aula 01 - introdução a ciência dos materiais
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Ciência e Engenharia dos Materiais E i
Classificação e Propriedades dos e Ensaios
Classificação e Propriedades dos materiais
Prof. C. BRUNETTI
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Introdução
O que contribui para avanço e desenvolvimento tecnológico das sociedades?g
Fragmento de um retrato na parede de tumba egípcia mostrando o processamento de metais(1450 A.C )
Capacidade de produzir e manipular materiais para satisfazer as suas materiais para satisfazer as suas necessidades;
Expansão do conhecimento em novos pmateriais;
Capacidade do homem em modificar it t i i Figura de um vaso grego mostrando o trablalho de ferreirros (sec. VII-V A. C) em seu proveito os materiais
disponíveis
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Introdução
• Surgimento de novos materiais mudanças significativas para a evolução g p ç
• Períodos da história marcado pelos materiais Períodos da história marcado pelos materiais utilizados
Idade da pedra
Idade do bronze Idade do ferro
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Introdução
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Introdução
Porque estudar ciência dos materiais??
Conhecer as características, propriedades e comportamento do materiais que serão comportamento do materiais que serão
utilizados, independentemente do projeto.
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Introdução
• No projeto de dispositivos (mecânicos,elétricos/eletrônicos), estruturas...deve-se considerar
t d t i l t tí lque todo material exposto a um estímulo exerce umaresposta;
• Essa resposta depende das propriedades do material em questão:q
MecânicasElétricasMagnéticas
ÓÓpticasTérmicasd D d ã ( ã d t id ã )de Degradação (corrosão, desgaste, oxidação)
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Introdução
• A seleção adequada do material é vital para garantir maior durabilidade do produto com os g pmenores custos;
E i i d 100 000 i i • Existem aproximadamente 100.000 materiais de engenharia disponíveis no mercado
C d idi Como decidir pelo p
“melhor”?
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Introdução
• Por exemplo:
15 000 componentes15.000 componentes
4.000.000 componentes
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Introdução
• Condições de Serviço: ditam as propriedades exigidas do material É raro propriedades exigidas do material É raro o material ideal. resistência ductilidade resistência ductilidade
• Deterioração das propriedades durante usouso. Resistência com Temperatura ou
CorrosãoCorrosão• Fatores Econômicos (custo): também inclui
despesas incorridas durante a fabricação despesas incorridas durante a fabricação (processamento).
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Introdução
• A ciência dos materiais envolve a investigação dasrelações entre as propriedades e as estruturasrelações entre as propriedades e as estruturasdos materiais.
Associada ao arranjo dosN í l tô i t t l b Associada ao arranjo doscomponentes do material em escala:
subatômica
• No nível atômico, a estrutura englobaa organização dos átomos oumoléculas em relação aos outros.
atômica (átomos ou moléculas)
microscópica (microestrutura)
macroscópica (macroestrutura)
• A inter-relação entre processamento, estrutura, propriedades e desempenho é linear: macroscópica (macroestrutura)propriedades e desempenho é linear:
Processamento Estrutura Propriedades Desempenho
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Introdução
Desempenho
ProcessoPropriedades
Estrutura
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Propriedades
Mecânicas Resistência mecânica
Térmicas Ponto de fusão
Tração, compressão, torção, flexão, cisalhamento
Ponto de ebulíçãoElétricas R sisti id dcisalhamento
Elasticidade Resistividade Condutividade
MagnéticasPlasticidade
MaleabilidadeD l d d
Magnéticas Permeabilidade Coercividade
Ductilidade
Tenacidade
RemanênciaÓticas
êTenacidadeDurezaFragilidade
Transparência Reflexão Radiação e absorçãoFragilidade
Densidade Radiação e absorção
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Resistência mecânica
Propriedade quep qpermite que o materialseja capaz de resistir àj pação de determinadostipos de esforços,p ç ,como:TraçãoTraçãocompressãoT ãTorçãoFlexão.
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Elasticidade
Capacidade do material em se deformar quando submetido a um esforço e voltar à quando submetido a um esforço, e voltar à forma original quando retirado este esforço esforço.
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Plasticidade
Capacidade do material se deformar quando submetido a um esforço, e manter uma
l d d f ã d ti d parcela da deformação quando retirado o esforço.
Maleabilidade: Ser dobradoDuctibilidade: Ductibilidade: Ser conformado, Capacidade do material deformar-se apac dade do mater al deformar se
plasticamente sem romper-se.
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Dureza
Resistência do Resistência do material à
t ã à penetração, à deformação plástica e ao desgaste.
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Fragilidade
Baixa resistência aos choques. aos choques. Ex.: Vidro,
â icerâmicas
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Tenacidade
Quantidade de i á i energia necessária
para romper um p pmaterial.
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Densidade
Quantidade de matéria alocada matéria alocada dentro de um
l volume específico. p
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Outras propriedades físicas
Ponto de fusãoTemperatura na qual o material passa do Temperatura na qual o material passa do
estado sólido para o estado líquido.Ponto de ebuliçãoPonto de ebuliçãoTemperatura na qual o material passa do
estado líquido para o estado gasoso (ou estado líquido para o estado gasoso (ou vapor).
Condutividade térmicaCondutividade térmicaCapacidade do material de conduzir calor.
Dil t çã térmicDilatação térmicaVariação dimensional de um material devido
a uma variação de temperatura
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a uma variação de temperatura.
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Propriedades elétricas
Condutividade elétricaCapacidade de Capacidade de conduzir eletricidade eletricidade.
ResistividadeResistência do material à passagem de corrente elétrica.
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Propriedades magnéticas
PermeabilidadePermeabilidadeRemanênciaCoercividade
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Propriedades ópticas
Absorção Refração Reflexão e Prof. C. Brunetti – ME51Q-Materiais para Mecatrônica
Absorção, Refração, Reflexão e Espalhamento
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Exigências
Os materiais devem atender às Os materiais devem atender às exigências:
do mercado do mercado das normas de adequação ao uso do processo de fabricação do processo de fabricação de custos de disponibilidade
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Classificação dos materiais Origem: naturais / sintéticosPureza: substâncias puras / misturasp
materiais com impurezas específicasNatureza: orgânicos / inorgânicosg g
polímeros / metais / cerâmicas / compósitosCristalinidade: cristalinos / amorfosCristalinidade: cristalinos / amorfosCondutividade: não condutores /condutores (semi /super)Magnetismo: diamagnéticos / paramagnéticos / ferromagnéticosMagnetismo: diamagnéticos / paramagnéticos / ferromagnéticosReatividade: inertes / reativosRadioatividade: radioativos / não radioativosRadioatividade: radioativos / não radioativosEstabilidade: estáveis / instáveis / metastáveisUtilização: materiais elétricos / adsorventes / catalisadoresUtilização: materiais elétricos / adsorventes / catalisadores ...
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Classificação dos materiais
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Classificação dos materiais Metais• Elétrons livres (nuvem eletrônica)Elétrons livres (nuvem eletrônica)• Puros Cu, Fe, Ti, Al, Cr, .....
Li s C bi õ s d l t s táli s • Ligas Combinações de elementos metálicos para obtenção de propriedades diferenciadas
Características• Condutores de eletricidade e calor;
N à l í l• Não transparentes à luz visível;• Têm aparência lustrosa quando polidos;polidos;• Geralmente são resistentes e deformáveis;• São muito utilizados para aplicações estruturais.
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Classificação dos materiais
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Classificação dos materiais
Cerâmicos
• São compostos formados por elementos metálicos e não metálicos (O, N, C, P, S) (freqüentemente óxidos, it t b t t i i il nitreto e carbeto – compostos por minerais argilosos,
cimento e vidro)Características
• Baixa condutividade térmica e elétrica;Is lantes;• Isolantes;
• Elevada dureza;• FrágeisFrágeis• Atualmente são utilizados em aplicações estruturais (turbinas)
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Classificação dos materiais
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Classificação dos materiais
Polímeros
• P d id s p p lim i ã (f m ã d nd s • Produzidos por polimerização (formação de grandes cadeias de moléculas orgânicas).
•Plásticos, borrachas e adesivos
Características• Baixa condutividade térmica e elétrica;
B i i ê i â i• Baixa resistência mecânica• Não adequado para T elevadas (baixo ponto de fusão)ponto de fusão)• Termoplásticos e Termofixos
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Classificação dos materiais
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Classificação dos materiais
SemicondutoresM t i i i d t t i d d • Materiais semicondutores apresentam propriedades
elétricas que são intermediárias entre metais e isolantesisolantes
• Características elétricas depende do nível de iimpurezas
Características• Frágeis• Frágeis• Utilizados em diodos, CI’s, transistores...
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Classificação dos materiais
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Classificação dos materiais
Compósitos• Sistema de materiais compostos de dois ou mais constituintes com diferentes formas estruturais (matrizes, partículas fibras)partículas, fibras)
• Princípio da ação combinada: De uma maneira geral pode se considerar um compósitoDe uma maneira geral, pode-se considerar um compósitocomo sendo qualquer material multifásico que exiba umaproporção significativa das propriedades de ambas as fases
tit d t l d é btid lh
Caracteristicas
que o constituem, de tal modo que é obtida uma melhorcombinação de propriedades.
aract r st cas• Combinação excelente de propriedades• Utilizados em várias aplicações industriais (ex. Ind. Aeronáutica)• Fibra de vidro, concreto, Kevlar...
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Classificação dos materiais
Biomateriais• Utilizados em componentes para implantes • Utilizados em componentes para implantes
• Devem ser biocompatívies (compatíveis com o tecido humano para evitar rejeição)humano para evitar rejeição)
• Materiais cerâmicos, metálicos ou poliméricos podem ser utilizados como biomateriaisutilizados como biomateriais
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Materiais avançados• São materiais utilizados em aplicações de tecnologia de ponta, ou
seja, utilizados para fabricação de dispositivos ou componentes que operam usando princípios sofisticadosque operam usando pr nc p os sof st cados
• Exemplos: equipamentos eletrônicos (CD players, DVDs), computadores, sistemas de fibra óptica, foguetes e mísseis militares lasers displays de cristal líquido indústria aeroespacialmilitares, lasers, displays de cristal líquido, indústria aeroespacial
• Estes materiais são geralmente materiais tradicionais cujas propriedades são otimizadas ou materiais novos de alto desempenhodesempenho.
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Materiais avançados
Necessidade de novos materiais surge quando:• Alto desempenho• Baixo peso e alta resistência• Possibilidade de trabalhar em T elevadas• Materiais menos “custosos” ao meio ambienteMateriais menos custosos ao meio ambiente• Facilidade de reciclagem
E l d d d õ d f é d E • Exemplo de necessidade: Aviões da força aérea dos EUA no Iraque
Areia sugada degradou rapidamente o revestimento
é(barreira térmica) das turbinas
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Exemplos de aplicações
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Resistências relativas
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Exemplos de aplicações
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Exemplos de aplicações
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Exemplos de aplicações
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Exemplos de aplicações
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Exemplos de aplicações
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Exemplos de aplicações
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Exemplos de Aplicações
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Para não esquecer!
Desempenho
ProcessoPropriedades
Estrutura