Aula 01 Introdução

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Materiais de Construção Mecânica
Aula 1 - Introdução
Prof. Dr. Alexandre Pitol Boeira
alexandre.pitol@passofundo.ifsul.edu.br
1. Introdução à ciência e engenharia dos materiais eclassificação 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 da 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-estacionário6. Propriedades Mecânicas dos Metais- Deformação elástica e deformação plástica- Coeficiente de Poisson
Programa da Disciplina
7. Discordâncias e Mecanismos de Aumento deResistência- 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 degrão
8. Falha nos metais- Fratura dúctil, fratura frágil- Fluência nos metais- Fadiga nos metais
Programa da Disciplina
9. Diagramas de fase em condições de equilíbrio- Definições e conceitos básicos: identificação dasfases, 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 noresfriamento lento10. Transformações de fases em metais emicroestruturas- Conceitos básicos- Alterações microestruturais das ligas Fe-C epropriedades (curvas Temperatura-Tempo-Transformação).
Programa da Disciplina
11. Materiais Metálicos– Tipos de Ligas Metálicas;– Noções de Siderurgia;– Noções de Processos de Conformação;– Tratamentos Térmicos, Termoquímicos eTermomecânicos e sua aplicação na Engenharia;– Classificação e Seleção de Materiais Metálicos e suasaplicações em equipamentos.12. Materiais Poliméricos– Noções de Fabricação;– Aprimoramento Estrutural;– Propriedades dos Polímeros e Aplicação naEngenharia.
Programa da Disciplina
13. Materiais Cerâmicos– Noções de Fabricação;– Estrutura das Cerâmicas;– Propriedades das Cerâmicas e Aplicações naEngenharia.
14. Compósitos- Noções de Fabricação;– Estrutura dos Compósitos;– Propriedades dos Compósitos e Utilização.
Programa da Disciplina
15. Ensaios Mecânicos– Ensaios Destrutivos;- Ensaios não destrutivos.
16. Corrosão e degradação dos Materiais– Corrosão de Metais;– Corrosão de Materiais Cerâmicos;– Degradação de Polímeros.
Programa da Disciplina
CALLIESTER JR., William D. Ciência e engenharia de materiais:uma introdução. 7.ed. Rio de Janeiro: Ltc, 2008. 705 p.
CHIAVERINI, Vicente. Tecnologia mecânica: estrutura epropriedades das ligas metálicas. 2.ed. São Paulo: Mcgraw - Hilll,1986. 2 v.
CHIAVERINI, Vicente. Aços e ferros fundidos: característicasgerais, tratamentos térmicos, principais tipos. 7. ed. São Paulo:Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais, 1996. 599 p.
SHACKELFORD, James F. Ciência dos Materiais. 6. ed. São Paulo: Pearson, 2008. 556 p.
Bibliografia
Introdução
• Introdução• Importância do estudo dos materiais de construção mecânica; 
• Critérios de seleção de materiais;
• Classificação dos materiais de construção mecânica.
9000 3500 1500  500 1400 1600 1750 1850 1900 1935 1955 1970 2000
Forja c/pedra
(5000 a.c.)“Encruamento”
RECOZIMENTO DE RECRISTALIZAÇÃO
FUNDIÇÃO
“Misturas”
(4000 a.c.)
IDADE DO BRONZE
Cu + (Sn, As, Pb, Zn, Sb)
FUSÃO PARCIAL DO FERROEgito
CEMENTAÇÃO & TÊMPERA(500 a.c.)
IDADE DO FERRO
QUALIDADE
ERA FEUDAL
FERRAMENTAS
COMPREENSÃO
QUANTIDADE & QUALIDADE
ALUMINIO
1880 - HALL
AERONAUTICA
Ligas especiais
“turbinas mais eficientes”
PROTESES
Co, Ti, 416L
SuperLigas
 Chamaremos de MATERIAIS, as substâncias cujas
propriedades as tornam utilizáveis em estruturas, máquinas,
dispositivos ou produtos consumíveis.
Introdução
 Através de uma visão geral, engenharia, ciência e tecnologia
dos materiais estão relacionados com a geração e aplicação do
conhecimento sobre o Processamento, a Estrutura, as
Propriedades e o Desempenho de tais materiais.
Introdução
Introdução
– Associada ao arranjo dos componentes do material em estudo
Com
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stru
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Composição
– Natureza química dos materiais
Estrutura
Introdução
Pro
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dad
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e um
 Ma
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al 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).
Introdução
Pro
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sam
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Des
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enh
o 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..
Introdução
 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.
Introdução
 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.
- A segunda consideração na escolha do material refere-se
ao levantamento sobre o tipo de degradação que o
material sofrerá em serviço.
Introdução
 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.
Classificação dos materiais
 A classificação tradicional dos materiais é geralmente 
baseada na estrutura atômica e química destes.
 Metais;
 Cerâmicas;
 Polímeros;
 Compósitos;
 Semicondutores;
 Biomateriais (Mat. Biocompatíveis).
Classificação tradicional
Metais
 Ferro e suas ligas (Ligas Ferrosas)
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iais
 Outros Metais e suas ligas (Ligas Não-Ferrosas)
- Aços; 
- Ferros Fundidos. 
- Metais básicos: cobre, alumínio, magnésio, titânio, 
níquel, chumbo, zinco, etc; 
- Metais refratários: tungstênio, molibdênio, tântalo e 
nióbio. 
- Metais nobres: ouro, prata, platina, paládio, ródio, 
rutênio, irídio e ósmio; 
LIGAS METÁLICAS FERROSAS (Fe-C)
 AÇOS
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iais - Porcentagem de Carbono variando entre 0.05 % e 2.11 %.
 FERROS FUNDIDOS
- Porcentagem de Carbono maior que 2.11 % 
(na prática, entre 3.00 % e 4.50 %).
LIGAS METÁLICAS FERROSAS (Fe-C)
 AÇOS com baixo teor de CARBONO
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iais - Teor de Carbono inferior a 0.25 %.
- Não respondem à tratamentos termofísicos;
- Possuem elevada ductilidade;
- São usináveis e soldáveis;
- Podem receber outros elementos de liga (cobre, vanádio, 
níquele molibdênio), para melhoria de suas características 
mecânicas;
- Usados amplamente na indústria automobilística e formas 
estruturais (vigas I, canaletas, etc).
LIGAS METÁLICAS FERROSAS (Fe-C)
 AÇOS com médio teor de CARBONO
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iais - Teor de Carbono entre 0.25 % e 0.60 %;- Respondem bem aos tratamentos termofísicos (Têmpera e 
Revenimento);
- Também podem receber outros elementos de liga (níquel, 
cromo e molibdênio);
- Usados para rodas e trilhos de trens, engrenagens, 
virabrequins e componentes estruturais de alta resistência.
LIGAS METÁLICAS FERROSAS (Fe-C)
 AÇOS com alto teor de CARBONO
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iais - Teor de Carbono entre 0.60 % e 1.40 %;- Mais duros e resistentes;
- Baixa ductilidade;
- Usados em condição endurecida e revenida;
- Resistente ao desgaste e abrasão;
- Usados para fabricação de ferramentas (brocas, serras, 
ferramentas de torno e plaina, matrizes de injeção plástica).
LIGAS METÁLICAS FERROSAS (Fe-C)
 AÇOS INOXIDÁVEIS
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iais - Concentração de cromo acima de 11%;- Outros elementos típicos de liga são níquel e molibdênio;
- Resistentes à corrosão;
- Usados em equipamentos para processos químicos.
LIGAS METÁLICAS FERROSAS (F. FUNDIDOS)
 FERRO CINZENTO
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- Com teores de carbono entre 2.5 e 4.0 % e silício entre 1.0 e 3.0 %;
- Baixa resistência à tração;
- Elevada resistência ao desgaste (abrasão);
- Usados em bases e barramentos de máquinas operatrizes.
LIGAS METÁLICAS FERROSAS (F. FUNDIDOS)
 FERRO DÚCTIL ou NODULAR
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iais - Formado quando se adiciona uma pequena quantidade de magnésio e/ou cério ao ferro cinzento antes da fundição;
- Melhoria da resistência mecânica (tração) em comparação ao ferro 
cinzento;
- Usados para válvulas de bombas, virabrequins, engrenagens e 
componentes automotivos e de máquinas.
LIGAS METÁLICAS FERROSAS (F. FUNDIDOS)
 BRANCO
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iais
- Com teores de Silício menores que 1 %;
- Ligas de aparência branca, dura e resistentes (muito difícil a 
usinagem);
- Utilizado em cilindros de laminação.
LIGAS METÁLICAS NÃO-FERROSAS (Básicas)
 LIGAS DE COBRE
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iais Latão: liga de cobre e zinco.- Alta resistência à corrosão;
- Alta ductilidade;
- Usado em núcleos de radiadores, bocais e acessórios 
de iluminação, cartuchos de munições.
Bronze: liga de cobre e estanho, alumínio, níquel, silício.
- Alta resistência à corrosão;
- Menor ductilidade que os latões;
- Usado em mancais, buchas, engrenagens.
LIGAS METÁLICAS NÃO-FERROSAS (Básicas)
 LIGAS DE ALUMÍNIO
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iais - Elementos de liga: cobre, magnésio, silício, zinco, manganês.- Densidade relativamente baixa (2.7 g/cm3);
- Resistência à corrosão;
- Alta ductilidade;
- Condutividade térmica e elétrica elevadas;
- Usadas para linhas e tanques de combustível, latas de bebidas, 
trocadores de calor, rebites, arames, carcaças de bombas e caixas 
de transmissão, blocos de motores, rodas, etc..
LIGAS METÁLICAS NÃO-FERROSAS (Básicas)
 LIGAS DE MAGNÉSIO
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iais - Elementos de liga: alumínio, manganês , zinco.- Densidade baixa (1.7 g/cm3);
- Possui alta ductilidade;
- Ponto de fusão baixo (aprox. 650 ° C);
- Resistência à corrosão razoável em atmosfera normal (ruim em 
ambiente marinho);
- Usadas para tubulações, componentes automotivos (volante, 
coluna de direção), rodas automotivas, etc.
LIGAS METÁLICAS NÃO-FERROSAS (Básicas)
 LIGAS DE TITÂNIO
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iais Elementos de liga: alumínio molibdênio e estanho.- Densidade relativamente baixa (4.5 g/cm3);
- Resistência mecânica elevada;
- Ponto de fusão elevado (1.600° C);
- Resistência à corrosão extraordinária em temperaturas normais 
(torna-se altamente reativo em temperaturas elevadas);
- Usadas para carcaças, fuselagens de avião e equipamentos 
resistentes à corrosão p/ indústria naval e de processamento 
químico.
LIGAS METÁLICAS NÃO-FERROSAS (Refratárias)
 METAIS REFRATÁRIOS
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ater
iais Elementos de liga: nióbio, molibdênio, tungstênio e tântalo.- Possuem ponto de fusão extremamente elevado (entre 2.400° a 
3.400° C);
- Elevada resistência e dureza;
- Praticamente imunes ao ataque químico (corrosão);
- Usadas para peças estruturais em veículos espaciais, turbinas, 
reatores nucleares.
LIGAS METÁLICAS NÃO-FERROSAS (Nobres)
 METAIS NOBRES
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iais - Elemento de liga: cobre.
- Ouro, prata e platina, são elementos de elevada ductilidade;
- Utilizadas em joalheria;
- A platina também é utilizada em termopares (medida de 
temperatura).
CERÂMICAS
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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.
COMPÓSITOS
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Materiais compósitos são constituídos de mais de um tipo de 
material insolúvel no meio;
Os compósitos são “desenvolvidos” para apresentarem a 
combinação das melhores características de cada material 
constituinte;
Um exemplo clássico é o compósito de matriz polimérica com 
fibra de carbono. O material compósito apresenta a resistência da 
fibra de carbono associado a flexibilidade do polímero.
SEMICONDUTORES
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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
Os semicondutores tornaram possível o advento do circuito 
integrado que revolucionou as indústrias de eletrônica e 
computadores
Ex: Si, Ge, GaAs, InSb, GaN, CdTe..
BIOMATERIAIS
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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.