Introducao aos materiais

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ASSUNTO
Propriedades dos Materiais
PROGRAMA DISCIPLINA
AULAS TEÓRICAS
1. - INTRODUÇÃO
1.1 Classificação dos Materiais
1.2 Tipos de Falhas dos Materiais
1.3 Importância Econômica da Fratura
2. - ESTRUTURA E DEFORMAÇÃO DOS MATERIAIS 
2.1 Materiais utilizados em Engenharia
2.2 Ligações Químicas em Sólidos
2.3 Estruturas Cristalinas
2.4 Defeitos em Cristais
2.5 Deformação Elástica
2.6 Deformação Plástica
3. MECANISMOS DE ENDURECIMENTO EM METAIS E LIGAS
3.1 Endurecimento por solução sólida
3.2 Endurecimento por deformação
3.3 Endurecimento por precipitação
3.4 Endurecimento por refinos de grão
3.5 Endurecimento por transformação de fases
4. - PROPRIEDADES MECÂNICAS BÁSICAS
4.1 Propriedades de Dureza
4.2Propriedades de Tração
4.3Propriedades de Impacto
5.Mecânica da fratura
5.1 Conceitos Básicos da Mecânica da Fratura 
5.2 Aspectos Microscópicos da Mecânica da Fratura 
5.3 Aplicação da Mecânica da Fratura Linear Elástica no Projeto 
Estrutural
5.4 Tamanho da Zona Plástica e Limitações da MFLE
5.5 Mecânica da Fratura Elasto-plástica
5.6 Ensaios KIC, JIC e CTOD
6. Norma de Fratura para a Região de Transição – ASTM E 1921
7. Propriedades de Fadiga
7.1 Fadiga de Alto e Baixo Ciclo
7.2 Propagação de Trincas por Fadiga
INTRODUÇÃO
• Ciência dos materiais faz parte do 
conhecimento básico para todas as 
engenharias
As propriedades dos materiais definem:
• o desempenho de um determinado 
componente e o processo de fabricação
do mesmo
PropriedadesPropriedades dos dos 
MateriaisMateriais
ComposiComposiççãoão e e ProcessoProcesso
de de FabricaFabricaççãoão
MicroestruturaMicroestrutura
EE
NN
GG
EE
NN
HH
AA
R R 
I I 
AA
O número de materiais cresceu muito 
nas últimas décadas e a tendência é
de se proliferarem mais num futuro 
próximo
• Desenvolvimento e aperfeiçoamento dos 
métodos de extração de materiais da natureza
• Modificação de materiais naturais
• Combinação de materiais conhecidos para a 
formação de novos materiais
QUANTOS MATERIAIS DIFERENTES EXISTEM ?
Madeira
Cimento
Vidro
Aços 
Borracha
PlásticosAlumínio
Papel
En t r e 4 0 0 0 0 e 8 0 0 0 0 
d i f e r e n t e s , c o n t a n d o a s v a r i a n t e s 
d e t r a t a me n t o t é r mi c o e c o mp o s i ç ã o
d e c a d a ma t e r i a l
QUANTOS MATERIAIS DIFERENTES EXISTEM ?
COMO ESCOLHER ??
Como definir qual o melhor material para 
um determinado fim?
Exemplo: Copo
• Vidro
• Cerâmica
• Plástico
• Madeira
• Metal
• Papel
• Custo
• Tempo de vida ou 
Durabilidade
• Aparência
• Finalidade: Natureza do 
líquido (ex: copo de 
metal e papel não pode 
ser usado para café, 
suco de laranja não 
pode ser armazenado 
numa taça antiga de 
peltre porque remove o 
Pb da liga)
Depende
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 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.
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. 
SELEÇÃO DOS MATERIAIS 
POR ÍNDICE DE MÉRITO
• Ex. Resistência:
Material Aço-liga Ti Al PRFC
(alta resist.) (AA7074)
Resist. (MPa) 1000 800 500 700
à tração
PRFC= Polímero reforçado com fibra de carbono
SELEÇÃO DOS MATERIAIS 
POR ÍNDICE DE MÉRITO
• Ex. Resistência/peso:
Material Aço-liga Ti Al PRFC
(alta resist.) (AA7074)
133 170 185 390
SELEÇÃO DOS MATERIAIS 
POR ÍNDICE DE MÉRITO
• Ex. Custo p/Kg/US$:
Material Aço-liga Ti Al PRFC
(alta resist.) (AA7074)
0,75 15 3 20
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.
CLASSIFICAÇÃO DOS 
MATERIAIS
• A classificação tradicional dos materiais 
é geralmente baseada na estrutura 
atômica e química destes.
CLASSIFICAÇÃO DOS 
MATERIAIS
• Metais
• Cerâmicas
• Polímeros
• Compósitos
• Semicondutores
• Biomateriais (Mat. Biocompatíveis)
Classificação tradicional
CLASSIFICAÇÃO DOS 
MATERIAIS
• Metais • Materiais metálicos sãogeralmente 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
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Apresentam características peculiares: 
• Resistência 
• Ductilidade 
• Condutividade térmica e elétrica 
• Não apresentam transparência
• Podem assumir aspectos brilhantes 
Metais:Metais:
Os materiais metálicos podem formar ligas 
com materiais não metálicos como 
carbono, nitrogênio e oxigênio.
Estes conjugados serão classificados como 
materiais metálicos se as características 
peculiares forem mantidas.
• Fratura 
• Fadiga
Desvantagens dos materiais metálicos: 
ConsideraConsideraçções importantes sobre os Metais:ões importantes sobre os Metais:
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Metais mais comuns: 
• Ferros e aços 
• Ligas de alumínio 
• Ligas de Titânio
• Ligas de cobre: latão e bronze 
• Ligas de magnésio
• Super ligas a base de Ni
CLASSIFICAÇÃO DOS 
MATERIAIS
• Cerâmicas • Materiais cerâmicos sãogeralmente 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 à ambientes
severos que metais e polímeros
• Com relação às propriedades
mecânicas as cerâmicas são
duras, porém frágeis
• Em geral são leves
ALUMINA
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Aplicações dos Materiais Cerâmicos: 
• Peças de motores de
combustão interna 
• Queimadores
• Revestimento de fornos 
• Estruturas aeroespaciais 
OS MATERIAS CERÂMICOS NA TABELA PERIÓDICA
Os cerâmicos são constituídos de metais e não-metais
CLASSIFICAÇÃO DOS 
MATERIAIS
• Polímeros • Materiais poliméricos são geralmente
compostos baseados em carbono, 
hidrogênio e outros elementos não-
metálicos.
• São constituídos de cadeias
moleculares orgânicas (carbono) 
muito grandes (macro-moléculas)
• Alguns polímeros podem apresentar
cadeias moleculares arranjadas de 
forma cristalina
• Tipicamente, esses materiais
apresentam baixa densidade e podem
ser extremamente flexíveis
• Materiais poliméricos incluem
plásticos e borrachas
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Característicaspeculiares dos 
Polímeros: 
• Maus condutores de eletricidade 
e calor 
• Baixa resistência a temperatura 
• Baixa resistência mecânica 
• Baixo peso específico 
• Boa resistência a corrosão 
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Aplicações: 
• Embalagens 
• Partes estruturais de equipamentos eletrônicos
• Tubulações 
Materiais Poliméricos: 
Mais comuns: 
• Polietileno 
• PVC 
• Polistireno
• Nylons
• Epoxy
• Borrachas 
CLASSIFICAÇÃO DOS 
MATERIAIS
• Compósitos
• Materiais compósitos são constituídos
de mais de um tipo de material 
insolúveis entre si.
• Podem ser identificadas interfaces
• Os compósitos são “desenhados” para
apresentarem a combinação das 
melhores características de cada
material constituinte
• Muitos dos recentes desenvolvimento
em materiais envolvem materiais
compósitos
• Um exemplo classico 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
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Materiais Compósitos: 
A maioria consiste de reforço 
envolvido por uma matriz 
polimérica
Classificação: 
• Fibrosos 
• Particulados 
• Estruturais 
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Características : 
• Alta resistência mecânica
• Rigidez 
•Baixo peso 
Desvantagens: 
• Alto custo 
• Delaminação
Mais comuns: 
• Compensados 
• Fibra de vidro - epoxi
• Fibra de C - epoxi
• Arall
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
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.
EVOLUÇÃO DA UTLIZAÇÃO DOS MATERIAIS