente aço com apenas 1/6 de sua densidade.
Já foram desenvolvidos diversos processos de síntese sendo os
principais a descarga entre eletrodos de grafite e por Deposição Química
de Vapor Catalisada (DQVC). Esta última apresenta o maior potencial
para produção em massa de nanotubos.
1-1 INTRODUÇÃO
• Evolução dos materiais – Drug delivery
http://www.nanotech-now.com/news.cgi?story_id=27008
1-1 INTRODUÇÃO
1-1 INTRODUÇÃOCiência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS
Síntese de reagentes
•Elevado número de átomos na superfície / Contorno de grão;
ORIGEM DAS PROPRIEDADES DIFERENCIADAS DOS NANOMATERIAIS:
Deformação plástica
Maior dureza
Difusividade
Reatividade
Tenacidade
Condutividade térmica menor•Defeitos atômicos e discordâncias:
-As discordâncias (tanto móveis ou não) são raras em nanopartículas ou materiais com tamanho de grão muito reduzido
-Materiais com tamanho de grão muito reduzido podem ter tensão de escoamento muito próximo à tensão teórica.
Negro de fumo em pneusCores em vitrôs
No passado No presente
Microscopia eletrônica
Controle + Simulação por computadores
1-1 INTRODUÇÃOCiência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS
Aplicações de Nanomateriais na IndústriaPintura resistente a intemperismos
Carros mais leves, seguros, não-poluentes
Carros elétricos com maior autonomia e de
recarga rápida
Nanopaint Convencional
- Componentes estruturais com alta resistência
mecânica; baixo peso; capazes de absorver vibrações
Nanopartículas de TiO2 incorporadas no
concreto (pavimento) 6000 m2
Redução de até 60% nos níveis de NOx
Súper hidrofobicidade
1-1 INTRODUÇÃOCiência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS
Aplicações de Nanomateriais na Indústria
Aplicação futurística:
elevador orbital
Produção de fios e cabos ultra-resististes a partir de florestas de NTC
1-1 INTRODUÇÃOCiência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS
EVOLUÇÃO DOS MATERIAIS ?: O mosquito possui 2.700 espécies. Pode voar de 1,6 a 3
km/h. A fêmea bebe sangue e néctar das plantas, o macho
apenas o néctar das plantas. Quando a fêmea pica, ela injeta
um anti-coagulante para manter a vítima sangrando. Ela
encontra sua vítima pela visão e olfato. Vive 1 mês. A fêmea
põe 40 a 400 ovos.
Euprymna scalopo: Mimetismo graças a
nanoreflectores em sua pele
Pigmentos que mudam de cor
conforme o ângulo de visão
1-1 INTRODUÇÃOCiência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS
Gasoduto na Sibéria
Ponte nos EUAFALHA EM SERVIÇO
OLEODUTO ROMPIDO POR
CORROSÃO EM CAMPINAS, 1990
Série LIBERTY: 1000 navios
Plataforma off-shore
Trilhos de trem
1-1 INTRODUÇÃOCiência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS
CICLO GLOBAL DOS MATERIAIS:
TERRA: fonte e depósito de todos os materiais
1-1 INTRODUÇÃOCiência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS
Alumínio primário: bauxita
CICLO GLOBAL DOS MATERIAIS: produção do Alumínio
Alumínio secundário: reciclagem
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.
1-2 TIPOS DE MATERIAIS• CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS:
CRITÉRIOS
APLICAÇÕES PELA INDÚSTRIA
metais, cerâmicos, polímeros e compósitos
GRAU DE DESENVOLVIMENTO TECNOLÓGICO
naturais, empíricos, desenvolvimento científico e projetados
MORFOLOGIA ESTRUTURAL
monoestruturados, recobrimentos, gradiente e aleatório
Ciência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS
•combinação de elementosmetálicos.
•elétrons livres: bonscondutores de calor eeletricidade, brilho e opacos.
•geralmente são resistentes edeformáveis.
1-2 TIPOS DE MATERIAISCiência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS
•materiais não-metálicos e inorgânicos.
•geralmente isolantes de térmicos e elétricos.
•resistentes a altas temperaturas e a ambientes corrosivos.
•frágeis e geralmente de alta dureza.
METAIS COM C, N, O, P e S.
•compostos orgânicos com C, H e não-metais (plásticos e borrachas).
•moléculas muito grandes (macromoléculas).
•geralmente tem baixa densidade e alta elasticidade.
•constituídos de mais de um tipode fases insolúveis entre si.
•propriedades que não estãopresentes em um materialmonofásico.
1-2 TIPOS DE MATERIAISCiência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS
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 2007
Entrada em Serviço: Prevista para 2008
Porcentagem de materiais compósitosno peso do avião:
Estimada entre 50 e 60%
1-2 TIPOS DE MATERIAIS
• Classificação
dos materiaisMetais
Polímeros
Cerâmicos
Ciência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS
Aplicação pela
indústria
Classificação dos materiais 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
1-2 TIPOS DE MATERIAISClassificação 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 elevadoPROJETADOS:
Viabilização de
projetos de alta
tecnologia
Ciência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS
Exemplo: lâmpada de sódio (1000oC) com tubo de alumina
(100 lúmens/W convencional 15 lúmens/W)
Alumina convencional (opaca) Alumina translúcida
1-2 TIPOS DE MATERIAISCiência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS
Materiais projetados:
Classificação dos materiais quanto ao
grau de desenvolvimento tecnológico
porosidade: 3% porosidade: 0,3%
Lâmpada de vapor de sódio: o gás em alta temperatura é
guardado dentro de um cilindro translúcido de alumina.
A presença de poros causa espalhamento
de luz, e o material se torna opaco
POROS
A eliminação dos poros e a microestrutura do material com
tamanho de grão menor gera um material translúcido
1-2 TIPOS DE MATERIAISCiência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS
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 gradientede propriedades
4.Composição aleatória de diferentes materiais: reforço por segunda fase
MATERIAIS PARA ENGENHARIA desenvolvidos para uso na Indústria
fundamento: CIÊNCIA DOS MATERIAISinterrelação entre ESTRUTURA e PROPRIEDADES
ESTRUTURA PROPRIEDADESCIÊNCIA DOS MATERIAIS
Ciência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS
1-3 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
• MATERIAIS PARA ENGENHARIA
ESTRUTURA NOS MATERIAIS
• ESTRUTURA ATÔMICA
• ESTRUTURA CRISTALINA
• MICROESTRUTURA
• MACROESTRUTURA
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1-3 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
– DIVISÃO DA ESTRUTURA NOS MATERIAIS
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Qual o critério da divisão da
estrutura dos materiais?
1-3 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
Ciência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS
1-3 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
Engenharia de superfícies
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1-3 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
IMPORTANTE:
- PROCESSOS DE FABRICAÇÃO
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1-3 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
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1-3 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADESDEGRADAÇÃO
1-4 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-PPGE3M-EE-UFRGS
1-5 EXERCÍCIOS(Data de entrega: DATA DA 1a PROVA)
1 Com que se ocupa a Ciência dos Materiais e qual sua importância na Engenharia?
2 Diferencie conhecimento fenomenológico e enciclopédico.
3 Classifique os materiais segundo os seguintes critérios: a) aplicação na indústria; b) grau de
desenvolvimento tecnológico e c) morfologia.
4 Cite dois produtos que podem ser classificados como: a) monoestruturado; b) recobrimento; c)
gradiente e d) composição aleatória.
5 Como se interrelacionam estrutura, propriedades, processamento e desempenho em serviço de um
material?
6 Dê dois exemplos que evidenciam a relação entre estrutura e propriedades dos materiais.
7 Como se divide e qual o critério no estudo da estrutura de um material?
8 Em que estaria baseada a mudança de propriedades de um mesmo material fabricados por diferentes
processos?
9 Diferencie propriedades de corpo e de superfície.
10 Compare a microestrutura de um cobre fundido com a de um cobre trefilado.
11 Do que depende a escolha de um determinado processo de fabricação?
12 Diferencie com suas palavras os tipos de materiais quanto às suas propriedades (físicas, químicas e
mecânicas) típicas.
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1-5 EXERCÍCIOS(Data de entrega: DATA DA 1a PROVA)
13 Por que utiliza-se uma alumina translúcida como invólucro de uma lâmpada de sódio?
14 A partir de um material de sua escolha, dê duas aplicações para o mesmo e descreva as
propriedades de interesse em cada aplicação.
15 Quais são os critérios para a seleção de um material para determinada aplicação.
16 O que é compromisso entre as propriedades de um material?
17 Como a questão ambiental está presente na seleção de um material para determinado emprego.
18 Liste seis diferentes classificações de propriedades dos materiais que determinam sua
aplicabilidade.
19 Explique o conceito de Nanotecnologia e o porque de seu potencial no desenvolvimento de materiais
para a Engenharia.
20 Liste 3 aplicações que, em sua opinião, necessitam que materiais apresentem alta tenacidade e
baixa densidade.
21 Liste materiais que têm aplicações baseadas em suas propriedades ópticas.
22 Cite três critérios que são importantes no processo de seleção de materiais.
23 Defina materiais funcionais.
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