01 Materiais Introdução

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ASSUNTO 
 
 
1. Introdução à ciência e 
engenharia dos materiais e 
classificação dos materiais 
PROGRAMA DISCIPLINA 
 
1. Introdução à ciência e engenharia dos 
materiais e classificação dos materiais 
2. Ligação química nos sólidos 
- Energias e forças de ligações 
- Ligações interatômicas primárias 
- Ligação de Van der Waals 
3. Materiais cristalinos 
-Estrutura cristalina: conceitos fundamentais, 
célula unitária, 
- Sistemas cristalinos, 
- Polimorfismo e alotropia 
- Direções e planos cristalográficos, anisotropia, 
- Determinação das estruturas cristalinas por difração de raios-x. 
PROGRAMA DISCIPLINA 
4. Imperfeições cristalinas 
- Defeitos pontuais 
 - Defeitos de linha (discordâncias) 
- Defeitos de interface (grão e maclas) 
- Defeitos volumétricos (inclusões, precipitados) 
5.Mecanismos de movimento atômico 
(difusão) 
- Mecanismo da difusão 
- Fatores que influem na difusão 
- Difusão no estado estacionário 
- Difusão no estado não-estacionário 
6. Propriedades Mecânicas dos Metais 
- Deformação elástica e deformação plástica 
- Coeficiente de Poisson 
 
PROGRAMA DISCIPLINA 
7. Discordâncias e Mecanismos de 
Aumento de Resistência 
- Conceitos básicos: características das discordâncias, 
sistemas de escorregamento 
- Aumento da resistência por diminuição do tamanho de grão 
- Aumento da resistência por solução sólida 
- Encruamento, recuperação, recristalização e crescimento 
de grão 
8. Falha nos metais 
- Fratura dúctil, fratura frágil 
- Fluência nos metais 
 - Fadiga nos metais 
9- Ensaios Mecânicos 
PROGRAMA DISCIPLINA 
10. Diagramas de fase em condições de 
equilíbrio 
- Definições e conceitos básicos: identificação das fases, 
limite de solubilidade, microestrutura das fases 
- Diagramas de equilíbrio binários isomorfos e eutéticos 
- Reações eutetóides e peritéticas 
- Sistema Fe-C e microestruturas que se formam no 
resfriamento lento 
 11. Transformações de fases em metais e 
microestruturas 
 - Conceitos básicos 
- Alterações microestruturais das ligas Fe-C e propriedades 
(curvas Temperatura-Tempo-Transformação). 
PROGRAMA DISCIPLINA 
 
12-TRATAMENTOS TÉRMICOS 
 
13 – AÇOS PARA CONSTRUÇÃO 
MECÂNICA, AÇOS FERRAMENTAS E 
AÇOS INOXIDÁVEIS 
 
14- CORROSÃO E DEGRADAÇÃO DOS 
MATERIAIS 
PROGRAMA DISCIPLINA 
 
15-FERROS FUNDIDOS 
 
16 – MATERIAIS NÃO-FERROSOS 
(ALUMÍNIO, COBRE ) 
 
17- POLÍMEROS 
 
18- CERÂMICOS 
 
19 – NOVOS MATERIAIS 
BIBLIOGRAFIA 
• 1-Van Vlack L.H., Princípios de Ciência dos 
Materiais, Ed. Edgard Blücher, S.P. 
• 2- William D. Callister Jr., Introdução à Ciência 
e Engenharia de Materiais, Ed. LTC, 2000. 
• 3- Chiaverini V., Tecnologia Mecânica, Vol. I e 
III Ed. McGraw – Hill S.P 
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 
Propriedades dos 
Materiais 
Composição e Processo 
de Fabricação 
Microestrutura 
E
N
G
E
N
H
A
R 
I 
A 
Figura copiada do material do Prof. Sidnei Paciornik do 
 Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio 
 
O número de materiais cresceu muito nas 
últimas décadas e a tendência é de se 
proliferarem mais num futuro próximo 
 
 
 
• 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 ? 
COMO ESCOLHER ?? 
 
 
Como definir qual o melhor material para um 
determinado fim? Exemplo: Copo 
• Vidro 
• Cerâmica 
• Plástico 
• Madeira 
• Metal 
• Papel 
• 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) 
 
Depende 
Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para 
selecionar um material entre tantos outros? 
• 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. 
 
Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para 
selecionar um material entre tantos outros? 
 
• A segunda consideração na escolha do material 
refere-se ao levantamento sobre o tipo de 
degradação que o material sofrerá em serviço. 
• Por exemplo, elevadas temperaturas e ambientes 
corrosivos diminuem consideravelmente a resistência 
mecânica. 
 
Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para 
selecionar um material entre tantos outros? 
 
 
• 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. 
SELEÇÃO DOS MATERIAIS 
POR ÍNDICE DE MÉRITO 
Ex. Resistência: 
Material Aço-liga Ti Al PRFC 
 (alta resist.) (AA7074) 
 
Resist. (MPa) 1000 800 500 700 
à tração 
PRFC= Polímero reforçado com fibra de carbono 
SELEÇÃO DOS MATERIAIS 
POR ÍNDICE DE MÉRITO 
Ex. Resistência/peso: 
 
Material Aço-liga Ti Al PRFC 
 (alta resist.) (AA7074) 
 
 133 170 185 390 
 
SELEÇÃO DOS MATERIAIS 
POR ÍNDICE DE MÉRITO 
Ex. Custo p/Kg/US$: 
 
Material Aço-liga Ti Al PRFC 
 (alta resist.) (AA7074) 
 
 0,75 15 3 20 
 
INDÚSTRIA DE PONTA PRODUÇÃO EM MASSA 
TIPOS DE INDÚSTRIA - INFLUÊNCIA DOS MATERIAIS 
SELEÇÃO CUIDADOSA 
(FATOR CUSTO SECUNDÁRIO) 
SELEÇÃO CUIDADOSA 
(FATOR CUSTO PRIMORDIAL) 
• Grande exigência 
 tecnológica 
• Utilização dos mate- 
 riais nos limites 
• Produtos não 
 diferenciados 
• Utilização de materiais 
 abaixo dos limites 
Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para 
selecionar um material entre tantos outros? 
• Em raras ocasiões um material reúne uma 
combinação ideal de propriedades, ou seja, muitas 
vezes é necessário reduzir uma em benefício da 
outra. 
• Um exemplo clássico são resistência e ductilidade, 
geralmente um material de alta resistência apresenta 
ductilidade limitada. Este tipo de circunstância exige 
que se estabeleça um compromisso razoável entre 
duas ou mais propriedades. 
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS 
 
• A classificação tradicional dos materiais é 
geralmente baseada na estrutura atômica e 
química destes. 
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS 
• Metais 
• Cerâmicas 
• Polímeros 
• Compósitos 
• Semicondutores 
• Biomateriais (Mat. Biocompatíveis) 
Classificação tradicional 
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS 
• Metais 
 
• Materiais metálicos são geralmente 
uma combinação de elementos 
metálicos. 
• Os elétrons não estão ligados a 
nenhum átomo em particular e por 
isso são bons condutores de calor e 
eletricidade 
• Não são transparentes à luz visível 
• Têm aparência lustrosa quando 
polidos 
• Geralmente são resistentes e 
deformáveis 
• São muito utilizados para aplicações 
estruturais 
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS 
• Cerâmicas• Materiais cerâmicos são geralmente 
uma combinação de elementos 
metálicos e não-metálicos. 
• Geralmente são óxidos, nitretos e 
carbetos 
• São geralmente isolantes de calor e 
eletricidade 
• São mais resistêntes à altas 
temperaturas e à ambientes severos 
que metais e polímeros 
• Com relação às propriedades 
mecânicas as cerâmicas são duras, 
porém frágeis 
• Em geral são leves 
ALUMINA
OS MATERIAS CERÂMICOS NA TABELA PERIÓDICA 
Os cerâmicos são constituídos de metais e não-metais 
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS 
• Polímeros 
 
 
• Materiais poliméricos são geralmente 
compostos orgânicos baseados em 
carbono, hidrogênio e outros 
elementos não-metálicos. 
• São constituídos de moléculas muito 
grandes (macro-moléculas) 
• Tipicamente, esses materiais 
apresentam baixa densidade e 
podem ser extremamente flexíveis 
• Materiais poliméricos incluem 
plásticos e borrachas 
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS 
• Compósitos 
 
 
• Materiais compósitos são 
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 
• Muitos dos recentes 
desenvolvimento em materiais 
envolvem materiais compósitos 
• 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 
 
• Materiais semicondutores 
apresentam propriedades elétricas 
que são intermediárias entre metais 
e isolantes 
• Além disso, as 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) 
• Os semicondutores tornaram possível 
o advento do circuito integrado que 
revolucionou as indústrias de 
eletrônica e computadores 
• Ex: Si, Ge, GaAs, InSb, GaN, CdTe.. 
InP 
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. 
EVOLUÇÃO DA UTLIZAÇÃO DOS MATERIAIS 
MATERIAIS AVANÇADOS 
– São materiais utilizados em aplicações de tecnologia de 
ponta, ou seja, são materias utilizados para a fabricação 
de dispositivos ou componentes que funcionam ou 
operam usando princípios sofiscados 
– Exemplos destas aplicações incluem: equipamentos 
eletrônicos (VCRs, CD players, DVDs), computadores, 
sistemas de fibra óptica, foguetes e mísseis militares, 
detectores, lasers, displays de cristal líquido, indústria 
aeroespacial, etc. 
– Estes materiais são geralmente materiais tradicionais 
cujas propriedades são optimizadas ou materiais novos 
de alto desempenho. 
 
ALGUMAS CONSIDERAÇÕES SOBRE A NECESSIDADE DE 
MATERIAIS MODERNOS 
• Materias que apresentem: 
- Alto desempenho 
- Baixo peso e alta resistência 
- Resistência à altas temperaturas 
- Desenvolvimento de materiais que sejam 
menos danosos ao meio ambiente e mais 
fáceis de serem reciclados ou regenerados