CIÊNCIA DOS MATERIAIS INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS

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1 CIÊNCIA DOS MATERIAIS INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS

2 1. INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS 1-1 INTRODUÇÃO 1-2 TIPOS DE MATERIAIS 1-3 RELAÇÃO: ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES 1-4 EFEITOS DO MEIO SOB O COMPORTAMENTO DO MATERIAL 1-5 SELEÇÃO DE MATERIAIS

3 MATERIAIS 1-1 INTRODUÇÃO utilização desde os primórdios da civilização são parte integrante da vida humana o conhecimento dois materiais definiu as diversas idades da história da humanidade: idade da pedra, idade do bronze, idade do ferro Possível definição: Qualquer substância que pode ser usada em aplicações práticas Com uso, por exemplo, em: - máquinas - estruturas - dispositivos - produtos

4 1-1 Introdução TERRA: fonte e depósito de todos os materiais CICLO GLOBAL DOS MATERIAIS: MATÉRIA-PRIMA BRUTA carvão, minérios, madeira, petróleo, rochas,planta, argilas Prospecção ou Mineração ou Colheita A TERRA Extração Refino Processamento Descarte ou ou Ciência e Engenharia do Meio Ambiente MATÉRIA-PRIMA BÁSICA metal, papel, cimento, fibras, produtos químicos Reciclagem SUCATA ou RESÍDUOS Transformação ou Processamento Ciência e Engenharia: Materiais aplicados na Engenharia MATÉRIA-PRIMA INDUSTRIAL cristais, ligas, tecidos, chapas, cerâmicos, plásticos BENS DE CONSUMO carros, pontes, relógios, equipamentos, máquinas, prédios Uso Serviço Desempenho ou ou Fabricação Montagem ou

5 1-1 Introdução CICLO GLOBAL DOS MATERIAIS: Ex.: Ciclo do Alumínio Alumínio abundante, mas não se apresenta sob a forma pura Constituinte de materiais como Processo Bayer (químico): BAUXITA MICA FELDSPATO CRIOLITA Único material utilizado para produção do alumínio Solução de soda cáustica separação do óxido de alumínio das impurezas do minério 1000ºC Precipitação hidrato de alumínio produto sólido calcinação Alumina metalúrgica (produção Alumínio) Alumina especial (cerâmicos e refratários)

6 1-1 Introdução CICLO GLOBAL DOS MATERIAIS: Ex.: Ciclo do Alumínio Alumina metalúrgica Redução: etapa eletrolítica (eletricidade produzindo reação química) Fornos de Redução Alumina banho de sais fundidos Dois eletrodos: transformam a alumínio em líquido (900º) Refusão: Correção química Transformação em ligas Resfriamento Material sólido

7 1-1 Introdução CICLO GLOBAL DOS MATERIAIS: Ex.: Ciclo do Alumínio Reciclagem da lata de alumínio Economia de 95% da energia usada na obtenção do alumínio Economia de etapas: evita a extração, refino e redução Economia de tempo: uma lata reciclada volta ao mercado em 90 dias Economia de recursos naturais (bauxita): para se produzir 1 ton de alumínio são necessárias 5 ton de bauxita - mineral extraído do solo - o que pode ser evitado com a reciclagem.

8 1-1 Introdução EVOLUÇÃO DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS: CONHECIMENTO ENCICLOPÉDICO X compreensão das propriedades dos materiais e a conseqüente capacidade de desenvolver e preparar novos materiais para aplicações particulares CONHECIMENTO FENOMENOLÓGICO

9 1-1 Introdução EVOLUÇÃO DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS:

10 1-1 Introdução TODO ENGENHEIRO manufatura materiais processa materiais projeta materiais constrói com materiais Série LIBERTY: 1000 navios Ponte nos EUA seleciona materiais testa e analisa materiais

11 1-1 Introdução Todo ENGENHEIRO responsável está interessado em melhorar a performance do que está projetando ou manufaturando elétrico (materiais elétricos/dielétricos) civil: durabilidade, estética, resistência à corrosão automotivos (leves, resistentes e duráveis) aeroespacial (densidade/resistência mecânica, alta temperatura) mecânico (estruturas, componentes) materiais: materiais com melhor desempenho, com menor custo.

12 1-1 Introdução OBJETIVO DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS ampliar os conhecimentos dos materiais disponíveis entender seu comportamento em geral e seu POTENCIAL de utilização reconhecer os efeitos do meio e condições de serviço - LIMITAÇÕES fornecer subsídios para compreender o comportamento de materiais em serviço seu potencial (e limitações) de utilização em função das condições de serviço e do meio

13 1-2 TIPOS DE MATERIAIS CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS: CRITÉRIOS aplicações pela indústria metais, cerâmicos, polímeros e compósitos pelo grau de desenvolvimento tecnológico naturais, empíricos, desenvolvimento científico e projetados morfologia estrutural monoestruturados, recobrimentos, gradiente e aleatório

14 1-2 Tipos de Materiais Classificação dos materiais pela indústria Metálicos Cerâmicos Poliméricos Compósitos Cobre Ferro fundido Ligas de aço Porcelana Vidros Tijolos Refratários Louças Polietileno Epóxi Fenólicos Grafite-epóxi Carbeto de Cobalto e Tungstênio

15 1-2 Tipos de Materiais Classificação dos materiais pela indústria Metais Materiais metálicos são geralmente uma combinação de elementos metálicos. Os elétrons não estão ligados a nenhum átomo em particular e por isso são bons condutores de calor e eletricidade Não são transparentes à luz visível Têm aparência lustrosa quando polidos Geralmente são resistentes e deformáveis São muito utilizados para aplicações estruturais

16 1-2 Tipos de Materiais Classificação dos materiais pela indústria Cerâmicos Materiais cerâmicos são nãometálicos e inorgânicos. Geralmente são óxidos, nitretos e carbetos São geralmente isolantes de calor e eletricidade São mais resistentes a altas temperaturas e à ambientes severos que metais e polímeros Os materiais cerâmicos são materiais de alta dureza, porém frágeis

17 1-2 Tipos de Materiais Classificação dos materiais pela indústria Polímeros Materiais poliméricos são geralmente compostos orgânicos baseados em carbono, hidrogênio e outros elementos não-metálicos. São constituídos de moléculas muito grandes (macro-moléculas) Tipicamente, esses materiais apresentam baixa densidade e podem ser extremamente flexíveis Materiais poliméricos incluem plásticos e borrachas

18 1-2 Tipos de Materiais Classificação dos materiais pela indústria Compósitos Materiais compósitos são constituídos de mais de um tipo de material insolúveis entre si. Os compósitos são projetados para a obtenção de propriedades as quais não estão presentes em um material monofásico Um exemplo clássico é o compósito de matriz polimérica com fibra de vidro. O material compósito apresenta a resistência da fibra de vidro associado a flexibilidade do polímero

19 1-2 Tipos de Materiais Classificação dos materiais pela indústria As diferentes propriedades dos materiais são determinantes na sua classificação Resistência mecânica representativa para diferentes categorias de materiais

20 1-2 Tipos de Materiais Classificação dos materiais pela indústria O uso das diferentes classes dos materiais tem sido alterado com a evolução tecnológica.

21 1-2 Tipos de Materiais Classificação dos materiais pela indústria Competição entre os materiais: Materiais 1977 (%) 1999 (%) Ferro Plásticos 5 8 Outros metais (Al, Cu, Zn, Mg) 5 10 Borracha 4 4 Vidros 2 3 Aço Evolução da participação dos materiais no peso da carroceria dos veículos americanos entre 1977 e 1999.

22 1-2 Tipos de Materiais Classificação dos materiais pela indústria Competição entre os materiais: Boeing 777 Início do projeto: 1990 Entrada em Serviço: 1994 Porcentagem de materiais compósitos no peso do avião: 9% Boeing 7E7 Dreamliner Início do Projeto: Final de 2003 Entrada em Serviço: Prevista para 2008 Porcentagem de materiais compósitos no peso do avião: Estimada entre 50 e 60%

23 1-2 Tipos de Materiais Classificação dos materiais pela indústria Competição entre os materiais: 1º Chassis em compósito: 1981 (McLaren MP4-1) Chassis em fibra de carbono/epoxy (Prost AP-01) após um acidente (2 impactos laterais, o primeiro a 180Km/h)

24 1-2 Tipos de Materiais Classificação dos materiais pela indústria Competição entre os materiais: Classificação dos materiais Aplicação pela indústria Metais Espessura de parede: 0,15 mm %peso embalagem/conteúdo: 3,85 Densidade (g/cm 3 ): 2,70 Cerâmicos Espessura de parede: 8,0 mm %peso embalagem/conteúdo: 46,80 Densidade (g/cm 3 ): 2,70 Polímeros Espessura de parede: 0,30 mm %peso embalagem/conteúdo: 2,90 Densidade (g/cm 3 ): 1,35

25 1-2 Tipos de Materiais Classificação dos materiais pela indústria Etapas no processo de fabricação de latas de alumínio para bebidas

26 1-2 Tipos de Materiais Classificação dos materiais quanto ao grau de desenvolvimento tecnológico 1. Naturais: utilizados como se encontram na natureza 2. Empiricamente desenvolvidos: ex. argila vermelha 3. Desenvolvimento científico: a ciência no desenvolvimento dos materiais 4. Materiais projetados: fabricados com grau de conhecimento elevado PROJETADOS: Viabilização de projetos de alta tecnologia

27 1-2 Tipos de Materiais Ex. : lâmpada de sódio (1000 o C) com tubo de alumina: 100 lúmens/w lâmpada convencional 15 lúmens/w Classificação dos materiais quanto ao grau de desenvolvimento tecnológico Materiais projetados: Alumina convencional (opaca) Alumina translúcida

28 1-2 Tipos de Materiais Classificação dos materiais segundo morfologia 1.Monoestruturados: único conjunto de propriedades 2.Recobrimentos: propriedades da superfície diferente das do corpo 3.Gradiente material: multicamadas com gradiente de propriedades 4.Composição aleatória de diferentes materiais: reforço por segunda fase

29 1-2 Tipos de Materiais 1-3 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA- PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES MATERIAIS PARA ENGENHARIA desenvolvidos para uso na Indústria fundamento: CIÊNCIA DOS MATERIAIS interrelação entre ESTRUTURA e PROPRIEDADES ESTRUTURA CIÊNCIA DOS MATERIAIS PROPRIEDADES

30 1-3 Relação entre estrutura processamento - propriedades MATERIAIS PARA ENGENHARIA ESTRUTURA PROPRIEDADES PROCESSO DE FABRICAÇÃO PROCESSOS DE FABRICAÇÃO ESTRUTURA CIÊNCIA DOS MATERIAIS PROPRIEDADES

31 1-3 Relação entre estrutura processamento - propriedades PROCESSO DE FABRICAÇÃO FUNDIÇÃO LAMINAÇÃO EXTRUSÃO METALURGIA DO PÓ PRENSAGEM COLAGEM OUTROS... ESTRUTURA ESTRUTURA ATÔMICA ESTRUTURA CRISTALINA MICROESTRUTURA PROPRIEDADES MECÂNICAS FÍSICAS QUÍMICAS MACROESTRUTURA

32 1-3 Relação entre estrutura processamento - propriedades DIVISÃO DA ESTRUTURA NOS MATERIAIS

33 1-3 Relação entre estrutura processamento - propriedades

34 1-3 Relação entre estrutura processamento - propriedades PROPRIEDADES DOS MATERIAIS mecânicas resistência à tração, compressão, flexão resistência ao escoamento, à fluência, à fadiga ductilidade módulo de elasticidade resistência ao desgaste físicas propriedades elétricas magnéticas térmicas ópticas densidade químicas resistência à corrosão

35 1-3 Relação entre estrutura processamento - propriedades PROPRIEDADES DE CORPO comportamento mecânico, propriedades elétricas e magnéticas, condutividade térmica DE SUPERFÍCIE reatividade com o meio, resistência à corrosão e ao desgaste, biocompatibilidade, efeito decorativo

36 1-3 Relação entre estrutura processamento - propriedades Exemplos representativos: aplicações e propriedades de cada categoria de material METAIS APLICAÇÕES PROPRIEDADES Cobre Fofo cinzento Aços Cabos elétricos Blocos de motores de combustão Forjados Alta condutividade elétrica, boa conformabilidade Boa moldagem por fundição, absorção de vibrações, usinabilidade Boa susceptibilidade a tratamentos térmicos CERÂMICOS APLICAÇÕES PROPRIEDADES SiO 2 Na 2 O CaO Al 2 O 3, MgO, SiO 2 Titanato de bário Vidro de Janela Refratários Transdutor para toca-discos Boas propriedades óticas e isolamento térmico Isolamento térmico, alto ponto de fusão, relativamente inerte ao metal fundido Comportamento piezoelétrico (converte som e eletricidade)

37 1-3 Relação entre estrutura processamento - propriedades Exemplos representativos: aplicações e propriedades de cada categoria de material POLÍMEROS APLICAÇÕES PROPRIEDADES Polietileno Epóxi Fenólicos Embalagem para alimentos Encapsulamento para circuitos integrados Adesivos para madeiras condensadas Facilmente moldável em filmes finos, flexíveis e impermeáveis Bom isolamento elétrico e resistência à umidade Resistência mecânica e à umidade COMPÓSITOS APLICAÇÕES PROPRIEDADES Grafite-epóxi Carbeto de W-Co Aços recobertos com Ti Componentes para a indústria aeronáutica Ferramentas de corte para usinagem Vasos de reatores Elevada relação resistência mecânica/peso Elevada dureza e boa resistência ao impacto Baixo custo, alta resistência mecânica do aço com boa resistência à corrosão do titânio

38 1-3 Relação entre estrutura processamento - propriedades PROCESSOS DE FABRICAÇÃO os materiais precisam adquirir forma e dimensões para ser utilizáveis na Indústria são definidos em função das propriedades dos materiais iniciais e das propriedades necessárias para fazer frente às condições de serviço da peça ou componente METAIS Fundição: areia, vazamento, molde permanente, cera perdida, lingotamento contínuo Conformação: forjamento, extrusão, estampagem profunda, dobramento, laminação Junção: soldagem a gás, por resistência elétrica, brasagem, a arco, a estanho, por fricção e por difusão Usinagem: torneamento, perfuração, fresa, corte Metalurgia do pó CERÂMICOS Fundição ou colagem Compactação: extrusão, prensagem e prensagem isostática POLÍMEROS Moldagem por injeção Conformação: a vácuo, por repuxamento, por extrusão COMPÓSITOS Fundição, incluindo infiltração Conformação Junção: junção adesiva, ligadura por explosão, por difusão Compactação e sinterização Sinterização

39 1-3 Relação entre estrutura processamento - propriedades PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DIFERENTES PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DIFERENTES MICROESTRUTURAS

40 1-3 Relação entre estrutura processamento - propriedades MATERIAIS PARA ENGENHARIA ESTRUTURA PROCESSO DE FABRICAÇÃO PROPRIEDADES PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DESEMPENHO ESTRUTURA PROPRIEDADES CIÊNCIA DOS MATERIAIS como os materiais se comportam nas condições de serviço (laboratório, acompanhamento e análise post-mortem)

41 1-4 EFEITOS DO MEIO SOBRE O COMPORTAMENTO DO MATERIAL Os materiais têm seu comportamento influenciado pelo meio em que se encontram: TEMPERATURA CORROSÃO RADIAÇÃO DESGASTE

42 1-4 Efeitos do meio sobre o comportamento do material Temperatura Tendência: T RM troca rápida de temperatura - catastrófica Aumento de temperatura diminui a resistência mecânica dos materiais

43 1-4 Efeitos do meio sobre o comportamento do material Corrosão Metais e polímeros reagem com O 2 e outros gases aumento de temperatura reage mais pode ocorrer corrosão por líquidos pits, trincas fratura Cerâmicos podem ser atacados por outros líquidos cerâmicos Hidrogênio dissolvido no cobre fratura frágil Alumínio atacado por bactéria

44 1-4 Efeitos do meio sobre o comportamento do material Radiação De alta energia Ex.: nêutrons de reatores nucleares que podem afetar a estrutura interna dos materiais, diminuir a resistência mecânica e fragilizar o material, devido a formação de fissuras. Desgaste Abrasão Ex.: pisos cerâmicos desgastados com o tráfego de pessoas

45 Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros? 1º: Caracterizar quais as condições de serviço a que será submetido o material e levantar as propriedades requeridas para tal aplicação. Deve-se incluir os fatores de degradação de propriedades, como temperatura de trabalho, agentes corrosivos - ataque químico, desgaste, radiações, nessas considerações. 2º: Determinar (ou saber como foram determinados) as propriedades de interesse e saber qual o desempenho e limitações e restrições no uso dos materiais selecionados. Em raras ocasiões um material reúne uma combinação ideal de propriedades, ou seja, muitas vezes é necessário reduzir uma em benefício da outra. Um exemplo clássico são resistência e ductilidade, geralmente um material de alta resistência apresenta ductilidade limitada. Este tipo de circunstância exige que se estabeleça um compromisso razoável entre duas ou mais propriedades. 3º: Disponibilidade de matéria-prima e viabilidade técnica em obter a dimensão e forma da peça para seu emprego. 4º: Impacto ambiental da produção e reciclabilidade do material após uso 5º: Custo total 1-5 SELEÇÃO DE MATERIAIS

46 1-5 Seleção de Materiais Em resumo 1. Apresente as propriedades adequadas deve-se selecionar um material que: Compromisso entre propriedades Confiabilidade 2. Possa ser processado na forma desejável 3. Seja economicamente viável (matéria-prima e processo de fabricação) 4. Possa ser produzido com baixo impacto ambiental e posa ser reciclado

47 1-5 Seleção de Materiais RELAÇÃO: RESISTÊNCIA/DENSIDADE Material Resistência Mecânica (MPa) Densidade Resistência/peso (m 2 s ) Polietileno 7 0,83 8 Alumínio puro 45 2,7 17 Cobre puro 207 8,9 23 Aço baixo-carbono 393 7,8 50 Titânio puro 241 4,4 55 Al 2 O ,9 53 Nylon 76 1,11 68 Epóxi 103 1,4 74 Aço alto-carbono 614 7,8 79 Si 3 N ,2 151 Aço-liga tratado termicamente ,8 212 Liga de alumínio tratada termicamente 593 2,7 220 Compósito carbono-carbono 414 1,8 230 Liga de titânio tratada termicamente ,4 256 Compósito Kevlar-epóxi 448 1,4 320 Compósito carbono-epóxi 551 1,4 393

48 1-5 Seleção de Materiais 1-5 SELEÇÃO DE MATERIAIS RELAÇÃO: RESISTÊNCIA/DENSIDADE