UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

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1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM INTRODUÇÃO CMA CIÊNCIA DOS MATERIAIS (04 Créditos - Obrigatória) 2º Semestre de 2014 Prof. Júlio César Giubilei Milan

2 Materiais Importância dos materiais. Civilizações antigas foram designadas pelo nível de conhecimento em relação aos materiais (idade da pedra, AC, idade do bronze, AC, idade do ferro, 1000 AC...). Primeiros seres humanos materiais que ocorrem naturalmente (pedras, madeira, argila, peles, etc.) Com o tempo técnicas para produção de materiais cerâmicas e vários metais. Descoberta que as propriedades podem ser alteradas por tratamentos térmicos e pela adição de outras substâncias.

3 Materiais Nesta época apenas seleção de materiais. Recentemente (cerca de 100 anos) entendimento das relações entre elementos estruturais dos materiais e suas propriedades. Dezenas de milhares de materiais desenvolvidos com características específicas (metais, plásticos, vidros, fibras). Avanço no entendimento precursor progressão da tecnologia. Aços nos automóveis. Semincondutores nos produtos eletrônicos.

4 Desenvolvimento dos materiais no tempo. Os materiais da pré história, a esquerda, ocorriam naturalmente; o desafio para os engenheiros daquela época era dar forma aos materiais. O desenvolvimento da termoquímica e da química de polímeros possibilitou materiais feitos pelo homem, mostrado nas regiões coloridas.

5 Materiais Ciência de materiais. estuda a relação entre estrutura e propriedades. Engenharia de materiais. com base nestas correlações estrutura-propriedade, envolve o projeto ou desenvolvimento da estrutura de um material para produzir um conjunto predeterminado de propriedades.

6 Ciência e Engenharia de Materiais Cientista de materiais. desenvolver ou sintetizar novos materiais Engenheiro de materiais. criar novos produtos ou sistemas utilizando materiais existentes e/ou desenvolver técnicas de processamento de materiais

7 Ciência e Engenharia de Materiais Estrutura. Arranjo dos componentes internos Subatômico interações de elétrons com núcleo Atômico organização de átomos e moléculas

8 Ciência e Engenharia de Materiais Propriedade. Tipo e magnitude da resposta a um estímulo específico Mecânicas (módulo de elasticidade, resistência, tenacidade); Elétricas (condutividade elétrica, constante dielétrica); térmicas (capacidade calorífica, condutividade térmica); magnética (resposta a um campo magnético); ótica (índice de refração, refletividade); de deteriorização (reatividade química dos materiais).

9 Ciência e Engenharia de Materiais componentes importantes Processamento Desempenho Processamento Estrutura Propriedades Desempenho O quatro componentes da disciplina da ciência e engenharia dos materiais e seu interrelacionamento linear.

10 Fotografia mostrando a transmitância à luz de três amostras de óxido de alumínio. Da esquerda para direita: Material monocristalino, que é transparente; Material policristalino e completamente denso (não poroso), que é translúcido; Material policristalino que contém aproximadamente 5 % de porosidade, que é opaco.

11 Por que estudar Ciência e Engenharia de Materiais? Cientistas experimentais e/ou engenheiros expostos a problemas de projetos que envolva materiais; Seleção de material adequado; Deterioração de propriedades durante serviço; Considerações econômicas; material e processamento

12 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS Materiais sólidos convencionalmente agrupados em três classes (composição química e estrutura atômica): Metais Cerâmicas Polímeros Fe, Au, Al, Cu, Aço (liga Fe, C), latão (liga Cu, Zn) vidros, argila, cimento) plásticos, polietileno, nylon, epoxi Adicionalmente: Compósitos (combinações de dois ou mais materiais diferentes) fibra de vidro, concreto, madeira Materiais avançados (usados em aplicações de alta tecnologia) (biomateriais, semicondutores, materiais inteligentes, materiais nanoengenheirados)

13 METAIS São compostos de um ou mais elementos metálicos (Fe, Al, Cu, Ti, Au, Ni) e frequentemente um não metálico (C, N, O) Propriedades básicas: Átomos arranjados de forma ordenada; Relativamente densos; Rígidos e resistentes; Deformáveis (dúcteis e não quebradiços frágeis); Superfície metálica; Bons condutores de eletricidade.

14 OS METAIS NA TABELA PERIÓDICA

15 METAIS Objetos familiares fabricados a partir de metais e ligas metálicas.

16 CERÂMICAS São compostos formados entre elementos metálicos e não metálicos (óxidos, nitretos e carbetos) Al 2 O 3, SiO 2, SiC, Si 3 N 4. Cerâmicas tradicionais minerais argilosos (porcelana, vidro, cimento) Propriedades básicas: Altamente resistentes a temperatura (refratários); Menos densos que os metais; Fortes e rígidos; Frágeis; Isolantes; Podem ser transparentes.

17 AS CERÂMICAS NA TABELA PERIÓDICA Cerâmicas são formadas por combinações de metais com os elementos C, O, N, P, e S. Si e Ge são semicondutores mas são usados em cerâmicas na forma equivalente aos metais

18 CERÂMICAS Faca de material cerâmico. Objetos comuns produzidos a partir de materiais cerâmicos. Ferramenta de usinagem de materias cerâmicos.

19 POLÍMEROS Incluem materiais plásticos e de borracha. Muitos são compostos orgânicos baseados no C, H e outros elementos não metálicos (como O, N e Si). Possuem estruturas moleculares grandes. Polietileno (PE), nailon, cloreto de polivinila (PVC), policarbonato (PC), poliestireno (PS) e borracha de silicone.

20 POLÍMEROS Propriedades básicas: São sintéticos feitos pelo homem; Densidade reduzida; Altamente moldáveis; Muitos são extremamente dúcteis e flexíveis; Formados pela combinação de unidades meros; São formados por um número bem limitado de elementos C e H, O (acrílicos), N (nailon), F (fluorplásticos), Si (silicones), Maior desvantagem: amolecem e/ou se decompoe em temperaturas relativamente baixas.

21 OS POLÍMEROS NA TABELA PERIÓDICA

22 POLÍMEROS Faca de material cerâmico. Vários objetos comuns feitos a partir de materiais poliméricos. Polímero natural.

23 COMPÓSITOS Compostos de dois (ou mais) materiais individuais das classes já discutidas (metais, cerâmicos, polímeros). Visa atingir uma combinação de propriedades dos componentes. Alguns ocorrem naturalmente (madeira, osso), mas a maioria é sintético (fibra de vidro). Outro exemplo é o polímero reforçado com fibra de carbono (aeronaves, aplicações aeroespaciais, equipamentos esportivos de alta tecnologia bicicletas, tacos de golfe, raquetes de tênis, esquis e pranchas de snowboard)

24 COMPÓSITOS Fibra de vidro Fibra de carbono Veículo de linha fabricado em fibra de vidro Madeira Concreto

25 Massa específica Gráfico de barras dos valores de massa específica à temperatura ambiente para vários materiais metálicos, cerâmicos, polímeros e compósitos.

26 Rigidez Gráfico de barras dos valores de rigidez (módulo de elasticidade) à temperatura ambiente para vários materiais metálicos, cerâmicos, polímeros e compósitos.

27 Resistência Gráfico de barras dos valores de resistência (limite de resistência à tração) à temperatura ambiente para vários materiais metálicos, cerâmicos, polímeros e compósitos.

28 Tenacidade Gráfico de barras da resistência à fratura (tenacidade à fratura) à temperatura ambiente para vários materiais metálicos, cerâmicos, polímeros e compósitos.

29 Condutividade Elétrica Gráfico de barras das faixas de condutividade elétrica à temperatura ambiente para vários materiais metálicos, cerâmicos, polímeros e semicondutores.

30 Propriedades cerâmicas x metais Comparação da resistência entre cerâmicas finas e metais Comparação da densidade específica entre cerâmicas finas e metais

31 MATERIAIS AVANÇADOS Materiais que são utilizados em alta tecnologia algumas vezes são chamados de materiais avançados. Alta tecnologia dispositivos ou produtos que operam ou funcionam utilizando princípios relativamente complexos e sofisticados (câmeras de vídeo, CD/DVD players), computadores, sistemas de fibras óticas, espaçonaves, etc... Podem ser de todos os tipos (metais, cerâmicos, polímeros). Normalmente são caros.

32 MATERIAIS AVANÇADOS Incluem: Semicondutores, Biomateriais, Materiais inteligentes, Nanomateriais, Exemplos de aplicação: Materiais usados em lasers, Circuitos integrados, Armazenamento magnético, Mostradores de cristal líquido, LCD, Fibras óticas.

33 MATERIAIS AVANÇADOS - Semicondutores Possuem propriedades elétricas intermediárias entre aquelas dos condutores e isolantes. Sensíveis a presença de mínimas concentrações de átomos de impurezas. Características: Todos componentes eletrônicos dos computadores, Condutividade finamente controlada pela presença de impurezas - dopantes, Podem ser combinados entre si para gerar propriedades eletrônicas e óticas sob medida, São a base da tecnologia opto-eletrônica, lasers, detetores, circuitos integrados óticos e células solares.

34 OS SEMICONDUTORES NA TABELA PERIÓDICA Quando combinados entre si, (coluna III-V e II-IV) os metais assumem propriedades semicondutoras.

35 MATERIAIS AVANÇADOS - Biomateriais Materiais empregados em componentes implantados no corpo humano. Características: não podem produzir substâncias tóxicas, devem ser compatíveis com tecidos do corpo, cerâmicos, metais, polímeros, compósitos e semicondutores.

36 MATERIAIS AVANÇADOS Materiais do futuro Materiais inteligentes: capazes de sentir mudanças no seu ambiente e responder a estas mudanças, sensor-atuador (mudar forma, a posição, frequencia natural, características mecânicas em resposta a mudança de temperatura, campo elétrico, campo magnético, etc...), ligas com memória de forma após deformados, retornam a forma original quando submetidos a variação de temperatura, cerâmicas piezoelétricas expandem e contraem em resposta à um campo elétrico, magneto-constritivos respondem a campo magnético, fluidos eletroreológicos/magnetoreológicos sofrem mudanças drásticas na viscosidade quando aplicados campos elétricos e campos magnéticos.

37 MATERIAIS AVANÇADOS Nanomateriais Qualquer um dos quatro tipos básicos de materiais com dimensões da ordem do nanometro (10-9 ) como regra, menor que 100 nm.

38 Estruturas e propriedades As propriedades dos materiais dependem da estrutura em escala atômica, como os átomos estão organizados Al estrutura cúbica Fe

39 Estruturas e propriedades As propriedades dos materiais da microestrutura em escala intermediária. como os microconstituintes estão organizados

40 Liga Al-Si Latão Cu-Zn Liga Fe-C aço 1020 Liga Fe-C aço 1045 Liga Fe-C fofo

41 - Estruturas e propriedades

42 SELEÇÃO DE MATERIAIS Recipientes para bebidas carbonatadas Seleção do material adequado (requisitos): barreira a passagem do gás carbônico, sob pressão, atóxico e inerte com a bebida e reciclável, resistente a quedas de 1 m quando cheio, baixo custo do material e de fabricação, transparente colorido e ou adornado,?

43 SELEÇÃO DE MATERIAIS Recipientes para bebidas carbonatadas Seleção do material adequado: Qual o material mais adequado? Metal, Cerâmica ou Polímero?

44 SELEÇÃO DE MATERIAIS Recipientes para bebidas carbonatadas

45 SELEÇÃO DE MATERIAIS Cilindros de armazenamento de gases Requisitos: resistir a altas pressões (14 MPa):

46 SELEÇÃO DE MATERIAIS Vazo de pressão de uma aeronave Requisitos: resistir a altas pressões custo é menos importante que a funcionalidade preferível material leve e forte mesmo sendo caro

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