Introdução a Ciência dos Materiais

Prévia do material em texto

INTRODUÇÃO À CIÊNCIA DOS MATERIAIS PARA ENGENHARIA
Prof. Ma. Cláudia Miranda
Referências 
W.D. Callister, Jr., "Materials science and engineering" ou "Ciência e engenharia de materiais: uma introdução".
J.F. Shakelford, "Introduction to materials science for engineers" ou "Ciência dos materiais".
D.R. Askeland, "The Science and engineering of materials" ou "Ciência e Engenharia dosMateriais".
W.F. Smith, "Princípios de ciência e engenharia de materiais".
K.M. Ralls, T.H. Courtney, J. Wulff, "Introduction to materials science and engineering".
D.D.L Chung, “Applied materials science – applications of engineering materials in structural, electronics, thermal and other industries. CRC Press, 2001.W.D.Callister, Ciência e engenharia de materiais – uma Introdução, 8ª ed.
INTRODUÇÃO À CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS
ESTRUTURA ATÔMICA E ARRANJO CRISTALINO
LIGAÇÕES QUÍMICAS E FORÇAS DE COESÃO 
TIPOS DE MATERIAIS
ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS 
DEFEITOS NA ESTRUTURA CRISTALINA 
DIFUSÃO NO ESTADO SÓLIDO
SOLIDIFICAÇÃO E CRISTALIZAÇÃO
DIAGRAMAS DE FASES 
TRATAMENTOS TÉRMICOS E TERMOQUÍCOS 
PROPRIEDADES MECÂNICAS 
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
PROPRIEDADES ÓPTICAS, TÉRMICAS E MAGNÉTICAS 
OUTRAS PROPRIEDADES
Programa
AULA 1
UE – 1. INTRODUÇÃO À CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS 
Perspectiva histórica.
Ciência e engenharia dos materiais.
UE – 4. TIPOS DE MATERIAIS
Classificação dos materiais.
Materiais avançados.
Necessidade dos materiais modernos.
UE – 1 - INTRODUÇÃO - CM
Imagem tirada do livro Ciências de Materiais, autor Callister, 7ª edição
INTRODUÇÃO - CM
Ciência dos materiais faz parte do conhecimento básico para todas as engenharias.
As propriedades dos materiais definem:
O desempenho de um determinado componente e o processo de fabricação do mesmo
As civilizações antigas foram designadas pelo nível de seus desenvolvimentos em relação aos materiais ( isto é, Idade da Pedra, Idade do Bronze).
INTRODUÇÃO - CM
Definições
• Ciência dos Materiais
– Investigação das relações entre composição/estrutura e propriedades dos materiais
• Engenharia dos Materiais
– Projeto, desenvolvimento ou aperfeiçoamento de técnicas de processamento de materiais (= técnicas de fabricação) com base nas relações composição/estrutura e propriedades.
– E também:
• Desenvolvimento de formas de produção de materiais socialmente desejáveis a custo socialmente aceitável.
INTRODUÇÃO - CM
Definições
• Ciência e Engenharia dos Materiais são campos intimamente interligados e interdisciplinares.
• “Ciência e Engenharia dos Materiais é a área da atividade humana associada com a geração e a aplicação de conhecimentos que relacionem composição, estrutura e processamento de materiais às suas propriedades e usos.”
Morris Cohen, MIT (in Padilha, A.F. – Materiais de Engenharia, Hemus, 1997, cap. 1)
• Objetivos:
– Desenvolvimento de materiais já conhecidos visando novas aplicações ou visando melhorias no desempenho.
– Desenvolvimento de novos materiais para aplicações conhecidas.
– Desenvolvimento de novos materiais para novas aplicações..
O tetraedro da ciência de materiais
Propriedades dos 
Materiais
Composição
Processo
de Fabricação
Microestrutura
INTRODUÇÃO - CM
INTRODUÇÃO - CM
INTRODUÇÃO - CM
INTRODUÇÃO - CM
INTRODUÇÃO - CM
Monocristal
(transparente)
Policristal denso
(translúcido)
Policristal poroso
(opaco)
INTRODUÇÃO - CM
Automóveis: Economia de Combustível 
De 1975 a 2006 os veículos leves de carga experimentaram um ganho de 60% em: 
Economia: de 5,7 para 9,1 km/L 
Potência de: 138 para 220 hp 
O número de materiais cresceu muito nas últimas décadas
Desenvolvimento e aperfeiçoamento dos métodos de extração de materiais da natureza
Modificação de materiais naturais
Combinação de materiais conhecidos para a formação de novos materiais
QUANTOS MATERIAIS DIFERENTES EXISTEM ?
Entre 40000 e 80000 
diferentes, contando as variantes 
de tratamento térmico e composição
 de cada material
COMO ESCOLHER?
Como definir qual o melhor material para um determinado fim?
 
Exemplo: Copo
Vidro
Cerâmica
Plástico
Madeira
Metal
Papel
Depende
Custo
Tempo de vida ou Durabilidade
Aparência
Finalidade: Natureza do líquido (ex: copo de metal e papel não pode ser usado para café, suco de laranja não pode ser armazenado numa taça antiga de peltre porque remove o Pb da liga)
Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros? 
1º
Caracterizar quais as condições de operação.
Levantar as propriedades para tal aplicação.
2º
Tipo de degradação que o material sofrerá em serviço. 
Elevadas temperaturas e 
Corrosão
Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros? 
3º
FATOR ECONÔMICO 
Qual o custo do produto acabado???
Em raras ocasiões um material reúne uma combinação ideal de propriedades
UE – 4 - CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
A classificação tradicional dos materiais é geralmente baseada na estrutura atômica e química destes.
-- Semicondutores
-- Biomateriais
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
COMPOSITOS
Constituídos de mais de um tipo de material insolúveis entre si.
Os compósitos são “desenhados” para apresentarem a combinação das melhores características de cada material constituinte
Um exemplo classico 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.
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
SEMICONDUTORES
Apresentam propriedades elétricas que são intermediárias entre metais e isolantes
Características elétricas são extremamente sensíveis à presença de pequenas quantidades de impurezas, cuja concentração pode ser controlada em pequenas regiões do material (para formar as junções p-n)
Advento do circuito integrado que revolucionou as indústrias de eletrônica e computadores
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
BIOMATERIAIS
Biomateriais são empregados em componentes para implantes de partes em seres humanos
Esses materiais não devem produzir substâncias tóxicas e devem ser compatíveis com o tecido humano (isto é, não deve causar rejeição).
Metais, cerâmicos, compósitos e polímeros podem ser usados como biomateriais.
EXEMPLO: BIOMATERIAIS
Materiais Avançados
COMPONENTES
SENSOR: Detecta um sinal de entrada.
ATUADOR: executa uma função de resposta e adaptação.
Ligas com memoria da forma: São metais que após serem deformados retornam as suas formas iniciais (∆T) 
Cerâmicas piezelétricas: expandem-se e contraem-se em resposta a aplicação de um campo elétrico. 
Magnetos – construtivos: respondem a um campo magnético. (Semelhante aos piezelétricas)
Magnetos-reológicos: são líquidos que apresentam mudanças drásticas em sua viscosidade quando submetidos ao um campo elétrico e magnético. 
Materiais Inteligentes
São materiais que tem seus átomos e moléculas manipulados e movidos com o auxílio de microscópios de varredura, com o objetivo de formar novas estruturas.
Esse arranjo dos átomos oportuniza o desenvolvimento de propriedades mecânicas, elétricas, magnéticas, entre outras que não seriam possíveis de outra maneira.
NANOTECNOLOGIA
Nanomateriais
EXERCÍCIO
Selecione seis dos seguintes itens ou dispositivos modernos e faça uma busca na internet para determinar qual(is) mateial(is) especifico(s) é(são) usado(s) e quais propriedades especificas esse(s) material(is) possui(em) para o dispositivo/item funcionar corretamente.
Bateria de telefone celular
Mostradores de telefone celular
Células solares
Laminas de turbinas eólicas 
Células de combustíveis 
Blocos de motores de automóveis 
Carrocerias de automóveis 
Espelho de telescópio espacial 
Blindagem pessoalmilitar
Equipamentos esportivos
Bolas de futebol
Bolas de basquete
Bastões de esqui
Botas de esqui
Pranchas de snowboard
Pranchas de surfe
Bolas de golfe
Caiaques
Quadros leves de bicicletas