1 CM - Introdução a Engenharia dos Materiais

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Módulo Engenharia de Materiais
Professor: MSc Ronaldo Paulino Nascimento
E-mail: ronaldo.doctum@hotmail.com.br
Rede Doctum
Introdução à ciência e engenharia dos materiais e classificação dos materiais
1. Introdução
1.1 Perspectiva Histórica
 Nós vivemos em um mundo em que a posse de materiais define nossas relação social e qualidade de vida econômica.
Cada segmento de nossas vidas diárias é influenciado em maior ou menor grau pelos materiais.
Historicamente, o desenvolvimento e o avanço das sociedades têm estado intimamente ligados às habilidades dos seus membros em produzir e manipular materiais para satisfazer as suas necessidades. 
 Transportes, habitação, vestuário, comunicação, recreação e produtos alimentícios. 
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Os primeiros seres humanos tiveram acesso a apenas um número limitado de materiais
 Ex: pedra, madeira, argila, peles etc.
Com o tempo descobriram técnicas para a produção de materiais que tinham propriedades superiores aos dos produtos naturais
Ex : cerâmica e vários metais
As civilizações antigas foram designadas pelo nível de seus desenvolvimentos em relação aos materiais:
 Idade da pedra,
 idade do bronze.
Além disso, foi descoberto que as propriedades de um material poderiam ser alteradas através de tratamentos térmicos e pela adição de outras substâncias.
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A utilização de um material era totalmente um processo de seleção:
Decidia-se, a partir de um conjunto relativamente limitado de materiais disponíveis, aquele que era o mais adequado para uma dada aplicação em virtude de suas características.
Não foi senão em tempos relativamente recentes que os cientistas compreenderam as relações entre os elementos estruturais dos materiais e suas propriedades.
Dezenas de milhares de materiais diferentes foram desenvolvidos com características relativamente específicas que atendem as necessidades de nossa moderna e complexa sociedade; estes incluem metais, plásticos, vidros e fibras.
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O desenvolvimento de muitas tecnologias que tornam a nossa existência tão confortável tem estado intimamente associado com a acessibilidade a materiais adequados.
Por exemplo:
Os automóveis não teriam sido possíveis sem a disponibilidade de aço a baixo custo ou de algum outro substituto comparável.
Em nossos tempos, dispositivos eletrônicos sofisticados dependem de componentes que são feitos a partir dos chamados materiais semicondutores.
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Sustentabilidade
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Ciências e Engenharia dos Materiais
Ciência dos materiais: Envolve a investigação das relações que existem entre as estruturas e as propriedades dos materiais
Engenharia de Materiais: Consiste, na escolha e uso da estrutura de um material para produzir uma série de propriedades pré-determinadas.
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Relação Estrutura x Propriedades
As propriedades “cotidianas” dos materiais dependem 
da estrutura em escala atômica 
da microestrutura (estrutura em escala intermediária)
Alumínio 
(estrutura cúbica)
Magnésio 
(estrutura hexagonal)
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Virtualmente, todas as propriedades importantes dos materiais sólidos podem ser agrupadas em seis categorias diferentes: mecânica – elétrica – térmica – magnética – ótica e deteriorativa. 
Propriedade é uma peculiaridade do material em termos do tipo e da intensidade da resposta a um estímulo específico que lhe é imposto. 
Ex : Enquanto em uso, todos os materiais estão expostos a estímulos externos que provocam algum tipo de resposta “ uma amostra sujeita a força irá experimentar uma deformação”. 
Mecânicas – relacionam deformações com uma carga ou força aplicada. Ex. módulo de elasticidade e a resistência.
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Térmica - O comportamento térmico de um sólido pode ser representado em termos da capacidade calorífica e da condutividade térmica.
Magnéticas – demonstram a resposta de um material à aplicação de um campo magnético.
Óticas – o estímulo é a radiação eletromagnética ou luminosa. Ex. índice de refração e a refletividade 
Deteriorativas - indicam a reatividade química dos materiais.
Elétricas: O estímulo é um campo elétrico. Ex.condutividade elétrica e a constante dielétrica.
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Com respeito às relações destes quatro componentes, a estrutura de um material irá depender da maneira como ele é processado 
Além disso, o desempenho de um material será uma função das suas propriedades.Assim, a inter-relação entre processamento, estrutura, propriedades e desempenho é linear, conforme esquema abaixo.
Processamento  Estrutura  Propriedade Desempenho
Além da estrutura e propriedade, dois outros componentes importantes estão envolvidos na ciência e na engenharia dos materiais, quais sejam, processamento e desempenho. 
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Ex: Alumina porosa e não-porosa
A presença de poros causa espalhamento de luz e o material se torna opaco.
A eliminação dos poros através da adição de 0.1% de MgO gera um material translúcido.
50 µm
Poros
50 µm
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Em primeiro lugar, as condições de serviço devem ser caracterizadas, uma vez que estas irão ditar as propriedades exigidas do material. 
Existem vários critérios nos quais a decisão final está normalmente baseada:
Somente em raras ocasiões é que um material possui a combinação máxima ou ideal de propriedades. 
Um exemplo: envolve a resistência e a ductilidade; normalmente, um material que possui uma alta resistência terá apenas uma ductilidade limitada. 
Como definir qual o melhor material para um determinado fim?
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Uma segunda consideração de seleção é qualquer deterioração das propriedades dos materiais que possa ocorrer durante a operação em serviço.
Por exemplo, reduções significativas na resistência mecânica podem resultar da exposição a temperaturas elevadas ou a ambientes corrosivos.
Por fim, provavelmente a consideração dominante estará relacionada aos fatores econômicos:
Quanto irá custar o produto já acabado?
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“Quanto mais familiarizado estiver o engenheiro com as varias características e relações estrutura – propriedades, bem como com as técnicas de processamento dos materiais, mais capacitado e confiante ele estará para fazer opções ponderadas de materiais com base nestes critérios”.
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1.4 Classificação dos Materiais
Os materiais sólidos têm sido convenientemente agrupados em três classificações básicas:
metais, cerâmicos e polímeros.
Baseado principalmente na composição química e estrutura atômica, e a maioria dos materiais se encaixa em um outro grupo distinto, embora existam alguns materiais intermediários.
compósitos, semicondutores e biomateriais.
Outros grupos de materiais importantes na engenharia:
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Possuem um número grande de elétrons não localizados, isto é, estes elétrons não estão ligados a qualquer átomo em particular. 
Muitas propriedades dos metais são atribuídas diretamente a estes elétrons.
Os metais são condutores extremamente bons de eletricidade e calor.
Não são transparentes à luz visível. 
Uma superfície metálica polida possui uma aparência lustrosa.
Os metais são muito resistentes, e ainda assim deformáveis. 
METAIS 
Materiais metálicos: São normalmente combinações de elementos metálicos. 
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Os metais na tabela periódica
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São compostos formados entre os elementos metálicos e não metálicos; 
CERÂMICOS 
São freqüentemente óxidos, nitretos e carbetos.
A grande variedade de materiais que se enquadra nesta classificação inclui cerâmicos que são compostos por minerais argilosos, cimento e vidro.
São materiais tipicamente isolantes à passagem de eletricidade e calor e são mais resistentes a altas temperaturas e ambientes abrasivos do que os metais e polímeros. 
Com relação ao comportamento mecânico, os cerâmicos são duros, porém muito quebradiços.
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As cerâmicas na tabela periódica 
Cerâmicas são formadas por combinação de metais 
(quadrados mais claros) com os elementos C, N, O, P e S. 
Si e Ge são semicondutores mas são usados em cerâmicas de forma equivalente a metais
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 Os polímeros compreendem os materiais comuns de plásticos e borracha. 
POLÍMEROS 
Muitos delessão compostos orgânicos que têm sua química baseada no carbono, no hidrogênio e em outros elementos não-metálicos; além disso, eles possuem estruturas moleculares muito grandes. 
Estes materiais possuem tipicamente baixas densidades e podem ser extremamente flexíveis.
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Os polímeros na tabela periódica
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É um material formado por uma mistura ou combinação de dois ou mais micro ou macro constituintes que diferem na forma e na composição química e que, na sua essência, são insolúveis uns nos outros.
COMPÓSITOS 
A fibra de vidro é um exemplo familiar, no qual fibras de vidro são incorporadas no interior de um material polimérico.
Um compósito é projetado para mostrar uma combinação das melhores características de cada um dos materiais que o compõe. 
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Possuem propriedades elétricas que são intermediárias entre aquelas apresentadas pelos condutores elétricos e pelos isolantes. 
SEMICONDUTORES 
Além disso, as características elétricas destes materiais são extremamente sensíveis à presença de minúsculas concentrações de átomos de impurezas, concentrações que podem ser controladas ao longo de regiões espaciais muito pequenas.
Os semicondutores tornaram possível o advento dos circuitos integrados 
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Os semicondutores na tabela periódica
Quando combinados entre si (coluna III-V e II-VI) os metais (quadrados claros) assumem propriedades semicondutoras.
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BIOMATERIAIS 
 Os biomateriais são empregados em componentes implantados no interior do corpo humano para a substituição de partes do corpo doentes ou danificados. 
Esses materiais não devem produzir substâncias tóxicas e devem ser compatíveis com os tecidos do corpo.
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MATERIAIS AVANÇADOS
São materiais utilizados em aplicações de tecnologia de ponta, ou seja, são materias utilizados para a fabricação de dispositivos ou componentes que funcionam ou operam usando princípios sofiscados
Exemplos destas aplicações incluem: equipamentos eletrônicos (VCRs, CD players, DVDs), computadores, sistemas de fibra óptica, foguetes e mísseis militares, detectores, lasers, displays de cristal líquido, indústria aeroespacial, etc. 
Estes materiais são geralmente materiais tradicionais cujas propriedades são optimizadas ou materiais novos de alto desempenho.
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ALGUMAS CONSIDERAÇÕES SOBRE A NECESSIDADE DE MATERIAIS MODERNOS
Materiais que apresentem:
Alto desempenho
Baixo peso e alta resistência
Resistência à altas temperaturas
Desenvolvimento de materiais que sejam menos danosos ao meio ambiente e mais fáceis de serem reciclados ou regenerados
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