ciências dos materiais ufpi

Prévia do material em texto

Profa: Renata Barbosa
rrenatabarbosa@yahoo.com
Universidade Federal do Piauí - UFPI
Campus Petrônio Portela -Teresina
Centro de Tecnologia – CT
ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS 
MATERIAIS I
OBJETIVOS
Apresentar a relação entre Ciência dos Materiais e
Engenharia de Materiais.
Apresentar a relação entre composição, estrutura,
processamento e propriedades/desempenho de um
material.
Apresentar a classificação dos diferentes tipos de
materiais.
ESPECIFICAÇÕES DA EMENTA (PROGRAMA)
1. Apresentação do curso de Ciências dos Materiais
•Ciências dos Materiais
•Classificação dos Materiais
2. Arranjos Atômicos e Iônicos
•Redes, células unitárias
•Estrutura Cristalina
•Sistemas cristalinos
•Polimorfismo
3. Imperfeições nos Arranjos Atômicos e Iônicos
•Defeitos Pontuais
•Discordâncias
•Defeitos Superfíciais e outros tipos de defeitos
4. Movimentos de Átomos dos materiais
•Difusão
•Mecanismos de Difusão
•Primeira Lei de Fick e Segunda Lei de Fick 
•Fatores que afetam a difusão
5. Propriedades Mecânicas: fundamentos e testes 
de ensaios
•Terminologia das Propriedades Mecânicas
•Testes de tração: uso da curva tensão-deformação
•Dureza dos Materiais
•Teste de Impacto
6. Mecânica da Fratura, Fadiga e Fluência
•Características da Fratura em diversos materiais
•Fadiga
•Fluência
7. Fase, Solução Sólida e Diagrama Fe-C
•Conceito de aço e ferro fundido
•Diagramas de Equílibrio Fe-C
•Tratamento térmico
•Processamento dos materiais metálicos
8. Materiais Cerâmicos
•Aplicações dos materiais cerâmicos
•Propriedades e principais características
•Processamento dos materiais cerâmicos
10. Materiais Compósitos
•Aplicações dos materiais compósitos
•Propriedades e principais características
•Processamento dos materiais compósitos
8. Materiais Poliméricos
•Aplicações dos materiais poliméricos
•Propriedades e principais características
•Processamento dos materiais poliméricos
AVALIAÇÃO
1ª avaliação: 6 abril
2ª avaliação: 4 maio
3ª avaliação: 28 maio
4ª Seminários:
Grupos 1, 2 e 3: (01 junho)
Grupos 4, 5 e 6: (08 junho)
Grupos 7 e 8 :(11 junho)
Máximo 45 min por grupo!
FINAL: 18 junho
BIBLIOGRAFIA SUGERIDA
Askeland, Donald R. Ciência e Engenharia dos Materiais. São Paulo:
Cengage Learning, 2008.
Padilha, A.F. - "Materiais de engenharia: microestrutura e propriedades",
Hemus Editora, 1997.
James F. Shackelford - "Introduction to Materials Science for Engineers",
MacMillan Publishing Company, USA, 1996, 4ª edição.
Callister Jr., William D., Ciência e Engenharia de Materiais: Uma
Introdução , LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. – Quinta
Edição – Rio de Janeiro, 2002.
William F. Smith, Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais,
McGraw-Hill, Terceira Edição, 1998.
Temas para seminários
• Materiais Argilosos
• Reciclagem dos Materiais Poliméricos
• Nanocompósitos
• Degradação dos Polímeros
• Corrosão dos Materiais Metálicos
INTRODUÇÃO A CIÊNCIA DOS 
MATERIAIS PARA ENGENHARIA
•os tipos de materiais: metálicos, cerâmicos, polímeros e
compósitos;
•as principais propriedades dos materiais e
•aplicações dos materiais: possibilidades e limitações.
O que veremos na disciplina?
Conceitos:
Ciência dos Materiais → Investigação das relações entre
composição/estrutura e propriedades dos materiais.
Engenharia dos Materiais → Projetar, desenvolver ou aperfeiçoar técnicas
de
processamento de materiais (= técnicas de fabricação) com base nas
relações composição/estrutura e propriedades.
“Ciência e Engenharia dos Materiais é a área da atividade humana
associada com a geração e a aplicação de conhecimentos que
relacionem composição, estrutura e processamento de materiais
às suas propriedades e usos.” Morris Cohen, MIT (in Padilha, A.F.
– Materiais de Engenharia, Hemus, 1997, cap. 1)
Para que possamos entender a 
importância da nossa disciplina, vamos 
primeiro falar sobre a importância dos 
materiais.
Qual a importância dos 
materiais?
• Praticamente cada segmento da nossa vida
cotidiana é influenciado em maior ou menor
grau pelos materiais.
• Exemplos: transportes, nossas roupas,
alimentação e construção civil.
Os dias atuais
Desenvolvimento de 
tecnologias
Acessibilidade a 
materiais adequados
Vida 
confortável
Os dias 
atuais
Qual a importância dos materiais e da 
nossa disciplina?
“Não adianta somente calcular a viga; é preciso
saber também dosar o concreto de modo a obter
a resistência prevista, e depois saber controlar
sua preparação durante a obra toda.”
(Verçoza, 1975)
O que vamos estudar agora:
• classificação dos materiais;
• visão geral das propriedades dos materiais;
• como conhecer as propriedades dos materiais e
• normas técnicas e as vantagens do seu uso.
TETRAEDRO DOS MATERIAIS
(1)
(2)
(3)
(4)
COMPOSIÇÃO E ESTRUTURA
(1)
(2)
(2)
PROPRIEDADES DOS MATERIAIS(3)
PROCESSAMENTO E DESEMPENHO(4)
Classificação dos Materiais
Metálicos
Cerâmicos
Poliméricos
Os materiais 
podem ser
classificados de
diversas formas.
Uma classificação muito
utilizada, é baseada na
composição:
– Metálicos
– Cerâmicos
– Poliméricos
– Compósitos
Classificação Segundo a Função
Classificação Segundo o Tipo de Ligação
Classificação dos materiais
• Metais
• Cerâmicos
• Polímeros
Um material é reconhecido e identificado por 
suas propriedades e pelo seu comportamento 
frente a agentes exteriores.
• Compósitos
• Semicondutores
• Biomateriais
• São geralmente uma combinação de elementos metálicos.
• 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
 São geralmente uma combinação de elementos
metálicos e não-metálicos.
 São geralmente isolantes de calor e eletricidade.
 São mais resistentes que metais e polímeros a altas
temperaturas.
 Quanto às propriedades mecânicas, são duros, porém
frágeis.
Cerâmicos
• Incluem plásticos e borrachas.
• São geralmente compostos orgânicos baseados em
carbono, hidrogênio e outros elementos não-metálicos.
• São constituídos de moléculas muito grandes
(macromoléculas).
• Tipicamente, esses materiais apresentam baixa
densidade e podem ser extremamente flexíveis.
Polímeros
Compósitos
• São constituídos de mais de um tipo de material
insolúveis entre si.
• São “desenhados” para apresentarem a combinação das
melhores características de cada material constituinte.
• Muitos dos recentes desenvolvimentos em materiais
envolvem materiais compósitos.
• Exemplo clássico: compósito de matriz polimérica com
fibra de vidro; apresenta a resistência da fibra de vidro
associado a flexibilidade do polímero.
Mesmo em pequenas quantidades, a presença destas cargas
promove melhorias nas propriedades mecânicas, térmicas, e
físicoquímicas dos polímeros, em comparação aos polímeros
puros e aos tradicionais compósitos poliméricos (WANG, 2001).
Figura: Melhorias de Propriedades dos nanocompósitos.
Fonte: Oliveira Jr, A. R, 2005. 
Nanocompósitos
Quais os critérios que um engenheiro
devem adotar para selecionar um material
entre tantos outros?
1. Conhecer as suas propriedades.
2. Condições de serviço (forças que
atuam sobre ele).
3. Perda das propriedades (tipo de
degradação que o material sofrerá em
serviço).
Exemplo: 
Elevadas temperaturas e ambientes corrosivos diminuem 
consideravelmente a resistência mecânica.Quais os critérios que um engenheiro
devem adotar para selecionar um material
entre tantos outros?
4. O custo (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
devem adotar para selecionar um material
entre tantos outros?
Como definir qual o melhor
material para a produção de um
copo?
• Vidro
• Cerâmica
• Plástico
• Madeira
• Metal
• Papel
Depende
• Custo
• Tempo de vida
• Durabilidade
• Aparência
• Natureza do líquido
• Café – não podem
ser usados copos
de metal e papel.
 Qualquer projeto requer, para a 
sua viabilização, um vasto 
conhecimento das características, 
propriedades e comportamento dos 
materiais disponíveis.
Propriedades dos materiais
Classes Propriedades
Física Densidade, porosidade, teor de umidade
Química Alcalinidade, resistência à corrosão
Térmica Condutividade, expansão (dilatação)
Elétrica Condutividade
Ótica Cor, transmissão e reflexão de luz
Mecânica
Resistência: tração, compressão, cisalhamento e flexão.
Elasticidade, plasticidade, ductilidade, tenacidade e 
dureza.
Ensaios mecânicos
Propriedades mecânicas
Conhecimento da resistência que 
cada material pode oferecer a 
esforços mecânicos.
Fundamental importância para os cálculos 
estruturais e avaliação do comportamento 
mecânico.
Tração 
 
Compressão
• Tijolos em alvenarias, pilares de concreto.
• Edifícios de alvenaria na Grande Recife.
Cisalhamento
 
• A força ou a tensão de cisalhamento tende a cortar o material.
Forças paralelas e sentidos contrários =F corte!
Torção
 
• Exercício de uma chave de parafusos ou uma chave inglesa.
Flexão
• Vigas bi ou multiapoiadas.
Elasticidade
• Propriedade do material segundo a qual a
deformação que ocorre em função da aplicação
de tensão desaparece quando a tensão é
retirada.
• Metais, cerâmicos e polímeros. 
Plasticidade
• Capacidade de o material sofrer
deformação permanente sem se romper.
• Metais e polímeros.
Ductilidade
• Representa a medida do grau de deformação 
suportada quando da fratura do material.
• Materiais cerâmicos  frágeis
• Materiais metálicos e poliméricos  dúcteis
Tenacidade 
• Reflete a energia total necessária para
provocar a fratura do material ou a
capacidade que o material apresenta de
absorver energia até a fratura.
• Material dúctil – tenaz  metais.
• Material frágil – não tenaz  cerâmicos.
Dureza
• Medida da resistência que um material
apresenta ao ser pressionado por outro.
• Primeiros ensaios - Escala de Mohs
– Habilidade de um material em riscar um
outro mais macio.
– Varia de 1 para o talco até 10 para o
diamante.
• Plásticos são macios.
• Metais são duros.
• Cerâmicos possuem maior dureza.
Resistência mecânica
Material Resistência sob tração (MPa)
Cerâmica 100 a 1000
Polímero 1 a 70
Metal 100 a 1700
Fonte: Callister, 
1997.
Deformação
Material Deformação (%)
Cerâmica -
Polímero 1 a 1400
Metal 1 a 60
Fonte: Callister, 
1997.
Classe Componentes típicos Propriedades características
Cerâmicos Compostos por óxidos como
a sílica (SiO2 ).
São duros, porém muito
quebradiços.
São isolantes à passagem de
eletricidade e calor.
Metálicos Combinações de elementos
metálicos, como o ferro
(Fe).
São resistentes (duros) e ainda
assim deformáveis (dúcteis).
São condutores elétricos e
térmicos.
Polímeros São compostos orgânicos e
possuem longas cadeias.
São geralmente moles e flexíveis.
Compósitos Dois ou mais materiais. Propriedades específicas.
Resumo
Como conhecer as propriedades e o
comportamento dos materiais sob
condições de esforços?
• Realização de ensaios de laboratório e de campo.
• Normas técnicas
– Estabelecem uma linguagem comum entre fornecedores
e usuários dos materiais, além de garantir a
reprodutibilidade dos resultados.
• Métodos de ensaios
– Metodologia utilizada para a realização dos ensaios.
• Especificações técnicas
– Especificam as propriedades mínimas exigidas dos
materiais.
Finalidade dos ensaios dos materiais
• Obter informações rotineiras do produto
(ensaios de controle).
• Obter novas ou melhores informações sobre
os materiais.
Finalidade dos Ensaios dos Materiais
Servem para determinar: 
• propriedades mecânicas;
• o comportamento dos materiais sob
determinadas condições de esforços;
É possível comparar materiais 
distintos sendo:
Análise química + ensaios
história prévia 
de um 
material
desconhecido
Vantagens da normatização dos 
materiais e métodos de ensaios
• Tornar a qualidade do produto mais uniforme.
• Reduzir os tipos similares de materiais.
• Orientar os projetistas na escolha do material
adequado.
• Permitir a comparação de resultados obtidos em
diferentes laboratórios.
• Reduzir desentendimentos entre produtor e
consumidor.
Normas técnicas
• ASTM - American Society for Testing and 
Materials
• ABNT - Associação Brasileira de Normas 
Técnicas
• ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas;
• ASTM – American Society for Testing and Materials;
• DIN – Deutches Institut für Normung;
• AFNOR – Association Française de Normalisation;
• BSI – Britsh Standards Instituition;
• ASME – American Societ of Mechanical Engineers;
• ISO – International Organization for Standartisation;
• JIS – Japanise Industrial Standards;
• SAE – Society of Automotive Engineers;
• COPANT – Comissão Panamericana de Normas Técnicas;
• Normas Particulares – Empresas privadas e do governo;
Normas técnicas
Padronização dos Ensaios / Normas 
Técnicas
7 unidades base:
• Metro (m);
• Quilograma (kg);
• Segundo (s);
• Ampére (A);
• Kelvin (k);
• Mol (mol);
Unidades do Sistema Internacional – SI
unidades 
suplementares:
• radiano (rd)=> 
ângulo plano;
Padronização dos Ensaios / Normas 
Técnicas
Unidades SI:
• força (N);
• Pressão (N/mm2);
• Tensão (Pa);
• Energia (J);
• Área (mm2; cm2; 
m2)
Unidades do Sistema Internacional – SI
Outras unidades:
• força (kgf);
• Pressão (atm; kgf/ m2);
• Tensão (psi; kgf/ cm2);
• Energia (ft. lb; kgf.m);
(escala das máquinas p/ 
ensaios e literatura 
americana / inglesa)
Substituição associada à evolução
• Embalagens de refrigerante em vidro, plástico e 
metal.
• Peças de automóveis (pára-choque, painéis, 
retrovisores).
• Portas e esquadrias de madeira e de plástico.
• Assoalho (madeira x compósito).
• Tubulações.
Piscina de PVC
O PVC possibilita a personalização das 
piscinas. Elas podem ser montadas em 
qualquer tamanho, formato ou 
profundidade dando asas à criatividade 
dos arquitetos. Além disso, o custo é 
mais acessível, a execução é rápida, o 
material evita vazamentos e não requer 
impermeabilizações. 
Menor custo e 
menor tempo 
em obra. 
Casa e forros de 
PVC 
“Quanto mais familiarizado estiver um arquiteto 
ou cientista com as características e relações 
estrutura-propriedade, bem como com as 
técnicas de processamento de materiais, mais 
capacitado e confiante ele estará para fazer as 
opções sobre o tipo de material a ser utilizado.” 
(Callister, 2002)