Materiais Conceitos e Definições

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Ciência dos Materiais I
Prof. Dr. Carlos Roberto GrandiniProf. Dr. Carlos Roberto Grandini
Bauru
2006
16/3/2006 CM I 2
Programação
Ciência dos Materiais: História e Perspectivas 10/03
Estrutura Atômica 17/03
Arranjos Atômicos 24/03
Imperfeições em Arranjos Atômicos 31/03
Movimentação Atômica em Materiais 07/04
Primeira Avaliação 28/04
Equilíbrio Termodinâmico: Estado e Fase 06/05
Estabilidade de Estados 19/05
Transformações de Fase 26/05
Processos de Difusão e Transporte 02/06
Segunda Avaliação 09/06
Visão Geral sobre Propriedades Físicas e Aplicações de 
Materiais: metais, polímeros, cerâmicas e vidros, 
semicondutores, compósitos 23, 30/06
Segunda Avaliação 07/07
Avaliação Substitutiva 14/07
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Critério de Avaliação
„ Média de 3 provas;
„ A prova substitutiva, se realizada, substitui a menor nota, 
independente de for maior ou menor que a anterior;
Conceitos:
10 ≥ Mp ≥ 9,0 Conceito A
8,9 ≥ Mp ≥ 7,0 Conceito B
6,9 ≥ Mp ≥ 5,0 Conceito C
Abaixo de 4,9 Reprovado
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Bibliografia Básica
D.R. Askeland, P.P. Phulé, The Science and 
Engeneering of Materials, 4th Edition, Thomson, New
York, 2003.
W.D. Callister Jr., Materials Science and Engeneering: an 
integrated approach, 2th Edition, John Willey, New York, 
2005.
J.F. Shackelford - Materials Science for Engineers, 6th
Edition, Prentice Hall, New York, 2005. 
W.F. Smith, Principles of Materials Science and Engineering, 
3rd Edition, McGraw Hill, New York, 1998.
L.H. Van Vlack, Princípios de Ciência e Tecnologia de 
Materiais, 4a Edição, Campus, Rio de Janeiro, 1984.
C. Kittel, Introdução à Física do Estado Sólido, 5ª Edição, 
Guanabara-Koogan, Rio de Janeiro, 1978.
P.W. Atkins, Physical Chemistry, 4th. Edition, Oxford
University Press, Oxford, 1992.
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Ciência dos MateriaisCiência dos Materiais
HistHistóória e Perspectivasria e Perspectivas
„ Materiais:
– presentes em nosso dia-a-dia;
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– engajados em nossa cultura;
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– intimamente relacionados com a ascensão do homem:
» Idade da pedra:
» Idade do bronze:
» Idade do ferro:
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– Civilizações antigas:
– Evolução:
» materiais naturais:
„ Pedra, madeira, argila, peles(couro), etc...
» Materiais naturais 
poderiam ser tratados 
originando outros com 
propriedades 
melhores.
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O que são materiais?
– Uma parte da matéria no universo;
Ciência e Engenharia de Materiais (CEM):
– São as substâncias cujas propriedades as tornam utilizáveis em estruturas, 
máquinas, dispositivos ou produtos consumíveis.
– é a área da atividade humana associada com a geração e com a aplicação de 
conhecimentos que relacionem composição, estrutura e processamento dos 
materiais às suas propriedades e aplicações. 
Ciência dos Materiais:
– a CEM, em conjunto, formam uma ponte de conhecimentos sobre materiais, 
que liga as ciência básicas às diversas especialidades de engenharia. 
– visa essencialmente a descoberta de conhecimentos fundamentais sobre os 
materiais. 
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Se desejarmos realçar a parcela da Ciência dos Materiais 
neste espectro, devemos agir no sentido de entender a 
natureza dos materiais, estabelecendo teorias ou 
descrições que relacionem a estrutura com a composição, 
propriedades e comportamento. A Engenharia de 
Materiais, por seu turno, sintetizará e empregará, tanto os 
conhecimentos fundamentais quanto os empíricos, no 
sentido de desenvolver, preparar, modificar e aplicar os 
materiais que atendam às exigências. 
Engenharia de Materiais:
– se dedica principalmente à aplicação desses conceitos.
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Ciência dos Materiais
„ é um empreendimento com propósitos que alcançam desde o
micromundo dos átomos e dos elétrons até o gigantesco macromundo
material com funções e serviços que apóiem o homem na busca das 
soluções para os problemas da sociedade;
„ sentido mais amplo:
– é uma multidisciplina que abraça (mas não substitui) algumas disciplinas:
– metalurgia e cerâmicos;
– física do estado sólido e química orgânica.
Há, por certo, muitos cientistas e engenheiros que são especialistas em 
materiais - metalurgistas, ceramistas e químicos especializados em polímeros -
inteiramente envolvidos com a Ciência e Engenharia de Materiais. Um 
importante registro assinala que a cada seis horas do trabalho profissional de 
qualquer outro tipo de engenheiro, pelo menos uma hora ele lida diretamente 
com materiais e sua utilização. Para físicos e químicos as frações são bem 
mais altas.
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Estrutura – Propriedades – Desempenho
Processamento
Ciência e 
Entendimento Básico
Necessidades e 
Experiências Sociais
Conhecimento Científico Conhecimento Empírico
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METAIS
POLÍMEROS
VIDROS
CERÂMICASCOMPÓSITOS
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Classificação dos Materiais
Os materiais são agrupados em três grupos principais, baseados em princípios 
químicos e na estrutura:
Metais:
» Materiais metálicos são normalmente uma combinação de elementos metálicos;
» Possuem elétrons livres;
» Bons condutores de eletricidade e calor;
» Não transparentes;
» Muito resistentes;
» Facilmente deformáveis.
Aplicações
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– Cerâmicas:
» Composições de elementos metálicos e não metálicos;
» Óxidos, nitretos e carbetos;
» Argilas, cimento e vidro;
» Normalmente isolantes;
» Duros e quebradiços;
» Resistente a altas temperaturas
Aplicações
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– Polímeros:
» Plásticos, borrachas e adesivos;
» Compostos orgânicos baseados em carbono, hidrogênio e outros elementos não 
metálicos;
» Produzidos pela criação de grandes estruturas moleculares a partir de moléculas 
orgânicas;
» Baixa condutividade elétrica;
» Baixa resistência à temperatura.
Aplicações
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Em adição, existem outras categorias de importância que consistem 
na combinação destes tipos de materiais:
– Compósitos:
» Formados por dois ou mais tipos de materiais.
Aplicações
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Compósitos de fibras reforçadas (fibras de carbono 
em matriz polimérica) utilizados na estrutura de 
bicicletas.
Partes do “corpo” de carros de corrida, e de alguns 
veículos comuns, são feitos de fibras de vidro em 
matriz polimérica.
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– Semicondutores:
» Possuem propriedades elétricas intermediárias entre condutores e 
isolantes;
» Sensíveis à presença de impurezas.
Aplicações
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– Nanomateriais:
» São materiais contendo cristais ou clusters de átomos com dimensões da 
ordem do nanômetro, que corresponde a uma escala intermediária entre o 
átomo isolado e o material macroscópico.
Aplicações
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– Biomateriais:
» São materiais biológicos que são implantados no corpo humano.
Aplicações:
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O projeto de James Auger e Jimmy Loizeau, pesquisadores do Laboratório de Mídia 
do Massachusetts Institute of Technology -MIT em Dublin, na Irlanda, desenvolveu 
um dente que pode ser usado para receber sinais de um telefone celular.
O dispositivo é apenas um conceito e sequer um protótipo foi construído. Segundo
Auger, é necessário esperar que haja interesse comercial na idéia. 
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Existem várias propriedades que devem ser levadas em consideração 
no desenvolvimento de materiais e/ou alternativas de processo e 
aplicações:
• Econômicas 
• Mecânicas 
• Superficiais 
• Fabricação 
• Físicas e Químicas
• Microestruturais 
• Estéticas
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FUNÇÃO
PROCESSO
FORMAMATERIAL
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• Preço 
• Custos Financeiros 
• Valor de Mercado 
• Incentivos Fiscais• Disponibilidade 
• Fornecedores Alternativos 
• Materiais com Propriedades Equivalentes 
• Atualização Tecnológica 
• Ciência e Tecnologia Evoluem Rapidamente! 
• Necessário Estudo Permanente
Propriedades Econômicas
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Propriedades Mecânicas
• Resistência 
• Dureza 
• Ruptura
• Fadiga
• Escoamento (início da deformação plástica) 
• Fluência (processo lento de deformação, depende da 
temperatura e tempo) 
• Desgaste, etc.
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• Corrosão 
• Desgaste 
• Abrasão 
• Adesão 
• Erosão 
• Revestimento 
Propriedades Superficiais
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• Usinagem 
• Soldagem 
• Colagem 
• Fundição 
• Conformação 
• Acabamento
Propriedades de Fabricação
METALURGIA DO PÓ
As peças são produzidas a partir de pequenas 
partículas na forma de pó, aquecidas sob pressão 
dentro de uma matriz, abaixo da temperatura de fusão.
Este processo de consolidação é chamado de 
“Sinterização”
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Propriedades Físicas e Químicas
• Elétricas (resistência, piezo e termoeletricidade) 
• Magnéticas 
• Óticas (cor, transparência, refração, absorção) 
• Térmicas 
• Dilatação
• Durabilidade Química
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Propriedades Microestruturais
• Tipo (cristalina, cadeias, amorfa) 
• Cristalização (CFC, CCC, HC, ...) 
• Defeitos (discordâncias, vazios) 
• Fases 
• Solubilidade 
• Tratamentos Térmico
Dendrites numa superliga 
à base de níquel
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Propriedades Estéticas
São propriedades que variam muito com o tempo e são difíceis de 
quantificar, mas têm grande valor econômico.
• Aparência 
• Textura 
• Tato 
• Jeito 
• Moda