1 CAP - Introdução aos Materiais

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CIÊNCIA DOS 
MATERIAIS 
Prof. Dr. Lucas Bonan Gomes – DEMAT – UFRGS 
SÚMULA 
1. INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS 
2. ESTRUTURA ATÔMICA 
3. ESTRUTURA CRISTALINA 
4. MICROESTRUTURA (FASES) 
5. PROPRIEDADES VS. ESTRUTURA 
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS 
A disciplina objetiva apresentar os fundamentos da Ciência dos Materiais: a 
interrelação entre os diferentes níveis de estrutura que constituem os materiais e as 
propriedades aí definidas. 
OBJETIVO DA DISCIPLINA 
1. Callister Jr., W.D., Materials Science and Engineering an 
introduction, 7ª Edição, New York, John Wiley & Sons, 
2007. 
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 SUGERIDA 
CAPÍTULO 1 
INTRODUÇÃO AOS 
MATERIAIS 
1. INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS 
1-1 INTRODUÇÃO 
1-2 TIPOS DE MATERIAIS 
1-3 RELAÇÃO: ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES 
1-4 SELEÇÃO DE MATERIAIS 
1-1 INTRODUÇÃO 
MATERIAIS: ‘Matéria utilizada em aplicações práticas / industriais’ 
-máquinas 
-artefatos 
- dispositivos 
- componentes 
-estruturas (prédios) 
-outros 
ENGENHARIA! 
 utilização – desde os primórdios da civilização 
 são parte integrantes da vida humana 
 o conhecimento dos materiais definiu algumas idades da história da humanidade: idade da pedra, 
idade do bronze, idade do ferro, idade dos plásticos, não? 
Com uso, por exemplo, em: 
- máquinas 
- estruturas 
- dispositivos 
- produtos 
2 milhões de anos 5.000 anos 3.000 anos 150 anos 100 anos 400-300 anos 
1-1 INTRODUÇÃO 
ENGENHARIA 
–manufatura materiais 
–processa materiais 
–projeta materiais 
–constrói com materiais 
 
–seleciona materiais 
–testa e analisa materiais 
 
Palheta de turbina 
ENGENHEIRO está preocupado em melhorar a performance do que está 
projetando ou manufaturando 
–elétricista (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 
Bruna
Realce
Bruna
Realce
Bruna
Realce
Bruna
Realce
Bruna
Realce
1-1 INTRODUÇÃO 
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 INTRODUÇÃO 
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 
Bruna
Realce
1-1 INTRODUÇÃO 
Síntese de reagentes 
•Elevado número de átomos na superfície / Contorno de grão; 
ORIGEM DAS PROPRIEDADES DIFERENCIADAS DOS NANOMATERIAIS: 
Deformação plástica superior 
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 pneus Cores em vitrôs 
No passado No presente 
Microscopia eletrônica 
Controle + Simulação por computadores 
Bruna
Realce
Bruna
Realce
1-1 INTRODUÇÃO 
Aplicações de Nanomateriais na Indústria 
 
Pintura 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 
Bruna
Nota
A hidrofobicidade pode ser entendida como a repelência do solo à água, dificultando o seu molhamento
Bruna
Nota
Meteorização ou intemperismo é o processo natural de decomposição ou desintegração de rochas e solos por ação dos efeitos químicos, físicos e biológicos que resultam da sua exposição aos agentes externos.
Bruna
Nota
Dióxido de Titânio
1-1 INTRODUÇÃO 
reflexivo 
MATERIAIS 
1-1 INTRODUÇÃO 
Gasoduto na Sibéria 
Ponte nos EUA FALHA EM SERVIÇO 
OLEODUTO ROMPIDO POR 
CORROSÃO EM CAMPINAS, 1990 
Série LIBERTY: 1000 navios 
Plataforma off-shore 
Trilhos de trem 
1-1 INTRODUÇÃO 
CICLO GLOBAL DOS MATERIAIS: 
TERRA: fonte e depósito de todos os materiais 
1-1 INTRODUÇÃO 
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 
•combinação de elementos 
metálicos. 
•elétrons livres: bons 
condutores de calor e 
eletricidade, brilho e opacos. 
•geralmente são resistentes e 
deformáveis. 
1-2 TIPOS DE MATERIAIS 
•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 tipo 
de fases insolúveis entre si. 
•propriedades que não estão 
presentes em um material 
monofásico. 
1-2 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 787 Dreamliner 
Início do Projeto: Final de 2007 
Entrada em Serviço: 2008 
Porcentagem de materiais compósitos 
no peso do avião: 
Estimada entre50 e 60% 
1-2 TIPOS DE MATERIAIS 
• Classificação 
dos materiais 
 Metais 
Polímeros
 
Cerâmicos 
 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 MATERIAIS 
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 
PROJETADOS: 
Viabilização de 
projetos de alta 
tecnologia 
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 MATERIAIS 
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 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 
Bruna
Realce
Bruna
Realce
Bruna
Realce
Bruna
Realce
 MATERIAIS PARA ENGENHARIA desenvolvidos para uso na Indústria 
fundamento: CIÊNCIA DOS MATERIAIS 
Inter-relação entre ESTRUTURA e PROPRIEDADES 
ESTRUTURA PROPRIEDADES 
CIÊNCIA DOS MATERIAIS 
1-3 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES 
• MATERIAIS PARA ENGENHARIA 
 ESTRUTURA NOS MATERIAIS 
 
• ESTRUTURA ATÔMICA 
• ESTRUTURA CRISTALINA 
• MICROESTRUTURA 
• MACROESTRUTURA 
1-3 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES 
– DIVISÃO DA ESTRUTURA NOS MATERIAIS 
 
Qual o critério da divisão da 
estrutura dos materiais? 
1-3 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES 
1-3 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES 
Engenharia de superfícies 
1-3 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES 
1-3 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES 
IMPORTANTE: 
- PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 
1-3 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES 
• MATERIAIS PARA ENGENHARIA 
– Exemplo da relação tripartite 
aplicada a uma barra de alumínio 
laminado 
1-3 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES 
1-3 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES 
DEGRADAÇÃO 
1-4 SELEÇÃO DE MATERIAIS 
1-4 SELEÇÃO DE MATERIAIS 
Material Resistência Mecânica
(MPa)
Densidade Resistência/peso
(m2s-2103)
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 74
Aço 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 
Adaptado de C. P. Bergmann