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06/03/2012 1 CIÊNCIA DOS MATERIAISCIÊNCIA DOS MATERIAIS Curso de Engenharia Civil 2012/02 Assunto 1. Introdução ao estudo dos materiais de construção 06/03/2012 2 Introdução 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 • Ciência dos materiais engloba disciplinas científicas tradicionais: – Física – Química – Matemática 06/03/2012 3 História dos Materiais • Historicamente, o desenvolvimento e o avanço das sociedades têm estado intimamente ligados às habilidades dos seus membros em produzir e manipular materiais para satisfazer as suas necessidades. – As civilizações antigas foram designadas de acordo com o domínio dos materiais: • Idade da Pedra • Idade do Ferro • Idade do Cobre • Idade do Bronze História dos Materiais Os primeiros seres humanos tinham acesso a apenas a materiais naturais: pedras, argila, madeira, ossos e peles. Com o passar do tempo eles descobriram técnicas para a produção de materiais que tinham propriedades superiores às dos produtos naturais: cerâmica e vários metais. Além disso, foi descoberto que as propriedades de um material poderiam ser alteradas através de tratamentos térmicos e pela adição de outras substancias. 06/03/2012 4 • Aproximadamente nos últimos 60 anos os cientistas compreenderam as relações entre a estrutura e a propriedade dos materiais. • Dezenas de milhares de materiais diferentes foram desenvolvidos, atendendo as necessidades da nossa sociedade moderna: Metais, plásticos, vidros e fibras. História dos Materiais O número de materiais cresceu muito nas últimas décadas e a tendência é de se proliferarem mais num futuro próximo • Modificação de materiais naturais • Desenvolvimento e aperfeiçoamento dos métodos de extração de matéria- prima da natureza • Desenvolvimento de materiais com menor impacto ambiental • Novas tecnologias de reciclagem de materiais • Combinação de materiais conhecidos para a formação de novos materiais 06/03/2012 5 • A Ciência dos Materiais: Estrutura: arranjo de seus componentes internos – Nível atômico: átomos ou moléculas – Nível subatômico: elétrons no interior dos átomos Propriedades: resposta aos estímulos impostos – Mecânica, elétrica, térmica, magnética, ótica e deteriorativa Estrutura x Propriedades Estrutura PropriedadesProcesso Desempenho Ciência e engenharia de materiais Processamento: conjunto de técnicas para obtenção de materiais com formas e propriedades específicas. Desempenho: resposta do material a um estímulo externo, presente nas condições reais de utilização. 06/03/2012 6 Transmitância à luz de três amostras de óxido de alumínio com estruturas diferentes. Por que estudar Ciência dos Materiais? � Engenheiros irão uma vez ou outra ficar expostos a um problema de projeto que envolva materiais. � Muitas vezes, um problema de materiais consiste na seleção do material correto dentre muitos milhares de materiais disponíveis. 06/03/2012 7 QUANTOS MATERIAIS DIFERENTES EXISTEM ? COMO ESCOLHER ?? Aproximadamente 80000 diferentes, contando as variantes de tratamento térmico e composição de cada material METÁLICO CERÂMICO POLIMÉRICO 06/03/2012 8 O que considerar na seleção do material? • Finalidade/uso/condições de serviço • propriedades requeridas para tal aplicação • Aparência • Estética do produto/obra final • Durabilidade em serviço • Por exemplo, elevadas temperaturas e ambientes corrosivos diminuem consideravelmente a resistência mecânica • Custo (Importante!!!) • Um material pode reunir um conjunto ideal de propriedades, porém com custo elevadíssimo 06/03/2012 9 Classificação dos materiais CLASSIFICAÇÕES BÁSICAS: �Metais �Cerâmicos �Polímeros Como definir qual o melhor material para um determinado fim? 06/03/2012 10 • Somente em raras ocasiões é que um material possui a combinação máxima ou ideal de propriedades. • Quanto mais familiarizado estiver um engenheiro com as várias características e relações estrutura-propriedade, bem como as técnicas de processamento dos materiais, mais capacitado ele estará para fazer opções. 06/03/2012 11 Seleção dos Materiais PRFC = Polímero reforçado com fibra de carbono Seleção dos Materiais PRFC = Polímero reforçado com fibra de carbono 06/03/2012 12 Seleção dos Materiais PRFC = Polímero reforçado com fibra de carbono Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material? • Em primeiro lugar, o engenheiro deve caracterizar quais as condições de operação que será submetido o referido material e levantar as propriedades requeridas para tal aplicação, saber como esses valores foram determinados e quais as limitações e restrições quanto ao uso dos mesmos. 06/03/2012 13 • A segunda consideração na escolha do material refere-se ao levantamento sobre o tipo de degradação que o material sofrerá em serviço. Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material? • Finalmente, a consideração talvez mais convincente é provavelmente a econômica: • Qual o custo do produto acabado??? Um material pode reunir um conjunto ideal de propriedades, porém com custo elevadíssimo. Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material? 06/03/2012 14 • Além das questões vistas, devem ser levadas em conta, em determinada escolha de material, as questões ambientais ligadas ao consumo de energia, poluição, descarte, etc. Consumo de Energia Estimado para a Produção de Diferentes Materiais de Construção (MJ/ton) 06/03/2012 15 • Estas decisões devem ser tomadas na fase de projeto, em que, através de processos e métodos de cálculos baseados em modelos e conceitos estabelecidos, são escolhidos os materiais pelas suas propriedades conhecidas e testadas em laboratório ou obras. • Por exemplo: – A escolha de uma classe de resistência característica (fck) mais elevada no projeto de estruturas de concreto (exemplo: concreto de alta resistência – CAD) permite que se obtenham secções mais esbeltas, de menor massa e carga nas fundações. 06/03/2012 16 CONCRETO PRÉ-MOLDADO - FABRICADO -Grande controle de qualidade (durabilidade) -Redução significativa de resíduos sólidos (benefício ambiental) -Rapidez na construção (maior custo inicial, porém, menor custo final) -Confere maior limpeza e organização ao canteiro de obra - No entanto, há limitações arquitetônicas (na forma, altura, e etc.) CONCRETO MOLDADO NO LOCAL -Menor custo inicial - Equipamentos tradicionais - Maior flexibilidade nas formas arquitetônicas -Não necessita de mão-de-obra especializada No entanto, é uma construção de longo prazo e com geração de muito resíduo (problema ambiental). Materiais de construção • Propriedades desejadas: – Resistência a baixas e altas temperatura – Resistência a água, água do mar, ácidos e álcalis. – Resistência a corrosão – Durabilidade – Resistência mecânica – Baixo Peso – Baixo custo – Resistência ao fogo 06/03/2012 17 Alguma dúvida sobre o conteúdo?
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