Introdução aos Materiais

Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original

Ciência dos Materiais 
INTRODUÇÃO AOS 
MATERIAIS 
CIÊNCIA DOS MATERIAIS 
Ciência dos Materiais 
1. INTRODUÇÃO AOS 
MATERIAIS 
1-1 INTRODUÇÃO 
1-2 TIPOS DE MATERIAIS 
1-3 RELAÇÃO: ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES 
1-4 EFEITOS DO MEIO SOB O COMPORTAMENTO DO MATERIAL 
1-5 SELEÇÃO DE MATERIAIS 
Ciência dos Materiais 
1-1 INTRODUÇÃO 
MATERIAIS 
Possível definição: ‘Qualquer substância que pode ser usada em 
aplicações práticas’ 
 utilização – desde os primórdios da civilização 
 são parte integrante da vida humana 
 o conhecimento dois materiais definiu as diversas idades da história 
da humanidade: idade da pedra, idade do bronze, idade do ferro 
Com uso, por exemplo, em: 
- máquinas 
- estruturas 
- dispositivos 
- produtos 
Ciência dos Materiais 1-1 Introdução 
CICLO GLOBAL DOS MATERIAIS: 
MATÉRIA-PRIMA 
BÁSICA 
metal, papel, cimento, 
fibras, produtos químicos 
SUCATA 
ou 
RESÍDUOS 
A TERRA 
MATÉRIA-PRIMA 
BRUTA 
carvão, minérios, madeira, 
petróleo, rochas,planta, 
 argilas 
MATÉRIA-PRIMA 
INDUSTRIAL 
cristais, ligas, tecidos, 
chapas, cerâmicos, plásticos 
BENS DE 
CONSUMO 
carros, pontes, relógios, 
equipamentos, máquinas, prédios 
Transformação 
ou 
Processamento 
Uso 
ou 
Serviço 
ou 
Desempenho 
Fabricação 
 Montagem 
Descarte 
Extração 
ou 
Refino 
ou 
Processamento 
Prospecção 
ou 
Mineração 
ou 
Colheita 
Reciclagem 
Ciência e 
Engenharia 
do 
 Meio Ambiente 
Ciência e 
Engenharia: 
Materiais 
aplicados na 
Engenharia 
ou 
TERRA: fonte e depósito de todos os materiais 
Ciência dos Materiais 1-1 Introdução 
CICLO GLOBAL DOS MATERIAIS: 
 
 Ex.: Ciclo do Alumínio 
Alumínio – abundante, mas não se apresenta sob a forma pura 
Constituinte de materiais como BAUXITA 
 MICA 
 FELDSPATO 
 CRIOLITA 
Único material utilizado para 
produção do alumínio 
Solução de soda cáustica – separação do óxido de alumínio das impurezas do minério 
Precipitação hidrato de alumínio produto sólido calcinação 
1000ºC 
Processo Bayer (químico): 
Alumina metalúrgica (produção Alumínio) 
Alumina especial (cerâmicos e refratários) 
Ciência dos Materiais 1-1 Introdução 
CICLO GLOBAL DOS MATERIAIS: 
 
 Ex.: Ciclo do Alumínio 
Alumina metalúrgica Redução: etapa eletrolítica 
(eletricidade produzindo reação química) 
Fornos de Redução Alumina banho de sais fundidos 
Dois eletrodos: transformam a alumínio em líquido (900º) 
Refusão: Correção química Transformação em ligas Resfriamento 
Material sólido 
Ciência dos Materiais 1-1 Introdução 
CICLO GLOBAL DOS MATERIAIS: 
 
 Ex.: Ciclo do Alumínio 
Reciclagem da lata de alumínio 
-Economia de 95% da energia usada na 
obtenção do alumínio 
-Economia de etapas: evita a extração, refino 
e redução 
-Economia de tempo: uma lata reciclada 
volta ao mercado em 90 dias 
-Economia de recursos naturais (bauxita): 
para se produzir 1 ton de alumínio são 
necessárias 5 ton de bauxita - mineral 
extraído do solo - o que pode ser evitado 
com a reciclagem. 
 
Ciência dos Materiais 
 
 CONHECIMENTO CONHECIMENTO 
 ENCICLOPÉDICO FENOMENOLÓGICO 
1-1 Introdução 
X 
EVOLUÇÃO DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS: 
 compreensão das propriedades dos materiais e a conseqüente 
 capacidade de desenvolver e preparar novos materiais para aplicações 
 particulares 
Ciência dos Materiais 1-1 Introdução 
EVOLUÇÃO DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS: 
 
Ciência dos Materiais 
 TODO ENGENHEIRO 
 manufatura materiais 
 processa materiais 
 projeta materiais 
 constrói com materiais 
 
 
 seleciona materiais 
 testa e analisa materiais 
 
Ponte nos 
EUA 
Série LIBERTY: 
1000 navios 
1-1 Introdução 
Ciência dos Materiais 1-1 Introdução 
 Todo ENGENHEIRO responsável está interessado em melhorar a performance 
do que está projetando ou manufaturando 
 
 elétrico (materiais elétricos/dielétricos) 
 civil: durabilidade, estética, resistência à corrosão 
 automotivos (leves, resistentes e duráveis) 
 aeroespacial (densidade/resistência mecânica, alta temperatura) 
 mecânico (estruturas, componentes) 
 materiais: materiais com melhor desempenho, com menor custo. 
Ciência dos Materiais 1-1 Introdução 
 OBJETIVO DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 
 ampliar os conhecimentos dos materiais disponíveis 
 entender seu comportamento em geral e seu POTENCIAL de utilização 
 reconhecer os efeitos do meio e condições de serviço - LIMITAÇÕES 
 fornecer subsídios para compreender o comportamento de materiais 
em serviço 
 seu potencial (e limitações) de utilização em função das condições de 
serviço e do meio 
1-2 TIPOS DE MATERIAIS 
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS: 
CRITÉRIOS 
 aplicações pela indústria 
– metais, cerâmicos, polímeros e compósitos 
 pelo grau de desenvolvimento tecnológico 
– naturais, empíricos, desenvolvimento científico e 
projetados 
 morfologia estrutural 
– monoestruturados, recobrimentos, gradiente e 
aleatório 
 
1-2 Tipos de Materiais 
 
Metálicos Cerâmicos Poliméricos Compósitos 
 
 
 
Classificação dos materiais pela indústria 
Cobre 
Ferro fundido 
Ligas de aço 
Porcelana 
Vidros 
Tijolos 
Refratários 
Louças 
Polietileno 
Epóxi 
Fenólicos 
Grafite-epóxi 
Carbeto de 
Cobalto e 
Tungstênio 
1-2 Tipos de Materiais 
 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 
 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 pela indústria 
 Metais 
1-2 Tipos de Materiais 
Classificação dos materiais pela indústria 
 Materiais cerâmicos são não-
metálicos e inorgânicos. 
 Geralmente são óxidos, nitretos e 
carbetos 
 São geralmente isolantes de calor e 
eletricidade 
 São mais resistentes a altas 
temperaturas e à ambientes 
severos que metais e polímeros 
 Os materiais cerâmicos são 
materiais de alta dureza, porém 
frágeis 
 Cerâmicos 
1-2 Tipos de Materiais 
Classificação dos materiais pela indústria 
 Materiais poliméricos são 
geralmente compostos orgânicos 
baseados em carbono, hidrogênio 
e outros elementos não-metálicos. 
 São constituídos de moléculas 
muito grandes (macro-moléculas) 
 Tipicamente, esses materiais 
apresentam baixa densidade e 
podem ser extremamente flexíveis 
 Materiais poliméricos incluem 
plásticos e borrachas 
 Polímeros 
1-2 Tipos de Materiais 
Classificação dos materiais pela indústria 
 Materiais compósitos são 
constituídos de mais de um tipo 
de material insolúveis entre si. 
 Os compósitos são projetados 
para a obtenção de propriedades 
as quais não estão presentes em 
um material monofásico 
 Um exemplo clássico 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 
 Compósitos 
1-2 Tipos de Materiais 
Classificação dos materiais pela indústria 
Resistência 
mecânica 
representativa para 
diferentes 
categorias de 
materiais 
As diferentes propriedades dos materiais são determinantes
na sua classificação 
1-2 Tipos de Materiais 
Classificação dos materiais pela indústria 
O uso das diferentes classes dos materiais tem sido alterado com 
a evolução tecnológica. 
1-2 Tipos de Materiais 
Classificação dos materiais pela indústria 
Materiais 1977 (%) 1999 (%) 
Ferro 15 11 
Plásticos 5 8 
Outros metais (Al, Cu, Zn, Mg) 5 10 
Borracha 4 4 
Vidros 2 3 
Aço 60 55 
Competição entre os materiais: 
Evolução da participação 
dos materiais no peso da 
carroceria dos veículos 
americanos entre 1977 e 
1999. 
 
1-2 Tipos de Materiais 
Classificação dos materiais pela indústria 
Competição entre os materiais: 
Boeing 777 
Início do projeto: 1990 
Entrada em Serviço: 1994 
Porcentagem de materiais 
compósitos no peso do avião: 9% 
Boeing 7E7 Dreamliner 
Início do Projeto: Final de 2003 
Entrada em Serviço: Prevista para 2008 
Porcentagem de materiais compósitos 
no peso do avião: 
Estimada entre 50 e 60% 
1-2 Tipos de Materiais 
Classificação dos materiais pela indústria 
Competição entre os materiais: 
 1º Chassis em compósito: 1981 (McLaren MP4-1) 
 Chassis em fibra de carbono/epoxy (Prost AP-01) após um acidente 
(2 impactos laterais, o primeiro a 180Km/h) 
1-2 Tipos de Materiais 
Classificação dos materiais pela indústria 
 Classificação 
dos materiais 
Metais 
Polímeros 
Cerâmicos 
Aplicação pela 
 indústria 
 
Espessura de parede: 0,15 mm 
%peso embalagem/conteúdo: 3,85 
Densidade (g/cm3): 2,70 
Espessura de parede: 0,30 mm 
%peso embalagem/conteúdo: 2,90 
Densidade (g/cm3): 1,35 
Espessura de parede: 
8,0 mm 
%peso 
embalagem/conteúdo: 
46,80 
Densidade (g/cm3): 
2,70 
Competição entre os materiais: 
1-2 Tipos de Materiais 
Classificação dos materiais pela indústria 
 Etapas no processo de fabricação de latas de alumínio para bebidas 
Classificação dos materiais quanto ao 
grau de desenvolvimento tecnológico 
 
1. Naturais: utilizados como se encontram na natureza 
 
2. Empiricamente desenvolvidos: 
 ex. argila vermelha 
3. Desenvolvimento científico: 
 a ciência no desenvolvimento dos materiais 
 
4. Materiais projetados: fabricados 
com grau de conhecimento elevado 
1-2 Tipos de Materiais 
PROJETADOS: 
Viabilização de 
projetos de alta 
tecnologia 
1-2 Tipos de Materiais 
Ex. : 
lâmpada de sódio (1000oC) com tubo de 
alumina: 100 lúmens/W 
lâmpada convencional 15 lúmens/W 
 
Alumina convencional (opaca) Alumina translúcida 
Materiais projetados: 
Classificação dos materiais quanto ao grau de desenvolvimento tecnológico 
1-2 Tipos de Materiais 
Classificação dos materiais segundo morfologia 
1.Monoestruturados: único conjunto de propriedades 
2.Recobrimentos: propriedades da superfície diferente 
 das do corpo 
 
 
 
3.Gradiente material: multicamadas com gradiente 
 de propriedades 
 
 
4.Composição aleatória de diferentes materiais: 
 reforço por segunda fase 
1-2 Tipos de Materiais 
1-3 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-
PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES 
 MATERIAIS PARA ENGENHARIA 
 desenvolvidos para uso na Indústria 
 fundamento: CIÊNCIA DOS MATERIAIS 
 interrelação entre ESTRUTURA e PROPRIEDADES 
ESTRUTURA PROPRIEDADES 
CIÊNCIA DOS MATERIAIS 
MATERIAIS PARA ENGENHARIA 
 
 
 ESTRUTURA 
 PROPRIEDADES 
 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 
 
1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades 
ESTRUTURA PROPRIEDADES 
PROCESSO DE FABRICAÇÃO 
CIÊNCIA DOS MATERIAIS 
1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades 
ESTRUTURA PROPRIEDADES 
PROCESSO DE FABRICAÇÃO 
ESTRUTURA ATÔMICA 
ESTRUTURA CRISTALINA 
MICROESTRUTURA 
MACROESTRUTURA 
 FUNDIÇÃO 
 LAMINAÇÃO 
 EXTRUSÃO 
 METALURGIA DO PÓ 
 PRENSAGEM 
 COLAGEM 
 OUTROS ... 
 MECÂNICAS 
 FÍSICAS 
 QUÍMICAS 
1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades 
• DIVISÃO DA ESTRUTURA NOS MATERIAIS 
 
1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades 
1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades 
 PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
 mecânicas 
 resistência à tração, compressão, flexão 
 resistência ao escoamento, à fluência, à fadiga 
ductilidade 
módulo de elasticidade 
 resistência ao desgaste 
 físicas 
propriedades elétricas 
magnéticas 
 térmicas 
ópticas 
densidade 
 químicas 
 resistência à corrosão 
1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades 
DE SUPERFÍCIE 
DE CORPO 
PROPRIEDADES 
 reatividade com o meio, 
resistência à corrosão e ao 
desgaste, 
biocompatibilidade, 
efeito decorativo 
comportamento mecânico, 
propriedades elétricas e 
magnéticas, condutividade 
térmica 
1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades 
 
Exemplos representativos: aplicações e propriedades de cada categoria de material 
METAIS APLICAÇÕES PROPRIEDADES 
Cobre Cabos elétricos Alta condutividade elétrica, boa 
conformabilidade 
Fofo cinzento Blocos de motores de combustão Boa moldagem por fundição, 
absorção de vibrações, usinabilidade 
Aços Forjados Boa susceptibilidade a tratamentos 
térmicos 
CERÂMICOS APLICAÇÕES PROPRIEDADES 
SiO2 – Na2O – CaO Vidro de Janela Boas propriedades óticas e 
isolamento térmico 
Al2O3, MgO, SiO2 Refratários Isolamento térmico, alto ponto 
de fusão, relativamente inerte ao 
metal fundido 
Titanato de bário Transdutor para toca-discos Comportamento piezoelétrico 
(converte som e eletricidade) 
1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades 
 
Exemplos representativos: aplicações e propriedades de cada categoria de material 
COMPÓSITOS APLICAÇÕES PROPRIEDADES 
Grafite-epóxi Componentes para a indústria 
aeronáutica 
Elevada relação resistência 
mecânica/peso 
Carbeto de W-Co Ferramentas de corte para 
usinagem 
Elevada dureza e boa resistência 
ao impacto 
Aços recobertos 
com Ti 
Vasos de reatores Baixo custo, alta resistência 
mecânica do aço com boa 
resistência à corrosão do titânio 
POLÍMEROS APLICAÇÕES PROPRIEDADES 
Polietileno Embalagem para alimentos Facilmente moldável em filmes 
finos, flexíveis e impermeáveis 
Epóxi Encapsulamento para 
circuitos integrados 
Bom isolamento elétrico e 
resistência à umidade 
Fenólicos Adesivos para madeiras 
condensadas 
Resistência mecânica e à 
umidade 
1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades 
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 
 
 os materiais precisam adquirir forma e dimensões para ser 
utilizáveis na Indústria 
 são definidos em função das propriedades dos materiais iniciais e 
das propriedades necessárias para fazer frente às condições de 
serviço da peça ou componente 
METAIS 
Fundição: areia, vazamento, molde permanente, cera 
perdida, lingotamento contínuo 
Conformação: forjamento, extrusão, estampagem 
profunda, dobramento, laminação 
Junção: soldagem a gás, por resistência elétrica, 
brasagem, a arco, a estanho, por fricção e por difusão 
Usinagem: torneamento, perfuração, fresa, corte 
Metalurgia do pó 
CERÂMICOS 
Fundição ou colagem 
Compactação: extrusão, prensagem e 
prensagem isostática 
Sinterização 
POLÍMEROS 
Moldagem por injeção 
Conformação: a vácuo, por repuxamento, por 
extrusão 
COMPÓSITOS 
Fundição, incluindo infiltração 
Conformação 
Junção: junção adesiva, ligadura por explosão, 
por difusão 
Compactação e sinterização 
1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades 
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO
DIFERENTES PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 
 DIFERENTES MICROESTRUTURAS 
 
1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades 
MATERIAIS PARA ENGENHARIA 
 ESTRUTURA 
 PROPRIEDADES 
 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 
 DESEMPENHO 
• como os materiais se comportam nas condições de serviço 
• (laboratório, acompanhamento e análise post-mortem) 
ESTRUTURA PROPRIEDADES 
PROCESSO DE FABRICAÇÃO 
CIÊNCIA DOS MATERIAIS 
1-4 EFEITOS DO MEIO SOBRE O 
COMPORTAMENTO DO MATERIAL 
• Os materiais têm seu comportamento influenciado 
pelo meio em que se encontram: 
 TEMPERATURA 
 CORROSÃO 
 RADIAÇÃO 
 DESGASTE 
1-4 Efeitos do meio sobre o comportamento do material 
Temperatura 
 Tendência:  T  RM 
 troca rápida de temperatura - catastrófica 
 
Aumento de 
temperatura 
diminui a 
resistência 
mecânica dos 
materiais 
 Corrosão 
 Metais e polímeros reagem com O2 e outros gases 
 aumento de temperatura reage mais 
 pode ocorrer corrosão por líquidos 
 pits, trincas  fratura 
 Cerâmicos podem ser atacados por outros líquidos cerâmicos 
 
1-4 Efeitos do meio sobre o comportamento do material 
Alumínio 
atacado por 
bactéria 
Hidrogênio 
dissolvido no 
cobre 
fratura frágil 
1-4 Efeitos do meio sobre o comportamento do material 
Radiação De alta energia 
 Ex.: nêutrons de reatores nucleares que podem afetar a estrutura 
 interna dos materiais, diminuir a resistência mecânica e fragilizar o 
 material, devido a formação de fissuras. 
Desgaste Abrasão 
 
 
Ex.: pisos cerâmicos desgastados com o tráfego de pessoas 
 
Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para 
selecionar um material entre tantos outros? 
 1º: Caracterizar quais as condições de serviço a que será submetido o material e 
levantar as propriedades requeridas para tal aplicação. Deve-se incluir os fatores de 
degradação de propriedades, como temperatura de trabalho, agentes corrosivos - 
ataque químico, desgaste, radiações, nessas considerações. 
 
 2º: Determinar (ou saber como foram determinados) as propriedades de interesse e 
saber qual o desempenho e limitações e restrições no uso dos materiais 
selecionados. 
 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. 
 
 3º: Disponibilidade de matéria-prima e viabilidade técnica em obter a dimensão e 
forma da peça para seu emprego. 
 
 4º: Impacto ambiental da produção e reciclabilidade do material após uso 
 
 5º: Custo total 
1-5 SELEÇÃO DE MATERIAIS 
1-5 Seleção de Materiais 
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-prima e processo de fabricação) 
4. Possa ser produzido com baixo impacto ambiental e posa ser reciclado 
1-5 Seleção de Materiais 
Material Resistência Mecânica
(MPa)
Densidade Resistência/peso
(m2s-2103)
Polietileno 7 0,83 8
Alumínio puro 45 2,7 17
Cobre puro 207 8,9 23
Aço baixo-carbono 393 7,8 50
Titânio puro 241 4,4 55
Al2O3 207 3,9 53
Nylon 76 1,11 68
Epóxi 103 1,4 74
Aço alto-carbono 614 7,8 79
Si3N4 483 3,2 151
Aço-liga tratado termicamente 1655 7,8 212
Liga de alumínio tratada termicamente 593 2,7 220
Compósito carbono-carbono 414 1,8 230
Liga de titânio tratada termicamente 1172 4,4 256
Compósito Kevlar-epóxi 448 1,4 320
Compósito carbono-epóxi 551 1,4 393
RELAÇÃO: RESISTÊNCIA/DENSIDADE 
1-5 SELEÇÃO DE MATERIAIS 
RELAÇÃO: RESISTÊNCIA/DENSIDADE 
1-5 Seleção de Materiais