Ciência e Tecnologia de Materiais

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Ciência e Tecnologia de Materiais
ENG1015
http://www.dema.puc-rio.br/moodle
DEMa - Depto. de Engenharia de Materiais
última atualização em 10/02/2014 por sidnei@puc-rio.br
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Estrutura do Curso
• Introdução: Os materiais na engenharia
• Base teórica
• Estudos de Caso => Aplicações Tecnológicas 
Modernas
 Materiais Estruturais
Estudo 1 - Aços Especiais
Estudo 2 - Compósitos
 Materiais Funcionais
Estudo 3 - Semicondutores para Dispositivos Ópticos e 
Eletrônicos
• Livro Texto
 W.D.Callister, “Ciência e Engenharia de Materiais – Uma 
Introdução”, LTC.
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Controle de Faltas/Critério de Aprovação
• Presença obrigatória
 Número máximo de faltas = 5 aulas
 Se o aluno exceder este número estará Reprovado por Faltas, independente 
das notas das provas
• Critério de Aprovação – Critério 3, da PUC-Rio
 Duas provas, G1, G2 => Média = (G1+G2)/2
 Se G2 <3,0, então Média = (G1+3G2)/4
 Se Média ≥ 5,0 => AP
 Caso contrário => RM
• Provas (organizadas pelo CB/CTC)
 G1 – 07/04/2014, segunda-feira, de 17 às 18:50 horas
 G2 – 24/06/2014, terça-feira, de 17 às 18:50 horas
• Segunda chamada
 Alunos que perderem uma das provas podem solicitar segunda chamada, 
seguindo as regras normais da DAR.
 A segunda chamada será realizada após a G2 e cobrará toda a matéria, 
independente de qual prova o aluno deixou de fazer.
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INTRODUÇÃO
Os Materiais na Engenharia
Livro Texto - Capítulo 1
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Ciência e Engenharia de Materiais
• O que é Ciência e Engenharia dos Materiais?
 É o estudo, a caracterização e a classificação dos Materiais
• Classificação Funcional dos Materiais
 Aerospacial, biomédica, eletrônica, energia, estrutural, 
fotônica ou óptica
• Classificação de materiais com base na estrutura
 Estrutura da rede cristalina, monocristal, policristal, 
tamanho e orientação do grão, amorfo
• Efeitos Ambientais e Outros
 Temperatura, Corrosão, Fadiga, Taxa de deformação
• Design e Seleção de Materiais
 Densidade e resistência específica
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As Classes de Materiais
• Metais
• Cerâmicas
• Polímeros
• Compósitos
• Semicondutores
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Metais
• Características básicas
 Resistentes (suportam 
tensões elevadas antes 
de romper)
 Dúcteis (deformam 
antes de romper)
 Superfície “metálica”
 Bons condutores de 
corrente elétrica e de 
calor
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• Aços
• Ferros Fundidos
• Metais Não Ferrosos
Metais na Tabela Periódica
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Cerâmicas e vidros
• Propriedades básicas
 alto ponto de fusão & 
estabilidade térmica 
(refratários)
 são isolantes térmicos e 
elétricos
 são frágeis (rompem sem 
deformar)
 podem ser transparentes
Exército de terracota 
China – 200 a.c.
Cerâmica super 
isolante térmica
Bulbo transparente
de vidro
Cilindro translúcido de Alumina contendo gás em alta temperatura
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As cerâmicas na tabela periódica 
Cerâmicas são formadas por combinação de metais 
(quadrados verdes) com os elementos C, N, O, P e S. 
Si e Ge são semicondutores mas são usados em cerâmicas de forma equivalente a metais
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Polímeros
• Características básicas
 A maioria dos polímeros é 
sintética (feitos pelo homem)
 Polímero mais abundante é 
natural: celulose
 Materiais altamente moldáveis
 Baixa densidade 
 Em geral são menos resistentes 
do que metais e cerâmicas
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Os polímeros na tabela periódica
Principais elementos formadores dos materiais poliméricos
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Compósitos
• Combinação de metais, cerâmicas e polímeros
Metais
Polímeros Cerâmicos
Compósitos
Concreto Fibra de vidro Ti/SiC
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Aplicações Típicas
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Semicondutores
• Propriedades básicas
 Condutividade finamente 
controlada pela presença de 
impurezas - dopantes.
 Podem ser combinados 
entre si para gerar 
propriedades eletrônicas e 
óticas “sob medida”.
• Aplicações
 Microeletrônica
 Opto-eletrônica - lasers, 
detectores, circuitos 
integrados óticos e células 
solares.
história dos chips
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Os semicondutores na tabela periódica
Quando combinados entre si os metais das colunas II, III, V e VI
assumem propriedades semicondutoras.
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Ciência e Engenharia de Materiais
Descrição dos arranjos de 
átomos ou íons em um 
material
Composição 
química de um 
material
Síntese: Processo pelo qual os materiais são 
obtidos a partir de produtos químicos, extraídos 
diretamente da natureza, ou obtidos de um 
processamento anterior
&
Processamento: que abrange as diferentes 
maneiras utilizadas para moldar materiais de 
forma a transformá-los em componentes úteis ou 
mesmo para alterar suas propriedades
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Exemplo: Automóveis
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• 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
115 HP 215 HP
4,2
km/L
8,4
km/L
12,7
km/L
14,9
km/L
Automóveis: Economia de Combustível
115 HP 215 HP
21
Automóveis: Evolução de Materiais
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2010:
214 HP
12,1 km/L
1975 - 2006
5,1
km/L
10,2
km/L
12,1
km/L
Automóveis: Economia de Combustível
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Redução de peso
Aumento de Tcombustão
Aumento de Tcombustão
Exemplo: Aviões
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Aeronave 20% mais eficiente 
e 16.000 kg mais leve
Boeing 777 787
Ano lançamento 2000 2011
Compósitos 11% 50%
Alumínio 70 % 20%
Titânio 7 % 15%
Aço 11% 10%
Outros 1% 5%
Aviões: Duas Gerações
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25Ganho Ambientais: Turbinas Rolls-Royce
2050
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Materiais nas Turbinas
Percentual de 
volume por classe 
de material
Compósitos de 
Matriz 
Polimérica
Compósitos de 
Matriz Metálica
TiAl
Aço
Ligas de Níquel
Ligas de Titânio
Metais Leves 
(Ligas de Mg, Al)
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Exemplo: Biomateriais
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Exemplo: Turbinas Eólicas
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No período o custo caiu 
de ~60 cents/kWh para 
5-6 cents/kWh
Turbina de Itaipu 700.000 kW
De 100 a 150 
residências
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Dimensões & Instalação
100 m
92 m
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A Evolução das Classes de Materiais
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Propriedades e Microestrutura
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Propriedades e Ligação Química
• Exemplo: Ligação Metálica 
 Ligação forte entre os átomos
 Elétrons livres
• Consequência
 Boa condutividade 
Elétrica
Térmica
“mar” de elétrons
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Propriedades e Arranjo Atômico
• Existe ordem no posicionamento dos átomos?
 Material Cristalino – ordem de longo alcance
 Material Amorfo –ordem de curto alcance
Carbono amorfo.
Note a desorganização na posição dos átomos.
2nm
Imagens obtidas com Microscópio Eletrônico de Transmissão (MET).
Material cristalino
Note a organização na posição dos átomos.
2nm
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Propriedades e Estrutura Cristalina
• Arranjo Tridimensional dos Átomos
 Diferentes Estruturas Cristalinas
Alumínio
(estrutura cúbica)
Magnésio
(estrutura hexagonal)
Ambos são metais mas o Al é 
mais dúctil devido à estrutura 
cúbica
Al Mg
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Propriedades e Arranjo Microestrutural
• Existem muitas orientações cristalinas?
 Orientação relativa entre cristais
Fusão Solidificação Policristal: Grãos
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Propriedades e Presença de Fases
• Existem diferentes fases?
Policristal monofásico Policristal polifásico