Resumo para P1 CMAT

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Ciência e Tecnologia dos Materiais 
(P1) 
 
 As classes dos materiais: 
1. Metais: 
Resistentes (suportam tensões elevadas antes de romper); 
Dúcteis (deformam antes de romper); 
Bons condutores de corrente elétrica e de calor, pois eles possuem núcleos 
fixos e elétrons livres na camada de Valencia (mar de elétrons), 
transformando-os, assim, em bons condutores. 
Arranjo Atômico -> Propriedades dependem da Estrutura. Os materiais 
cristalinos têm ordem de longo alcance, os materiais amorfos possuem ordem 
de curto alcance. 
 
2. Cerâmicas e vidros: 
Cerâmicas são formadas por combinação de metais com C, N, P, O e S; 
Si e Ge são semicondutores, mas são usados em cerâmicas de forma 
equivalente a metais; 
Alto ponto de fusão e estabilidade térmica (refratários); 
São isolantes térmicos e elétricos; 
São frágeis (rompem sem deformar); 
Podem ser transparentes. 
 
3. Polímeros: 
A maioria dos polímeros é sintética (feitos pelo homem); 
O polímero mais abundante é natural: a celulose; 
São materiais altamente moldáveis; 
Possuem baixa densidade; 
Em geral são menos resistentes do que metais e cerâmicas. 
 
 
 
 
 
4. Compósitos 
Combinação de metais, cerâmicas e polímeros. 
Objetivo: Fabricar uma estrutura de engenharia com 
propriedades/características que não seriam obtidas usando cada material 
separadamente. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5. Semicondutores 
Todos os componentes eletrônicos do computador; 
Condutividade finamente controlada pela presença de impurezas (dopantes); 
Podem ser combinados entre si para gerar propriedades eletrônicas e óticas 
“sob medida”; 
São a base da tecnologia de opto-eletrônica (lasers, detectores, circuitos 
integrados óticos e células solares). 
 
6. Biomateriais 
Os biomateriais podem ser metálicos, cerâmicos, poliméricos ou compósitos, 
usados em sistemas vivos; 
Característica básica: biocompatibilidade; 
Podem atuar dentro de um organismo hospedeiro sem disparar uma resposta 
imune. Se o biomaterial dispara a resposta imune, ele será rejeitado pelo 
corpo; 
Os biomateriais podem ser sub-divididos em: 
Biomateriais estruturais (ou inertes): cuja principal função é dar um suporte 
físico para o corpo. 
Biomateriais funcionais (ou ativos): que realizam uma função no corpo, 
diferente da sustentação física. 
 
7. Nano-Materiais 
Desenvolvimento de pesquisa e tecnologia no nível atômico ou molecular na 
escala de aproximadamente 1-100nm; 
Criação e uso de estruturas, dispositivos e sistemas que possuem novas 
propriedades e funções por causa de suas dimensões nanométricas; 
Habilidade de controlar e manipular na escala atômica; 
Aumentar espetacularmente a capacidade de armazenamento e 
processamento de dados dos computadores; 
Criar novos mecanismos para entrega de medicamentos, mais seguros e 
menos prejudiciais ao paciente dos que os disponíveis hoje; 
Criar materiais mais leves e mais resistentes do que metais e plásticos, para 
prédios, automóveis, aviões; 
Economia de energia, proteção ao meio ambiente, menor uso de matérias 
primas escassas, são possibilidades muito concretas dos desenvolvimentos em 
nanotecnologia que estão ocorrendo hoje e podem ser antevistas. 
 Aços avançados 
1. Aços especiais para fabricação de carroceria: 
 Aços na indústria automobilística: Projeto ULSAB (Ultra light steel auto 
body), onde o aumento de aço traria maior resistência ao carro sem ganho de 
peso. 
Vantagens dos Aços Avançados: 
Advanced High-Strength Steel (AHSS) 
Aços Avançados de Alta Resistência ; 
21 a 25% redução no peso do “ body-in-white” (monobloco); 
9% redução no peso total sem passageiros (curb weight); 
5,1% redução de consumo de combustível; 
5,7% redução de emissões do ciclo de vida (CO2); 
pouco ou nenhum aumento no custo de manufatura. 
Impacto Ambiental do uso de Aços AHSS 
 Para cada 1kg de AHSS utilizado em veículos existe um total de 8kg de 
CO2 equivalente. 
 Se todos os veículos forem globalmente produzidos com aços AHSS a 
emissão de CO2 anual seria reduzida em 156 milhões de toneladas. 
 CO2 equivalente é um padrão universal de medidas contra os impactos 
de liberação ou de evitar a liberação de diferentes gases que causam o efeito 
estufa. 
O que é um aço? 
Liga metálica a base de ferro (ferrosa) 
Contém carbono, tipicamente, em 0,1 e 1,5 wt% 
Pode conter outros elementos de liga: Mn, Cr, Ni, Mo, Cu, W, Co ou Si 
Propriedades dependem da composição química e da microestrutura. 
Ex: Mais carbono => mais resistente e menos dúctil 
Ex: Presença de Cr => aço inoxidável 
2. O que é um cristal? 
Um cristal é uma organização periódica de átomos no espaço; 
Está presente em quase todos os materiais –metais, pedras, proteínas e vírus; 
Na natureza os cristais podem aparecer em diversas escalas de tamanho –de 
μm a cm; 
Artificialmente, é possível controlar o tamanho dos cristais e fabricar cristais 
perfeitos “gigantes”. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
As estruturas cristalinas do Ferro 
 O Ferro apresenta diferentes estruturas 
cristalinas, dependendo da temperatura 
(alotropia). 
•De Tamb até 912ºC. 
Cúbica de corpo centrado (Ferrita ou Ferro) 
•De 912ºC até 1394ºC. 
Cúbica de face centrada (Austenita ou Ferro) 
•De 1394ºC até 1538ºC. (Delta Ferrita) 
Cúbica de corpo centrado 
•Temperatura de fusão: 1538 ºC. 
 
 
Solutos substitucionais ou intersticiais 
 Os átomos estão sempre vibrando e por conta disso, alguns átomos podem “cair” da 
estrutura, formando assim o que chamamos de vacância. 
 Os átomos substitucionais, substituem as vacâncias e os átomos intersticiais 
preenchem os interstícios, ou seja, os espaços entre os átomos. 
 
Interstícios e carbono nas redes de ferro 
 
 
 O átomo de carbono é maior do que o interstício e 
fica sob compressão. 
 A presença de carbono distorce a rede, 
contribuindo para endurecer o material. 
 A concentração máxima de carbono na ferrita é 
muito baixa (0,022 wt%). 
 Como o interstício central da cfc é cerca de 2,7X 
maior, a concentração máxima de carbono na austenita é 
muito maior (2,11 wt%). 
 
 
 
 
3. Diagrama de Fases 
 Limite de Solubilidade: Corresponde à concentração máxima que se pode atingir de um 
soluto dentro de um solvente. O limite de solubilidade depende da temperatura. Em geral, 
cresce com a temperatura. 
 Abaixo do limite de solubilidade, os átomos das impurezas se diluem na rede cristalina 
da matriz (material monofásico). 
 Quando o limite de solubilidade for ultrapassado forma-se uma nova (segunda) fase. 
 Diagramas de fase são mapas que permitem prever a microestrutura de um material 
em função da temperatura e composição de cada componente. 
 Fase é uma porção homogênea do material que tem propriedades físicas ou químicas 
uniformes. 
 
 Isomorfo: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Regra da Alavanca: W = (Co-Cl)/(C-Cl) Wa - Porcentagem de sólido 
 WL = (C-Co)/(C - Cl) WL – Porcentagem de líquido 
 
 Eutético 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 No ponto eutético (E) a temperatura de fusão é mais baixa do que o de seus 
componentes. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Diag. Fe-C -Características básicas 
 Fases do Ferro puro 
Tamb-912°C => Fe na forma de Ferrita ( -Fe, CCC) 
912°C-1394°C => Fe na forma de Austenita ( -Fe, CFC) 
1394°C-1538°C => Fe na forma de Delta Ferrita (-Fe,CCC) -nenhum valor tecnológico. 
 Solubilidade do C em Fe 
Na fase  - máximo de 0.022% 
Na fase  - máximo de 2.11% 
 Cementita -Fe3C 
Composto estável que se forma nas fases e quando a solubilidade máxima é excedida, até 6.7 
wt% C. É dura e quebradiça. A resistência de aços é aumentada pela sua presença. 
 
Concentração eutetóide - Inicialmente, temos apenas a fase. A uma temperatura 
imediatamente abaixo da eutetóide toda a fase se transforma em perlita (ferrita + Fe3C) de 
acordo com a reação eutetóide. Estas duas fases têm concentrações de carbono muito 
diferentes. Esta reação é rápida. Não há tempo para haver grande difusão de carbono. As fases 
se organizam como lamelas alternadas de ferrita e cementita. 
Concentração hipo-eutetóide- Inicialmente, temos apenas a fase. Em seguida começa a 
surgir fase  nas fronteiras de grão da fase . A uma temperatura imediatamente acima da 
eutétoide a fase  já cresceu, ocupando completamente as fronteiras da fase . A 
concentração da fase  é 0.022 wt% C. A concentração da fase  é 0.77 wt% C, eutetóide. A 
uma temperatura imediatamente abaixo da eutetóide toda a fase  se transforma em perlita 
(ferrita eutetóide + Fe3C). A fase , que não muda, é denominada ferrita pro-eutetóide. 
Concentração hiper-eutetóide - Inicialmente, temos apenas a fase . Em seguida começa a 
surgir fase Fe3C nas fronteiras de grão da fase . A concentração da Fe3C é constante igual a 
6.7 wt% C. A concentração da austenita cai com a temperatura seguindo a linha que separa o 
campo  +Fe3C do campo . A uma temperatura imediatamente acima da eutetóide a 
concentração da fase  é 0.77 wt% C, eutétóide. A uma temperatura imediatamente abaixo da 
eutetóide toda a fase se transforma em perlita. A fase Fe3C, que não muda, é denominada 
cementita pro-eutetóide. 
 
Glossário: 
Austenita = -Fe = fase  ; 
Ferrita = -Fe = fase  
Cementita = Fe3C (6.7 wt% C em Fe); 
Perlita = Ferrita e Cementita em lamelas alternadas; 
Ferrita pro-eutetóide = Ferrita que se forma a T >T eutetóide para composição hipo-eutetóide 
(<0.77 wt%C); 
Cementita pro-eutetóide = Cementita que se forma a T > T eutetóide para composição hiper-
eutetóide. 
 
Tratamentos Térmicos e Fases Metaestáveis 
 As fases mostradas no diagrama só são formadas se o resfriamento for lento. É 
necessário dispor de tempo para que os átomos de carbono se movam através da rede do 
ferro. Difusão. 
 Caso o resfriamento seja rápido, fases de não equilíbrio, metaestáveis, se formam. 
 Ex: Martensita –fase formada a partir do resfriamento abrupto da austenita. Fase 
extremamente dura. 
 Ao resfriamento abrupto se dá o nome de têmpera (em inglês quenching). 
 
Aços TRIP 
 No resfriamento abrupto, em certas faixas de concentração de carbono, obtém-se, 
além da martensita, austenita a temperatura ambiente. 
 A austenita “não deveria existir” nesta temperatura. Assim, ela é metaestável e pode 
se transformar em outra fase, quando o material sofre alguma intervenção. 
Ex: Austenita se transforma em martensita. 
 Nos aços TRIP –Transformation Induced Plasticity (Plasticidade induzida por 
transformação), a austenita se transforma em martensita devido ao efeito de uma força que 
causa uma deformação. 
 Esta transformação torna o aço mais plástico, daí a origem do nome. 
 
Aplicações dos Aços TRIP 
 Aços TRIP são particularmente uteis para proteção de impacto lateral. A medida que o 
material se deforma e absorve a energia de impacto, também se torna mais resistente e 
endurece prevenindo o colapso total das seções laterais protegendo os passageiros 
 
5. Curva Tensão-Deformação 
• Normalização 
P/A onde P é a carga e A é a seção reta da amostra; 
= (L-L0)/L0 onde L é o comprimento para uma dada carga e L0 é o comprimento original 
• A curva  -  pode ser dividida em duas regiões. 
Região elástica -  é proporcional a  =>  =E. E=módulo de Young. A deformação é 
reversível. Ligações atômicas são alongadas, mas não se rompem. 
Região plástica -  não é linearmente proporcional a . A deformação é quase toda não 
reversível. Ligações atômicas são alongadas e se rompem. 
Limite de escoamento – É a tensão que após ser liberada causa uma pequena deformação 
residual de 0,2% 
Limite de resistência – É onde começa a ocorrer ma estricção no corpo de prova. 
Tenacidade é a capacidade que o material possui de absorver energia mecânica até a fratura. 
 
 
 
6. Discordâncias 
 São defeitos lineares. Existe uma linha separando a seção perfeita, da seção 
deformada do material. 
 São fundamentais na deformação plástica de materiais cristalinos. Em pequena 
quantidade tornam reduzem a resistência mecânica dos materiais. Em grande quantidade 
aumentam a resistência mecânica dos materiais. Existem dois tipos fundamentais de 
discordâncias: Discordância em linha (edge dislocation) e Discordância em hélice (screw 
dislocation). 
 
Discordância em linha: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Discordância em hélice – Rompimento simultâneo de diversas ligações atômicas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 A tensão cisalhante crítica é o valor máximo, acima do qual o cristal começa a cisalhar. 
No entanto, os valores teóricos são muito maiores do que os valores obtidos 
experimentalmente, esta discrepância só foi entendida quando se descobriu a presença das 
discordâncias que reduzem a tensão necessária para cisalhamento, ao introduzir um processo 
seqüencial, e não simultâneo, para o rompimento das ligações atômicas no plano de 
deslizamento. 
 
Mecanismos de Aumento de Resistência 
 A deformação plástica depende diretamente do movimento das discordâncias. Quanto 
maior a facilidade de movimento, menos resistente é o material. 
 Para aumentar a resistência, procura-se restringir o movimento das discordâncias. Os 
mecanismos básicos para isso são: 
 Redução de tamanho de grão 
 As fronteiras de grão funcionam como barreiras para o movimento de discordâncias. 
Isto porque ao passar de um grão com uma certa orientação para outro com orientação muito 
diferente (fronteiras de alto ângulo) a discordância tem que mudar de direção, o que envolve 
muitas distorções locais na rede cristalina. A fronteira é uma região desordenada, o que faz 
com que os planos de deslizamento sofram discontinuidades. Como um material com grãos 
menores tem mais fronteiras de grão, ele será mais resistente. 
 Solução sólida 
 Nesta técnica, a presença de impurezas substitucionais ou intersticiais leva a um 
aumento da resistência do material. Metais ultra puros são sempre mais macios e fracos do 
que suas ligas. 
 Deformação a frio 
 Nesta técnica, a presença de impurezas substitucionais ou intersticiais leva a um 
aumento da resistência do material. Metais ultra puros são sempre mais macios e fracos do 
que suas ligas. 
 
7. Polímeros 
 A palavra polímero significa muitos “meros”. O mero ou monômero é a unidade básica 
de formação de uma cadeia polimérica. 
 Polímeros Termoplásticos 
 Escoam e se deformam quando aquecidos. Característico de moléculas lineares ou 
ramificadas, mas não com ligações cruzadas. Como as cadeias são ligadas apenas for forças de 
Van der Waals, estas ligações podem ser rompidas por ativação térmica, permitindo 
deslizamento das cadeias. Temperaturas típicas na faixa de 100°C. São recicláveis. 
 Polímeros têm baixa densidade em relação aos outros materiais. Vantagem: estruturas 
mais leves. 
 
 Polímeros Termorrígidos 
 Ao contrário dos termoplásticos não se tornam maleáveis com aplicação da 
temperatura. Característico de polímeros formados por redes 3D e com ligações cruzadas. 
Podem ser reciclados (p. ex. picados), mas sem que seja possível dar-lhes nova forma por 
aquecimento. 
 Elastômeros 
 Apresentam ligações cruzadas entre as cadeias, embora em pequeno número. 
Semelhante aos termorrígidos, podem ser reciclados, mas sem que seja possível dar-lhes nova 
forma por aquecimento. 
 
 
 
 
8. Compósitos 
 São materiais que buscam conjugar as propriedades de dois tipos de materiais 
distintos, para obter um material superior. 
 
Reforçados por fibras 
 Princípio de funcionamento - Uma fibra de um dado material é muito mais forte do 
que o material como um todo, porque a probabilidade de encontrar uma trinca de superfície 
que leva à fratura diminui com a diminuição do volume da amostra. 
Laminados 
 São folhas (lâminas) de fibras contínuas montadas de modo que cada camada possui 
fibras orientadas em uma dada direção. 
 
Comportamento Mecânico 
 Comportamento mecânico dos compósitos será, em geral, anisotrópico: direções 
diferentes possuem propriedades diferentes. Carregamento longitudinal (na direção do eixo 
das fibras), considerando que há uma ligação perfeita entre a matriz e as fibras, a condição de 
contorno do modelo é de iso-deformação.Resposta Anisotrópica: Carregamento transversal, neste caso a tensão é igual para o 
compósito e as duas fases. (condição de iso-tensão). As condições isodeformação e isotensão 
são os limites superior e inferior dos valores das propriedades mecânicas dos compósitos. 
Ex: Fibra de vidro (Fiber Glass)