Ciências dos materiais- 232

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1 Aula Ciências dos materiais a aula Apresentação do curso. Características gerais nos materiais de engenharia. Ligações químicas. Estruturas cristalinas. Terça Semana par 19:00 às 20:40 21:00 às 22:40 Professor: Luis Gustavo Sigward Ericsson Curso: Engenharia Mecânica Série: 6º/ 5º Semestre

2 Plano de ensino Ementa Aula Aula 1 Apresentação 1 da disciplina Características gerais exigidas nos materiais em engenharia. Ligação química. Estrutura cristalina. Propriedades mecânicas dos materiais metálicos. Propriedades elétricas e magnéticas dos materiais. Deformação dos metais. Ruptura dos metais. Ligas metálicas. Diagrama de equilíbrio Fe-C. Curva temperatura-tempo transformação. Noções de tratamentos térmicos e termoquímicos. Propriedades e classificação dos aços. Ferros fundidos. Metais e ligas não ferrosas. 2

3 Aula Aula 1 Apresentação 1 da disciplina Plano de ensino Objetivos gerais Proporcionar aos alunos conhecer os diversos tipos de materiais, suas características, propriedades e aplicações. Objetivos Específicos Correlacionar as microestruturas com as propriedades dos materiais metálicos. Capacitar o aluno quanto aos procedimentos e metodologias de ensaios para medição de propriedades mecânicas de materiais metálicos Desenvolver no aluno conhecimento sobre processos de tratamento térmicos objetivando determinadas propriedades. Estudos de normas e materiais envolvidos. 3

4 Cronograma das aulas Aula Aula 1 Apresentação 1 da disciplina 1-2/16/ (1) APRESENTAÇÃO DO PLANO DE ENSINO, METODOLOGIA DE ENSINO E AVALIAÇÃO 2 1 (2) Características gerais exigidas nos materiais de engenharia. Comparação entre materiais metálicos, poliméricos e cerâmicos. Ligações químicas e relação 2/23/2016 entre elas e as propriedades de cada tipo de material. (3) Estruturas cristalinas. Sistemas cristalinos, fator de empacotamento atômico. 3-3/1/ (3) Imperfeições estruturais e movimentos atômicos. (4) Propriedades mecânicas dos metais. Deformação elástica, Deformação elástica, módulo de elasticidade, limite de escoamento, limite de resistência, limite 3/8/2016 de ruptura, alongamento estricção e tenacidade.. Deformação plástica. Curva tensão de engenharia x deformação de engenharia. Exercícios para obtenção da curva tensão x deformação a partir da carga aplicada e do deslocamento do corpo de prova. (5) Ruptura dos metais, fratura frágil, fratura dúctil, fadiga, fluência. 5-3/15/ /22/2016 (6) Diagrama de equilíbrio binário, reações eutética e eutetóide, lei Gibbs. (7) Diagrama de equilíbrio Fe-C, estruturas que se formam no resfriamento lento de aços hipoeutetóides, eutetóides e hipereutetóides. Regra da Alavanca. - Revisão 7-3/29/ /5/2016 PROVÁVEL NP1 9-4/12/2016 PROVÁVEL NP (10) Curva temperatura-tempo-transformação, fatores que influem na posição das curvas TTT. Produtos de transformação da austenita. Temperabilidade. 4/19/2016 (11) Noções de tratamentos térmicos: recozimento, normalização, têmpera e revenido, esferoidização, temperabilidade, austêmpera e martêmpera. 11-4/26/2016 (12) Têmpera superficial. Tratamentos termoquímicos: cementação, nitretação e carbonitretação /3/2016 (13) Ferros fundidos branco, cinzento, nodular, maleável. Estrutura do carbono presente em cada tipo de ferro fundido. Propriedades dos aços, normas ABTN, ASTM E DIN, classificação dos aços. 13-5/10/ (14) Metais não ferrosos e suas ligas. Cobre, bronze e latão. Alumínio e suas ligas. Introdução, propriedades aplicações, classificação e suas ligas. 5/17/ Revisão 15-5/24/2016 PROVÁVEL NP2 16-5/31/2016 PROVÁVEL NP2 4

5 Bibliografia Bibliografia Básica Aula Aula 1 Apresentação 1 da disciplina CALLISTER Jr., W. D. Ciência e Engenharia de Materiais - Uma Introdução. 7ª Edição. Rio de Janeiro: LTC Editora, CHIAVERINI, V. AÇOS E FERROS FUNDIDOS. São Paulo: Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais, CHIAVERINI, V. TRATAMENTO TERMICO DAS LIGAS METALICAS. São Paulo: Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais, Bibliografia Complementar Chiaverini, V. METALURGIA DO PÓ. São Paulo: Associação Brasileira de Metalurgia e Metais, Van Vlack, L. H. Princípios de Ciência dos Materiais. São Paulo: Edgard Blucher, COLPAERT, H. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns. 4ª Edição. São Paulo: Edgard Blucher, GARCIA, A; SPIM, J. A; SANTOS, C. A. Ensaios dos Materiais. 2ª Edição. Rio de Janeiro, LTC Editora,

6 Aula Aula 1 1 Materiais na engenharia Definições Ciência dos Materiais Investigação das correlações que existem entre as estruturas e propriedades de materiais. Engenharia de materiais Projetar, desenvolver ou aperfeiçoar técnicas de processamento de materiais (= técnicas de fabricação) com base nas relações composição/estrutura e propriedades. Desenvolver formas de produção de materiais socialmente desejáveis a custo socialmente aceitável. 6

7 Definições Aula Aula 1 1 Materiais na engenharia Ciência e Engenharia dos Materiais são campos intimamente interligados e interdisciplinares Ciência e Engenharia dos Materiais é a área da atividade humana associada com a geração e a aplicação de conhecimentos que relacionam composição, estrutura e processamento de materiais às suas propriedades e usos. Morris Cohen, MIT (em Padilha, A, F Materiais de Engenharia, Hemus, 1997, cap 1) Objetivos Desenvolvimento de materiais já conhecidos visando novas aplicações ou visando melhorias no desempenho. Desenvolvimento de novos materiais para aplicações conhecidas. Desenvolvimento de novos materiais para novas aplicações. 7

8 Aula Aula 1 1 Materiais na engenharia Objetivo da Ciência e Engenharia de Materiais 8

9 Aula Aula 1 1 Materiais na engenharia Objetivo da Ciência e Engenharia de Materiais Composição Natureza química dos materiais 9

10 Aula Aula 1 1 Materiais na engenharia Objetivo da Ciência e Engenharia de Materiais Estrutura Associada ao arranjo dos componentes do material em estudo Pode ( e deve) ser analisada em diversas escalas: Estrutura em escala atômica ( menor ou igual a nm = 10-9 m) Nanoestrutura (da ordem de nm) o Sólidos amorfos (alguns nm) e sólidos cristalinos (~> 100nm até mm= 10-3 m) Microestrutura (alguns mm = 10-6 m até mm) Macroestrutura (normalmente que mm) 10

11 Aula Aula 1 1 Materiais na engenharia Objetivo da Ciência e Engenharia de Materiais Estrutura 11

12 Aula Aula 1 1 Materiais na engenharia Objetivo da Ciência e Engenharia de Materiais Processamento Conjunto de técnicas para obtenção de materiais com formas e propriedades específicas. Forjamento Laminação Soldagem Extrusão Trefilamento 12

13 Aula Aula 1 1 Materiais na engenharia Objetivo da Ciência e Engenharia de Materiais Processamento Fonte: Matweb 13

14 Aula Aula 1 1 Materiais na engenharia Objetivo da Ciência e Engenharia de Materiais Propriedade Tipo e intensidade da resposta a um estímulo que é imposto ao material As principais propriedades são: Mecânicas Elétricas Térmicas Magnéticas Ópticas Deteriorativa (corrosão, oxidação, desgaste) 14

15 Aula Aula 1 1 Materiais na engenharia Objetivo da Ciência e Engenharia de Materiais Desempenho Resposta do material a um estímulo externo, presente nas condições reais de utilização 15

16 Aula Aula 1 1 Materiais na engenharia Classificação dos materiais Metais Cerâmicas Polímeros Compósitos Semicondutores 16

17 Aula Aula 1 1 Materiais na engenharia Classificação dos materiais Metais Propriedades básicas Resistentes (suportam tensões elevadas antes de romper); Dúcteis (deformam antes de romper); Superfície metálica Bons condutores de corrente elétrica e calor 17

18 Aula Aula 1 1 Materiais na engenharia Classificação dos materiais Cerâmicas Propriedades básicas Alto ponto de fusão e estabilidade térmica (refratários); São isolantes térmicos e elétricos; São frágeis ( rompem sem deformar) Podem ser transparentes. 18

19 Aula Aula 1 1 Materiais na engenharia Classificação dos materiais Polímeros Propriedades básicas A maioria dos polímeros é sintética (feita pelo homem); Polímero mais abundante é natural: celulose; Materiais altamente moldáveis; Baixa densidade; Em geral são menos resistentes do que metais e cerâmicas; 19

20 Aula Aula 1 1 Materiais na engenharia Classificação dos materiais Compósitos Combinação dos 3 anteriores; Ex: Fibra de carbono e vidro. 20

21 Aula Aula 1 1 Materiais na engenharia Classificação dos materiais Semicondutores Propriedades básicas Condutividade 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; 21

22 Aula 1 Ligações químicas Porque estudar a estrutura atômica? As propriedades macroscópicas dos materiais dependem essencialmente do tipo de ligação entre os átomos. O tipo de ligação depende fundamentalmente dos elétrons. Os elétrons são influenciados pelos prótons e neutrons que formam o núcleo atômico. Os prótons e nêutrons caracterizam quimicamente o elemento e seus isótopos. 22

23 Aula 1 Ligações químicas Átomos - Conceitos Fundamentais Átomo Núcleo Elétrons Prótons Nêutron Massa Atômica (A) dada pela soma de massa dos prótons e nêutrons Número Atômico (Z) dada pela quantidade de prótons no átomo Número de elétrons = número de prótons 23

24 Modelo Atômico de Bohr Aula 1 Ligações químicas Diagrama de Linus Pauling 24

25 Tabela periódica Aula 1 Ligações químicas 25

26 Ligações Químicas Aula 1 Ligações químicas Os elementos se ligam para formar os sólidos para atingir uma configuração mais estável: oito elétrons na camada mais externa (Regra do octeto) A ligação química é formada pela interação dos elétrons de valência através de um dos seguintes mecanismos: Ganho de elétrons Perda de elétrons Compartilhamento de elétrons 26

27 Ligações Iônicas Aula 1 Ligações químicas Ocorre quando um átomo com a propensão a doar seus elétrons de valência, ou seja, eletropositivo, se une a outro elemento com propensão a receber elétrons, ou seja, eletronegativo. O átomo eletropositvo fornece elétrons para o átomo eletronegativo, formando os íons positivos, cátions, e íons negativos, ânions. Assim ambos apresentam as últimas camadas de valência preenchida, resultando numa situação estável, similar a um gás nobre. 27

28 Ligações Iônicas Aula 1 Ligações químicas A ligação iônica não é direcional, a atração é mútua. A ligação é forte= Kcal/mol (por isso o PF dos materiais com esse tipo de ligação é geralmente alto) Materiais duros e quebradiços. Bons isolantes térmicos e elétricos. A ligação predominante nos materiais cerâmicos é iônica. 28

29 Ligações Covalentes Aula 1 Ligações químicas Quando dois átomos eletronegativos (tendência a receber elétrons para se estabilizar) compartilham elétrons entre si, forma-se a ligação covalente. Podem ocorrer entre átomos do mesmo elemento ou não. Compartilham um, dois ou três pares de elétrons formando ligações covalente simples, duplas ou triplas. H2 H H Elétron do hidrogênio CH4 H H C Elétron do Carbono H H Elétron do hidrogênio 29

30 Ligações Covalentes Aula 1 Ligações químicas Diferente do par iônico, a ligação covalente é direcional e a molécula formada pode existir individualmente sem a necessidade de formar retículos cristalinos. As moléculas podem porém ser atraídas por ligações secundárias fracas devido à existência de dipolos eletrostáticos (Van der Waals). Apesar da ligação ser covalente ser forte, a ligação intermolecular é fraca resultando em baixos pontos de fusão 30

31 Ligações Metálicas Aula 1 Ligações químicas Sólidos metálicos são formados por átomos empacotados próximos uns dos outros na forma de uma rede cristalina tridimensional. Poucos elétrons de valência são fracamente ligados ao núcleo e devido à proximidade do átomos se movem nos níveis mais altos de energia formando uma nuvem eletrônica. Os outros elétrons permanecem ligados ao núcleo formando um cátion igual à dos elétrons livres. 31

32 Ligações Metálicas Aula 1 Ligações químicas A repulsão eletrostática entre os cátions vizinhos é contra balanceada pelos elétrons livres (funcionam como uma cola para manter juntos os núcleos iônicos). A ligação metálica possui uma caráter não direcional. A força da ligação depende da quantidade de elétrons livres e varia de forte a fraca. Conduzem bem calor e eletricidade consequência dos elétrons livres A falha é do tipo dúctil (experimentam deformação antes de romperem) que é uma característica da ligação metálica. 32

33 Questões Aula 1 Ligações químicas 1) Explique com suas palavras os tipos de ligações primárias existentes 2) Cite as diferenças entre elas e as consequências em algumas propriedades mecânicas. 3) Porquê materiais com ligações covalentes são menos densos que os com ligação metálica ou iônica? 33

34 Estrutura Cristalina Aula 1 Estrutura Cristalina As propriedades dos materiais sólidos cristalinos depende da estrutura cristalina, ou seja, da maneira na qual os átomos, moléculas ou íons estão dispostos no espaço. Há um grande número de diferentes estruturas cristalinas, desde estruturas simples exibidas pelos metais até estruturas mais complexas exibidas pelas cerâmicas e polímeros 34

35 Estrutura Cristalina Aula 1 Aula 1 Estrutura Cristalina Materiais sólidos são classificados de acordo com a regularidade no arranjo de átomos e/ou íons Cristalino átomos estão situados em um arranjo repetitivo (ou periódico) a grandes distâncias atômicas. Amorfo não apresentam ordem de grande alcance a estrutura atômica é similar (comparável) a de líquidos 35

36 Células unitárias Aula 1 Aula 1 Estrutura Cristalina Pequeno grupo de átomos que forma um padrão repetitivo ao longo da estrutura tridimensional. A célula unitária é escolhida para representar a simetria da estrutura cristalina. Os vértices da célula unitária coincidem com o centro da esfera que representa o átomo. 36

37 Redes de Bravais Aula 1 Aula 1 Estrutura Cristalina - 7 Sistemas crislalinos - 14 arranjos diferentes - As estruturas cristalinas mais comuns em metais são: Cúbica de corpo centrado (CCC) Cúbica de face centrada (CFC) Hexagonal compacta (HC) 37

38 Aula 1 Aula 1 Estrutura Cristalina Cúbico de Corpo Centrado (CCC) Cada vértice possui 1/8 de átomo e há 1 átomo no centro da célula unitária. Há 2 átomos por célula unitária Ex.: Cromo (Cr), Tungstênio (W), Ferro (Fe) 38

39 Aula 1 Aula 1 Estrutura Cristalina Cúbico de Corpo Centrado (CCC) No sistema CCC os átomos se tocam ao longo da diagonal do cubo. Desta forma a aresta do cubo será: 39

40 Aula 1 Aula 1 Estrutura Cristalina Cúbico de Face Centrada (CFC) Cada vértice possui 1/8 de átomo e cada face possui 1/2 átomo. Há 4 átomos por célula unitária Ex.: Cobre (Cu), Ferro (Fe), Alumínio (Al) 40

41 Aula 1 Aula 1 Estrutura Cristalina Cúbico de Face Centrada (CFC) No sistema CFC os átomos se tocam ao longo da diagonal da face do cubo. Desta forma a aresta do cubo será: 41

42 Hexagonal Compacta (HC) Aula 1 Aula 1 Estrutura Cristalina Há 2 planos com 6 átomos formando um hexágono com um átomo no centro. E um plano adicional com 3 átomos, situado entre os planos superior e inferior. Cada célula unitária contém o equivalente a 6 átomos: 1 / 6 átomos em cada um dos 12 vértices, ½ átomos em cada um dos dois centros dos planos e 3 átomos no plano intermediário. 42

43 Aula 1 Aula 1 Estrutura Cristalina Fator de Empacotamento Atômico (FEA) O Fator de Empacotamento Atômico representa o volume da célula unitária efetivamente ocupado pelos átomos, ou seja a eficiência de empacotamento dos átomos. Volume de cada átomo: Volume da célula unitária cúbica: 43

44 Aula 1 Aula 1 Estrutura Cristalina Fator de Empacotamento Atômico (FEA) Estrutura FEA CFC 0,74 CCC 0,68 HC 0,74 44

45 Polimorfismo ou Alotropia Aula 1 Aula 1 Estrutura Cristalina Alguns metais e não-metais podem ter mais de uma estrutura cristalina dependendo da temperatura e pressão. Esse fenômeno é conhecido como polimorfismo. Geralmente as transformações polimorficas são acompanhadas de mudanças na densidade e mudanças de outras propriedades físicas. Ex.: Ferro, titânio, carbono (grafite e diamante) 45

46 Polimorfismo ou Alotropia Aula 1 Aula 1 Estrutura Cristalina Formas alotrópicas de alguns metais. Variações alotrópicas do Ferro puro 46

47 Questões Aula 1 Estrutura Cristalina 1) Qual a diferença entre estrutura atômica e cristalina? 2) Mostre a relação abaixo para a estrutura CCC: a = 4R/(3) ½ 3) Mostre o fator de empacotamento para CCC é 0,68. 47