INTRODUCAO A CIENCIAS DOS MATERIAIS-1aula

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UNIVERSIDADE CATÓLICA DE PERNAMBUCO
CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
PRINCÍPIOS DA CIÊNCIAS DOS MATERIAIS 
(1ª Parte)
Prof.º Felicíssimo Graciliano Sady Costa
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POR QUE ESTUDAR CIÊNCIAS DOS MATERIAIS?
PERMITE ESCOLHAS EMBASADAS EM RELAÇÃO AO:
PROJETO
SELEÇÃO DE MATERIAIS
USO DOS MATERIAIS
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DOUTRINAS FUNDAMENTAIS PARA O ESTUDO DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS
Os princípios que governam o comportamento dos materiais são baseados na Ciência e são Compreensíveis
As propriedades dos materiais são determinadas por sua Estrutura
( O processamento do material pode modificar a sua estrutura)
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As propriedades variam com o tempo por uso e exposição às condições ambientais
Devem ser realizados testes apropriados, para garantir que o material tenha um bom desempenho ao longo de sua vida útil
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FUNÇÃO DO CIENTISTA / ENGENHEIRO
Entender as propriedades associadas ao material
Saber usar as propriedades e como alterá-las
Saber medir e avaliar como as propriedades podem afetar o desempenho do material
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Avaliar as considerações econômicas relacionadas aos materiais
Avaliar a sustentabilidade do uso e o impacto no meio ambiente
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CONCEITOS
A disciplina de Ciência dos Materiais envolve investigação das correlações existentes entre as estruturas e propriedades de materiais.
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Em contraste, Engenharia de Materiais é, com base nestas correlações estrutura- propriedade, o projeto ou a engenharia da estrutura de um material para produzir um predeterminado conjunto de propriedades.
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A estrutura de um material usualmente relaciona-se ao arranjo de seus componentes internos.
A estrutura subatômica envolve elétrons dentro dos átomos individuais e interações com o seu núcleo.
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Em um nível atômico, estrutura abrange a organização dos átomos ou moléculas entre si. 
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O próximo universo estrutural maior, que contém e envolve grandes grupos de átomos que estão normalmente aglomerados entre si, é denominado microscópico, significando aquilo que é submetido a observação direta usando algum tipo de microscópio
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Finalmente, os elementos estruturais que podem ser vistos com olho nu, são ditos macroscópicos.
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Enquanto usado em serviço, todos os materiais são expostos a estímulos externos que evocam algum tipo de resposta.
Por exemplo, uma amostra submetida a forças irá experimentar deformações, ou uma superfície de metal polido refletirá luz.
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PROPRIEDADE
É uma característica de um material em termos do tipo e magnitude de resposta a um específico estímulo imposto, cujas definições de propriedades são feitas independente da forma e tamanho do material
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Virtualmente as propriedades mais importantes dos materiais podem ser agrupadas em diferentes categorias.
MECÂNCAS
ELÉTRICAS
TÉRMICAS
MAGNÉTICAS
ÓTICAS
DETERIORATIVA 
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Para cada propriedade do material existe uma forma de estímulo capaz de provocar diferentes respostas.
MECÂNICAS 
Relacionam deformação a uma carga ou força aplicada
Módulo de Elasticidade (E)
Resistência Mecânica 
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ELÉTRICAS 
O estímulo é um campo magnético
Condutividade elétrica
Constante dielétrica
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TÉRMICAS 
Representa o comportamento térmico dos sólidos
Capacidade Calorífica
Condutividade Térmica
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MAGNÉTICAS 
Determina o comportamento do corpo ou material frente a um campo magnético
ÓTICAS
O estímulo é eletromagnético ou radiação de luz
Índice de Refração
Refletividade
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DETERIORATIVAS 
Indicam a reatividade química de materiais
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Quanto maior for a familiaridade de um engenheiro ou cientista com as várias características e correlações estrutura/propriedades, bem como técnicas de processamento de materiais, tanto mais proficiente e confiável ele ou ela será para fazer boas escolhas de materiais baseadas nestes critérios.
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIAS DOS MATERIAIS
2ª PARTE
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MATERIAIS
São as substâncias cujas propriedades as tornam utilizáveis em estruturas, máquinas, dispositivos ou produtos consumíveis.
Estão intimamente ligados à emergência e ascensão do homem.
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DESIGNAÇÃO HISTÓRICA – IDADES DA CIVILIZAÇÃO
Idade da Pedra Lascada
Idade da Pedra Polida
Idade do Bronze, do Ferro
Idade Moderna  astrolábio, bússola, pólvora, luneta, grandes embarcações (madeira, marfim, ferro, bronze, cerâmica)
Idade Contemporânea  Revolução Industrial (aço)
Era da Informação  Silício
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MATERIAIS - Parte da matéria no Universo onde se incluem:
Metais
Cerâmicos
Conjugados conforme a necessidade do uso (semicondutores e supercondutores, polímeros, vidros, dielétricos, fibras, etc.)
Madeira
Areia
Pedra
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MATERIAIS
PROPRIEDADES
(FUNÇÃO TECNOLÓGICA)
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DESENVOLVIMENTO
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NOVOS MATERIAIS
Novos compostos/substâncias: fulerenos, nanotubos, supercondutores, materiais híbridos
Novos métodos de preparação/processamento: litografia em escala reduzida (microns  nanômetros)
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Aperfeiçoamento de materiais existentes: materiais reforçados com fibras (compósitos)
Novas aplicações para “velhos” materiais: pigmentos à base de polifosfatos
Novos conceitos: fotônica (estudo da luz)
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CICLO DOS MATERIAIS
Os materiais fluem num vasto ciclo de materiais
SISTEMA GLOBAL DE TRANSFORMAÇÃO REGENERATIVA
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MATERIAL NO ESTADO BRUTO
EXTRAÍDO DA TERRA 
por mineração, perfuração, escavação ou colheita
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CONVERSÃO PARA MATERIAIS DE BASE
LINGOTES METÁLICOS
PEDRA COMPACTADA
PRUDUTOS PETROQUÍMICOS
MADEIRA SERRADA
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MATERIAIS BRUTOS INTERMEDIÁRIOS
São transformados em materiais de engenharia
FIO ELETROCONDUTOR
PERFIL DE AÇO
BARRAS DE AÇO
CONCRETO
COMPONENTES PLÁSTICOS
VIDROS
COMPENSADOS DE MADEIRA
 
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APÓS USO
O Ciclo de materiais entrelaça os RECURSOS NATURAIS com as NECESSIDADES HUMANAS.
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CICLO DOS MATERIAIS
metais, papel, fibras, 
substâncias químicas
cristais, ligas, cerâmicas,
plásticos, concreto, têxteis,
materiais híbridos
bens de consumo
lixo
processamento
extração
refino
preparação 
de materiais
design
fabricação
integração
desempenho
uso
serviço
reciclagem
Energia
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TETRAEDRO DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS
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Estrutura/Propriedades  Controle  Ciência básica
Processamento: Arte  Ciência  Modelagem
Desempenho: vida útil, confiabilidade  Aspirações da sociedade
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PREPARAÇÃO DOS MATERIAIS
Um material pode apresentar propriedades bastante distintas, dependendo do tipo de preparação
Materiais distintos podem apresentar propriedades semelhantes
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Aplicações diferentes para um certo tipo de material
A combinação de diferentes materiais pode dar origem a um novo material com propriedades diferentes dos componentes isoladamente
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FORMAÇÃO “INTERDISCIPLINAR”
Natureza da ligação química e forças intermoleculares
Estrutura da matéria
Condução, semicondução, estrutura eletrônica de sólidos, magnetismo, interação luz/matéria 
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Macromoléculas: síntese, estatística, entrelaçamento, dinâmica
Obtenção de partículas e crescimento de cristais
Controle de tamanho e morfologia  Processamento de materiais em geral
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Estabilidade coloidal, interações entre superfícies, adesão e coesão
Viscoelasticidade, fratura de sólidos e defeitos de superfície
Técnicas de caracterização, medidas de propriedades
Modelagem computacional e tratamento de imagens
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característica intrínseca
deformação elástica
deformação plástica
fadiga
deslocamento dos planos 
Defeitos / Deslocações
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ENGENHARIA E CIÊNCIAS DOS MATERIAIS
“...é algo concernente com a geração e aplicação
do conhecimento que relaciona composição, estrutura e processamento de materiais com suas propriedades e usos.”
 VAN VLACK – 1984
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BIBLIOGRAFIA BÁSICA
CALLISTER, William D., Jr., Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução, 7. ed. Rio de janeiro: LTC, 2008.
SHACKELFORD, James F. Ciência dos Materiais 6. ed. São Paulo, Prentice Hall, 2008.
VAN VLACK, L.H. Principios de ciência e tecnologia dos materiais. 5ª ed. Rio de Janeiro: Campus, 1984.
NEWELL, J. , Fundamentos da Moderna Engenharia e Ciências dos Materiais. Rio de Janeiro: LTC, 2010.
ASKELAND, D.R. Ciência e Engenharia dos Materiais. São Paulo: CENCAGE LEARNING, 2008.
POR QUE ESTUDAR CIÊNCIAS DOS MATERIAIS?
PERMITE ESCOLHAS EMBASADAS EM RELAÇÃO AO:
PROJETO
SELEÇÃO DE MATERIAIS
USO DOS MATERIAIS
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