Aula 1_Introdução CM_Classificação Materiais

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Histórico e Classificação 
dos Materiais 
Introdução 
 O que é Ciência dos Materiais? 
 
 Importância dos Materiais na evolução das civilizações 
 O desenvolvimento e o avanço das sociedades estão ligados 
às habilidades dos seus membros em produzir e manipular materiais 
para atender suas necessidades 
 - Idade da pedra 
 - Idade do bronze 
 - Idade do ferro 
 - E agora? 
 - Idade do Silício? 
 - Idade dos Polímeros? 
 - Idado dos Nanomateriais? 
Histórico 
 Na evolução da Engenharia: 
 no início, um número limitado de materiais, como pedra, 
madeira, argila e peles; 
 desenvolvimento de técnicas para produção de materiais 
com melhores propriedades, como cerâmicas e metais; 
 modificações nas propriedades básicas por meio de 
tratamentos térmicos ou adição de outras substâncias; 
 entendimento das relações entre estruturas e 
propriedades dos materiais; 
Histórico 
 desenvolvimento de materiais em função de suas 
características específicas (metais, plásticos, vidros e 
fibras); 
 materiais X tecnologia: o entendimento das 
características de um material é precursor da 
progressão escalonada de uma tecnologia 
 M. Ashby, H. Shercliff, D. Cebon. Materiais-Engenharia, 
Ciência, Processamento e Projeto. Ed. Campus 
Ciência e Engenharia dos Materiais 
 Ciência: 
 estudo das relações entre a estrutura e as propriedades 
dos materiais 
 
 Engenharia: 
 com base na relação estrutura x propriedade, projeta 
uma estrutura com o objetivo de obter um conjunto de 
propriedades. 
 
 Estrutura Propriedade 
 Estrutura: Relacionado aos arranjo dos componentes 
internos 
 Propriedades: resposta do material a um estimulo 
 
 
Estrutura 
 Subatômica 
 elétrons no interior dos átomos 
 
 
 
 
 Atômica 
 arranjo de átomos/moléculas um em relação aos outros 
Cristal de quarzto Micrografia óptica de 
Ferro fundido cinzento 
Grafita + perlita + ferrita 
. 
Estrutura de um material 
 Microscópica Macroscópica 
Propriedades 
 Resposta do material a um estímulo 
 
 As principais propriedades 
 dos sólidos podem ser 
 agrupadas em: 
 
 Físicas: 
 mecânicas 
 elétricas 
 térmicas 
 magnéticas 
 ópticas 
 
 
 
 Químicas 
 Degradação 
 
 Físico-químicas 
 permeabilidade a gases e 
vapores 
 
 
Propriedades Físicas 
 Mecânicas: resposta dos materiais a influências 
mecânicas externas. 
 deformações reversíveis e irreversíveis 
 resistência à tração ou ruptura (tenacidade), 
 resistência à compressão, 
 resistência à flexão, 
 resistência à fadiga 
 resistência ao impacto 
 resistência à abrasão 
 dureza 
 
Propriedades Físicas 
 Térmicas: capacidade de transferir, conduzir, 
armazenar calor; alteração das dimensões 
 calor específico (armazenar energia) 
 condutividade térmica 
 expansão térmica 
 transição vítrea 
 Elétricas: resposta à campos elétrico e magnético, 
condução elétrica, isolantes. 
 resistividade, condutividade 
 constante dielétrica 
 Ópticas: transmissão, reflexão, absorção da luz 
 transparência 
 absorbância 
 índice de refração 
Propriedades Químicas 
 Estabilidade Química: 
 resistência à oxidação 
 degradação térmica 
 resistência à água, ácidos e bases 
 resistência à solventes 
 inflamabilidade 
RELAÇÃO ENTRE MICROESTRUTURA, PROCESSAMENTO, 
PROPRIEDADES E DESEMPENHO 
MICROESTRUTURA 
PROPRIEDADE 
PROCESSAMENTO 
DESEMPENHO 
Ciência básica 
compreensão 
Necessidades 
Conhecimento 
Empírico 
Conhecimento 
Científico 
RELAÇÃO ENTRE MICROESTRUTURA, PROCESSAMENTO, 
PROPRIEDADES E DESEMPENHO 
Propriedades dependem da estrutura 
Ex.: Dureza x estrutura do aço 
 
Processamento pode mudar a estrutura 
Ex.:Estrutura x taxa de resfriamento do aço 
15 
• Resistividade Elétrica do Cobre 
• Adição de “impurezas” ao Cu aumenta a resistividade. 
• A deformação do Cu aumenta a resistividade. 
Adapted from Fig. 18.8, Callister & 
Rethwisch 8e. (Fig. 18.8 adapted from: 
J.O. Linde, Ann Physik 5, 219 (1932); 
and C.A. Wert and R.M. Thomson, 
Physics of Solids, 2nd edition, McGraw-
Hill Company, New York, 1970.) 
T (ºC) -200 -100 0 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
R
es
is
ti
v
it
y,
 r
 
(1
0
-8
 O
h
m
-m
) 
0 
RELAÇÃO ENTRE MICROESTRUTURA, PROCESSAMENTO, 
PROPRIEDADES E DESEMPENHO 
16 
• Revestimentos de ônibus espacial: 
 - Material isolante a base de fibra de 
Sílica – baixa condutividade térmica, baixa 
densidade e baixo coeficiente de expansão 
térmica. 
• Condutividade Térmica 
 do Cobre: 
 - Diminui com a adição de zinco! 
Adapted from 
Fig. 19.4W, Callister 6e. 
(Courtesy of Lockheed 
Aerospace Ceramics 
Systems, Sunnyvale, CA) 
(Note: "W" denotes fig. 
is on CD-ROM.) 
Adapted from Fig. 19.4, Callister & Rethwisch 8e. 
(Fig. 19.4 is adapted from Metals Handbook: 
Properties and Selection: Nonferrous alloys and 
Pure Metals, Vol. 2, 9th ed., H. Baker, (Managing 
Editor), American Society for Metals, 1979, p. 315.) 
Composition (wt% Zinc) 
T
h
er
m
al
 C
o
n
d
u
ct
iv
it
y
 
(W
/m
-K
) 
400 
300 
200 
100 
0 
0 10 20 30 40 
100 mm 
RELAÇÃO ENTRE MICROESTRUTURA, PROCESSAMENTO, 
PROPRIEDADES E DESEMPENHO 
RELAÇÃO ENTRE MICROESTRUTURA, PROCESSAMENTO, 
PROPRIEDADES E DESEMPENHO 
Transmitância à luz de três amostras de óxido de alumínio 
 
Transparentes: monocristal (safira) 
Translúcida: policristalino denso 
Opaca: policristalino com 5% de porosidade. 
Adapted from Fig. 1.2, 
Callister & Rethwisch 8e. 
(Specimen preparation, 
P.A. Lessing; photo by S. 
Tanner.) 
Classificação dos Materiais 
 3 classificações básicas 
 composição química 
(ligações) 
 estrutura atômica 
 
 METAIS 
 CERÂMICAS 
 POLÍMEROS 
 
 classificações adicionais 
 COMPÓSITOS 
 SEMICONDUTORES 
 Classificação Funcional 
 Aeroespaciais 
 Biomateriais 
 Eletrônicos 
 Magnéticos 
 Fotônicos ou ópticos 
 Inteligentes 
 Estruturais 
Metais 
 combinações de elementos metálicos (70 dos 92 
elementos da tabela periódica tem caráter metálico) 
 
 grande número de elétrons "livres" que definem suas 
propriedades 
 bons condutores elétricos e térmicos 
 não são transparentes a luz 
 
 Resistentes mas deformáveis 
 
 Aplicações 
 
Cerâmicas 
 combinações de elementos metálicos e não 
metálicos (TiO, TiN, CrO, cimentos, vidros, etc) 
 
 Isolantes térmicos e elétricos 
(ausência de elétrons livres) 
 
 Resistentes à temperatura e a ambientes corrosivos 
 
 Duros e quebradiços (frágeis) 
 
 Aplicações 
Polímeros 
 macromoléculas orgânicas (sintéticas ou naturais) 
 sintéticas: plásticos e borrachas 
 naturais: couro, seda, algodão, madeira, etc. 
 C + H + N + O + F + elementos não metálicos 
 
 Leves, flexíveis, baixa resistência 
 Resistentes à corrosão 
 Isolantes térmicos e elétricos 
 Translúcidos ou transparentes 
 Em geral, baixa resistência ao calor 
 
 Novos materiais - polímeros condutores 
 
 termoplásticos, termorígidos, elastômeros 
 
 Aplicações 
Compósitos 
 projetados para apresentar uma combinação das 
melhores características dos materiais que o 
compõe 
 
 Compósitos de matriz polimérica 
 Matriz: epoxi ou poliester (flexibilidade do polímero) 
 Reforço: fibra de vidro (resistência mecânica do vidro) 
 
 Compósitos de matriz metálica 
 matriz: metais (dutilidade) 
 reforço: cerâmicas, intermetálicos, amorfos (resistência 
mecânica) 
 
Semicondutores 
 propriedades elétricas intermediarias entre materiais 
condutores e materiais isolantes 
 
 sensíveis à presença de impurezas 
 
 Aplicações 
 circuitos integrados 
 
 
Biomateriais 
 implantados no interior do corpo humano 
 
 compatíveis com o tecido humano (sem rejeição) 
 
 Materiais ... praticamente todos 
 próteses de bacia: Co-Ni-Cr-Mo 
 articulação de bacia: Ti-Al-V 
 Bola da articulação: Al-O 
 
 
 M. Ashby, H. Shercliff,D. Cebon. Materiais-Engenharia, 
Ciência, Processamento e Projeto. Ed. Campus 
Organização de Materiais e Processos 
 M. Ashby, H. Shercliff, D. Cebon. Materiais-
Engenharia, Ciência, Processamento e 
Projeto. Ed. Campus 
Seleção de Materiais 
Seleção de Materiais 
Exemplo: Implante de Quadril 
 Com idade e certas doenças, a juntas se deterioram, 
principalmente as que sofrem grandes carregamentos 
Exemplo: Implante de Quadril 
 Requisitos: 
 
 - resistência 
mecânica (muitos 
ciclos) 
 - biocompatibilidade 
Exemplo: Implante de Quadril 
haste 
femoral 
Exemplo: Implante de Quadril 
Haste femural: aço inox, liga Co-Cr-Mo, 
ligas de Ti 
 
Esfera: alumina ou zircônia 
 
Taça acetabular: ligas metálicas, alumina 
 
Inserto da taça acetabular: polietileno de 
alto peso molecular 
 
Fixação: cimento ósseo à base de poli 
metil metacrilato (acrílico)