Unidade 1 – Introdução - Relação entre estruturas e propriedades dos materiais

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Ciência e Tecnologia dos Materiais
Introdução
Professor: Wagner 
wpinheiro@unicarioca.edu.br
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Sumário
Objetivo do Curso...
Apresentar os conceitos fundamentais em Ciência dos Materiais
Você aprenderá sobre:
• estruturas dos materiais
• como a estrutura influencia as propriedades
• como o processamento pode mudar a estrutura
Este curso o auxiliará a:
• utilizar os materiais adequadamente
• conceber novas oportunidades de projeto
com materiais
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Livro-texto:
• Callister, W. D., Rethwisch ,D. G. 
Fundamentals of Materials Science and Engineering: 
 An Integrated Approach, 4th Edition, Wiley, 2012. 
Callister, W. D
Fundamentos da Ciência e Engenharia de Materiais: 
 Uma Abordagem Integrada, 2a Edição, LTC, 2006. 
Bibliografia
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Os materiais são... 
estruturas engenheiradas...não caixas-pretas!
Suas estruturas...têm dimensões variadas...
Característica estrutural
Dimensão (m)
Ligação atômica
Átomos faltando/extra
Cristais (átomos ordenados)
Partículas de segunda fase
Textura cristalina
< 10
-10
 
10
-10
10
-8
-10
-1
10
-8
-10
-4
> 10
-6
Estrutura dos Materiais
Ciência e Engenharia dos Materiais
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Introdução
O que é Ciência dos Materiais? 
Por que devemos saber sobre CM?
Os materiais movem nossa sociedade:
Idade da Pedra
Idade do Bronze
Idade do Ferro
Atualmente?
Idade do Silício?
Idade do Polímero?
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The draisienne, invented in 1818, was the first two-wheeled machine for personal transport. It had no pedals and was made from iron and wood, the most practical materials available at that time. 
A classic "cruiser" safety bike built in 1957. The frame is made of steel and the bike weighs nearly 50 pounds (22.68 kg).
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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.
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Os quatro componentes da disciplina de Ciência dos Materiais e suas relações.
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ex: dureza vs. estrutura do aço
 • As propriedades dependem da estrutura
Data obtained from Figs. 10.30(a)
and 10.32 with 4 wt% C composition,
and from Fig. 11.14 and associated
discussion, Callister & Rethwisch 8e.
Micrographs adapted from (a) Fig.
10.19; (b) Fig. 9.30;(c) Fig. 10.33;
and (d) Fig. 10.21, Callister & Rethwisch 8e.
 
 
 
 
 
ex: estrutura vs. taxa de resfriamento do aço
 • O processamento pode mudar a estrutura 
Estrutura, Processamento e Propriedades
Hardness (BHN)
Cooling Rate (ºC/s)
100
2
00
3
00
4
00
5
00
6
00
0.01
0.1
1
10
100
1000
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Tetraedro dos Materiais
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Tetraedro dos Materiais
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Composição e Estrutura
Composição
Natureza química dos materiais
Estrutura
Associada ao arranjo dos componentes do material em estudo
Pode (e deve) ser analisada em diferentes escalas
Estrutura em escala atômica (menor ou igual a nm = 10-9 m)
Nanoestrutura (da ordem de nm)
Sólidos Amorfos (alguns nm) e Sólidos Cristalinos (~ >100nm até mm=10-3 m)
Microestrutura (alguns μm = 10-6 m até mm)
Mesoestrutura
Macroestrutura (normalmente igual ou maior que mm)
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Estruturas dos Materiais
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Classificação dos Materiais
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Tipos de Materiais
Metais: 
Resistentes, dúteis
Altas condutividades térmica e elétrica
Opacos, refletores.
Polímeros/plásticos: ligação covalente compartilhamento de e’s
Macios, dúteis, baixas resistência e densidade
Isolantes térmico e elétrico
Oticamente translúcidos ou transparentes.
Cerâmicas: ligação iônica (refratários) – compostos de elementos metálicos e não metálicos (óxidos, carbetos, nitretos, sulfetos)
Frágeis, vítreos, elásticos
Não condutores (isolantes)
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Metais
Composição: combinação de elementos metálicos.
Grande número de elétrons livres.
Muitas propriedades estão relacionadas a esses elétrons livres.
Propriedades gerais :
Resistência mecânica de moderada a alta.
Moderada plasticidade.
Alta tenacidade.
Opacos.
Bons condutores elétricos e térmicos.
(a) Micrografia óptica de um latão policristalino
(b) Micrografia óptica (luz refletida) de um aço hipoeutetóide, mostrando perlita grossa
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Cerâmicas
Composição: combinação de elementos metálicos e não metálicos (óxidos, carbetos e nitretos).
Tipos de ligações
Caráter misto, iônico-covalente
Tipos de materiais :
Cerâmicas tradicionais.
Cerâmicas de alto desempenho.
Vidros e vitro-cerâmicas.
Cimentos
Propriedades gerais :
Isolantes térmicos e elétricos
Refratários.
Inércia química.
Corpos duros e frágeis
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Polímeros
Composição : compostos orgânicos
Carbono, hidrogênio, oxigênio e outros elementos, tais como nitrogênio, enxofre e cloro.
Compostos de massas moleculares muito grandes (macromoléculas).
Tipos de materiais :
Termoplásticos.
Termorrígidos.
Elastômeros.
Propriedades gerais :
Baixa densidade.
Flexibilidade e facilidade de conformação.
Tenacidade.
Geralmente pouco resistentes a altas temperaturas.
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Compósitos (conjugados ou compostos)
Constituídos por mais de um tipo de material:
Matriz
Reforçador
Projetados para apresentar as melhores características de cada um dos materiais envolvidos.
Exemplos:
Produtos fabricados em “fibras de vidro” (fiberglass) → são constituídos por fibras de um material cerâmico (vidro) reforçando uma matriz de material polimérico.
superfície de fratura de um compósito de matriz polimérica com reforço de fibras de carbono;
fibras de carbono trançadas, usadas em compósitos de matriz polimérica
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Classificação segundo a Função
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Materiais segundo o Tipo de Ligação
Tetraedro representa que a contribuição relativa dos diferentes tipos de ligação para categorias de materiais de engenharia (metais, cerâmicas e polímeros).
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Propriedades dos Materiais
Propriedade: tipo e intensidade da resposta a um estímulo que é imposto ao material
As principais propriedades dos materiais podem ser agrupadas em:
mecânicas
elétricas
térmicas
magnéticas
ópticas
químicas
de degradação (corrosão, oxidação, desgaste)
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Propriedades Elétricas
• Resistividade elétrica do cobre:
• Adicionar átomos de “impureza” ao Cu aumenta a resistividade.
• Deformar Cu aumenta a resistividade.
Adapted from Fig. 18.8, Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 18.8 adapted from: J.O. Linde, Ann Physik 5, 219 (1932); and C.A. Wert and R.M. Thomson, Physics of Solids, 2nd edition, McGraw-Hill Company, New York, 1970.)
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Propriedades Térmicas
• Tijolos de ônibus espacial:
 - Isolamento de fibra de sílica
 oferece baixa condução térmica.
• Condutividade térmica do cobre:
 - diminui com o aumento do % Zn!
Adapted from
Fig. 19.4W, Callister 6e. (Courtesy of Lockheed Aerospace Ceramics Systems, Sunnyvale, CA)
(Note: "W" denotes fig. is on CD-ROM.)
Adapted from Fig. 19.4, Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 19.4 is adapted from Metals Handbook: Properties and Selection: Nonferrous alloys and Pure Metals, Vol. 2, 9th ed., H. Baker, (Managing Editor), American Society for Metals, 1979, p. 315.)
Adapted from chapter-opening photograph, Chapter 17, Callister & Rethwisch 3e. (Courtesy of Lockheed
Missiles and Space
Company, Inc.)
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Propriedades Magnéticas
• Permeabilidade magnética
 vs. composição:
 - Adição de 3% a. Si
 torna o Fe um melhor meio de gravação!
Adapted from C.R. Barrett, W.D. Nix, and
A.S. Tetelman, The Principles of
Engineering Materials, Fig. 1-7(a), p. 9,
Electronically
reproduced
by permission of Pearson Education, Inc.,
Upper Saddle River, New Jersey.
Fig. 20.23, Callister & Rethwisch 8e.
• Armazenamento magnético:
 - O meio de gravação é 
 magnetizado pela cabeça de gravação.
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• Transmitância: 
 - Óxido de alumínio pode ser transparente, translúcido ou opaco, dependendo da estrutura do material. 
Adapted from Fig. 1.2,
Callister & Rethwisch 8e.
(Specimen preparation,
P.A. Lessing; photo by S. Tanner.)
Propriedades Óticas
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Propriedades Degradativas
• Tensão e água salgada...
 - causa trincas! 
Adapted from chapter-opening photograph, Chapter 16, Callister & Rethwisch 3e.
(from Marine Corrosion, Causes, and Prevention, John Wiley and Sons, Inc., 1975.)
• Tratamento térmico: diminui a vel. de propagação de trinca na água salgada! 
Adapted from Fig. 11.20(b), R.W. Hertzberg, "Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials" (4th ed.), p. 505, John Wiley and Sons, 1996. (Original source: Markus O. Speidel, Brown Boveri Co.)
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Processamento e Desempenho
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.
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1.
Analise a aplicação 
Determine as propriedades requeridas
Processamento: muda a estrutura e a forma
ex: fundição, sinterização, deposição a vapor, dopagem,
 forjamento, união, recozimento.
Propriedades: mecânicas, elétricas, térmicas,
magnéticas, óticas, degradativas.
Material: estrutura, composição.
Seleção de Materiais
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Exemplo: Evolução dos Pára-Brisas dos Automóveis
Vidro de segurança laminado
Pára-brisas divididos
Pára-brisas curvos e coloridos
A familiar item that is fabricated from three different material types is the beverage container.
Beverages are marketed in aluminum (metal) cans (top), glass (ceramic) bottles (center), and
plastic (polymer) bottles (bottom). (Permission to use these photographs was granted by the
Coca-Cola Company. Coca-Cola, Coca-Cola Classic, the Contour Bottle design and the Dynamic
Ribbon are registered trademarks of The Coca-Cola Company and used with its express permission.)
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http://www.propertiesofmatter.si.edu/bicycle.html
http://www.exploratorium.edu/cycling/frames1.html
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Metals have high thermal & electrical conductivity because valence electrons are free to roam
http://www.pmt.usp.br/pmt5783/01%20Ciencia%20dos%20Materiais_Apresentacao.pdf
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http://www.pmt.usp.br/pmt5783/01%20Ciencia%20dos%20Materiais_Apresentacao.pdf
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Figure 1.2 Photograph of three thin disk specimens of aluminum oxide that have been
placed over a printed page in order to demonstrate their differences in light-transmittance
characteristics. The disk on the left is transparent (that is, virtually all light that is reflected
from the page passes through it), whereas the one in the center is translucent (meaning that
some of this reflected light is transmitted through the disk), and the disk on the right is
opaque—i.e., none of the light passes through it. These differences in optical properties are
a consequence of differences in structure of these materials, which have resulted from the
way the materials were processed. (Specimen preparation, P. A. Lessing; photography by
S. Tanner.)
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