Ciência dos Materiais I Prof. Dr. Carlos Roberto Grandini Bauru 2006
Programação Ciência dos Materiais: História e Perspectivas 10/03 Estrutura Atômica 17/03 Arranjos Atômicos 24/03 Imperfeições em Arranjos Atômicos 31/03 Movimentação Atômica em Materiais 07/04 Primeira Avaliação 28/04 Equilíbrio Termodinâmico: Estado e Fase 06/05 Estabilidade de Estados 19/05 Transformações de Fase 26/05 Processos de Difusão e Transporte 02/06 Segunda Avaliação 09/06 Visão Geral sobre Propriedades Físicas e Aplicações de Materiais: metais, polímeros, cerâmicas e vidros, semicondutores, compósitos 23, 30/06 Segunda Avaliação 07/07 Avaliação Substitutiva 14/07
Critério de Avaliação Média de 3 provas; A prova substitutiva, se realizada, substitui a menor nota, independente de for maior ou menor que a anterior; Conceitos: 10 Mp 9,0 Conceito A 8,9 Mp 7,0 Conceito B 6,9 Mp 5,0 Conceito C Abaixo de 4,9 Reprovado
Bibliografia Básica D.R. Askeland, P.P. Phulé, The Science and Engeneering of Materials, 4 th Edition, Thomson, New York, 2003. W.D. Callister Jr., Materials Science and Engeneering: an integrated approach, 2 th Edition, John Willey, New York, 2005. J.F. Shackelford - Materials Science for Engineers, 6 th Edition, Prentice Hall, New York, 2005. W.F. Smith, Principles of Materials Science and Engineering, 3 rd Edition, McGraw Hill, New York, 1998. L.H. Van Vlack, Princípios de Ciência e Tecnologia de Materiais, 4 a Edição, Campus, Rio de Janeiro, 1984. C. Kittel, Introdução à Física do Estado Sólido, 5ª Edição, Guanabara-Koogan, Rio de Janeiro, 1978. P.W. Atkins, Physical Chemistry, 4 th. Edition, Oxford University Press, Oxford, 1992.
Ciência dos Materiais História e Perspectivas Materiais: presentes em nosso dia-a-dia;
engajados em nossa cultura;
intimamente relacionados com a ascensão do homem:» Idade da pedra:» Idade do ferro:» Idade do bronze:
Civilizações antigas:» materiais naturais: Pedra, madeira, argila, peles(couro), etc... Evolução:» Materiais naturais poderiam ser tratados originando outros com propriedades melhores.
O que são materiais? Uma parte da matéria no universo; São as substâncias cujas propriedades as tornam utilizáveis em estruturas, máquinas, dispositivos ou produtos consumíveis. Ciência e Engenharia de Materiais (CEM): é a área da atividade humana associada com a geração e com a aplicação de conhecimentos que relacionem composição, estrutura e processamento dos materiais às suas propriedades e aplicações. a CEM, em conjunto, formam uma ponte de conhecimentos sobre materiais, que liga as ciência básicas às diversas especialidades de engenharia. Ciência dos Materiais: visa essencialmente a descoberta de conhecimentos fundamentais sobre os materiais.
Engenharia de Materiais: se dedica principalmente à aplicação desses conceitos. Se desejarmos realçar a parcela da Ciência dos Materiais neste espectro, devemos agir no sentido de entender a natureza dos materiais, estabelecendo teorias ou descrições que relacionem a estrutura com a composição, propriedades e comportamento. A Engenharia de Materiais, por seu turno, sintetizará e empregará, tanto os conhecimentos fundamentais quanto os empíricos, no sentido de desenvolver, preparar, modificar e aplicar os materiais que atendam às exigências.
Ciência dos Materiais é um empreendimento com propósitos que alcançam desde o micromundo dos átomos e dos elétrons até o gigantesco macromundo material com funções e serviços que apóiem o homem na busca das soluções para os problemas da sociedade; sentido mais amplo: éumamultidisciplina que abraça (mas não substitui) algumas disciplinas: metalurgia e cerâmicos; física do estado sólido e química orgânica. Há, por certo, muitos cientistas e engenheiros que são especialistas em materiais - metalurgistas, ceramistas e químicos especializados em polímeros - inteiramente envolvidos com a Ciência e Engenharia de Materiais. Um importante registro assinala que a cada seis horas do trabalho profissional de qualquer outro tipo de engenheiro, pelo menos uma hora ele lida diretamente com materiais e sua utilização. Para físicos e químicos as frações são bem mais altas.
Estrutura Propriedades Desempenho Processamento Ciência e Entendimento Básico Necessidades e Experiências Sociais Conhecimento Científico Conhecimento Empírico
METAIS POLÍMEROS COMPÓSITOS CERÂMICAS VIDROS
Classificação dos Materiais Os materiais são agrupados em três grupos principais, baseados em princípios químicos e na estrutura: Metais:» Materiais metálicos são normalmente uma combinação de elementos metálicos;» Possuem elétrons livres;» Bons condutores de eletricidade e calor;» Não transparentes;» Muito resistentes;» Facilmente deformáveis. Aplicações
Cerâmicas:» Composições de elementos metálicos e não metálicos;» Óxidos, nitretos e carbetos;» Argilas, cimento e vidro;» Normalmente isolantes;» Duros e quebradiços;» Resistente a altas temperaturas Aplicações
Aplicações Polímeros:» Plásticos, borrachas e adesivos;» Compostos orgânicos baseados em carbono, hidrogênio e outros elementos não metálicos;» Produzidos pela criação de grandes estruturas moleculares a partir de moléculas orgânicas;» Baixa condutividade elétrica;» Baixa resistência à temperatura.
Em adição, existem outras categorias de importância que consistem na combinação destes tipos de materiais: Compósitos: Aplicações» Formados por dois ou mais tipos de materiais.
Compósitos de fibras reforçadas (fibras de carbono em matriz polimérica) utilizados na estrutura de bicicletas. Partes do corpo de carros de corrida, e de alguns veículos comuns, são feitos de fibras de vidro em matriz polimérica.
Semicondutores:» Possuem propriedades elétricas intermediárias entre condutores e isolantes;» Sensíveis à presença de impurezas. Aplicações
Nanomateriais:» São materiais contendo cristais ou clusters de átomos com dimensões da ordem do nanômetro, que corresponde a uma escala intermediária entre o átomo isolado e o material macroscópico. Aplicações
Biomateriais:» São materiais biológicos que são implantados no corpo humano. Aplicações:
O projeto de James Auger e Jimmy Loizeau, pesquisadores do Laboratório de Mídia do Massachusetts Institute of Technology -MIT em Dublin, na Irlanda, desenvolveu um dente que pode ser usado para receber sinais de um telefone celular. O dispositivo é apenas um conceito e sequer um protótipo foi construído. Segundo Auger, é necessário esperar que haja interesse comercial na idéia.
Existem várias propriedades que devem ser levadas em consideração no desenvolvimento de materiais e/ou alternativas de processo e aplicações: Econômicas Mecânicas Superficiais Fabricação Físicas e Químicas Microestruturais Estéticas
FUNÇÃO MATERIAL FORMA PROCESSO
Propriedades Econômicas Preço Custos Financeiros Valor de Mercado Incentivos Fiscais Disponibilidade Fornecedores Alternativos Materiais com Propriedades Equivalentes Atualização Tecnológica Ciência e Tecnologia Evoluem Rapidamente! Necessário Estudo Permanente
Propriedades Mecânicas Resistência Dureza Ruptura Fadiga Escoamento (início da deformação plástica) Fluência (processo lento de deformação, depende da temperatura e tempo) Desgaste, etc.
Propriedades Superficiais Corrosão Desgaste Abrasão Adesão Erosão Revestimento
Propriedades de Fabricação Usinagem Soldagem Colagem Fundição Conformação Acabamento METALURGIA DO PÓ As peças são produzidas a partir de pequenas partículas na forma de pó, aquecidas sob pressão dentro de uma matriz, abaixo da temperatura de fusão. Este processo de consolidação é chamado de Sinterização
Propriedades Físicas e Químicas Elétricas (resistência, piezo e termoeletricidade) Magnéticas Óticas (cor, transparência, refração, absorção) Térmicas Dilatação Durabilidade Química
Propriedades Microestruturais Tipo (cristalina, cadeias, amorfa) Cristalização (CFC, CCC, HC,...) Defeitos (discordâncias, vazios) Fases Solubilidade Tratamentos Térmico Dendrites numa superliga à base de níquel
Propriedades Estéticas São propriedades que variam muito com o tempo e são difíceis de quantificar, mas têm grande valor econômico. Aparência Textura Tato Jeito Moda