Ciência dos Materiais

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Prof. Dr. Jairo José de Oliveira Andrade Prof. Dr. Jairo José de Oliveira Andrade -- FENG/PUCFENG/PUC--RSRS
Os Materiais de EngenhariaOs Materiais de Engenharia
CompostosCompostos
ou compósitos
?? Materiais MetálicosMateriais Metálicos
•• Combinação de elementos metálicosCombinação de elementos metálicos
•• Excelentes condutores de eletricidade e calorExcelentes condutores de eletricidade e calor
•• Elevada resistênciaElevada resistência
•• DeformáveisDeformáveis
•• Podem ser empregados em aplicações Podem ser empregados em aplicações 
estruturaisestruturais
•• Materiais com extensiva utilizaçãoMateriais com extensiva utilização
–– Exemplo Exemplo →→ aaççoo
–– 70 dos 92 elementos da tabela periódica 70 dos 92 elementos da tabela periódica →→
carcarááter metter metáálico permanentelico permanente
•• Avanço na tecnologia (1856)Avanço na tecnologia (1856)
–– AAçços com teor mais baixo de carbonoos com teor mais baixo de carbono
–– Estado lEstado lííquidoquido
•• AtAtéé o So Sééc. XIX c. XIX →→ ananáálises macroestruturaislises macroestruturais
–– Propriedades mecânicas, Propriedades mecânicas, óópticas e resistência pticas e resistência àà
corrosãocorrosão
•• Descobrimento do raio X (1895)Descobrimento do raio X (1895)
–– DifraDifraçção de raios x ão de raios x →→ estrutura cristalina dos estrutura cristalina dos 
materiais (1911materiais (1911--1912)1912)
•• CaracterizaCaracterizaçção microestrutural dos materiais x ão microestrutural dos materiais x 
ananáálise macrosclise macroscóópicapica
MetálicosMetálicos CerâmicosCerâmicos PoliméricosPoliméricos
ou compósitos
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?? Materiais CerâmicosMateriais Cerâmicos
•• Combinação de elementos metálicos + não Combinação de elementos metálicos + não 
metálicosmetálicos
–– ÓxidosÓxidos
–– NitretosNitretos
–– CarbonetosCarbonetos
–– ArgiloArgilo--mineraisminerais
•• Ligações iônicas ou covalentesLigações iônicas ou covalentes
•• Isolantes térmicos e elétricosIsolantes térmicos e elétricos
•• Resistentes às altas temperaturas e ambientes Resistentes às altas temperaturas e ambientes 
corrosivoscorrosivos
•• Elevada durezaElevada dureza
•• Materiais frágeisMateriais frágeis
•• Exemplo: argilaExemplo: argila
–– Queima, cozimento ou sinterizaçãoQueima, cozimento ou sinterização
•• 8º milênio a.C.8º milênio a.C.
–– Fabricação de cerâmicas vermelhas e brancasFabricação de cerâmicas vermelhas e brancas
•• Silicatos hidratados de alumínioSilicatos hidratados de alumínio
•• Óxidos de ferro (cor vermelha)Óxidos de ferro (cor vermelha)
–– ArgiloArgilo--mineraisminerais
•• CaulinitaCaulinita
•• PirofilitaPirofilita e e montmorilonitamontmorilonita
•• Cerâmicas tradicionaisCerâmicas tradicionais
–– ArgiloArgilo--mineraisminerais + areia+ areia
•• Cerâmicas avançadasCerâmicas avançadas
–– Materiais de elevada purezaMateriais de elevada pureza
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?? Materiais Cerâmicos Materiais Cerâmicos →→ VidrosVidros
•• Materiais antigosMateriais antigos
–– 4000 a.C 4000 a.C →→ vidros decorativos no Egitovidros decorativos no Egito
•• Em 1292 Em 1292 →→ ssíílica + cal + sodalica + cal + soda
–– Adições para mudança de corAdições para mudança de cor
•• Co, Cr, Cu, Mn, FeCo, Cr, Cu, Mn, Fe
•• Teores baixos Teores baixos →→ 0,15%0,15%
•• Vidros ópticosVidros ópticos
–– 1846 1846 →→ Carl Carl ZeissZeiss, , ErnstErnst AbbeAbbe e e FriedrichFriedrich SchottSchott
•• Avanços tecnológicos recentesAvanços tecnológicos recentes
–– Fibras ópticasFibras ópticas
–– Materiais reforçados com fibras de vidroMateriais reforçados com fibras de vidro
?? Materiais PoliméricosMateriais Poliméricos
•• Polímeros Polímeros →→ união de monômeros união de monômeros →→
macromolmacromolééculas orgânicasculas orgânicas
–– SintSintééticosticos
•• PlPláásticos (polietileno, sticos (polietileno, policloretopolicloreto de de vinilavinila -- PVC, PVC, 
nnááilon) e borrachasilon) e borrachas
–– NaturaisNaturais
•• Borracha, seda, algodão e lãBorracha, seda, algodão e lã
•• ÁÁtomos de C, H, N, O, F e elementos não mettomos de C, H, N, O, F e elementos não metáálicoslicos
•• LigaLigaçções ões 
–– Covalentes entre Covalentes entre áátomostomos
•• Materiais leves, isolantes elMateriais leves, isolantes eléétricos e ttricos e téérmicos, rmicos, 
flexflexííveis, baixa resistência ao calorveis, baixa resistência ao calor
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•• MatMatéériasrias--primas primas →→ petrpetróóleo e gleo e gáás naturals natural
–– HidrocarbonetosHidrocarbonetos
•• Tipos principais de polTipos principais de políímerosmeros
–– TermoplTermopláásticossticos
•• PolicloretoPolicloreto de de vinilavinila (PVC)(PVC)
•• Polipropileno (fibras)Polipropileno (fibras)
•• Poliestireno expandido (isopor)Poliestireno expandido (isopor)
–– TermofixosTermofixos
•• Resinas epResinas epóóxixi
•• PoliPoliéésterster
•• PoliuretanosPoliuretanos
–– ElastômerosElastômeros
•• BorrachasBorrachas
?? Materiais compostos/compMateriais compostos/compóósitossitos
•• Melhorar as caracterMelhorar as caracteríísticas de um material pela sticas de um material pela 
incorporaincorporaçção de outro compostoão de outro composto
–– Ex.: Fibra de vidro (resistência mecânica) + matriz Ex.: Fibra de vidro (resistência mecânica) + matriz 
polimpoliméérica (resina = flexibilidade)rica (resina = flexibilidade)
•• MatrizMatriz
–– PolimPoliméérica, metrica, metáálica ou cerâmicalica ou cerâmica
•• Exemplos Exemplos →→ madeira e concretomadeira e concreto
•• ConcretoConcreto
–– Agregado graAgregado graúúdo + agregado mido + agregado miúúdo + cimento do + cimento 
Portland + Portland + ááguagua
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?? ConsideraConsideraçções de Custos nos Materiais de ões de Custos nos Materiais de 
EngenhariaEngenharia
Material Preço (US$/ton)
Aço inoxidável 2.700
Alumínio 2.400
Borracha sintética 1.400
Cerâmica avançada 27.500
Cimento 70
Diamante de alta qualidade 500.000.000
Fibra de carbono 45.000
Fibra de vidro 1.500
Ouro 14.500.000
Platina 16.500.000
Polietileno 1.100
PVC 1.000
Vidro 750
Vigas para concreto armado 330
?? ConsideraConsideraçções Energões Energééticas para Produticas para Produçção ão 
dos Materiais de Engenhariados Materiais de Engenharia
•• Economias industrializadas Economias industrializadas 
–– 15 a 25% da energia prim15 a 25% da energia primááriaria
•• Materiais metMateriais metáálicos licos 
–– 10% da produ10% da produçção total de energiaão total de energia
•• 5 metais (Fe, Al, Cu, Ti e Zn) 5 metais (Fe, Al, Cu, Ti e Zn) →→ 80%80%
–– Combinados Combinados →→ forma estforma estáávelvel
–– ExtraExtraçção, purificaão, purificaçção e processamentoão e processamento
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•• Possibilidade de reciclagemPossibilidade de reciclagem
–– Aspectos energAspectos energééticos e ambientaisticos e ambientais
–– Ganho energGanho energéético com a reciclagem do Al e do Cu tico com a reciclagem do Al e do Cu ≈≈
85%85%
•• Energia de processamentoEnergia de processamento≈≈ 15%15%
•• Energia necessEnergia necessáária para produria para produçção de materiaisão de materiais
Material Energia necessária (GJ/ton)
Aço bruto 9,8 – 47
Ferro fundido 58 – 360
Alumínio 83 – 330
Cimento 4,5 – 8,1
Concreto armado 8,3 – 14,4
Tijolos 3,4 – 6
Vidro plano 14 – 20
Polipropileno 108 – 113
PVC 67 – 92
Papel 59
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Ciênciados MateriaisCiência dos Materiais
?? DefiniçãoDefinição
•• Ramo da ciência que se ocupa com as relações Ramo da ciência que se ocupa com as relações 
entre a microestrutura e as propriedades dos entre a microestrutura e as propriedades dos 
materiais materiais 
?? Níveis de conhecimentoNíveis de conhecimento
•• Estrutura, composição, quantidade, tamanho, Estrutura, composição, quantidade, tamanho, 
morfologia das fases constituintes dos materiaismorfologia das fases constituintes dos materiais
?? Propriedades macroestruturais Propriedades macroestruturais 
•• Limite de escoamentoLimite de escoamento
•• Limite de resistênciaLimite de resistência
•• Resistência à corrosãoResistência à corrosão
?? Outras propriedadesOutras propriedades
•• Ponto de fusãoPonto de fusão
•• Módulo de elasticidadeMódulo de elasticidade
•• DensidadeDensidade
•• Coeficiente de dilatação térmicaCoeficiente de dilatação térmica
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Ciência dos MateriaisCiência dos Materiais
Base científicaBase científica
Conhecimento das característicasConhecimento das características
microscópicas dos materiaismicroscópicas dos materiais
Inferências das característicasInferências das características
macroscópicas DESEMPENHODESEMPENHOmacroscópicas
ResistênciaResistência
Durabilidade
Variações das característicasVariações das características
dos materiais no tempoDurabilidade dos materiais no tempo
?? Princípio básico:Princípio básico:
•• As características macroestruturais de um material As características macroestruturais de um material 
dependem das suas condições microestruturaisdependem das suas condições microestruturais
?? Níveis de estudoNíveis de estudo
•• Atômico (Atômico (nmnm -- µµm)m)
–– ProcuraProcura--se avaliar a estrutura e composição das se avaliar a estrutura e composição das 
moléculas e cristaismoléculas e cristais
–– Instrumentos Instrumentos →→ MicroscMicroscóópio eletrônico de varredurapio eletrônico de varredura
•• Observação visual Observação visual →→ funciona como lente de funciona como lente de 
aumentoaumento
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–– Difração de raios xDifração de raios x
•• Nível de cristalização do materialNível de cristalização do material
•• Tipo de cristal presenteTipo de cristal presente
•• SubatômicoSubatômico
–– Análise da estrutura do átomo (Å)Análise da estrutura do átomo (Å)
•• Microscopia eletrônica de tunelamento Microscopia eletrônica de tunelamento →→
pouco empregada para os materiais de pouco empregada para os materiais de 
ConstruConstruçção Civilão Civil
•• Microscópico (Microscópico (nmnm))
–– Grande aplicação na pesquisa e Grande aplicação na pesquisa e 
desenvolvimento dos materiais de construçãodesenvolvimento dos materiais de construção
–– Desenvolvimento do concreto de alto Desenvolvimento do concreto de alto 
desempenhodesempenho
–– EquipamentosEquipamentos
•• Microscópicos óticosMicroscópicos óticos
•• Microscópicos óticos e eletrônicos de varreduraMicroscópicos óticos e eletrônicos de varredura
•• Ensaios físicos Ensaios físicos →→ porosimetriaporosimetria de intrusão de de intrusão de 
mercmercúúriorio
•• MacroscMacroscóópicapica
–– Tradicionalmente empregadaTradicionalmente empregada
–– Ensaios mecânicosEnsaios mecânicos
•• Resistência Resistência àà compressão do concretocompressão do concreto
•• Controle de qualidade do materialControle de qualidade do material
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?? Estrutura do átomoEstrutura do átomo
Prótons (1)Prótons (1)
Elétrons (Elétrons (--1)1)NúcleoNúcleo
NeutronsNeutrons (0)(0)
•• Massa do próton e do nêutron = 1850 x massa Massa do próton e do nêutron = 1850 x massa 
elétronelétron
•• Elétron não tem uma posição definida em seu Elétron não tem uma posição definida em seu 
orbitalorbital
–– Curva de probabilidadeCurva de probabilidade
?? AtraAtraçções interatômicas fortesões interatômicas fortes
•• ConseqConseqüüência da estrutura eletrônica dos ência da estrutura eletrônica dos 
áátomostomos
•• LigaLigaçção iônicaão iônica
–– AtraAtraçção mão múútua entre tua entre ííons positivos e negativosons positivos e negativos
–– AtraAtraçção eletrostão eletrostááticatica
•• Perda de elPerda de eléétrons positivos e ganho de eltrons positivos e ganho de eléétrons trons 
negativosnegativos
–– ÚÚltima camada (valência) ltima camada (valência) →→ 2 ou 8 el2 ou 8 eléétronstrons
NaNa ClCl NaNa
++ ClCl--
P
r o
b a
bi
l id
ad
e
P
r o
b a
bi
l id
ad
e
NúcleoNúcleo
RaioRaio
Nuvem de elétronsNuvem de elétrons
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•• Ligação covalenteLigação covalente
–– Compartilhamento de elCompartilhamento de eléétrons na trons na úúltima camada ltima camada 
com um com um áátomo adjacentetomo adjacente
–– LigaLigaçções entre as molões entre as molééculas de carbono e culas de carbono e 
hidrogênio hidrogênio 
•• Cadeias polimCadeias polimééricasricas
HH HH
–– Forças de atração elevadasForças de atração elevadas
–– Elevada durezaElevada dureza
–– Elevados pontos de fusão e ebuliçãoElevados pontos de fusão e ebulição
•• Exemplo Exemplo →→ diamantediamante
•• LigaLigaçção metão metáálicalica
–– AtraAtraçção entre os ão entre os ííons positivos e os elons positivos e os eléétrons trons 
livreslivres
–– Materiais metMateriais metáálicoslicos
?? ForForçças de as de VanVan der der WaalsWaals
•• LigaLigaçções secundões secundááriasrias
–– Mais fracas Mais fracas 
–– ForForçças de união entre as molas de união entre as molééculasculas
–– Ocorre entre certos componentes do concretoOcorre entre certos componentes do concreto
•• PolarizaPolarizaçção molecular (Efeito de dipolo)ão molecular (Efeito de dipolo)
–– MolMolééculas podem orientar os pculas podem orientar os póólos positivos no los positivos no 
sentido dos negativos e vicesentido dos negativos e vice--versaversa
–– LigaLigaçção entre molão entre molééculas de cargas opostasculas de cargas opostas
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•• Pontes de hidrogênioPontes de hidrogênio
–– ResponsResponsáável pela atravel pela atraçção de molão de molééculas de culas de ááguagua
HHHH
OO
HHHH
OO
HHHH
OO
?? Estrutura dos sólidosEstrutura dos sólidos
•• ÁÁtomos fortemente ligadostomos fortemente ligados
•• SSóólidos cristalinos metlidos cristalinos metáálicoslicos
–– Apresentam um clara ordenaApresentam um clara ordenaçção internaão interna
–– CCéélulas cristalinaslulas cristalinas
–– Formas geomFormas geoméétricas definidastricas definidas
•• RepetemRepetem--se o longo do materialse o longo do material
–– Elevado nElevado níível de estabilidadevel de estabilidade
–– Podem possuir planos preferenciais de rupturaPodem possuir planos preferenciais de ruptura
•• Planos de clivagem Planos de clivagem →→ Ex: mica (observaEx: mica (observaçção ão 
macroscmacroscóópica), placas de Ca(OH)pica), placas de Ca(OH)22
•• EsforEsforçços de compressão os de compressão →→ cisalhamento cisalhamento 
nesses planos preferenciaisnesses planos preferenciais
•• SSóólidos cristalinos moleculareslidos cristalinos moleculares
–– Materiais mais molesMateriais mais moles
–– Menor ponto de fusãoMenor ponto de fusão
–– Maior coeficiente de dilataMaior coeficiente de dilataçção tão téérmica que os rmica que os 
materiais metmateriais metáálicoslicos
–– Exemplo Exemplo →→ polietilenopolietileno
•• Sólidos vítreos ou amorfosSólidos vítreos ou amorfos
–– Não possuem um arranjo atômico e ponto de Não possuem um arranjoatômico e ponto de 
fusão bem definidofusão bem definido
•• Material menos estável que o cristalinoMaterial menos estável que o cristalino
–– Têm maiores diferenças na composição que as Têm maiores diferenças na composição que as 
fases cristalinasfases cristalinas
–– Exemplos de aplicação na Construção Civil Exemplos de aplicação na Construção Civil →→
vidro, pozolanasvidro, pozolanas
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