Objetivos. Classificação dos materiais Ciência dos Materiais. Leitura complementar. Materiais de construção x Ciência dos Materiais

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1 Microestrutura dos materiais Noções básicas Objetivos melhor compreensão base científica avaliação das propriedades desenvolvimento ao longo do tempo durabilidade fadiga deformação lenta Leitura complementar ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulos 6 e 7. Classificação dos materiais Ciência dos Materiais metais (ferrosos e não ferrosos) cerâmica (vidro, concreto e cerâmica) condutores e supercondutores polímeros (madeira, betumes, resinas, plásticos, borrachas) compósitos (fibra + polímero, fibra + matriz cimentícia) biomateriais materiais especiais (alto desempenho) Materiais de construção Materiais de construção x Ciência dos Materiais 1. metais não estruturais (alumínio, cobre, entre outros) 2. aço para concreto armado e alvenaria estrutural 3. aço para estruturas metálicas 4. solo como material de construção (ex. terra crua, solo-cimento, solo-cal) 5. rocha para revestimento (mármore e granito) 6. agregados para concretos e argamassas 7. cimento Portland 8. cimentos especiais com base mineral 9. cal 10. gesso 11. argamassas 12. concreto de cimento Portland 13. produtos a base de cimento 14. cerâmica vermelha 15. cerâmica para acabamentos e aparelhos (ex. louças) 16. materiais para alvenaria estrutural 17. materiais refratários e abrasivos 18. vidro 19. madeira para acabamentos 20. madeira como material estrutural 21. plásticos 22. tintas, hidrofugantes e vernizes 23. sistemas de impermeabilização e isolamento térmicos 24. borrachas, mastiques e selantes 25. materiais betuminosos 26. compósitos de matriz polimérica 27. fibrocimento 28. resíduos, fibras naturais e materiais alternativos 29.novos materiais 1. metais não estruturais (alumínio, cobre, entre outros) 2. aço para Materiais concreto armado Metálicos e alvenaria estrutural 3. aço para estruturas metálicas 4. solo como material de construção (ex. terra crua, solo-cimento, solo-cal) 5. rocha para revestimento (mármore e granito) 6. agregados para concretos e argamassas 7. cimento Portland 8. cimentos especiais com base mineral 9. cal Materiais Cerâmicos 10. gesso 11. argamassas 12. concreto de cimento Portland 13. produtos a base de cimento 14. cerâmica vermelha 15. cerâmica para acabamentos e aparelhos (ex. louças) Materiais Cerâmicos 16. materiais para alvenaria estrutural 17. materiais refratários e abrasivos 18. vidro 19. madeira para acabamentos 20. madeira como material estrutural 21. plásticos 22. tintas, hidrofugantes e vernizes Materiais Poliméricos 23. sistemas de impermeabilização e isolamento térmicos 24. borrachas, mastiques e selantes 25. materiais betuminosos 26. compósitos de matriz polimérica Materiais Compósitos 27. fibrocimento 28. resíduos, fibras naturais e materiais Novos alternativos materiais e materiais mais 29. novos materiais sustentáveis 1

2 ... Sistemas Sistemas de vedações verticais (paredes) Sistemas de vedações horizontais (forros e coberturas) Sistemas de revestimentos e acabamentos Sistemas estruturais Sistemas de pintura e proteção Sistemas de impermeabilização Sistemas de isolamento térmico e acústico Sistemas de instalações prediais Classificação dos materiais (Eng. de materiais) Aplicação materiais para vedações materiais para revestimentos materiais para cobertura materiais estruturais materiais para pintura e proteção materiais para impermeabilização... Microestrutura Forma como os componentes internos dos materiais se arranjam. Várias formas/níveis de estudo da estrutura do material em função do que se pretende analisar. Objetivos: entender e obter propriedades desejadas. Princípio básico O comportamento do material depende da microestrutura Níveis de estudo Sub-atômico (Å) átomo microscopia eletrônica de tunelamento Atômico (ηm - µm) moléculas, cristais Difração de raios X Microscopia eletrônica de varredura Níveis de estudo Microscópico (mm-mm) fases, partículas microscópios ótico e de varredura ensaios físicos Macroscópico (>mm) todo o material ensaios mecânicos 2

3 Propriedades x nível de estudo Sub-atômico (condutividade elétrica e propriedades térmicas) Atômico (ligações interatômicas e estado de agregação da matéria) Microscópico (caracterísitica do material em função do arranjo) Macroscópico (medida de propriedades médias do material) Estrutura do átomo Massa esta concentrada no núcleo. Núcleo ocupa pequena parte do volume total do átomo! Eletrosfera ocupa maior parte do volume. Eletrosfera tem pouca massa! Estrutura do átomo Forças interatômicas núcleo nuvem de elétrons Força atração repulsão 0 0 F a F r distância interatômica (α) α' atração + repulsão ligação Átomo x esforços mecânicos Eletrosfera deformável Compressão aproxima os núcleos Tração afasta os núcleos Elasticidade Esforço >> força de ligação Ruptura das ligações Ruptura do material Ligações iônica atração eletrostática perda de elétrons + ganho de elétrons - não direcional sólido solúveis (solv. polares) exemplos: CaCl 2 - NaCl 3

4 Ligações covalente elétrons compartilhados nos orbitais direcional exemplo: polímeros metálica elétrons livres não direcional + compacta propriedades plásticas condutores exemplo: metais Forças de Van der Waals ligações secundárias aglutinam molécula efeitos dipolo moléculas polarizadas por indução ou permanentes efeitos de dispersão oscilação de pares de elétrons Exemplo: pontes de hidrogênio Energia de ligação (energia mínima para criar ou quebrar ligações) Tipo predominante de ligação x material Ligações x materiais 4

5 Estruturas dos sólidos Sólidos moleculares formas com que os átomos se organizam Molécula molecular molecular cristalina cristalina vítrea vítrea ou ou amorfa amorfa Grupos de átomos c/ forte ligação Deformação Exemplo: Sólido moléculas c/ ligação fraca ordem simetria repetição estáveis planos de clivagem Anisotrópicos iônicos ou covalentes alto ponto de fusão resistentes duros Exemplo: Metais cristalinos vítreos Sólidos Cristalinos Sólidos cristalinos Betumes e alguns polímeros (algumas resinas) Podem ser moléculas deslizam moleculares Exemplo: ferro, aço, compostos do cimento e da pasta, areia, granito) moles baixo ponto de fusão > expansão térmica polietileno Exemplos de arranjos cristalinos Sólidos vítreos ou amorfos ausência de: ordem simetria ponto de fusão balanço elétrico isotrópicos menos estáveis Ex. pozolanas, escória alguns vidros Escória de alto-forno cadeia básica (Si e O) modificadores (Ca, Na, Fe, Al,...) 5

6 Sólidos vítreos ou amorfos Sólidos vítreos ou amorfos pozolana escória de alto-forno Sólidos vítreos e cristalinos Estrutura dos sólidos x nível de energia cerâmica Propriedades X cristalinidade Material mais cristalino Maior dureza Maior resistência Maior rigidez (polímeros) Menor reatividade (até certo ponto) Maior durabilidade Material mais amorfo Maior flexibilidade Maior reatividade Maior rigidez (alumínio) Maior resistência (ligas metálicas) Menor durabilidade Fases, soluções e dispersões fase: parte homogênea superfícies definidas sistema heterogêneo Ex. clínquer Portland solução sistema homogêneo soluto (dissolvido) solvente (o que dissolve) dispersão solução de 2 fases gel (solução coloidal) pasta emulsão substâncias imiscíveis espumas 6

7 Materiais estruturais polifásicos Importância dos defeitos Agregados Argamassas Concreto Alguns compósitos Metais porosidade relação água/cimento relação água/gesso fissuras falhas cristalinas interfaces Resistência Relativa Volume de Poros (%) (Neville, 1983) Importância dos defeitos Movimentação iônica X defeitos Naturais = f(resfriamento) Induzidos ligas metálicas (Ex.: Al) Reatividade = f(nível de cristalização) Resistência = f(nível de cristalização) Leitura complementar ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulos 6. Leitura Complementar Microestrutura dos materiais metálicos ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulo 10. 7

8 Ligas ferrosas Ligas não ferrosas Cobre Resistência à corrosão Não suporta tratamento térmico Ex. Latão (zinco como impureza) Microestrutura dos materiais cerâmicos Alumínio Baixa densidade, alta condutibilidadde elétrica e térmica Resistência à corrosão Baixa temperatura de fusão Tratamento a frio melhora a resistência e piora a corrosão 8

9 Leitura complementar ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulo 11. 9

10 Características dos Materiais Cerâmicos dificuldade de cristalização (estruturas cristalinas mais complexas); alta dureza; resistência mecânica (maior resistência à compressão do que à tração); ruptura frágil; estabilidade química e térmica (alto ponto de fusão), e baixa condutibilidade elétrica e térmica. Transdutores elétricos Refratária, isolante elétrica e abrasiva Características elétricas e magnéticas 10

11 Material refratário e lubrificante Ligações covalentes e iônicas 11

12 12

13 13

14 Microestrutura dos materiais poliméricos 14

15 Leitura Complementar ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulo

16 (C 2 H 4 ). Ex. Metano (CH 4 ) Ex. Acetileno (C 2 H 2 ) 16

17 Exemplos (Butadieno estireno) Dispersões poliméricas Butilacrilato e estireno: modificações de ligantes hidráulicos e adesivos; Acrílico-estireno: fabricação de tintas látex, fibras, massas de recobrimento e recobrimento de tecidos; Acrilato-estireno: modificações de ligantes hidráulicos e preparação de recobrimentos flexíveis; Termopolímero acrílico-estireno-butadieno: fabricação de massas de recobrimento. 17

18 Aplicações de polímeros termoplásticos Aplicações de polímeros termorígidos Vulcanização (ligações cruzadas) 18

19 Elastômeros:propriedades e aplicações Plásticos Fibras Prolipropileno Náilon Poliéster Poliamida Polietileno Celulose Kevlar Cristalinidade dos polímeros Compostos de macromoléculas, o que restringe a cristalização. É preciso que a estrutura das cadeias seja regular. Muito difícil em meros complexos ou ramificados. Polímeros cristalinos e amorfos Teste T2, 07/07 Teste T2, 07/07 (aulas e leitura dos cap. 6, 10, 11 e 12, duração 1,5h, individual, sem consulta) Microestrutura dos materiais: noções básicas Microestrutura dos Materiais Metálicos Microestrutura dos Materiais Cerâmicos Microestrutura dos polímeros 19

20 Aula do dia 07/07 Teste Materiais e sustentabilidade Prova Final (14/07) Toda a matéria Exercício cio 1: Leitura Individual Individual (a ser realizada na semana de engenharia) ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulos 1 e 5. Entregar no início da aula (28/04) resumo (máximo 5 páginas). Exercício 2a (17/03, até 02 alunos, 60 minutos, durante a aula) O que é concreto de alto desempenho? Como ele se enquadra dentro dos desafios e tendências dos materiais de construção? Como situar a ciência de materiais e a engenharia de materiais neste caso específico? Exercício 2b (entrega no dia 24/03, pesquisa individual) O que é concreto de alto desempenho? Como ele se enquadra dentro dos desafios e tendências dos materiais de construção? Como situar a ciência de materiais e a engenharia de materiais neste caso específico? 20

21 Exercício 3 (entrega e apresentação em 10 a 15 minutos no dia 28/04, 14:00-18:00, até 02 alunos) Pesquise e selecione 2 (duas) tendências na área de materiais de construção civil (sorteio de grupo), oferecer ênfase em aplicação de princípios de ciência dos materiais Exercício 4 (aula do dia 05/05, individual, 40minutos) Aponte 2 (duas) tendências na área de materiais de construção civil em 3 (três) sistemas, dando ênfase em aplicação de princípios de ciência dos materiais Exercício 5a (aula 24/03, até 2 alunos) Conceitue e diferencie : Dutilidade, tenacidade Materiais dúteis, materiais frágeis Material duro, material resistente à compressão Deformações elásticas, deformações plásticas Resistência mecânica, resistência química Exercício 5b (aula 28/04, pesquisa individual, texto escrito) Conceitue e diferencie : Dutilidade, tenacidade Materiais dúteis, materiais frágeis Material duro, material resistente à compressão Deformações elásticas, deformações plásticas Resistência mecânica, resistência química Exercício 6: Leitura Individual ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulos 4, 8, 13. Fazer nas aulas do dia 14/04 e 21/04 (14:00-18:00), entregar no início da aula (28/04) resumo (máximo 5 páginas). Exercício 7: Leitura Individual Entregar no início da aula (12/05) resumo (máximo 6 páginas). ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulos 2 e 3. 21

22 AULA 19/05 Revisão de propriedades Discussão de resultados de laboratório Exercício 8: Microestrutura x propriedades (Texto escrito + apresentação 15 minutos em 26/05, 14:00-18:00 (02/06, se necessário,14:00-18:00), até 2 alunos) 1. metais não estruturais (alumínio, 13. vidro Jaqueline e Mariana cobre, entre outros) Simone e Lhais 14. madeira (acabamentos e material 2. aço para concreto armado e alvenaria estrutural) Rafael e Pedro estrutural Renan e Hedjaz 15. plásticos Vinicius e Miguel 3. aço para estruturas metálicas Alvaro e 16. tintas, hidrofugantes e vernizes Maxwell Alex e Pedro 4. rocha para revestimento (mármore e 17. sistemas de impermeabilização e granito) Caio e Vinicius 5. agregados para concretos e argamassas Layla e Letícia 6. cimento Portland Filipe e Marco 7. cimentos especiais com base mineral Luiz Fernando e Marcos 8. cal Guilherme Schulzs e Paulo Octávio 9. gesso Camila 10. argamassas Mariana e Clarice 11. concreto de cimento Portland Lucas e Marcelo 12. cerâmica vermelha e louças Julyana e Vitor isolamento térmicos Camila e Raphael 18. borrachas, mastiques e selantes Carolina e Eliza 19. materiais betuminosos Eugênio e Nathalia 21. compósitos de matriz polimérica Jonathan e Naycou 22. fibrocimento e outros produtos a base de cimento Dayane e Júlia 23. Resíduos, fibras naturais e materiais alternativos Felipe e Mateus 24 Novos materiais de construção Rubya e Júlio Aula 26/05 Discussão de resultados de laboratório Revisão de desempenho Início da apresentação de trabalho Exercício 9: Leitura Individual Entregar no início da aula (02/06) resumo (máximo 10 páginas). ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulos 6 e 7. Aula 02/06 Estrutura dos materiais Teste T1, 09/06 Teste T1, 09/06 (aulas e leitura dos cap. 02, 04, 05, 08, 13, duração 1,5h, Início 15h, individual, sem consulta) Propriedades Desempenho Critérios para a seleção de materiais 22

23 Exercício 10 (2 alunos, aula do dia 09/06, com consulta, início 16:40) Levante mecanismos de deterioração e requisitos de desempenho em serviço a serem observados por ocasião da especificação e da seleção de materiais nos sistemas externos (não importa o material!!!) de um edifício residencial de Vitória (proximidade ao mar, Tambiente = 35 o C, UR=85%, ventos, proximidade a indústrias).. Justifique. Sistemas do Exercício 10 Sistemas de vedações verticais Sistemas de vedações horizontais (forros e coberturas) Sistemas de revestimentos e acabamentos Sistemas estruturais Sistemas de pintura e proteção Sistemas de impermeabilização Sistemas de isolamento térmico e acústico Sistemas de instalações prediais... Materiais do exercício metais não estruturais (alumínio, cobre, entre outros) 2. aço para concreto armado e alvenaria estrutural 3. aço para estruturas metálicas 4. rocha para revestimento (mármore e granito) 5. agregados para concretos e argamassas 6. cimento Portland 7. cimentos especiais com base mineral 8. cal 9. gesso 10. argamassas 11. concreto de cimento Portland 12. cerâmica vermelha 13. vidro 14. madeira (acabamentos e material estrutural) 15. plásticos 16. tintas, hidrofugantes e vernizes 17. sistemas de impermeabilização e isolamento térmicos 18. borrachas, mastiques e selantes 19. materiais betuminosos 21. compósitos de matriz polimérica 22. fibrocimento e outros produtos a base de cimento 23. Resíduos, fibras naturais e materiais alternativos 24 Novos materiais de construção Aula de 16/06 (ATENÇÃO) 14:00-15:40 Moldagem de corpos-de-prova no LEMAC, Prof. Avancini (Alex a Eliza (T0) e de Filipe a Lucas (T1)) 16:00-17:40 Moldagem de corpos-de-prova no LEMAC, Prof. Avancini (Luiz Fernando a Pedro Pereira (T2) e Pedro Kfuri a Vitor Brandão (T3) Microestrutura (Lab. de Microestrutura, CTIII, Prof. Flávio) T3 de 14:30-15:10 T2 de 15:15-15:55 T1 de 16:00-16:40 T0 de 16:45-17:30 Aula de 23/06 (ATENÇÃO) 14:00-15:00 Aglomerante (LEMAC), Prof. Avancini, de Alex a Jonathan 15:00-18:00 Sala do CT1 (Prof. Florindo), caracterização Ambiental Aula 25/06 (ATENÇÃO) 16:00-17:00 Aglomerante (LEMAC), Prof. Avancini, de Julia Nascimento a Pedro Pereira 23

24 Aula 26/06 (ATENÇÃO) 16:00-17:00 Aglomerante (LEMAC), Prof. Avancini, de Rafael Cosmo a Vitor Aula 30/06 (ATENÇÃO) 14:00-15:00 Agregados, LEMAC, de Alex a Jonathan 15:00-18:00 Estrutura e propriedades, CT1. Aula 02/07 (ATENÇÃO) 16:00-17:00 Agregados, LEMAC, de Julia Nascimento a Pedro Pereira Aula 03/07 (ATENÇÃO) 16:00-17:00 Agregados, LEMAC, de Rafael Cosmo a Vitor Exercício cio 11: Leitura Individual Microestrutura dos materiais metálicos Entregar no início da aula (30/06) resumo (máximo 5 páginas). ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulo 10. Exercício cio 12: Leitura Individual Microestrutura dos polímeros Entregar no início da aula (30/06) resumo (máximo 5 páginas). ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulo

25 Exercício cio 13: Leitura Individual Microestrutura dos materiais Cerâmicos Entregar no início da aula (30/06) resumo (máximo 5 páginas). ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulo 12. Teste T2, 07/07 (aulas e leitura dos cap. 6, 10, 11 e 12, duração 1,5h, individual, sem consulta) Microestrura dos materiais: noções básicas Microestrutura dos Materiais Metálicos Microestrutura dos Materiais Cerâmicos Microestrutura dos polímeros Aula do dia 07/07 Teste Materiais e sustentabilidade Prova Final (14/07) Toda a matéria 25