Webaula 1 - Ciência dos Materiais - Iury Sousa e Silva

Prévia do material em texto

Ciência dos Materiais
Prof. Dr. Iury Sousa e Silva
WebAula 1
Iury Sousa e Silva
Formação:
Engenheiro Mecânico
Engenheiro Químico
Especialista em Engenharia de Segurança do Trabalho
MBA em Gestão de Projetos
Especialista em Metodologia de Ensino EAD
Mestre em Engenharia Química – Modelagem e Simulação de processos
Doutor em Engenharia Química – Modelagem, Simulação e Viabilidade de plantas industriais
Experiências:
Engenheiro de Processos – M&G Fibras Brasil
Coordenador de Qualidade – Frevo Industria de Bebidas
Analista de Meio Ambiente – SEMMA Paulista
Professor e coordenador de curso – UNINASSAU/Ser Educacional
Contatos:
E-mail: iury.silva@sereducacional.com
Instagram: @prof.iurysousa
Linkedin: Iury Sousa e Silva
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
AS CIVILIZAÇÕES
O desenvolvimento 
civilizações antigas foram designadas por sua capacidade de manipular
das sociedades foi tão ligado aos materiais, que as
e
produzir materiais, a fim de satisfazer às suas necessidades.
VISÃO HISTÓRICA
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
VISÃO HISTÓRICA
IDADE DA PEDRA
Corresponde ao período em que o homem usava
ferramentas criadas a partir de pedras para cortar 
carnes e plantas.
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
VISÃO HISTÓRICA
IDADE DO COBRE
•O cobre gerou algum impacto no mundo antigo, pois produzia
boas armas e armaduras razoáveis, mas ainda era muito
macio para produzir ferramentas de corte úteis.
•Consequentemente, a metalurgia do cobre não substituiu a
manufatura de armas e ferramentas de pedra, que ainda
produziam lâminas superiores.
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
VISÃO HISTÓRICA
•Os bronzes possuem maior dureza do que o Cu, bem como
boa resistência à oxidação. Foram largamente empregados na
produção de ferramentas, armas e objetos de arte.
•Período da civilização onde ocorreu o desenvolvimento da
metalurgia dos bronzes, ligas de Cu com vários outros
elementos, incluindo o Sn, Al, Si e Ni.
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
VISÃO HISTÓRICA
IDADE DO FERRO
O Fe não substituiu o bronze imediatamente, devido à sua
metalurgia complexa, além de ser raramente encontrado em
sua forma elementar.
Posteriormente as ligas ferrosas tornaram- se as mais
utilizadas entre os metais, pela abundância de minério de Fe
e sua extrema versatilidade.
.
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
O desenvolvimento na área de materiais permitiu ao ser humano muitos avanços e muitas 
comodidades.
• construção de fortificações para se proteger;
• confecção de roupas para se aquecer e também para evitar receber tanto calor (caso dos viajantes em 
desertos, como ocorre no deserto do Saara);
• desenvolvimento de utensílios eficazes de caça, pesca e colheita;
• possibilidade de voar e atingir profundidades jamais imaginadas;
• criação de próteses dentárias, fármacos e objetos de usos corriqueiros
denominados commodities (como, por exemplo, mesas, cadeiras, computadores etc).
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
PRESENTES EM NOSSO DIAA DIA
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
O QUE SÃO MATERIAIS?
Uma parte da matéria no universo;
São as substâncias cujas propriedades as tornam utilizáveis em 
estruturas, máquinas, dispositivos ou produtos consumíveis.
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
O QUE É CIÊNCIA DOS MATERIAIS?
• É a área da atividade humana 
associada com a geração e com a 
aplicação de conhecimentos que 
relacionem composição, estrutura e
processamento dos materiais às suas
propriedades e aplicações;
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
• Propriedades, Desempenho e Custo:
Quais as propriedades dos materiais utilizados e quanto 
custa?
• Composição:
Que tipos de ligas metálicas e não-metálicas irei utilizar?
• Processamento:
O material será produzido de que forma?
• Estrutura de nano a macro:
Que tipo de tratamento térmico será aplicado?
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
PROPRIEDADES
•Mecânica;
• Elétrica;
• Térmica;
•Magnética;
•Óptica e;
•Deteriorativa.
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
Processamento Estrutura Propriedades Desempenho
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
METAIS
» Os materiais metálicos são normalmente uma combinação de elementos metálicos
(ferro, alumínio, cobre, titânio, ouro e níquel) e elementos não-metálicos em escala
reduzidas (carbono, nitrogênio e oxigênio);
» Possuem elétrons livres;
» Bons condutores de eletricidade e calor;
» Não transparentes;
» Muito resistentes;
» Facilmente deformáveis e pesados.
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
Ligaçãometálica
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
Ligação metálica
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
CERÂMICAS
» Composições de elementos metálicos e não metálicos;
» Óxidos, nitretos e carbetos;
» Argilas, cimento e vidro;
» Normalmente isolantes;
» Duros e frágeis (quebradiços);
» Resistente a altas temperaturas (refratários);
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
CERÂMICAS
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
CERÂMICAS
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
POLÍMEROS
» Plásticos, borrachas e adesivos;
» Compostos orgânicos baseados em carbono, hidrogênio e outros elementos não 
metálicos;
» Produzidos pela criação de grandes estruturas moleculares a partir de moléculas 
orgânicas;
» Baixa condutividade elétrica;
» Tipicamente tem baixa densidade e podem ser extremamente flexíveis
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
POLÍMEROS
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
POLÍMEROS
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
POLÍMEROS
Ligações de Van der Waals
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
POLÍMEROS
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
POLÍMEROS
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
COMPÓSITOS
• Formados por dois ou mais tipos de materiais.
Aplicações:
Compósitos de fibras reforçadas (fibras de carbono em matriz polimérica) utilizados 
na estrutura de bicicletas, bem como:
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
COMPÓSITOS
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
COMPÓSITOS
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
Materiais avançados
• Aplicações de alta tecnologia;
• Equipamentos eletrônicos, computadores, sistemas de fibras ópticas, espaçonaves, 
aeronaves e entre outros;
• Materiais tradicionais que foram aprimorados;
• Podem ser metais, polímeros, cerâmicas e compósitos;
• Alto custo.
elétricas
Semicontudores
• Propriedades 
intermediárias;
• Características elétricas sensíveis a 
impurezas.
Biomateriais
• Implantados no corpo humano;
• Não devem ser tóxicos;
• Devem possuir compatibilidade.
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
Materiais inteligentes
• Capazes de sentir mudanças nos seus ambientes e, assim, responder a essas mudanças de maneira 
predeterminadas;
• Sensor (detecta sinal de entrada) e atuador (executa função de resposta e atuação);
• Atuadores: ligas com memória de forma, cerâmicas piezoelétricas e materiais magneto constritivos;
• Sensores: fibra óptica, materiais piezoelétricos e dispositivos microeletromecânicos.
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
Nanomateriais
• São materiais estruturados com ao menos 1
dimensão Inferior a 100 nanômetros – filmes finos;
nanofios e nanotubos.
• Propriedades: Área superficial maior;
• Maior proporção de átomos na superfície.
• Importância: controlar a estrutura dos materiais 
em escalas cada vez menores.
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
ESTRUTURA ATÔMICA
Por que estudar a estrutura atômica ?
Porque algumas das propriedades de materiais sólidos dependem dos arranjos geométricos dos 
átomos e também das interações que existem entre os átomos ou moléculas constituintes.
Conceitos fundamentais
Cada átomo consiste de um núcleo muito pequeno composto de prótons e nêutrons que estão 
circundados por elétrons.
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
CRISTALINIDADE
•Os materiais sólidos são classificados de acordo com a regularidade em que seus átomos, ou íons,
estão arranjados uns em relação aos outros.
• Denomina-se material cristalino aquele cujos átomos ou íons seguem um arranjo periódico ou
repetitivo ao longo de uma grande distância atômica, ou seja, há uma ordem de longo alcance. Esse
arranjo de longo alcance é tridimensional e segue de forma que cada átomo esteja ligado ao seu
átomo mais próximo.
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
CRISTALINIDADE
CIÊNCIADOS MATERIAIS
ESTRUTURA CRISTALINAS
◼Reticulado Cristalino
◼Nos materiais cristalinos, denomina-se estrutura cristalina à maneira como os átomos, 
moléculas ou íons se encontram espacialmente arranjados.
◼Modelo de esferas rígidas: os átomos ou íons representados com esferas de diâmetros fixo.
◼Célula unitária: é o agrupamento de átomos representativo de uma determinada estrutura 
cristalina específica. Ex: Parede de tijolo.
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
ESTRUTURA CRISTALINAS
◼Estruturas Cristalinas são formadas por unidades básicas e repetitivas denominadas de 
Células Unitárias
◼Célula Unitária - menor arranjo de átomos que pode representar um sólido cristalino
◼Existem 7 sistemas cristalinos básicos que englobam todas as substâncias cristalinas 
conhecidas
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
ESTRUTURA CRISTALINAS
◼Maioria dos elementos metálicos (90%) cristaliza-se com estruturas altamente densas:
◼Cúbica de Corpo Centrado (CCC)
◼Cúbica de Face Centrada (CFC)
◼Hexagonal Compacta (HC)
◼Dimensões das células cristalinas metálicas são pequenas:
◼Aresta de uma célula unitária de Fe à temperatura ambiente é igual a 0,287 nm
◼Sólidos Cristalinos de 1 único elemento:
◼52% - estrutura cúbica
◼28% - estrutura hexagonal
◼20% - outros 5 tipos estruturais
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
ESTRUTURA CRISTALINAS
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
FATOR DE EMPACOTAMENTO
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
◼N = Número de átomos que efetivamente ocupam a 
célula;
◼VA = Volume do átomo (4/3.π.r3);
◼r = Raio do átomo;
◼VC = Volume da célula unitária.
ESTRUTURA CRISTALINAS
◼Fator de Empacotamento (F.E.): nível de ocupação por átomos de uma estrutura cristalina,
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
CÚBICA SIMPLES
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
CÚBICA DE CORPO CENTRADO (CCC)
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
CÚBICA DE CORPO CENTRADO (CCC)
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
CÚBICA DE CORPO CENTRADO (CCC)
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
CÚBICA DE FACE CENTRADO (CFC)
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
CÚBICA DE FACE CENTRADO (CFC)
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
HEXÁGONA COMPACTA (HC)
ALOTROPIA OU POLIMORFISMO
.
◼ Fenômeno onde uma substância apresenta variações de arranjos
cristalinos em diferentes condições
◼ Dos elementos químicos conhecidos, 40 % apresentam variações alotrópicas
METAL Estrutura na Temp. Ambiente EM OUTRAS TEMPERATURAS
Ca CFC CCC (>4470C)
Co HC CFC (>4270C)
Hf HC CFC (>1.7420C)
Fe CCC CFC (912-1.3940C) CCC 
(>1.3940C)
Li CCC HC (5570C)
Tl HC CCC (>2340C)
Ti HC CCC (>8830C)
Y HC CCC (>1.4810C)
Zr HC CCC (>8720C)
POLIMORFISMO DO Fe
◼ Ferro Puro
1.500 -
1.400 -
1.300 -
1.200 -
1.100 -
1.000 -
900 -
700 -
800 -
T
e
m
p
e
ra
tu
ra
o
C
Tempo
Líquido
Ferro 
Ferro 
Líquido
Ferro 
1.539 oC
1.394 oC
912 oC
768 oC
Ferro
POLIMORFISMO DO C
.
◼ Carbono
DIAMANTE GRAFITE
POLIMORFISMO DO Ti
◼ Titânio
T
883 oC
CCC ()
HC ()
◼ Baixa densidade, boa 
resistência mecânica, alta 
resistência à fadiga e à 
corrosão;
◼ Modificação do comportamento 
mecânico é obtido com a 
adição de elementos de liga ao 
titânio;
◼ Elementos de liga podem
mudar a estabilidade das
estruturas cristalinas.
CALCULO DE DENSIDADE OU MASSA 
ESPECÍFICA
PRÓXIMOS
PASSOS
Participar do desafio 
Colaborativo
Fazer os questionários da 
unidade
Leitura da próxima 
unidade
OBRIGADO
Prof. Dr. Iury Sousa e Silva
Professor Executor EAD
E-mail:
iury.silva@sereducacional.com
Instagram: @prof.iurysousa
Linkedin: Iury Sousa e Silva