2015 Materias de Engenharia

Prévia do material em texto

Aula 1 
Química 
Geral 
MATERIAIS DE 
ENGENHARIA 
Desafios atuais 
DESAFIOS MUNDIAIS DO SÉCULO XXI 
População mundial: 7 bilhões (2011); 7.8 bilhões (2015) 
 
 
1) População; 6) Meio Ambiente; 
 
2) Água; 7) Conflitos/Terrorismo; 
 
3) Alimentos; 8) Mudanças Climáticas; 
 
4) Energia; 9) Sustentabilidade; 
 
5) Saúde; 10) Biodiversidade; 
 
 11) Bem-Estar da Humanidade 
 
	
  
“Todos esses problemas 
passam, necessariamente, por 
projetos e soluções de 
Engenharia!” 
	
  
DESAFIOS DA ENGENHARIA 
PARA O SÉCULO XXI 
1) Novos Materiais; 
2) Alimentos; 
3) Meio- ambiente; 
4) Transporte; 
5) Gestão; 
6) Comunicação; 
7) Energia	
  
Vocês têm que estar preparados 
	
  para	
  empregos	
  	
  
	
  	
  	
  que	
  ainda	
  não	
  existem...	
  	
  	
  
	
  	
  para	
  usar	
  tecnologias	
  	
  
	
  	
  	
  que	
  ainda	
  não	
  foram	
  inventadas...	
  	
  	
  
	
  	
  para	
  solucionar	
  problemas	
  	
  
	
  	
  	
  que	
  ainda	
  nem	
  sabemos	
  que	
  são	
  
problemas...”	
  
	
  
EXIGÊNCIAS BÁSICAS DO 
PROFISSIONAL DE ENGENHARIA 
ü  Conhecimentos de gerenciamento de equipes de projetos, pesquisas e trabalhos; 
 
 
ü  Conhecimentos de conteúdos multidisciplinares interligados; 
 
 
ü  Procure constantemente ideias inovadoras; 
 
 
ü  Tenha atitudes empreendedoras; 
 
 
ü  Tenha capacidade de converter conhecimentos científicos em aplicações úteis 
para a sociedade, com atitude ética e responsável. 
	
  
SEGUNDO MORRIS COHEN*... 
*Massachusetts Institute of Technology (MIT) 
“Materiais são substâncias com 
propriedades que as tornam 
úteis na construção de máquinas, 
estruturas, dispositivos e produtos” 
O MUNDO DOS MATERIAIS 
Idade do 
Cobre, 
Bronze e 
Ferro 
.,. 
Ciência 
dos 
Materiais 
Engenharia 
de 
Materiais 
Homem Primit ivo 
Materiais Natura is 
Avanço do 
Conhecimento Ar gilas 
--
- 
- . rtiilif/
1' 
Construção Instituto Inovação Figura 1 
PONTE INCA E A GOLDEN GATE 
Todo engenheiro civil, mecânico, 
eletricista, etc., está interessado nos 
materiais que lhe são disponíveis. 
Quer seja uma ponte, computador, 
veículo espacial ou automóvel, deve 
ter um profundo conhecimento das 
do propriedades características e 
comportamento dos materiais que vai 
usar. 
POR QUE ESTUDAR MATERIAIS ? 
QUANTOS MATERIAIS DIFERENTES 
EXISTEM? 
Entre 40000 e 80000 
diferentes, contando as 
variantes de tratamento 
térmico e composição 
de cada material. 
	
  
COMO ESCOLHER ?? 
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 a 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. 
 
Propriedades dos Materiais 
 
• Propriedades	
  mecânicas	
  
 Resposta a um esforço mecânico: resistência, etc. 
• 	
  Propriedades	
  elétricas	
  e	
  magné4cas	
  
 Resposta a um campo elétrico ou magnético: condutividade, etc. 
• 	
  Propriedades	
  térmicas	
  
 Relacionadas com a transmissão de calor e capacidade calorífica 
dos materiais. 
• 	
  Propriedades	
  óp4cas	
  
 Dizem respeito à absorção, transmissão e deflexão da luz 
• 	
  Estabilidade	
  química	
  
 Relacionada com o ambiente de trabalho: resistência à corrosão 
	
  
Composição, o tipo de ligação química, a estrutura 
cristalina e a microestrutura definem as propriedades do 
material. 
 
Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para 
selecionar um material entre tantos outros? 
 
A segunda consideração na escolha do material refere-
se ao levantamento sobre o tipo de degradação que o 
material sofrerá em serviço. 
 
Por exemplo, elevadas temperaturas e ambientes 
corrosivos diminuem consideravelmente a resistência 
mecânica. 
 
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. 
 
Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para 
selecionar um material entre tantos outros? 
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. 
¡  Ductilidade é a capacidade do material de se deformar 
sob a ação de cargas antes de se romper, daí sua grande 
impor tância, já que estas deformações constituem um 
aviso prévio à ruptura final do material, o que é de 
extrema impor tância para prevenir acidentes em uma 
construção, por exemplo. 
¡  Fragilidade , oposto à ductilidade, é a característica dos 
materiais que rompem bruscamente, sem aviso prévio 
(um dos principais fatores responsáveis por diversos 
tipos de acidentes ocorridos em pontes e navios). 
Ductilidade e Fragilidade 
Diferentes materiais possuem diferentes 
estruturas cristalinas e, consequentemente, 
propriedades finais diferentes. 
 
A classificação tradicional dos materiais 
é geralmente baseada nas suas 
estruturas atômica e química. 
§  Metais 
§  Cerâmicas 
§  Polímeros 
§  Compósitos (combinação de dois ou 
mais) 
§  Semicondutores (características 
elétricas peculiares) 
§  Biomateriais (Mat. Biocompatíveis) 
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS 
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS 
 
 Metais 
 
 Materiais metálicos são geralmente 
uma combinação de elementos 
metálicos (ligas metálicas) 
 
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 
Aço Metal utilizado extensivamente 
Metais tradicionais, usados a alguns 
milênios 
Cobre, 
ouro e ferro 
Metais conhecidos no início da 
era cristã 
Cobre, ouro, prata, 
chumbo, estanho, 
ferro e mercúrio 
METAIS 
¡  Aço estrutural – Propriedades básicas: 
	
  
	
  
	
  
1.  . For te, pode ser moldado em formas práticas; 
2.  Ductilidade – deformabilidade extensa e permanente 
– permite pequenas quantidades de deformação para 
cargas repentinas e severas; 
3.  Brilho metálico característico; 
4.  Bom condutor de corrente elétrica. 
METAIS – AÇO 
METAIS 
CERÂMICAS E VIDROS 
Al Al2O3 
Metal comum Material 
cerâmico 
PF: 660 ºC PF: 2050 ºC – 
refratário 
Alta ductilidade Material frágil 
¡O termo “cerâmica” 
“keramikos”, 
vem da palavra 
que significa grega 
“matér i a -pri maque i m a d a”. 
	
  
¡As propriedades da cerâmica são 
obtidas a partir de tratamentos térmicos 
a temperaturas elevadas. 
	
  
¡Argila, cimento, vidro. 
	
  
¡Cerâmicas vermelhas e brancas. 
CERÂMICA? 
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS 
 Cerâmicas 
 
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 a ambientes severos que 
metais e polímeros. 
 
Com relação às propriedades mecânicas 
as cerâmicas são duras, porém frágeis. 
 
Em geral são leves(pouco densas) 
ALUMINA
¡  N , O, C, P ou S – elem e ntos não metálicos par tici pante s de materi ais 
ce r âm icos . 
¡  Materi ais Cer âmicos – a maiori a é constituí d a pe la combi nação de 
um dos 5 eleme ntos não metálicos e os metais ou os semi-metais : B, 
Si , Ge e Sb . 
CERÂMICAS 
¡Metais 
seus 
e Cerâmicas são cristalinos – 
átomos constituintes são 
empilhados 
repetitivos. 
	
  
¡Cerâmicas 
empilhados 
aleatórios) 
óxidos 
em um padrão regular, 
não-cristalinas (átomos 
irregulares, em padrões 
= vidros à mistura de 
CERÂMICAS 
¡  Na primeira figura, temos a estrutura de uma cerâmica cristalina 
e, na segunda, um vidro. Os círculos aber tos representam átomos 
não metálicos e os círculos pretos sólidos, átomos de metal . 
CERÂMICAS 
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS 
 Polímeros 
 
 
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 
¡  Sintéticos ou não, são 
macromoléculas formadas 
pela repetição de pequenas 
e simples unidades 
químicas, os monômeros. 
¡  H, C, Si, N, O, F e Cl– 
elementos associados aos 
polímeros comerciais, 
muitos deles, são 
simplesmente compostos 
de C e H, como o 
polietileno. 
POLÍMEROS 
POLÍMEROS 
Propriedades: 
-  Leves (pouco densos) 
-  Isolantes elétricos e térmicos 
-  Flexíveis 
-  Boa resistência à corrosão 
-  Baixa resistência ao calor 
POLÍMEROS – CLASSIFICAÇÃO 
Termoplásticos à Podem ser repetidamente conformados 
mecanicamente desde que reaquecidos 
Possibilidade de reciclagem 
Polietileno, policloreto de vinila, polipropileno 
e poliestireno 
Elastômeros (borrachas) à São conformáveis plasticamente, se 
alongam elasticamente de maneira acentuada até a T de 
decomposição e mantém estas características a baixas T 
	
  
Borrachas natural, de estireno, de butila, de nitrila 
Termorrígidos à São conformáveis plasticamente apenas em um 
estágio intermediário de sua fabricação 
Produto final duro e não amolece a alta T 
Baquelite, poliésteres 
¡  Plásticos normalmente compartilham com os metais a 
propriedade mecânica desejável da ductilidade. 
¡  São, normalmente, alternativas leves e de baixo custo 
aos metais nas aplicações de desenho estrutural. 
¡  Resistência à deformação mais baixa, em comparação 
com os metais. 
¡  Ponto de fusão mais baixo e reatividade química mais 
alta em comparação com cerâmicas e vidros. 
COMPARANDO MATERIAIS 
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS 
 Compósitos 
 
 
Materiais compósitos são constituídos 
de mais de um tipo de material 
insolúveis entre si. 
 
Os compósitos são “desenhados” para 
apresentarem a combinação das 
melhores características de cada 
material constituinte. 
 
Muitos dos recentes desenvolvimentos 
em materiais envolvem materiais 
compósitos. 
 
¡  Composto 
categorias 
de algumas 
anteriores, 
combinações 
guardando 
individuais das 
as melhores 
propriedades 
um produto superior 
de cada um dos componentes, produzindo 
a qualquer um dos componentes 
separadamente . 
	
  
	
  
	
  
¡  Melhor exemplo: fibra de vidro = fibras de vidro embutidas 
em uma matriz de polímero. Alta resistência das fibras de 
vidro + ductilidade da matriz de polímeros = material 
for te, capaz de suportar carga normal exigida de um 
material estrutural . 
COMPÓSITOS 
¡  Envolvem praticamente toda a tabela periódica, exceto os 
gases nobres. 
¡  Outros exemplos: madeira = material 
devido à 
natural com 
propriedades mecânicas úteis, sua estrutura 
agregado, 
uma complexa 
reforçada com fibra; 
quanto 
concreto 
a areia 
= compósito 
tanto a brita reforçam 
matriz cimento-silicato. 
COMPÓSITOS 
COMPÓSITOS 
Polimérica, 
metálica ou 
cerâmica 
Estar na forma de dispersão 
de partículas, fibras, bastonetes, 
lâminas ou plaquetas 
Madeira: compósito natural, em que matriz e reforço são 
poliméricos 
	
  
	
  
	
  
	
  
Concreto: compósito em que tanto matriz como reforço são 
cerâmicas 
h<p://www.boeing.com/	
  
Evolução no uso de materiais 
Boing 777 (1996) 
 
Aço – 11% 
Ti – 7% 
Compósitos 11% 
Ligas de alumínio – 70% 
Outros – 1% 
 
 
Boing 787 (2008) 
 
Aço – 10 % 
Ti – 15% 
Compósitos – 50 % 
Ligas de alumínio – 20% 
Outros – 5% 
 
COMPÓSITOS 
Evolução na produção de alguns materiais nos EUA 
 
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS 
 Semicondutores 
 
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 (para formar as junções p-
n). 
 
Os semicondutores tornaram possível 
o advento do circuito integrado que 
revolucionou as indústrias de 
eletrônica e computadores. 
 
Ex: Si, Ge, GaAs, InSb, GaN, CdTe 
InP	
  
 
¡  Si, Ge e Sn ser vem como um tipo de limite entre os 
elementos metálicos e os não-metálicos . 
¡  Zn, Cd, Hg, Al, Ga, In, Si, Ge, Sn, P, As, Sb, O, S, Se, Te, 
formam compostos que são semicondutores . 
¡  Exemplos : GaAs – usado como retificador de alta 
temperatura e material de laser, CdS, usado como célula 
solar. 
¡  Com acréscimos de impureza apropriados, algumas 
cerâmicas exibem compor tamento de semicondutor, por 
exemplo, ZnO, que é bastante usado como material 
fosforescente nas telas de T V. 
SEMICONDUTORES 
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS 
 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. 
ALGUMAS CONSIDERAÇÕES SOBRE A 
NECESSIDADE DE MATERIAIS MODERNOS 
Materias que apresentem: 
 
- Alto desempenho 
- Baixo peso e alta resistência 
- Resistência a altas temperaturas 
- Desenvolvimento de materiais que sejam 
menos danosos ao meio ambiente e mais fáceis 
de serem reciclados ou regenerados