Ciência dos Materiais I

Transcrição

1 Ciência dos Materiais I Prof. Dr. Carlos Roberto Grandini Bauru 2006

2 Programação Ciência dos Materiais: História e Perspectivas 10/03 Estrutura Atômica 17/03 Arranjos Atômicos 24/03 Imperfeições em Arranjos Atômicos 31/03 Movimentação Atômica em Materiais 07/04 Primeira Avaliação 28/04 Equilíbrio Termodinâmico: Estado e Fase 06/05 Estabilidade de Estados 19/05 Transformações de Fase 26/05 Processos de Difusão e Transporte 02/06 Segunda Avaliação 09/06 Visão Geral sobre Propriedades Físicas e Aplicações de Materiais: metais, polímeros, cerâmicas e vidros, semicondutores, compósitos 23, 30/06 Segunda Avaliação 07/07 Avaliação Substitutiva 14/07

3 Critério de Avaliação Média de 3 provas; A prova substitutiva, se realizada, substitui a menor nota, independente de for maior ou menor que a anterior; Conceitos: 10 Mp 9,0 Conceito A 8,9 Mp 7,0 Conceito B 6,9 Mp 5,0 Conceito C Abaixo de 4,9 Reprovado

4 Bibliografia Básica D.R. Askeland, P.P. Phulé, The Science and Engeneering of Materials, 4 th Edition, Thomson, New York, W.D. Callister Jr., Materials Science and Engeneering: an integrated approach, 2 th Edition, John Willey, New York, J.F. Shackelford - Materials Science for Engineers, 6 th Edition, Prentice Hall, New York, W.F. Smith, Principles of Materials Science and Engineering, 3 rd Edition, McGraw Hill, New York, L.H. Van Vlack, Princípios de Ciência e Tecnologia de Materiais, 4 a Edição, Campus, Rio de Janeiro, C. Kittel, Introdução à Física do Estado Sólido, 5ª Edição, Guanabara-Koogan, Rio de Janeiro, P.W. Atkins, Physical Chemistry, 4 th. Edition, Oxford University Press, Oxford, 1992.

5 Ciência dos Materiais História e Perspectivas Materiais: presentes em nosso dia-a-dia;

6 engajados em nossa cultura;

7 intimamente relacionados com a ascensão do homem:» Idade da pedra:» Idade do ferro:» Idade do bronze:

8 Civilizações antigas:» materiais naturais: Pedra, madeira, argila, peles(couro), etc... Evolução:» Materiais naturais poderiam ser tratados originando outros com propriedades melhores.

9 O que são materiais? Uma parte da matéria no universo; São as substâncias cujas propriedades as tornam utilizáveis em estruturas, máquinas, dispositivos ou produtos consumíveis. Ciência e Engenharia de Materiais (CEM): é a área da atividade humana associada com a geração e com a aplicação de conhecimentos que relacionem composição, estrutura e processamento dos materiais às suas propriedades e aplicações. a CEM, em conjunto, formam uma ponte de conhecimentos sobre materiais, que liga as ciência básicas às diversas especialidades de engenharia. Ciência dos Materiais: visa essencialmente a descoberta de conhecimentos fundamentais sobre os materiais.

10 Engenharia de Materiais: se dedica principalmente à aplicação desses conceitos. Se desejarmos realçar a parcela da Ciência dos Materiais neste espectro, devemos agir no sentido de entender a natureza dos materiais, estabelecendo teorias ou descrições que relacionem a estrutura com a composição, propriedades e comportamento. A Engenharia de Materiais, por seu turno, sintetizará e empregará, tanto os conhecimentos fundamentais quanto os empíricos, no sentido de desenvolver, preparar, modificar e aplicar os materiais que atendam às exigências.

11 Ciência dos Materiais é um empreendimento com propósitos que alcançam desde o micromundo dos átomos e dos elétrons até o gigantesco macromundo material com funções e serviços que apóiem o homem na busca das soluções para os problemas da sociedade; sentido mais amplo: éumamultidisciplina que abraça (mas não substitui) algumas disciplinas: metalurgia e cerâmicos; física do estado sólido e química orgânica. Há, por certo, muitos cientistas e engenheiros que são especialistas em materiais - metalurgistas, ceramistas e químicos especializados em polímeros - inteiramente envolvidos com a Ciência e Engenharia de Materiais. Um importante registro assinala que a cada seis horas do trabalho profissional de qualquer outro tipo de engenheiro, pelo menos uma hora ele lida diretamente com materiais e sua utilização. Para físicos e químicos as frações são bem mais altas.

12 Estrutura Propriedades Desempenho Processamento Ciência e Entendimento Básico Necessidades e Experiências Sociais Conhecimento Científico Conhecimento Empírico

13 METAIS POLÍMEROS COMPÓSITOS CERÂMICAS VIDROS

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15 Classificação dos Materiais Os materiais são agrupados em três grupos principais, baseados em princípios químicos e na estrutura: Metais:» Materiais metálicos são normalmente uma combinação de elementos metálicos;» Possuem elétrons livres;» Bons condutores de eletricidade e calor;» Não transparentes;» Muito resistentes;» Facilmente deformáveis. Aplicações

16 Cerâmicas:» Composições de elementos metálicos e não metálicos;» Óxidos, nitretos e carbetos;» Argilas, cimento e vidro;» Normalmente isolantes;» Duros e quebradiços;» Resistente a altas temperaturas Aplicações

17 Aplicações Polímeros:» Plásticos, borrachas e adesivos;» Compostos orgânicos baseados em carbono, hidrogênio e outros elementos não metálicos;» Produzidos pela criação de grandes estruturas moleculares a partir de moléculas orgânicas;» Baixa condutividade elétrica;» Baixa resistência à temperatura.

18 Em adição, existem outras categorias de importância que consistem na combinação destes tipos de materiais: Compósitos: Aplicações» Formados por dois ou mais tipos de materiais.

19 Compósitos de fibras reforçadas (fibras de carbono em matriz polimérica) utilizados na estrutura de bicicletas. Partes do corpo de carros de corrida, e de alguns veículos comuns, são feitos de fibras de vidro em matriz polimérica.

20 Semicondutores:» Possuem propriedades elétricas intermediárias entre condutores e isolantes;» Sensíveis à presença de impurezas. Aplicações

21 Nanomateriais:» São materiais contendo cristais ou clusters de átomos com dimensões da ordem do nanômetro, que corresponde a uma escala intermediária entre o átomo isolado e o material macroscópico. Aplicações

22 Biomateriais:» São materiais biológicos que são implantados no corpo humano. Aplicações:

23 O projeto de James Auger e Jimmy Loizeau, pesquisadores do Laboratório de Mídia do Massachusetts Institute of Technology -MIT em Dublin, na Irlanda, desenvolveu um dente que pode ser usado para receber sinais de um telefone celular. O dispositivo é apenas um conceito e sequer um protótipo foi construído. Segundo Auger, é necessário esperar que haja interesse comercial na idéia.

24 Existem várias propriedades que devem ser levadas em consideração no desenvolvimento de materiais e/ou alternativas de processo e aplicações: Econômicas Mecânicas Superficiais Fabricação Físicas e Químicas Microestruturais Estéticas

25 FUNÇÃO MATERIAL FORMA PROCESSO

26 Propriedades Econômicas Preço Custos Financeiros Valor de Mercado Incentivos Fiscais Disponibilidade Fornecedores Alternativos Materiais com Propriedades Equivalentes Atualização Tecnológica Ciência e Tecnologia Evoluem Rapidamente! Necessário Estudo Permanente

27 Propriedades Mecânicas Resistência Dureza Ruptura Fadiga Escoamento (início da deformação plástica) Fluência (processo lento de deformação, depende da temperatura e tempo) Desgaste, etc.

28 Propriedades Superficiais Corrosão Desgaste Abrasão Adesão Erosão Revestimento

29 Propriedades de Fabricação Usinagem Soldagem Colagem Fundição Conformação Acabamento METALURGIA DO PÓ As peças são produzidas a partir de pequenas partículas na forma de pó, aquecidas sob pressão dentro de uma matriz, abaixo da temperatura de fusão. Este processo de consolidação é chamado de Sinterização

30 Propriedades Físicas e Químicas Elétricas (resistência, piezo e termoeletricidade) Magnéticas Óticas (cor, transparência, refração, absorção) Térmicas Dilatação Durabilidade Química

31 Propriedades Microestruturais Tipo (cristalina, cadeias, amorfa) Cristalização (CFC, CCC, HC,...) Defeitos (discordâncias, vazios) Fases Solubilidade Tratamentos Térmico Dendrites numa superliga à base de níquel

32 Propriedades Estéticas São propriedades que variam muito com o tempo e são difíceis de quantificar, mas têm grande valor econômico. Aparência Textura Tato Jeito Moda