Capitulo 1 - Introdução a Ciência dos Materiais

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CIÊNCIA DOS MATERIAIS:CIÊNCIA DOS MATERIAIS:
IntroduçãoIntrodução
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS
DISCIPLINA DE CIÊNCIA DOS MATERIAIS
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IntroduçãoIntrodução
PROFA. DRA. LISETE CRISTINE SCIENZA
CAPÍTULO 1 CAPÍTULO 1 -- INTRODUÇÃO AOS MATERIAISINTRODUÇÃO AOS MATERIAIS
11--1 INTRODUÇÃO1 INTRODUÇÃO
11--2 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS2 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
11--3 RELAÇÃO: ESTRUTURA3 RELAÇÃO: ESTRUTURA--PROCESSAMENTOPROCESSAMENTO--PROPRIEDADESPROPRIEDADES11--3 RELAÇÃO: ESTRUTURA3 RELAÇÃO: ESTRUTURA--PROCESSAMENTOPROCESSAMENTO--PROPRIEDADESPROPRIEDADES
11--4 EFEITOS DO MEIO SOB O COMPORTAMENTO DO MATERIAL4 EFEITOS DO MEIO SOB O COMPORTAMENTO DO MATERIAL
11--5 CONSIDERAÇÕES SOBRE A SELEÇÃO DE MATERIAIS5 CONSIDERAÇÕES SOBRE A SELEÇÃO DE MATERIAIS
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A ciência dos materiais está associada à 
geração de conhecimento básico sobre a 
estrutura interna, propriedades e 
processamento de materiais. 
Ela tem ainda como objetivo, compreender a 
natureza dos materiais, estabelecendo 
conceitos e teorias que permitam relacionar a 
estrutura dos materiais com suas propriedades 
e comportamento
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ÓXIDO DE ALUMÍNIO
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Processamento
Estrutura
Propriedade
Por que estudamos os materiais? 
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O que é isto?
Levitação magnética (video)
Fuel cell application - video
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ESTRUTURA
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PROPRIEDADE
Consiste em uma peculiaridade de um dado material
em termos do tipo e da intensidade da sua resposta a um
estímulo específico que lhe é imposto.
Quase todas as propriedades dos materiais sólidos
podem ser agrupadas em diferentes categorias: mecânica;podem ser agrupadas em diferentes categorias: mecânica;
elétrica; térmica; magnética; ótica; acústica, química.
Além da estrutura e das propriedades, dois outros
componentes importantes estão envolvidos na ciência e
na engenharia de materiais:
o “processamento” e o desempenho”.
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...estrutura...
...propriedades...
...processamento...
...desempenho...
...aplicações...
...materiais...
...ciência...
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É hora de pensar diferente sobre os
materiais. Isto nos remete à
essência da matéria para compreender o
porquê das coisas, para saber como 
podemos alterá-las...isto é ciência!
MATERIAIS
‘Matéria utilizada em aplicações práticas / industriais’
- máquinas
- artefatos Com uso, por exemplo, em: 
INTRODUÇÃO
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- dispositivos
- componentes
- estruturas
-outros
CICLO GLOBAL DOS MATERIAIS:
MATÉRIA-PRIMA
BÁSICA
metal, papel, cimento, 
fibras, produtos químicos
MATÉRIA-PRIMA
BRUTA
carvão, minérios, madeira,
petróleo, rochas,planta,
argilas
MATÉRIA-PRIMA
INDUSTRIAL
cristais, ligas, tecidos,
chapas, cerâmicos, plásticos
Transformação
ou
Processamento
Extração
ou
Refino
ou
Processamento
Prospecção
Ciência e
Engenharia
Ciência e
Engenharia:
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SUCATA
ou
RESÍDUOS
A TERRA
BENS DE
CONSUMO
carros, pontes, relógios,
equipamentos, máquinas, prédios
Uso
ou
Serviço
ou
Desempenho
Fabricação
Montagem
Descarte
Prospecção
ou
Mineração
ou
Colheita
Reciclagem
Engenharia
do
Meio Ambiente
Engenharia:
Materiais
aplicados na
Engenharia
ou
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Metais
Cerâmicas
Polímeros
Compósitos
Semicondutores
Classificação tradicional
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Semicondutores
Biomateriais (Mat. Biocompatíveis)
Materiais inteligentes
Materiais avançados
A classificação tradicional dos materiais é
geralmente baseada na estrutura atômica e 
química destes.
Utilização desde os primórdios da civilização;
São parte integrante da vida humana
O conhecimento dos materiais definiu as diversas idades da história da 
humanidade: Idade da Pedra, Idade do Bronze, Idade do Ferro.
MATERIAISMATERIAIS
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� utilização – desde os primórdios da 
civilização
� são parte integrante da vida 
humana
� o conhecimento dos materiais 
definiu as diversas idades da história
da humanidade: idade da pedra, 
idade do bronze, idade do ferro
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Metálicos Cerâmicos Poliméricos Compósitos
Cobre Porcelana Polietileno Grafite-epóxi
Ferro fundido Vidros Epóxi Fibra de vidro e 
Ouro Louças Poliuretano polímero
Classificação dos materiais pela indústria
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EVOLUÇÃO DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS:
compreensão das propriedades dos materiais e a 
conseqüente capacidade de desenvolver e preparar novos
materiais para aplicações particulares
Obtenção de:Obtenção de:
Materiais avançados
Materiais inteligentes
Nanomateriais
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Amazing materials - video
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O que sabemos sobre os materiais metálicos?
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Metais
Materiais metálicos são geralmente
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.eletricidade.
Não são transparentes à luz visível
Têm aparência lustrosa quando
polidos
Geralmente são resistentes e 
deformáveis
São muitos utilizados para
aplicações estruturais
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LIGAS NÃO FERROSAS
NÃO FERROSOS
Ligas leves Ligas para 
altas temper.
Ligas baixo 
ponto de fusão
Ligas Refractárias
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Ligas Al Ligas Mg
Ligas BeLigas Ti
Ligas Cu
Bronzes
Cu-NiLatões
Ni
Pb, Sn, Zn Mo, Ta, W, Nb
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O mercúrio é um dos poucos elementos que são 
encontrados em estado líquido à temperatura 
ambiente. Este elemento é um metal líquido 
prateado e inodoro, de alta densidade – tão alta que 
é possível fazer uma moeda boiar em sua superfície! 
O mercúrio é tóxico para os seres vivos e tem a 
capacidade de dissolver ouro, prata, metais alcalinos 
e até chumbo.
O que acontece quando o mercúrio entra em contato com alumínio?
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O que acontece quando o mercúrio entra em contato com alumínio?
O irídio é conhecido também por sua 
alta densidade, mas, por sua vez, é um 
metal sólido em temperatura e 
pressão padrões. Não só este 
elemento tem a maior densidade da 
tabela periódica, como também é o 
metal mais resistente à corrosão. Por 
causa disso, é muito usado em ligas de 
alta resistência que precisam suportar 
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alta resistência que precisam suportar 
altas temperaturas
Outro metal muito utilizado em objetos 
que precisam ser sujeitos a altas 
temperaturas é o Tungstênio, o elemento 
com o maior ponto de fusão (3422°C!) 
entre todos os metais e o segundo maior 
de toda a tabela periódica (o primeiro é o 
carbono). Tem também a menor pressão 
de vapor e requer temperaturas próximas 
da temperatura da superfície solar para 
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da temperatura da superfície solar para 
tornar-se gasoso, ou seja, cerca de 5000 °C!
O tungstênio (W) é usado em filamentos de 
lâmpadas porque ele possui alto ponto de 
fusão e grande resistência ao calor.
O magnésio é um metal bastante 
resistente e leve, aproximadamente 
30% menos denso que o alumínio. 
Possui coloraçãoprateada, perdendo 
seu brilho quando exposto ao ar, por 
formar óxido de magnésio. 
Quando pulverizado e exposto ao ar 
se inflama produzindo uma chama 
branca. Reage com a água somente se 
estiver em ebulição, 
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estiver em ebulição, 
formando hidróxido de magnésio e 
liberando hidrogênio.
O elemento gálio apresenta um 
ponto de fusão de 29,76 °C, o que 
é um valor baixo, se comparado 
com a maioria dos metais.
Com uma temperatura corporal em 
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Com uma temperatura corporal em 
torno de 36 °C, é possível provocar 
a fusão do gálio na palma da mão.
O urânio é o último elemento químico natural da tabela 
periódica e o primeiro em que se descobriu a 
radioatividade. Seu átomo é composto por 92 prótons, 92elétrons e de 135 a 148 nêutrons e tem o núcleo mais 
pesado a existir naturalmente a. Pode ser encontrado em 
abundância na crosta terrestre, na forma de minerais, e é 
utilizado principalmente para a produção de energia, em 
usinas de energia nuclear. 
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VIDEO
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O que sabemos sobre os materiais cerâmicos?
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Cerâmicas
Materiais cerâmicos são geralmente
uma combinação de elementos
metálicos e não-metálicos.
Geralmente são óxidos, nitretos e 
carbetos.
São geralmente isolantes de calor e 
eletricidade.
ALUMINA
São mais resistentes a altas
temperaturas e ambientes severos
que metais e polímeros.
Com relação às propriedades
mecânicas as cerâmicas são duras e 
frágeis
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Todas as cerâmicas são materiais isolantes 
(não conduzem eletricidade)?
Claro que não.
Afinal, iniciamos a nossa 
aula apresentando uma 
cerâmica supercondutora!
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cerâmica supercondutora!
O que sabemos sobre os materiais poliméricos?
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Polímeros
Materiais poliméricos são 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 apresentam baixa densidade e 
podem ser extremamente flexíveis.
Materiais poliméricos incluem os
termoplásticos (plásticos), 
termorrígidos e os elastômeros.
Polímeros
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POLÍMEROS
Material natural ou sintético, de alto peso molecular, cuja estrutura 
consiste na repetição de pequenas unidades, chamadas MEROS
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Origem
MATÉRIA PRIMA
Petróleo Nafta Eteno
Polietileno
(PE)
Sempre?
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BIOPOLÍMEROS � NÃO BIODEGRADÁVEIS
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BIOPOLÍMEROS � BIODEGRADÁVEIS
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Polihidroxibutirato (PHB)
Termoplásticos
Garrafas PET
Artefatos para tratamentos 
ortopédicos
Garrafas PET
Cobertura em vidro policarbonato
Canos em PVC
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Bolas de Bilhar, feitas de polímeros termorrígidos
Termoestáveis ou Termorrígidos
Barraca em Poliéster Bolas de Bilhar, feitas de polímeros termorrígidos
Baquelite
Barraca em Poliéster
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A maioria dos materiais poliméricos
consiste de longas cadeias
moleculares orgânicas ou redes.
Estruturalmente, a maioria dos materiais
poliméricos são não-cristalinos, mas
alguns consistem de uma mistura de
regiões cristalinas e não-cristalinas.regiões cristalinas e não-cristalinas.
Devido à natureza de sua estrutura
interna, a maioria dos materiais
poliméricos são pobres condutores de
eletricidade.
Estrutura da molécula de PVC
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Todos os polímeros são isolantes?
Sim? Alguém já ouviu falar em polímeros condutores?
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Sim, há polímeros condutores de elétrons!
(leia o artigo sobre estes materiais disponibilizado no ambiente)
Polímeros condutores: “metais sintéticos” possuem
propriedades elétricas, magnéticas e óticas de metais e
semicondutores. São formados por cadeias contendo duplas
ligações C=C conjugadas. Esta conjugação, associada a um
processo de dopagem, permite que seja criado um fluxo de
elétrons em condições específicas.
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video
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Os materiais se dilatam quando aquecidos?
Sim Sempre?
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Não. Há exceções!
Há materiais com expansão térmica negativa
(leia o material sobre tungstato de zircônio e o nylon disponibilizados no ambiente)
Compósitos
Materiais compósitos são constituídos de
mais de um tipo de material insolúveis
entre si.
Os compósitos são “desenhados” para
apresentarem a combinação de
características de cada material
constituinte.
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Vamos ver um gráfico referente à importância dos materiais:
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Exemplos de compósitos naturais
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Compósito de matriz polimérica
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Compósito de matriz cerâmica
Compósito de 
Matriz: Vidrocerâmico
Partículas: MoSi2 
térmicas: SiC, Al2O3
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Compósito de 
matriz metálica
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A Iniciativa Nacional em Nanotecnologia (EUA) considera nanotecnologia
somente se envolver estes seguintes itens:
1. Pesquisa e desenvolvimento em escala atômica, molecular ou
macromolecular, numa escala aproximada de 1-100 nm
2. Criação e uso de estruturas, dispositivos e sistemas que
possuem propriedades e funções inovadoras devido ao seu
tamanho reduzido
3. Habilidade em controlar ou manipular a matéria em escala
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3. Habilidade em controlar ou manipular a matéria em escala
atômica
Vamos 
pensar.....
Em nanomateriais
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Com nanomateriais
obtemos:
Nanocompósitos
Aplicações de Nanomateriais na Indústria
Exemplos de aplicação na indústria automobilística
Pintura resistente a riscos e intemperismos
Carros mais leves, seguros, não-poluentes
Nanopaint Convencional
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Nanopartículas de TiO2 incorporadas 
no concreto (pavimento)
6000 m2
Aplicações de Nanomateriais na Indústria
Exemplo de aplicação – Redução de poluentes na atmosfera
Redução de até 60% nos 
níveis de NOx
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R
E
S
U
M
I
N
D
74
D
O
Feitos de silício , germânio e arseneto de gálio-utilizados em computadores
e aparelhos eletrônicos.
Condutividade elétrica intermediária� Condutividade entre isoladores
cerâmicos e a dos metálicos
Componentes semicondutores� GaAs, CdS, ZnO etc
GaAs� retificador de alta temperatura e material de laser
CdS � uso em célula solar de baixo custo para conversão de energia solar
em energia elétrica.
Semicondutores
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11--3 PROPRIEDADES DOS MATERIAIS3 PROPRIEDADES DOS MATERIAIS
– mecânicas
• resistência à tração, compressão, flexão
• resistência ao escoamento, à fluência, à fadiga
• ductilidade
• módulo de elasticidade
• resistência ao desgaste
– físicas– físicas
• propriedades elétricas
• magnéticas
• térmicas
• óticas
• densidade
– químicas
• resistência à corrosão
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- PROPRIEDADES
DE SUPERFÍCIE
DE CORPO
reatividade com o meio, 
resistência à corrosão e 
ao desgaste, 
biocompatibilidade, 
efeito decorativo
comportamento mecânico, 
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comportamento mecânico, 
propriedades elétricas e 
magnéticas, condutividade térmica 
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11--3 PROCESSAMENTO3 PROCESSAMENTO
• os materiais precisam adquirir forma e 
dimensões para ser utilizáveis na Indústria
• são definidos em função das propriedades • são definidos em função das propriedades 
dos materiais iniciais e das propriedades 
necessárias para fazer frente às condições 
de serviço da peça ou componente
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DIFERENTES PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 
DIFERENTES MICROESTRUTURAS
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11--4 EFEITOS DO MEIO SOB O COMPORTAMENTO DO MATERIAL4 EFEITOS DO MEIO SOB O COMPORTAMENTO DO MATERIAL
• Os materiais têm seu comportamento influenciado pelo 
meio em que se encontram, tais como:
- TEMPERATURA
- CORROSÃO
- RADIAÇÃO
- DESGASTE
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Como decidir qual material deve ser 
utilizado para determinada aplicação?
11--5 SELEÇÃO DE MATERIAIS5 SELEÇÃO DE MATERIAIS
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Critérios de Seleção de Materiais
�Considerações dimensionais
�Considerações de forma
�Considerações de peso
�Considerações de resistência mecânica
�Resistência ao desgaste
�Conhecimento das variáveis de operação
�Facilidade de fabricação
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�Facilidade de fabricação
�Requisitos de durabilidade
�Números de unidades
�Disponibilidade de materiais
�Custo
�Existência de especificações e códigos
�Viabilidade de reciclagem
�Valor de sucata
�Grau de normalização
Índice de mérito (IM)
Relaciona os critérios mais importantes de 
acordo com o produto que se quer obter e 
sua função
Em resumo deve-se selecionar um material que:
1. Apresente as propriedades adequadas
Compromisso entre propriedades
Confiabilidade
2. Possa ser processado na forma desejável
3. Seja economicamente viável (matéria-primae processo de fabricação)
4. Possa ser produzido com baixo impacto ambiental e possa ser reciclado
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...VAMOS PEGAR OS LIVROS E ESTUDAR PESSOAL!
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CALLISTER
SHACKELFORD
ASKELAND
CAPITULO 1CAPITULO 1
... E tem muito mais pra ler....
Foram disponibilizados artigos no Moodle
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Na próxima aula entraremos na estrutura mais fundamental da matéria e 
evoluiremos para a organização dos átomos no espaço, relacionando 
estas estruturas com as propriedades dos materiais!
Obrigada pela atenção!!!