01 Alunos Introdução 01 2017

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ENG02101
CIÊNCIA DOS MATERIAIS A 
Prof. Dr. Vinícius Demétrio da Silva
demetrio@ufrgs.br
cmufrgs2017@gmail.com
Senha: UFRGSmateriais
1- William D. Callister Jr., Ciência e Engenharia de Materiais, 
Uma Introdução, Ed. LTC, 2013.
2- James F. Shackelford, Ciência dos Materiais, Ed. Pearson, 
2008.
3-Van Vlack L.H., Princípios de Ciência dos Materiais, Ed. 
Edgard Blücher, S.P.
BIBLIOGRAFIA SUGERIDA
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Programa:
Nº. de créditos: 04
Carga horária semanal: 04 hora/aula 
Súmula:
- Introdução à ciência dos materiais; 
- Estrutura atômica e cristalina;
- Microestrutura e propriedade de materiais. 
Objetivo: Apresentar um embasamento teórico para o conhecimento científico e 
tecnológico sobre Ciência dos Materiais. 
Dia não letivo: 01/05 - Dia do Trabalhador (segunda-feira).
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Área 1 Área 2 Área 3
Aula 27/mar Aula 03/mai Aula 07/jun
Aula 29/mar Aula 08/mai Aula 12/jun
Aula 03/abr Aula 10/mai Aula 14/jun
Aula 05/abr Aula 15/mai Aula 19/jun
Aula 10/abr Aula 17/mai Aula 21/jun
Aula 12/abr Aula 22/mai Aula 26/jun
Aula 17/abr Aula 24/mai Aula 28/jun
Aula 19/abr Aula 29/mai Aula 03/jul
Aula 24/abr Aula 31/mai Aula 05/jul
Prova 1 26/abr Prova 2 05/jun Prova 3 10/jul
Rec. 17/jul
Exame 24/jul
Procedimentos Didáticos: Aulas teóricas expositivas, palestras, 
seminários.
Método de Avaliação: A avaliação do conhecimento será feita através 
da realização de três (3) provas teóricas e a apresentação de 
seminários. A nota mínima para cada uma das provas teóricas é: 4,0 
(quatro). A MÉDIA FINAL  MF será a média aritmética das três (3) 
provas teóricas (P1, P2 e P3) mais atividades de aula (A): 
MF = (P1 + P2 + P3+A)/4. 
Os conceitos atribuídos em função da média final serão: 
Conceito “A”  9,0  MF  10,0
Conceito “B”  7,5  MF  9
Conceito “C”  6,0  MF  7,5
Conceito “D”  0,0  MF  6
Para ser aprovado na disciplina o aluno deverá obter no mínimo o 
conceito “C”. 
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1. INTRODUÇÃO
2. ESTRUTURA ATÔMICA
3. ESTRUTURA CRISTALINA
4. MICROESTRUTURA (FASES)
5. PROPRIEDADES VS. ESTRUTURA
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS
CIÊNCIA DOS MATERIAIS A 
6
Materiais Enraizados na cultura humana
INTRODUÇÃO
Roupas Casas
Comunicação TransporteIndústria de alimentos
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Produção e uso de materiais é usado para medir o nível de desenvolvimento das
civilizações antigas: Sistema de Três Idades
- idade da pedra: África há mais de 2 milhões de anos;
- idade do bronze (Cu+Sn): Oriente Médio em torno de 3300 a.C.
- idade do ferro: Oriente Médio/Índia, a partir de 1.800-1.200 a.C.
Figura do Material do Prof. C. P. Bergmann – UFRGS
INTRODUÇÃO
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MATÉRIA-PRIMA
BÁSICA
metal, papel, cimento, 
fibras, produtos químicos
SUCATA
ou
RESÍDUOS
A TERRA
MATÉRIA-PRIMA
BRUTA
carvão, minérios, madeira,
petróleo, rochas, planta,
argilas
MATÉRIA-PRIMA
INDUSTRIAL
cristais, ligas, tecidos,
chapas, cerâmicos, plásticos
BENS DE
CONSUMO
carros, pontes, relógios,
equipamentos, máquinas, prédios
Transformação
ou
Processamento
Uso
ou
Serviço
ou
Desempenho
Fabricação
Montagem
Descarte
Extração
ou
Refino
ou
Processamento
Prospecção
ou
Mineração
ou
Colheita
Reciclagem
Ciência e 
Engenharia do 
Meio Ambiente
Ciência e
Engenharia:
Materiais
aplicados na
Engenharia
ou
A PARTIR DE: Prof. C. P. Bergmann – UFRGS
CICLO GLOBAL DOS MATERIAIS
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ENGENHARIA trabalha:
–manufatura materiais
–processa materiais
–projeta materiais
–constrói com materiais
–seleciona materiais
–testa e analisa materiais
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ENGENHEIRO está preocupado em melhorar a performance do que está 
projetando ou manufaturando
–elétrico (materiais elétricos/dielétricos)
–civil (estruturas com durabilidade, estética, resistência à corrosão
–automotivos (leves, resistentes e duráveis)
–aeroespacial (densidade/resistência mecânica, alta temperatura)
–mecânico (estruturas, componentes) 
–materiais (materiais com melhor desempenho, com menor custo)
PARA TANTO, É NECESSÁRIO...
–ampliar os conhecimentos dos materiais disponíveis
–entender seu comportamento em geral e seu POTENCIAL de utilização
–reconhecer os efeitos do meio e condições de serviço - LIMITAÇÕES
–fornecer subsídios para compreender o comportamento de materiais em serviço
 POTENCIAL e LIMITAÇÕES de utilização em função das condições de serviço e do meio
INTRODUÇÃO
A PARTIR DE: Prof. C. P. Bergmann – UFRGS
Como selecionar um material entre tantos outros:
- Caracterizar quais as condições de operação que será
submetido;
- Levantar as propriedades requeridas para tal aplicação;
- Saber como esses valores foram determinados e quais as
limitações e restrições quanto ao uso dos mesmos.
- Levantamento sobre o tipo de degradação que o material
sofrerá em serviço.
Elevadas temperaturas e ambientes corrosivos
diminuem consideravelmente a resistência mecânica.
- Qual o custo do produto acabado? 11
INTRODUÇÃO
A PARTIR DE: Prof. Eleani M. da Costa - PUCRS
Ciência de Materiais: Envolve investigação das relações entre as estruturas e as 
propriedades dos materiais;
Engenharia de Materiais: com base na relação estrutura x propriedade, projeta 
uma estrutura com o objetivo de obter um conjunto de propriedades.
Neste contexto pode ser útil subdividir a disciplina em: 
Processamento Estrutura Propriedades Desempenho
Óxido de alumínio: Alumina
Transparente, Translúcido e Opaco
MONOCRISTAL MONOCRISTAIS + VAZIOSVÁRIOS MONOCRISTAIS
Estrutura: Relacionada aos arranjo dos componentes internos;
Propriedades: resposta do material a um estimulo.
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Figura copiada do material do Prof. Sidnei Paciornik – PUC - Rio 
INTRODUÇÃO
Ex: Alumina porosa e não porosa
TranslúcidoOpaco
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ENTENDER DIVISÕES DA ESTRUTURA NOS MATERIAIS
A PARTIR DE: Prof. C. P. Bergmann – UFRGS
Processamento Estrutura Propriedades Desempenho
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ESTRUTURA
• Subatômica
– elétrons no interior dos átomos
• Atômica
– arranjo de átomos/moléculas um em 
relação aos outros
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INTRODUÇÃO
A PARTIR DE: Prof. Álvaro Meneguzzi – UFRGS
Cristal de quartzo
Micrografia óptica de uma camada 
cementada.
Aço AISI 9310. 320X
ESTRUTURA
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INTRODUÇÃO
Microscópica Macroscópica
A PARTIR DE: Prof. Álvaro Meneguzzi – UFRGS
INTRODUÇÃO
ESTRUTURA
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A PARTIR DE; Prof. C. P. Bergmann - UFRGS
INTRODUÇÃO
Processamento Estrutura Propriedades Desempenho
PROPRIEDADES DOS MATERIAIS
– Mecânicas
• resistência à tração, compressão, flexão
• resistência ao escoamento, à fluência, à fadiga
• ductilidade
• módulo de elasticidade
• resistência ao desgaste
– Físicas
• propriedades elétricas
• Magnéticas
• Térmicas
• Ópticas
• Densidade
– Químicas
• resistência à corrosão
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A PARTIR DE; Prof. C. P. Bergmann - UFRGS
INTRODUÇÃO
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INTRODUÇÃO
Características
- Materiais metálicos são geralmente uma
combinação de elementos metálicos;
- Resistentes e deformáveis;
- Boa ductilidade;
- Alta condutividade elétrica e térmica;
- Não transparente sob luz visível;
- Superfície brilhante.
Metais
A PARTIR DE: Prof. Álvaro Meneguzzi – UFRGS
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INTRODUÇÃO
Metais Ligas de Ni, resistentes a altas temperaturas e com resistência mecânica 
elevada.
A PARTIR DE: Prof. Álvaro Meneguzzi – UFRGS
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INTRODUÇÃO
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INTRODUÇÃO
Características
- Combinação de elementos metálicos e não-metálicos;
- Geralmente são óxidos, nitretos e carbetos;
- Alta resistência mecânica e baixa ductilidade;
- Alta estabilidade química e térmica;
- Bons isolantes térmico e elétrico;
- Alta dureza e baixo coeficientede expansão.
Cerâmicas
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INTRODUÇÃO
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Minerais do grupo das argilominerais:
Haloisita - Al2Si2O5(OH)4
Caulinita - Al2Si2O5(OH)4
Ilita - (K,H3O)(Al,Mg,Fe)2(Si,Al)4O10[(OH)2,(H2O)]
Montmorillonita - (Na,Ca)0.33(Al,Mg)2Si4O10(OH)2·nH2O
Vermiculita - (MgFe,Al)3(Al,Si)4O10(OH)2·4H2O
Talco - Mg3Si4O10(OH)2
Paligorsquite - (Mg,Al)2Si4O10(OH)·4(H2O)
Pirofilita - Al2Si4O10(OH)2
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INTRODUÇÃO
Características
- Compostos orgânicos baseados em carbono,
hidrogênio e outros elementos não-metálicos.
- Macro-moléculas;
- Baixa densidade e podem ser extremamente
flexíveis;
- Materiais poliméricos incluem plásticos e
borrachas.
POLÍMEROS
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INTRODUÇÃO
POLÍMEROS
27
INTRODUÇÃO
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INTRODUÇÃO
Mais de um tipo de material insolúveis entre si.
Combinação das melhores características de cada material constituinte
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
Compósitos
A PARTIR DE: Prof. Álvaro Meneguzzi – UFRGS
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INTRODUÇÃO
Compósitos
Glass Fiber Reinforced Polypropylene Mechanical 
Properties Enhancement by Adhesion Improvement
Materials 2012, 5, 1084-1113; 
doi:10.3390/ma5061084 
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INTRODUÇÃO
Semicondutores
Propriedades elétricas que são intermediárias entre metais e isolantes
Tornaram possível o advento do circuito integrado que revolucionou as indústrias
de eletrônica e computadores
Ex: Si, Ge, GaAs, InSb, GaN, CdTe.
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Estruturas químicas de alguns dos semicondutores orgânicos moleculares mais estudados.
INTRODUÇÃO
Semicondutores
OLED (organic light-emitting diode, diodo emissor de luz orgânico)
Chemical Reviews, 2007, Vol. 107, No. 4
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INTRODUÇÃO
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.
A PARTIR DE: Prof. Eleani M. da Costa - PUCRS
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• FUNDIÇÃO
• LAMINAÇÃO
• EXTRUSÃO
• METALURGIA DO PÓ
• PRENSAGEM
• COLAGEM
• OUTROS ...
MATERIAIS PARA ENGENHARIA
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A PARTIR DE; Prof. C. P. Bergmann
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO
METAIS
Fundição: areia, vazamento, molde permanente, cera 
perdida, lingotamento contínuo
Conformação: forjamento, extrusão, estampagem 
profunda, dobramento, laminação
Junção: soldagem a gás, por resistência elétrica, 
brasagem, a arco, a estanho, por fricção e por difusão
Usinagem: torneamento, perfuração, fresa, corte
Metalurgia do pó
CERÂMICOS
Fundição ou colagem
Compactação: extrusão, prensagem e 
prensagem isostática
Sinterização
POLÍMEROS
Moldagem por injeção, Moldagem por sopro, 
extrusão, rotomoldagem, etc.
SEMI-CONDUTORES
Crescimento de cristais
Deposição química de vapores
COMPÓSITOS
Fundição, incluindo infiltração
Conformação
Junção: junção adesiva, ligadura por explosão, 
por difusão
Compactação e sinterização
A PARTIR DE; Prof. C. P. Bergmann
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO
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DIFERENTES PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 
DIFERENTES MICROESTRUTURAS
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A PARTIR DE; Prof. C. P. Bergmann
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO
Os materiais têm seu comportamento influenciado
pelo meio em que se encontram:
- TEMPERATURA;
- CORROSÃO;
- RADIAÇÃO;
- DESGASTE.
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EFEITOS DO MEIO SOB O COMPORTAMENTO 
DO MATERIAL
A PARTIR DE; Prof. C. P. Bergmann
Temperatura
Tendência:  T  RM
troca rápida de temperatura - catastrófica
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Aumento de 
temperatura 
diminui a 
resistência 
mecânica dos 
materiais
A PARTIR DE; Prof. C. P. Bergmann
EFEITOS DO MEIO SOB O COMPORTAMENTO 
DO MATERIAL
Alumínio 
atacado por 
bactéria
Hidrogênio dissolvido no 
cobre
fratura frágil
A PARTIR DE; Prof. C. P. Bergmann
reagem com O2 e outros gases 
aumento de temperatura acelera a oxidação 
pode ocorrer corrosão por líquidos 
podem ser atacados por líquidosCerâmicos
EFEITOS DO MEIO SOB O COMPORTAMENTO 
DO MATERIAL
Corrosão
Metais e polímeros
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39
A PARTIR DE; Prof. C. P. Bergmann
EFEITOS DO MEIO SOB O COMPORTAMENTO 
DO MATERIAL
Ex.: pisos cerâmicos desgastados com o tráfego de pessoas.
Abrasão
Radiação
Desgaste
PRFV = plástico reforçado com fibra de vidro
40 40
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SELEÇÃO DE MATERIAIS
 
Material Resistência Mecânica 
(MPa) 
Densidade 
 
Resistência/peso 
(m2s-2103) 
Polietileno 7 0,83 8 
Alumínio puro 45 2,7 17 
Cobre puro 207 8,9 23 
Aço baixo-carbono 393 7,8 50 
Titânio puro 241 4,4 55 
Al2O3 207 3,9 53 
Nylon 76 1,11 68 
Epóxi 103 1,4 74 
Aço alto-carbono 614 7,8 79 
Si3N4 483 3,2 151 
Aço-liga tratado termicamente 1655 7,8 212 
Liga de alumínio tratada termicamente 593 2,7 220 
Compósito carbono-carbono 414 1,8 230 
Liga de titânio tratada termicamente 1172 4,4 256 
Compósito Kevlar-epóxi 448 1,4 320 
Compósito carbono-epóxi 551 1,4 393 
 
RELAÇÃO: RESISTÊNCIA/DENSIDADE
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Máximo de 4 integrantes por cada grupo.
Pesquisar sobre um material (um polímero, cerâmico ou metálico)
usado
na indústria ou em pesquisas, e este deve compor os seguintes itens:
Histórico
Classificação do material
Estrutura química (molécula, tipo de ligações, etc)
Propriedades físicas e químicas desse material
Aplicações
Mercado (o quanto é utilizado e onde)
Trabalho em Grupo
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