Cap. 1 - Introdução

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MTM 17 – CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS
PROF. CARLOS DE MOURA NETO
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MTM 17 – CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS
Horários de aulas:
 2ªs 08:00 às 08:50 
 09:00 às 09:50
 3ªs 08:00 às 09:50
Atendimento a alunos: Sala 1051 do Departamento de Tecnologia – Ramal: 5877
Email: mneto@ita.br 
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TÓPICOS A SEREM ABORDADOS
1 - Materiais: por que estudá-los?
2 - Estrutura atômica e ligações interatômicas. 
 Cristais: conceitos fundamentais.
 Materiais cristalinos e policristalinos.
3 - Imperfeições em sólidos: defeitos de ponto, de linha, de superfície e de volume. Exames microscópicos.
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TÓPICOS A SEREM ABORDADOS
4 - Difusão: mecanismos. Fatores que influenciam a difusão.
5 - Propriedades mecânicas dos materiais.
 Ensaios dos materiais: dureza, tração,
 compressão, cisalhamento.
 Deformação elástica e deformação plástica. 
 Fatores de projeto.
6 - Discordâncias e mecanismos de aumento
 de resistência. Recuperação, recristalização e crescimento de grão.
 
 
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TÓPICOS A SEREM ABORDADOS
 7 - Falha, fadiga e fluência. 
 
8 - Diagramas de equilíbrio de fases: regra das fases e regra da alavanca. Principais reações.
 Diagramas de fases em condições de equilíbrio.
 O sistema ferro-carbono.
 Características dos diferentes tipos de aços e ferros fundidos empregados na indústria. 
 
 
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TÓPICOS A SEREM ABORDADOS
9 - Transformações de fases em metais.
 Desenvolvimento da microestrutura e
 alteração das propriedades mecânicas.
10 -Processamento térmico de metais e ligas 
 metálicas: recozimento, têmpera e 
 revenimento.
 Endurecibilidade dos aços. Ensaios Jominy e Grossmann.
 Endurecimento por precipitação: mecanismos.
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TÓPICOS A SEREM ABORDADOS
11- Ligas metálicas: processos de fabricação para ligas ferrosas e não-ferrosas.
 Ensaios de fabricação: embutimento, estampagem, dobramento.
12 - Estruturas e propriedades dos materiais cerâmicos. Propriedades mecânicas.
 Processamento e aplicações.
13 - Estruturas poliméricas: o que é isto ?
 Características mecânicas e termomecânicas.
 Processamento e aplicações.
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TÓPICOS A SEREM ABORDADOS
14- Compósitos: reforçados com fibras, 
 reforçados com partículas e estruturais.
 Aplicações.
15 - Propriedades elétricas, magnéticas, 
 térmicas e ópticas dos materiais.
 Principais materiais e aplicações.
16- Corrosão e degradação dos materiais.
 Mecanismos de corrosão.
 A importância dos fenômenos da corrosão 
 nos processos industriais. 
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BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA
Callister, W.D. Jr, Ciência e Engenharia de 
 Materiais, Livros Técnicos e Científicos, 5 ed., 2002.
Callister, W.D. Jr, Materials Science and Engineering - An Introduction, John Wiley & Sons, 5 ed., 2000.
Shackelford, J.F., Introduction to Materials Science for Engineers, MacMillan Publ.Co., 3 ed., 1992.
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CAPÍTULO 1
Materiais: por que estudá-los?
 Objetivos:
 1) Conhecer as diferentes classificações dos materiais que determinam a sua aplicabilidade;
 2) Conhecer os componentes que estão envolvidos no projeto, produção e utilização de materiais; e
 3) Conhecer as principais características dos diferentes materiais, algumas aplicações e critérios de seleção.
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MATERIAIS
São substâncias cujas propriedades as tornam utilizáveis em estruturas, máquinas, dispositivos, equipamentos, produtos consumíveis, etc.
Os materiais sólidos têm sido grupados em três classificações básicas: metais, cerâmicos e polímeros e acham-se baseadas na composição química e na estrutura atômica.
Adicionalmente, existem três outros grupos de materiais: compósitos, semicondutores e biomateriais.
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Evolução Histórica
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MATERIAIS – CONCEITOS GERAIS
s
Inter-relacionamento linear dos componentes da CM e da EM. 
Ciência e entendimento básico
Necessidades e experiências sociais
Estrutura 
Propriedades 
Desempenho
Processamento
Conhecimento científico 
Conhecimento empírico 
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MATERIAIS – CONCEITOS GERAIS
 CIÊNCIA DOS MATERIAIS
Possui base nas correlações estrutura-propriedades, de modo a se poder projetar a estrutura de um dado material, para produzir um determinado conjunto de propriedades.
Envolve as relações entre as estruturas e as propriedades dos materiais.
 ENGENHARIA DOS MATERIAIS 
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MATERIAIS – CONCEITOS GERAIS
 
		
 ESTRUTURA
 PROPRIEDADES: Relações estímulo-resposta
 
 elétricas
 ópticas
 magnéticas
 mecânicas
 químicas
 térmicas 
 ambientais
 físicas
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MATERIAIS – CONCEITOS GERAIS
 
		
 
		
MATERIAIS AVANÇADOS X MATERIAIS MODERNOS
Necessidades
 nucleares
 transporte
 fontes alternativas de energia
 qualidade ambiental
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Covalente
Semicondutores
Polímeros
Secundária
Metálica
Metais
Cerâmicas e vidros
Iônica
Tetraedro que representa a contribuição relativa de 
diferentes tipos de ligação para as quatro categorias
dos materiais de engenharia (os três tipos estruturais
mais os semicondutores). Fonte: Shackelford. 
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Seleção final
Custo
Ductilidade
Resistência
Metais
Cerâmicas
Polímeros
Semicondutores
Compósitos
Seqüência de escolha para a seleção de material para o tipo apropriado de material de construção de cilindro comercial para armazenamento de gases.
Fonte: Shackelford.
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Grupos ou Classes de Materiais
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Resumo das Oportunidades de Negócios
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MATERIAIS – CONCEITOS GERAIS
 
		
 
		
 METAIS
aço estrutural: Fe-C 
ligas metálicas
 PROPRIEDADES ESPECÍFICAS
 resistência mecânica (aplicações estruturais);
 conformabilidade (ductilidade / resiliência / tenacidade);
 carregamentos variados;
 condutividades térmica / elétrica; e
 opacidade.
 
		
 
		
 
		
 
		
 
		
 
		
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MATERIAIS – CONCEITOS GERAIS
 CERÂMICAS (VIDROS) 
 Alumina ( Al2O3 )
 ponto de fusão do alumínio = 660° C;
 ponto de fusão da alumina = 2200° C;
 estabilidade à corrosão;
 materiais refratários; e
 características de fragilidade.
 Nitreto de silício (Si3N4): resistência a temperaturas 
 elevadas – ferramentas de corte.
 Óxido de magnésio (MgO): isolantes.
 Sílica (SiO2): indústria de vidros.
Carboneto de boro (B4C): controle em reatores nucleares. 
 CERÂMICAS COMERCIAIS: Metais + C, P, N, O, S
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Alumina padrão
Microestrutura porosa em alumina policristalina.
Fonte: Shackelford.
Material translúcido
a
b
d
c
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Lâmpada de vapor de sódio em temperatura elevada.
Emprego de alumina translúcida para contenção do vapor 
de sódio.
Fonte: Shackelford.
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Cerâmicas comuns para aplicações tradicionais em engenharia, com características de resistência ao dano em temperaturas elevadas e em meios corrosivos.
Por exemplo: fornos para TT ou para fusão e em sistemas de processamento químico.
Fonte: Shackelford.
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Vidros comuns à base de silício para aplicações em engenharia.
Esses materiais combinam qualidades de transmissão visual de imagens e são resistentes em meios quimicamente agressivos.
Fonte: Shackelford.
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MATERIAIS – CONCEITOS GERAIS
 
		
 
		
 POLÍMEROS: PLÁSTICOS E BORRACHAS
 POLIETILENO (-CH4n) sendo 100 < n < 1000 
 baixo ponto de fusão;
 elevada resistência química;
 desvantagem: material não-degradável; e
 baixa massa específica.
 acrílicos (oxigênio)
 nylon (nitrogênio)
 fluoroplásticos (flúor)
 silicones (silício) 
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 COMPÓSITOS (COMPOSTOS,
AGREGADOS)
 SEMICONDUTORES: propriedades intermediárias entre as apresentadas pelos isolantes e os condutores elétricos.
 fiberglass: resistência do vidro / flexibilidade do polímero);
 compósito natural: madeira;
compósito agregado: concreto.
 arseneto de gálio (AsGa)
 - retificadores (temperaturas elevadas);
 - lasers.
 sulfeto de cádmio (CdS)
- células solares
 óxido de zinco ( ZnO )
 - televisão
 metais (Ge e Si)
MATERIAIS – CONCEITOS GERAIS
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Exemplo de um compósito de fibra de vidro, composto de fibras microscópicas, em matriz polimérica. Observação por Microscopia
Eletrônica de Varredura - MEV ( Scanning Electron Microscopy – SEM). 
Fonte: Shackelford.
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Aplicações de materiais metálicos em estruturas de aeronaves
Al - 2024 -T3
Al - 2024 -T3511
Al - 2524 -T3
Al - 7050 -T7451
Al - 7050 -T7452
Al - 7050 -T7454
Al - 7050 -T76511
Al - 7175 -T74
Al - 7475 -T7351
Al - 7475 -T761
Ti - 6Al - 4V
Inox 321
Inox 440C
Inox 15-5 PH
Inox 13-8 Mo
Inconel 718
Inconel 625
Tungstênio
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Materiais Metálicos – Aplicação Não - Estrutural em Aeronaves
Al 2024 -T3
Al 2024 – O
Al 6061 – O
Al 6061 – T6
Al 5052 – O
Al 5052 – H
Cobre – Latão
Cobre – Bronze
Cobre – Berílio
Aço 4130
Inox 321 
Inox 21-6-9
Inox 15.5 PH
Inconel 625
Titânio Puro
Ti 6 Al 4V
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Principais Partes de uma Aeronave
cabine do piloto
cabine dos passageiros
leme 
trem-de-pouso 
trem-de-pouso 
estabilizador vertical
profundor
estabilizador horizontal
bordo de ataque
motor - turbina
flap
nacele
semi-asa
radome
semi-asa
pilone
aileron
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Wing 1.Skin Upper : Al-7050-T7451 2.Skin Lower : Al-7475-T7351 3.Spar I : Al-7475-T7351 4.Spar II (Outbd) : Al-7475-T7351 5.Spar II (Inbd) : Al-7050-T7452 6.Spar III : Al-7050-T7452 7.Spar 3rd Cap : Ti-6Al-4V Sht
Center Fuselage III 1.Skin : Al-2524-T3 2.Stringer : Al-7050-T76511 3.Frame Sht. : Al-7475-T761 4.Frame Plt. : Al-7475-T7351 5.Fitting : Ti-6Al-4V; Al-7050-T7451 6.Window Frame : Al-7175-T74
Rear Fuselage 1.Skin : Al-2024-T3 2.Stringer : Al-7050-T76511 3.Frame Sht. : Al-7475-T761 4.Frame Plt. : Al-7475-T7351
Vertical Stabilazer 1.Skin : Al-2024-T3 2.Stringer : Al-7050-T76511 3.Spar Fwd. : Al-7050-T7451 4.Spar Mid. : Al-7475-T7351 5.Spar Rear : Al-7475-T7351 6.Fittings : Ti-6Al-4V 
Horizontal Stabilizer 1.Skin : Al-2024-T3 2.Stringer : Al-7050-T76511 3.Spar Fwd. : Al-7050-T7451 4.Spar Mid. : Al-7475-T7351 5.Spar Rear : Al-7475-T7351 6.Fittings : Ti-6Al-4V 7.Boomerang : Al-7050-T7452 
Center Fuselage II 1.Skin : Al-2524-T3 2.Stringer : Al-7050-T76511 3.Frame Sht. : Al-7475-T761 4.Frame Plt. : Al-7475-T7351 5.Fitting : Ti-6Al-4V; Al-7050-T7451 6.Window Frame : Al-7175-T74
Center Fuselage I 1.Skin : Al-2524-T3 2.Stringer : Al-7050-T76511 3.Frame Sht. : Al-7475-T761 4.Frame Plt. : Al-7475-T7351 5.Fitting : Ti-6Al-4V; Al-7050-T7451 6.Window Frame : Al-7175-T74
Forward Fuselage 1.Skin : Al-2524-T3 2.Stringer : Al-7050-T76511 3.Frame Sht. : Al-7475-T761 4.Frame Plt. : Al-7475-T7351 5.Fitting : Ti-6Al-4V Plt 6.Window Frm : Al-7050-T7454
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Wing > Asa,
- Skin Upper > Revestimento Superior,
- Skin Lower > Revestimento Inferior,
- Spar > Longarina,
- Forward Fuselage > Fuselagem Dianteira,
- Skin > Revestimento (da fuselagem).
- Stringer > Reforçador,
- Frame Sht (Sheet) > Caverna Conformada (Em chapa de alumínio),
- Frame Plt (Plate) > Caverna Usinada (Em placa de alumínio),
- Fitting > Conexão,
- Window Frm (Frame) > Moldura da Janela,
- Center Fuselage > Fuselagem Central,
- Rear Fuselage > Fuselagem Traseira,
- Vertical Stabilizer > Estabilizador Vertical,
- Horizontal Stabilizer > Estabilizador Horizontal,
- Al (Aluminum) > Alumínio,
- Ti (Titanium) > Titânio
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Principais Tecnologias Aplicáveis em Aeronaves
 Estampagem
 Estiramento
 Dobramento de tubos
 Forjados
 Forjados de precisão
 Fundidos em areia
 Fundidos de precisão
 Soldagem por fusão
 Soldagem por laser
 Soldagem por atrito
 Soldagem por costura
 Soldagem por pontos
 Shot peening
 Peen forming
 Usinagem
 Extrusão
 Tratamento de superfícies: Cd, Ni, anodização
 Termoquímicos: C, N
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Consumo de Material (%p) em uma Aeronave Atual
Consumo de matéria-prima (BUY) 
Matéria-prima no avião (FLY) 
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Aplicações de Materiais (%p) em Aeronaves
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EXEMPLOS DE FRATURA EM MATERIAIS METÁLICOS
EFEITO DE TEMPERATURA
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OUTROS EXEMPLOS DE FRATURAS
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OUTROS EXEMPLOS DE FRATURAS
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Exemplos de corrosão em solda 
 Corrosão longe da solda para um aço
 SAE 4140 (Aço AFNOR 15CDV)
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Corrosão em solda – Aço 4130
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Corrosão em solda – Aço 4130
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EXEMPLOS DE MICROESTRUTURAS
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Estrutura bainítica transformada a 348º C
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Microestrutura bainítica transformada a 460º C
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Microestrutura martensítica
Martensita em uma liga Kovar – Fonte:Nishyiama
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 Microestrutura martensítica
Liga Ti-6Al-4V contendo agulhas de martensita formadas em temperaturas elevadas (>840°C) ou 1540°F). Ataque: 100 mL H2O; 4 mL HCl; 3 g NH4HF2. Luz polarizada. Aumento: 100X. 
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 Microestrutura martensítica
Placas como resultado de transformação estrutural em liga Au-Mn
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 Microestrutura martensítica
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Microestrutura da perlita
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Micrografia de tipos de perlita
 GROSSEIRA FINA
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LIGAS DE TITÂNIO
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Evolução microestrutural de amostras da liga Ti-35Zr-10Nb sinterizadas entre 900 e 1500 C por 2 horas.
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Canhão do século XVII -
Forte de São João Batista do Morro dos Dois Irmãos.
Fernando de Noronha
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Canhão do século XVII - Forte de São João Batista do Morro dos Dois Irmãos - Fernando de Noronha
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Canhão do século XVII – Forte de Nossa Senhora dos Remédios - Fernando de Noronha
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APLICAÇÕES DE LIGAS COM EMF 
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Dispositivo de liberação de painéis de satélites.
Atuador elétrico
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Resultados
Liga Cu-15Al-15Ni
8 7 6 5 4 3 2 1
100 mm
Análise microscópica
 Amostras rompidas após laminação.
 Transformação martensítica induzida por tensão.
Tabela 1 - Análise por EDS (pontos da figura 4).
		Ponto
		Cu (% peso)
		Al (% peso)
		Ni (% peso)
		1
		69,70
		15,30
		15,07
		2
		69,30
		14,70
		15,30
		3
		69,68
		15,32
		14,90
		4
		69.99
		15,01
		15,20
		5
		70,49
		14,51
		14,78
		6
		70,25
		15,75
		15,03
		7
		69,51 
		15,49
		15,25
		8
		70,21 
		14,79
		15,30
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Liga Cu-20Al-5Zn
Liga Cu-30Al-25Zn
 As amostras não apresentaram o efeito memória de forma.
 Dificuldade no estabelecimento da temperatura de transformação ideal.
 As amostras apresentaram eficiente efeito memória de forma.
 Recuperação de forma da ordem de 90%.
 A adição de Al permitiu o estabelecimento de temperatura de transformação adequada.
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Considerações Finais
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FOTO 11 – Entrada Principal do CTA 
 Um Reencontro Histórico na Portaria Principal do CTA
 Por ser antiga, esta foto deixa de mostrar a materialização de um encontro histórico, na evocação justaposta à memória de duas personalidades marcantes - Oficiais Generais e companheiros de jornada que foram na gloriosa Força Aérea Brasileira. Ao lado da portaria ora se eleva uma estátua do Marechal-do-Ar Casimiro Montenegro Filho – ofertada em reconhecimento pelos engenheiros iteanos na comemoração do centenário
de nascimento do idealizador e agente maior na criação do ITA. Logo bem à frente, uma Praça homônima há tempo homenageia e perpetua a memória de um outro grande patriota, a quem o Brasil também muito deve: o legendário Marechal-do-Ar Eduardo Gomes.