CM Introdução (1)

Prévia do material em texto

CIÊNCIA DOS
MATERIAIS
SÚMULA
1. INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS
2. ESTRUTURA ATÔMICA
3. ESTRUTURA CRISTALINA
4. MICROESTRUTURA (FASES)
5. PROPRIEDADES VS. ESTRUTURA
6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS
OBJETIVO DO CURSO
O curso objetiva apresentar os fundamentos da Ciência dos Materiais a alunos de
graduação como a interrelação entre os diferentes níveis de estrutura que constituem 
os materiais e as propriedades aí definidas.
CRONOGRAMA - AVALIAÇÃO
Aula DATA CONTEÚDO
1 03/ago
Introdução à ciência e engenharia dos materiais e classificação dos
materiais
2 10/ago
Ligação química nos sólidos:
Energias e forças de ligações
Ligações interatômicas primárias
Ligação de Van der Waals
3 17/ago
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.
4 24/ago
Imperfeições cristalinas:
Defeitos pontuais
Defeitos de linha (discordâncias)
Defeitos de interface (grão e maclas)
Defeitos volumétricos (inclusões, precipitados)
CRONOGRAMA - AVALIAÇÃO
Aula DATA CONTEÚDO
5 31/ago
Mecanismos de movimento atômico (difusão)
Mecanismo da difusão
Fatores que influem na difusão
Difusão no estado estacionário
Difusão no estado não-estacionário
6 07/set RECESSO - FERIADO NACIONAL
7 14/set APRESENTAÇÃO APSI
8 21/set RECESSO - FERIADO ESTADUAL
9 28/set PROVA 1º ÁREA (P1)
10 05/out
Propriedades Mecânicas dos Metais
Deformação elástica e deformação plástica
Coeficiente de Poisson
11 12/out RECESSO - FERIADO NACIONAL
12 19/out
Discordâncias e Mecanismos de Aumento de Resistência
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 de grão
CRONOGRAMA - AVALIAÇÃO
IMPORTANTE: Para cada aula háverá uma lista de exercícios, que devem ser resolvidos e 
entregues obrigatoriamente nas datas previamente estabelecidas.
Aula DATA CONTEÚDO
13 26/out
Falha nos metais
Fratura dúctil, fratura frágil
Fluência nos metais
Fadiga nos metais
14 02/nov RECESSO - FERIADO NACIONAL
17 23/nov Propriedades elétricas e magnéticas
18 30/dez Corrosão e degradação dos materiais
19 07/dez PROVA 2º ÁREA (P2) + ENTREGA APSII
20 14/dez AVALIAÇÃO COMPLEMENTAR
CRONOGRAMA - AVALIAÇÃO
Critérios de Avaliação:
• N1: Nota 1 = P1+L1+APS1
Prova de conhecimento parcial (I Área) P1: Peso 7 (70%)
Lista de Exercícios I Área L1: Peso 1 (10%)
Atividade Prática Supervisionada I Área APS1: Peso 2 (20%)
• N2: Nota 2 = P2+L2+APS2
Prova de conhecimento parcial (II Área) P2: Peso 7 (70%)
Lista de Exercícios II Área L2: Peso 1 (10%)
Atividade Prática Supervisionada II Área APS2: Peso 2 (20%)
• MF: Média Final
A média final é a média aritmética simples das notas N1 e N2: MF = (N1+N2)/2
Serão considerados aprovados os discentes com média final superior ou igual a 7.
Serão considerados reprovados os discentes com média final inferior a 4.
Os discentes com média final maior ou igual a 4 e menor que 7 deverão realizar a Avaliação 
complementar.
• AC: Avaliação Complementar 
Avaliação Complementar: Peso 10 (100%)
• NF: Nota Final 
Nota final é a média aritmética simples das duas notas: NF = (MF + AC)/2
Serão considerados aprovados os discentes com nota final final superior ou igual a 6.
Serão considerados reprovados os discentes com média final inferior a 6.
CRONOGRAMA - AVALIAÇÃO
Observações importantes:
• Para obter aprovação a média dever ser superior ou igual
a 7;
• Os trabalhos devem ser entregues na forma e na data
combinada em sala de aula;
• Trabalhos entregues com atraso terão redução de 20%
do valor por dia de atraso. Apenas serão aceitas versões
impressas/ou feitas à mão. Não cabem formas
substitutivas para os mesmos;
• Receberão nota zero os trabalhos que apresentarem sinais de cópias de outros trabalhos, 
contiverem evidências de materiais leteralmente copiádos ou traduzidos de livros ou
internet.
CRONOGRAMA - AVALIAÇÃO
Atividade Prática Supervisionada I Área APS1: 
Atividade Prática Supervisionáda I – Seminário de Materiais: O trabalho abordara
um tipo de material (Metálico, Cerâmico, Polimérico ou Compósito). Os alunos
deverão realizar uma apresentação oral na qual deverão abordar: a visão histórica e
o desenvolvimento do material especificado, suas características (propriedades),
aplicações e métodos de processamento. O trabalho será realizado em dupla ou em
trios (a depender no número de alunos matriculados).
Atividade Prática Supervisionada II Área APS2:
Atividade Prática Supervisionáda II –Materiais Avançados (Smart Materials): Cada
aluno deverá
escolher um material avançado (Materials Pizoelétricos, Memário de Forma,
Materials Fotomecânicos, Metamateriais, etc..) e deverá abordar: “o que faz deste
material inovador”, seu desenvolvimento, suas características (propriedades),
aplicações e métodos de processamento. O trabalho derevá ser desenvolvido
individualmente.
1. Callister Jr., W.D., Materials Science and Engineering
an introduction, 7ª Edição, New York, John Wiley &
Sons, 2012.
2. Askeland, Donald R.: The Science and Engineering
of Materials, 6ª Edição, London, Chapman and Hall, 2009.
3. Shackeldford, James F. Introduction to Materials
Science for Engineers. New Jersey, Prentice-Hall, Inc.,
7a. Ed. 2008.
4. van Vlack, Lawrence H.: Princípio de ciências
dos materiais. São Paulo, Edgar Blücher, 1970.
5. van Vlack, Lawrence H.: Princípio de ciências
e tecnologia dos materiais. 4º Edição, Rio de
Janeiro, Campus, 1984.
6. Anderson, J.C. et alli: Materials Science. 4º
Edição, London, Chapman and Hall, 1990.
7. Meyers, Marc A. e Chawla, Krishan K.: Princípios
de Metalurgia Mecânica. São Paulo, Edgar Blücher, 1982.
8. Flinn, Richard A. e Trojan, Paul K.: Materiales de
Ingeneria y sus Aplicaciones. Bogotá, Editorial McGRaw-
Hill Latino Americana S.A., 1979.
9. Smith, William F.: Materials Science and Engineering.
New York, McGraw-Hill Publ. Co., 2a. Ed. 1989.
BIBLIOGRAFIA SUGERIDA
CAPÍTULO 1 -INTRODUÇÃO 
AOS MATERIAIS
1. INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS
1 INTRODUÇÃO
2 TIPOS DE MATERIAIS
3 RELAÇÃO: ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
4 SELEÇÃO DE MATERIAIS
1-1 INTRODUÇÃO
MATERIAIS: ‘Matéria utilizada em aplicações práticas / industriais’
- máquinas
-artefatos
- dispositivos
- componentes
-estruturas (prédios)
-outros
ENGENHARIA!
✓ utilização – desde os primórdios da civilização
✓ são parte integrante da vida humana
✓o conhecimento dos materiais definiu algumas 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 anos4005300 anos
1-1 INTRODUÇÃO
compreender as propriedades dos materiais e ter capacidade de
desenvolver e processar (novos) materiais para aplicações industriais
Porque estudar Ciência e Engenharia dos Materiais?
16 Conhecimento a fim de suportar a seleção de
materiais em projetos, a partir da avaliação das
condições de serviço e propriedades dos diversos
materiais disponíveis, buscando a opção que
atenda mais plenamente.
26 Análise da potencial deterioração dos materiais,
por exemplo, pela exposição em elevada
temperatura ou por ambientes corrosivos.
ENGENHEIRO
36 Análise econômica da seleção e
especificação 
considerando
dos
custo,
materiais, 
desempenho,
manutenção, reciclagem, entre outros.
1-1 INTRODUÇÃO
ENGENHARIA
–manufatura materiais
–processamateriais
–projeta materiais
–constrói com materiais
–seleciona materiais
–testa e analisa materiais
Palheta de turbina
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
1-1 INTRODUÇÃO
EVOLUÇÃO DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS:
compreensão das propriedades dos materiais e a consequente capacidade de 
desenvolver e preparar novos materiais para aplicações particulares
Obtenção de materiais avançados
Nanomateriais
Materiais funcionais
1-1 INTRODUÇÃO
MATERIAIS
1-1 INTRODUÇÃO
Ponte nos EUA
Ciência dos Materiais-PPGE3M-EE-UFRGS
Plataforma off-shore
Gasoduto na Sibéria
FALHA EM SERVIÇO
Série LIBERTY: 1000 navios
OLEODUTO ROMPIDO POR
CORROSÃO EM CAMPINAS, 1990
Trilhos de trem
1-2 TIPOS DE MATERIAIS
• CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS:
CRITÉRIOS
! APLICAÇÕES PELA INDÚSTRIA
! metais, cerâmicos, polímeros e compósitos
! GRAU DE DESENVOLVIMENTO TECNOLÓGICO
! naturais, empíricos, desenvolvimento científico e projetados
! MORFOLOGIA ESTRUTURAL
! monoestruturados, recobrimentos, gradiente e aleatório
•combinação 
metálicos.
•elétrons
de elementos
livres: bons
condutores de calor e
eletricidade, brilho e opacos.
•geralmente são resistentes e 
deformáveis.
1-2 TIPOS DE MATERIAIS
•materiais não-metálicos e 
inorgânicos.
•geralmente isolantes de térmicos 
e elétricos.
•resistentes a altas temperaturas e 
a ambientes corrosivos.
•frágeis e geralmente de alta 
dureza.
METAIS COM C, N, O, P e S.
•compostos orgânicos com 
C, H e não-metais (plásticos 
e borrachas).
•moléculas muito grandes 
(macromoléculas).
•geralmente tem baixa 
densidade e alta 
elasticidade.
•constituídos de mais de um tipo
de fases insolúveis entre si.
•propriedades que não estão
presentes em um
material monofásico.
1-2 TIPOS DE MATERIAIS
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 2007 
Entrada em Serviço: Prevista para 2008 
Porcentagem de materiais compósitos
no peso do avião:
Estimada entre 50 e 60%
1-2 TIPOS DE MATERIAIS
• Classificação
dos materiais
Metais
Cerâmicos
Espessura de parede: 0,30 mm
%peso embalagem/conteúdo: 2,90
Densidade (g/cm3): 1,35
Polímeros
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: 
8,0 mm
%peso 
embalagem/conteúdo: 
46,80
Densidade (g/cm3): 2,70
Classificação dos materiais quanto ao
grau de desenvolvimento tecnológico
1.Naturais: utilizados como se encontram na natureza
2.Empiricamente desenvolvidos: 
ex. argila vermelha
3. Desenvolvimento científico:
a ciência no desenvolvimento dos materiais
4.Materiais projetados: fabricados 
com grau de conhecimento elevado
PROJETADOS:
Viabilização de
projetos de alta
tecnologia
1-2 TIPOS DE MATERIAIS
Alumina translúcida
1-2 TIPOS DE MATERIAIS
porosidade: 3%
Classificação dos materiais quanto ao
grau de desenvolvimento tecnológico
Materiais projetados:
Exemplo: lâmpada de sódio (1000oC) com
tubo de alumina
Lâmpada de vapor de sódio: o gás em alta temperatura é
(100 lúmens/W convencional 15 lúmens/W)
Alumina convencional (opaca)
A eliminação dos poros e a microestrutura do material com 
tamanho de grão menor gera um material translúcido
porosidade: 0,3%
guardado dentro de um cilindro translúcido de alumina.
A presença de poros causa espalhamento 
de luz, e o material se torna opaco
POROS
MATERIAIS PARA ENGENHARIA
fundamento: CIÊNCIA DOS MATERIAIS
interrelação entre ESTRUTURA e PROPRIEDADES
desenvolvidos para uso na Indústria
ESTRUTURA
CIÊNCIA DOS MATERIAIS PROPRIEDADES
1-3 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
1-3 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
• MATERIAIS PARA ENGENHARIA
ESTRUTURA NOS MATERIAIS
• ESTRUTURA ATÔMICA
• ESTRUTURA CRISTALINA
• MICROESTRUTURA
• MACROESTRUTURA
1-3 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
– DIVISÃO DA ESTRUTURA NOS MATERIAIS Qual o critério da divisão da 
estrutura dos materiais?
1-3 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
Engenharia de superfícies
1-3 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
IMPORTANTE:
1-3 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
- PROCESSOS DE FABRICAÇÃO
• MATERIAIS PARA ENGENHARIA
– Exemplo da relação tripartite aplicada a 
uma barra de alumínio laminado
1-3 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
1-3 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
DEGRADAÇÃO
1-4 SELEÇÃO DE MATERIAIS
1-5 EXERCÍCIOS
(Data de entrega: 02/03/2018)
1. Com que se ocupa a Ciência dos Materiais e qual sua importância na Engenharia?
2. Classifique os materiais segundo os seguintes critérios: a) aplicação na indústria; b) grau de desenvolvimento 
tecnológico e c) morfologia.
3. Como se interrelacionam estrutura, propriedades, processamento e desempenho em serviço de um material?
4. Dê dois exemplos que evidenciam a relação entre estrutura e propriedades dos materiais.
5. Como se divide e qual o critério no estudo da estrutura de um material?
6. Em que estaria baseada a mudança de propriedades de um mesmo material fabricados por diferentes 
processos?
7. Compare a microestrutura de um cobre fundido com a de um cobre trefilado.
8. Do que depende a escolha de um determinado processo de fabricação?
9. Diferencie com suas palavras os tipos de materiais quanto às suas propriedades (físicas, químicas e mecânicas) 
típicas.
12.A partir de um material de sua escolha, dê duas aplicações para o mesmo e descreva as propriedades de 
interesse em cada aplicação.
13. Quais são os critérios para a seleção de um material para determinada aplicação.
14. Como a questão ambiental está presente na seleção de um material para determinado emprego.
15.Liste 3 aplicações que, em sua opinião, necessitam que materiais apresentem alta tenacidade e baixa 
densidade.
16. Cite três critérios que são importantes no processo de seleção de materiais.