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CIÊNCIA DOS MATERIAIS
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1. INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS
2. ESTRUTURA ATÔMICA
3. ESTRUTURA CRISTALINA
4. MICROESTRUTURA (FASES)
5. PROPRIEDADES VS. ESTRUTURA
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS
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O curso objetiva apresentar os fundamentos da Ciência dos Materiais a alunos de graduação em Engenharia de Civil: a interrelação entre os diferentes níveis de estrutura que constituem os materiais e as propriedades aí definidas. 
OBJETIVO
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INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS
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INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS
- INTRODUÇÃO
- TIPOS DE MATERIAIS
RELAÇÃO: ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
SELEÇÃO DE MATERIAIS
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INTRODUÇÃO
MATERIAIS
 É um tipo de matéria utilizada em aplicações práticas / industriais’
Com uso, por exemplo, em: 
- máquinas
artefatos 
 dispositivos
 componentes
estruturas (prédios)
outros
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MATERIAIS
 utilização – desde os primórdios da civilização
 são parte integrante da vida humana
 o conhecimento dos materiais definiu as diversas idades da história da humanidade: idade da pedra, idade do bronze, idade do ferro
Com uso, por exemplo, em: 
- máquinas
 estruturas
 dispositivos
 produtos
2 milhões de anos
5.000 anos
3.000 anos
100 anos
60 anos
400-300 anos
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EVOLUÇÃO DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS: 
	compreensão das propriedades dos materiais e a capacidade de
	desenvolver e preparar novos materiais para aplicações particulares
Obtenção de
Materiais avançados
Materiais inteligentes
Nanomateriais 
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EVOLUÇÃO DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS: 	
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Série LIBERTY: 1000 navios
Gasoduto na Sibéria
Ponte nos EUA
DEGRADAÇÃO/SELEÇÃO DO MATERIAL
OLEODUTO ROMPIDO POR CORROSÃO EM CAMPINAS, 1990
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Corrosão devido ao material orgânico e vapor de água contaminado em autoclave. Solução instalar filtros nas autoclaves para filtrar partículas (98% tamanho de 0,1m).
CORROSÃO EM EQUIPAMENTOS MÉDICOS
DEGRADAÇÃO/SELEÇÃO DO MATERIAL
DEGRADAÇÃO DA PONTE HERCÍLIO LUZ
A ponte pênsil Hercílio Luz foi concluída e aberta ao tráfego em 1926. Permaneceu aberta ao tráfego até 1982, quando vários defeitos estruturais foram detectados. 
DEGRADAÇÃO DA ESTRUTURA DE CONCRETO ARMADO
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Planeta Terra: Fonte dos recursos de todos os materiais
CICLO GLOBAL DOS MATERIAIS:
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A redução eletrolítica da Bauxita
(eletricidade produzindo reação química de redução)
CICLO GLOBAL DOS MATERIAIS: Ex: Alumínio
 Moagem e dissolução da alumina em soda cáustica;
 Filtração da alumina para separar o material sólido;
 O filtrado de alumina é concentrado e cristalizado para eliminar água;
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CICLO GLOBAL DOS MATERIAIS: Ex: Alumínio
Redução do alumínio
A obtenção do alumínio ocorre pela redução da alumina calcinada em cubas eletrolíticas, a altas temperaturas, no processo conhecido como Hall-Héroult. São necessárias duas toneladas de alumina para produzir uma tonelada de metal primário pelo processo de Redução.
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Reciclagem da lata de alumínio
Economia de 95% da energia usada na obtenção do alumínio
Economia de etapas: evita a extração, refino e redução
Economia de tempo: uma lata reciclada volta ao mercado em 90 dias
Economia de recursos naturais (bauxita): para se produzir 1 ton de alumínio são necessárias 5 ton de bauxita - mineral extraído do solo - o que pode ser evitado com a reciclagem. 
CICLO GLOBAL DOS MATERIAIS:
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Objetivo de entender a ciência dos materiais
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;
“seu potencial (e limitações) de utilização em função das condições de serviço e do meio”
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Metálicos 	 Cerâmicos	Poliméricos		Compósitos
Cobre			Porcelana	Polietileno		Grafite-epóxi
Ferro fundido		Vidros		Epóxi			Carbeto de
Ligas de aço		Tijolos		Fenólicos		 cobalto e
		Louças Refratários 			 	Tungstênio
			
Classificação dos materiais pela indústria
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Materiais metálicos são geralmente uma combinação de elementos metálicos.
Os elétrons não estão ligados a nenhum átomo em particular e por isso são bons condutores de calor e eletricidade
Não são transparentes à luz visível
Têm aparência lustrosa quando polidos
Geralmente são resistentes e deformáveis
São muito utilizados para aplicações estruturais
 Metais
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Classificação dos materiais pela indústria
CERÂMICAS SÃO FORMADAS PELA COMBINAÇÃO DE METAIS COM ELEMENTOS C, N, O, P e S.
Materiais cerâmicos são não-metálicos e inorgânicos.
Geralmente são óxidos, nitretos e carbetos
São geralmente isolantes de calor e eletricidade
São mais resistentes a altas temperaturas e à ambientes severos que metais e polímeros
Os materiais cerâmicos são materiais de alta dureza, porém frágeis
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Materiais poliméricos são geralmente compostos orgânicos baseados em carbono, hidrogênio e outros elementos não-metálicos.
São constituídos de moléculas muito grandes (macro-moléculas)
Tipicamente, esses materiais apresentam baixa densidade e podem ser extremamente flexíveis
Materiais poliméricos incluem plásticos e borrachas.
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
Classificação dos materiais pela indústria
 Polímeros
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Materiais compósitos são constituídos de mais de um tipo de material insolúveis entre si.
Os compósitos são projetados para a obtenção de propriedades as quais não estão presentes em um material monofásico
Um exemplo clássico 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
Classificação dos materiais pela indústria
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As diferentes propriedades dos materiais são determinantes na sua classificação
Condutividade elétrica representativa para diferentes categorias de materiais
Classificação dos materiais pela indústria
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	As diferentes propriedades dos materiais, também determinam a classificação
Resistência mecânica representativa para diferentes categorias de materiais
Classificação dos materiais pela indústria
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Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
	O uso das diferentes classes dos materiais tem sido alterado com a evolução tecnológica.
Classificação dos materiais pela indústria
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Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
Classificação dos materiais pela indústria
Competição entre os materiais:
Boeing 777
Início do projeto: 1990
Entrada em Serviço: 1994
Porcentagem de materiais 
compósitos no peso do avião: 9%
Boeing 7E7 Dreamliner
Início do Projeto: Final de 2003
Entrada em Serviço: Prevista para 2008
Porcentagem de materiais compósitos no peso do avião:
Estimada entre 50 e 60%
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Classificação 
dos materiais				
Metais
Polímeros	
Cerâmicos
 Aplicação pela
 indústria		
Classificação dos materiais pela indústria
 
 
 
Espessura de parede: 0,15 mm
%peso embalagem/conteúdo: 3,85
Densidade (g/cm3): 2,70
Espessura de parede: 0,30 mm
%peso embalagem/conteúdo: 2,90
Densidade (g/cm3): 1,35
Espessura de parede: 8,0 mm
%peso embalagem/conteúdo: 46,80
Densidade (g/cm3): 2,70
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Etapas no processo de fabricação de latas de alumínio para bebidas
Classificação dos materiais pela indústria
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Classificação dos materiais quanto ao grau de desenvolvimento tecnológico
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Exemplo: lâmpada de sódio (1000oC) com tubo de alumina
(100 lúmens/W convencional 15 lúmens/W)
Alumina convencional (opaca)
Alumina translúcida
1-2 TIPOS DE MATERIAIS
Materiais projetados:
Classificação dos materiais quanto ao grau de desenvolvimento tecnológico
porosidade: 3%				 porosidade: 0,3% 	
Lâmpada de vapor de sódio: o gás em alta temperatura é guardado dentro de um cilindro translúcido de alumina.
A presença de poros causa espalhamento de luz, e o material se torna opaco
POROS
A eliminação dos poros e a microestrutura do material com tamanho de grão menor gera um material
translúcido
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Classificação dos materiais segundo morfologia
1.Monoestruturados: único conjunto de propriedades
2.Recobrimentos: propriedades da superfície diferente
 das do corpo
3.Gradiente material: multicamadas com gradiente
 de propriedades 
4.Composição aleatória de diferentes materiais: reforço por segunda fase
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DIVISÃO DA ESTRUTURA NOS MATERIAIS
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RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
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 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
- 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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- PROPRIEDADES
ELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
DE SUPERFÍCIE
DE CORPO
reatividade com o meio, resistência à corrosão e ao desgaste, biocompatibilidade, 
efeito decorativo
comportamento mecânico, propriedades elétricas e magnéticas, condutividade térmica 	 
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- PROPRIEDADES DE SUPERFÍCIE
	reatividade com o meio, resistência à corrosão e ao desgaste, biocompatibilidade, efeito decorativo	 
1-3 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
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- PROPRIEDADES DE CORPO
	comportamento mecânico, propriedades elétricas e magnéticas, condutividade térmica 	 
RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
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RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
- PROPRIEDADES DOS MATERIAIS
Exemplos representativos: aplicações e propriedades de cada categoria de material
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RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
- PROPRIEDADES DOS MATERIAIS
Exemplos representativos: aplicações e propriedades de cada categoria de material
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RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
MATERIAIS PARA ENGENHARIA
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO
os materiais precisam adquirir forma e dimensões para ser utilizáveis na Indústria
são definidos em função das propriedades dos materiais iniciais e das propriedades necessárias para fazer frente às condições de serviço da peça ou componente
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
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1-3 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
- 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
Conformação: a vácuo, por repuxamento, por extrusão
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
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
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RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
- PROCESSOS DE FABRICAÇÃO
DIFERENTES PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 
				DIFERENTES MICROESTRUTURAS
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 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
MATERIAIS PARA ENGENHARIA
Exemplo da relação tripartite aplicada a uma barra de alumínio laminado
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EFEITOS DO MEIO SOB O COMPORTAMENTO DO MATERIAL
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
Temperatura
		Tendência:	 T  RM
				troca rápida de temperatura - catastrófica
			
Aumento de temperatura diminui a resistência mecânica dos materiais
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EFEITOS DO MEIO SOB O COMPORTAMENTO DO MATERIAL
Corrosão
		Metais e polímeros	reagem com O2 e outros gases
					aumento de temperatura reage mais
					pode ocorrer corrosão por líquidos
							pits, trincas  fratura
		Cerâmicos 	podem ser atacados por outros líquidos cerâmicos
			
Alumínio atacado por bactéria
Hidrogênio dissolvido no cobre
fratura frágil
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EFEITOS DO MEIO SOB O COMPORTAMENTO DO MATERIAL
Radiação			 De alta energia
	Ex.: neutrons de reatores nucleares que podem afetar a estrutura interna dos materiais, diminuir a resistência mecânica e fragilizar o material, devido a formação de fissuras.
Desgaste			 Abrasão
	
	Ex.: pisos cerâmicos desgastados com o tráfego de pessoas
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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 serviço a que será submetido o material e levantar as propriedades requeridas para tal aplicação. Deve-se incluir os fatores de degradação de propriedades, como temperatura de trabalho, agentes corrosivos - ataque químico, desgaste, radiações, nessas considerações.
Determinar (ou saber como foram determinados) as propriedades de interesse e saber qual o desempenho e limitações e restrições no uso dos materiais selecionados.
Em raras ocasiões um material reúne uma combinação ideal de propriedades, ou seja, muitas vezes é necessário reduzir uma em benefício da outra. Um exemplo clássico são resistência e ductilidade, geralmente um material de alta resistência apresenta ductilidade limitada. Este tipo de circunstância exige que se estabeleça um compromisso razoável entre duas ou mais propriedades.
Disponibilidade de matéria-prima e viabilidade técnica em obter a dimensão e forma da peça para seu emprego.
Impacto ambiental da produção e reciclabilidade do material após uso
Custo total
SELEÇÃO DE MATERIAIS
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SELEÇÃO DE MATERIAIS
Em resumo 		 deve-se selecionar um material que:
1. Apresente as propriedades adequadas
			Compromisso entre propriedades
			Confiabilidade
2. Possa ser processado na forma desejável
3. Seja economicamente viável (matéria-prima e processo de fabricação)
4. Possa ser produzido com baixo impacto ambiental e posa ser reciclado
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1-5 SELEÇÃO DE MATERIAIS
RELAÇÃO: RESISTÊNCIA/DENSIDADE
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
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
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EXERCÍCIOS
1. Com que se ocupa a Ciência dos Materiais e qual sua importância na engenharia moderna?
2. Classifique os materiais segundo os seguintes critérios: a) aplicação na indústria; b) grau de desenvolvimento tecnológico e c) morfologia.
3. Cite dois produtos que podem ser classificados como: a) monoestruturado; b) recobrimento; c) gradiente e d) composição aleatória.
4. Em que estaria baseada a mudança de propriedades de um mesmo material fabricados por diferentes processos?
5. Compare a microestrutura de um cobre fundido com a de um cobre trefilado.
6. Do que depende a escolha de um determinado processo de fabricação?
7. Diferencie propriedades de corpo e de superfície.
8 Dê dois exemplos que evidenciam a relação entre estrutura e propriedades dos materiais.
9. Por que utiliza-se uma alumina translúcida como invólucro de uma lâmpada de sódio?
10.  Como podem se degradar as propriedades dos materiais
em serviço? Cite 3 exemplos práticos. 
11.  Como podem se degradar as propriedades dos materiais em serviço? Cite 3 exemplos práticos. 
12. Explique o conceito de nanotecnologia e como esta é aplicada aos materiais.