Ciência e Tecnologia de Materiais ENG1015

Transcrição

1 1 Ciência e Tecnologia de Materiais ENG DEMa - Depto. de Engenharia de Materiais última atualização em 10/02/2014 por sidnei@puc-rio.br

2 Estrutura do Curso 2 Introdução: Os materiais na engenharia Base teórica Estudos de Caso => Aplicações Tecnológicas Modernas Materiais Estruturais Estudo 1 - Aços Especiais Estudo 2 - Compósitos Materiais Funcionais Estudo 3 - Semicondutores para Dispositivos Ópticos e Eletrônicos Livro Texto W.D.Callister, Ciência e Engenharia de Materiais Uma Introdução, LTC.

3 3 Controle de Faltas/Critério de Aprovação Presença obrigatória Número máximo de faltas = 5 aulas Se o aluno exceder este número estará Reprovado por Faltas, independente das notas das provas Critério de Aprovação Critério 3, da PUC-Rio Duas provas, G1, G2 => Média = (G1+G2)/2 Se G2 <3,0, então Média = (G1+3G2)/4 Se Média 5,0 => AP Caso contrário => RM Provas (organizadas pelo CB/CTC) G1 07/04/2014, segunda-feira, de 17 às 18:50 horas G2 24/06/2014, terça-feira, de 17 às 18:50 horas Segunda chamada Alunos que perderem uma das provas podem solicitar segunda chamada, seguindo as regras normais da DAR. A segunda chamada será realizada após a G2 e cobrará toda a matéria, independente de qual prova o aluno deixou de fazer.

4 4 INTRODUÇÃO Os Materiais na Engenharia Livro Texto - Capítulo 1

5 Ciência e Engenharia de Materiais 5 O que é Ciência e Engenharia dos Materiais? É o estudo, a caracterização e a classificação dos Materiais Classificação Funcional dos Materiais Aerospacial, biomédica, eletrônica, energia, estrutural, fotônica ou óptica Classificação de materiais com base na estrutura Estrutura da rede cristalina, monocristal, policristal, tamanho e orientação do grão, amorfo Efeitos Ambientais e Outros Temperatura, Corrosão, Fadiga, Taxa de deformação Design e Seleção de Materiais Densidade e resistência específica

6 As Classes de Materiais 6 Metais Cerâmicas Polímeros Compósitos Semicondutores

7 Metais 7 Características básicas Resistentes (suportam tensões elevadas antes de romper) Dúcteis (deformam antes de romper) Superfície metálica Bons condutores de corrente elétrica e de calor

8 Metais na Tabela Periódica 8 Aços Ferros Fundidos Metais Não Ferrosos

9 Cerâmicas e vidros 9 Propriedades básicas alto ponto de fusão & estabilidade térmica (refratários) são isolantes térmicos e elétricos são frágeis (rompem sem deformar) podem ser transparentes Exército de terracota China 200 a.c. Cerâmica super isolante térmica Bulbo transparente de vidro Cilindro translúcido de Alumina contendo gás em alta temperatura

10 As cerâmicas na tabela periódica 10 Cerâmicas são formadas por combinação de metais (quadrados verdes) com os elementos C, N, O, P e S. Si e Ge são semicondutores mas são usados em cerâmicas de forma equivalente a metais

11 Polímeros 11 Características básicas A maioria dos polímeros é sintética (feitos pelo homem) Polímero mais abundante é natural: celulose Materiais altamente moldáveis Baixa densidade Em geral são menos resistentes do que metais e cerâmicas

12 Os polímeros na tabela periódica 12 Principais elementos formadores dos materiais poliméricos

13 Compósitos 13 Combinação de metais, cerâmicas e polímeros Metais Compósitos Polímeros Cerâmicos Concreto Fibra de vidro Ti/SiC

14 Aplicações Típicas 14

15 Semicondutores 15 Propriedades básicas Condutividade finamente controlada pela presença de impurezas - dopantes. Podem ser combinados entre si para gerar propriedades eletrônicas e óticas sob medida. Aplicações Microeletrônica Opto-eletrônica - lasers, detectores, circuitos integrados óticos e células solares. história dos chips

16 Os semicondutores na tabela periódica 16 Quando combinados entre si os metais das colunas II, III, V e VI assumem propriedades semicondutoras.

17 Ciência e Engenharia de Materiais 17 Descrição dos arranjos de átomos ou íons em um material Composição química de um material Síntese: Processo pelo qual os materiais são obtidos a partir de produtos químicos, extraídos diretamente da natureza, ou obtidos de um processamento anterior & Processamento: que abrange as diferentes maneiras utilizadas para moldar materiais de forma a transformá-los em componentes úteis ou mesmo para alterar suas propriedades

18 Exemplo: Automóveis 18

19 Automóveis: Economia de Combustível 20 De 1975 a 2006 os veículos leves de carga experimentaram um ganho de 60% em: Economia: de 5,7 para 9,1 km/l Potência de: 138 para 220 hp 115 HP 215 HP 14,9 km/l 12,7 km/l 115 HP 215 HP 8,4 km/l 4,2 km/l

20 Automóveis: Evolução de Materiais 21

21 Automóveis: Economia de Combustível 22 12,1 km/l 10,2 km/l : 214 HP 12,1 km/l 5,1 km/l

22 Exemplo: Aviões 23 Aumento de T combustão Redução de peso Aumento de T combustão

23 Aviões: Duas Gerações 24 Boeing Ano lançamento Compósitos 11% 50% Alumínio 70 % 20% Titânio 7 % 15% Aço 11% 10% Outros 1% 5% Aeronave 20% mais eficiente e kg mais leve

24 25 25 Ganho Ambientais: Turbinas Rolls-Royce 2050

25 Materiais nas Turbinas 26 Percentual de volume por classe de material Metais Leves (Ligas de Mg, Al) Ligas de Titânio Compósitos de Matriz Polimérica Ligas de Níquel Aço Compósitos de Matriz Metálica TiAl

26 Exemplo: Biomateriais 27

27 Exemplo: Turbinas Eólicas 28

28 30 Turbina de Itaipu kw De 100 a 150 residências No período o custo caiu de ~60 cents/kwh para 5-6 cents/kwh

29 Dimensões & Instalação m 100 m

30 A Evolução das Classes de Materiais 33

31 Propriedades e Microestrutura 34

32 Propriedades e Ligação Química 35 Exemplo: Ligação Metálica Ligação forte entre os átomos Elétrons livres Consequência Boa condutividade Elétrica Térmica mar de elétrons

33 Propriedades e Arranjo Atômico 36 Existe ordem no posicionamento dos átomos? Material Cristalino ordem de longo alcance Material Amorfo ordem de curto alcance 2nm 2nm Material cristalino Note a organização na posição dos átomos. Carbono amorfo. Note a desorganização na posição dos átomos. Imagens obtidas com Microscópio Eletrônico de Transmissão (MET).

34 Propriedades e Estrutura Cristalina 37 Arranjo Tridimensional dos Átomos Diferentes Estruturas Cristalinas Al Mg Alumínio (estrutura cúbica) Magnésio (estrutura hexagonal) Ambos são metais mas o Al é mais dúctil devido à estrutura cúbica

35 Propriedades e Arranjo Microestrutural 38 Existem muitas orientações cristalinas? Orientação relativa entre cristais Fusão Solidificação Policristal: Grãos

36 Propriedades e Presença de Fases 39 Existem diferentes fases? Policristal monofásico Policristal polifásico