Materiais

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E
ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM
INTRODUÇÃO
CMA – CIÊNCIA DOS MATERIAIS
(04 Créditos - Obrigatória)
1º Semestre de 2017
Prof. Júlio César Giubilei Milan
INTRODUÇÃO
Materiais
• Importância dos materiais.
• Civilizações antigas foram designadas pelo nível de
conhecimento em relação aos materiais (idade da
pedra, 2.500.000 AC, idade do bronze, 3.500 AC,
idade do ferro, 1000 AC ....).
• Primeiros seres humanos – materiais que ocorrem
naturalmente (pedras, madeira, argila, peles, etc.)
• Com o tempo – técnicas para produção de materiais
– cerâmicas e vários metais.
• Descoberta que as propriedades podem ser
alteradas por tratamentos térmicos e pela adição de
outras substâncias.
INTRODUÇÃO
Materiais
•Nesta época – apenas seleção de materiais.
•Recentemente (cerca de 100 anos) –
entendimento das relações entre
elementos
estruturais dos materiais e suas propriedades.
•Dezenas
de
milhares
de
materiais
–
desenvolvidos com características específicas
(metais, plásticos, vidros, fibras).
•Avanço
no
entendimento
progressão da tecnologia.
–
precursor
• Aços nos automóveis.
• Semincondutores nos produtos eletrônicos.
Desenvolvimento dos materiais no tempo. Os materiais da pré história, a esquerda, ocorriam naturalmente; o
desafio para os engenheiros daquela época era dar forma aos materiais. O desenvolvimento da termoquímica e
da química de polímeros possibilitou materiais feitos pelo homem, mostrado nas regiões coloridas.
INTRODUÇÃO
Materiais
• Ciência de materiais.
 estuda a
propriedades.
relação
entre
estrutura
e
• Engenharia de materiais.
 com base nestas correlações estruturapropriedade,
envolve
o
projeto
ou
desenvolvimento da estrutura de um material
para produzir um conjunto predeterminado de
propriedades.
INTRODUÇÃO
Ciência e Engenharia de Materiais
• Cientista de materiais.
 desenvolver ou sintetizar novos materiais
• Engenheiro de materiais.
 criar novos produtos ou sistemas utilizando
materiais
existentes
e/ou
desenvolver
técnicas de processamento de materiais
INTRODUÇÃO
Ciência e Engenharia de Materiais
• Estrutura.
Arranjo dos componentes internos
 Subatômico – interações de elétrons
com núcleo
 Atômico – organização de átomos
e moléculas
INTRODUÇÃO
Ciência e Engenharia de Materiais
• Propriedade.
Tipo e magnitude da resposta a um estímulo
específico
Mecânicas  (módulo de elasticidade, resistência,
tenacidade);
Elétricas
dielétrica);

(condutividade
elétrica,
constante
Térmicas  (capacidade calorífica, condutividade
térmica);
Magnética  (resposta a um campo magnético);
Óptica  (índice de refração, refletividade);
de deteriorização
 (reatividade química dos
materiais).
INTRODUÇÃO
Ciência e Engenharia de Materiais –
componentes importantes
• Processamento
• Desempenho
Processamento
Estrutura
Propriedades
Desempenho
O quatro componentes da disciplina da ciência e engenharia dos materiais e seu interrelacionamento linear.
Fotografia mostrando a transmitância à luz de três amostras de óxido de alumínio. Da
esquerda para direita:
Material monocristalino, que é transparente;
Material policristalino e completamente denso (não poroso), que é translúcido;
Material policristalino que contém aproximadamente 5 % de porosidade, que é opaco.
INTRODUÇÃO
Por que estudar
de Materiais?
Ciência e Engenharia
•
Cientistas
experimentais
e/ou
engenheiros – expostos a problemas de
projetos que envolva materiais;
• Seleção de material adequado;
• Deterioração de propriedades durante
serviço;
• Considerações econômicas;
• material e processamento
INTRODUÇÃO
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Materiais sólidos convencionalmente agrupados em três
classes (composição química e estrutura atômica):
• Metais
Fe, Au, Al, Cu, Aço (liga Fe, C), latão (liga Cu, Zn)
• Cerâmicas vidros, argila, cimento
• Polímeros plásticos, polietileno, nylon, epoxi
Adicionalmente:
• Compósitos (combinações de dois ou mais materiais
diferentes)
fibra de vidro, concreto, madeira
• Materiais avançados (usados em aplicações de alta
tecnologia)
(biomateriais, semicondutores, materiais
inteligentes, materiais nanoengenheirados)
INTRODUÇÃO
METAIS
São compostos de um ou mais elementos metálicos
(Fe, Al, Cu, Ti, Au, Ni) e frequentemente um não
metálico (C, N, O)
Propriedades básicas:
• Átomos arranjados de forma ordenada;
• Relativamente densos;
• Rígidos e resistentes;
• Deformáveis (dúcteis e não quebradiços –
frágeis);
• Superfície metálica;
• Bons condutores de eletricidade.
OS METAIS NA TABELA PERIÓDICA
METAIS
Objetos familiares fabricados a partir de metais
e ligas metálicas.
INTRODUÇÃO
CERÂMICAS
São compostos formados entre elementos metálicos e
não metálicos (óxidos, nitretos e carbetos) Al2O3, SiO2,
SiC, Si3N4.
Cerâmicas tradicionais – minerais argilosos (porcelana,
vidro, cimento)
Propriedades básicas:
• Altamente resistentes a temperatura (refratários);
• Menos densos que os metais;
• Fortes e rígidos;
• Frágeis;
• Isolantes;
• Podem ser transparentes.
AS CERÂMICAS NA TABELA PERIÓDICA
Cerâmicas são formadas por combinações de metais com os elementos C, O, N, P, e S.
Si e Ge são semicondutores mas são usados em cerâmicas na forma equivalente aos metais
CERÂMICAS
Faca de material cerâmico.
Objetos comuns produzidos a partir de
materiais cerâmicos.
Ferramenta de usinagem de
materias cerâmicos.
INTRODUÇÃO
POLÍMEROS
Incluem materiais plásticos e de borracha.
Muitos são compostos orgânicos baseados no C,
H e outros elementos não metálicos (como O, N
e Si).
Possuem estruturas moleculares grandes.
Polietileno (PE), nailon, cloreto de polivinila
(PVC), policarbonato (PC), poliestireno (PS) e
borracha de silicone.
INTRODUÇÃO
POLÍMEROS
Propriedades básicas:
• São sintéticos – feitos pelo homem;
• Densidade reduzida;
• Altamente moldáveis;
• Muitos são extremamente dúcteis e flexíveis;
• Formados pela combinação de unidades – meros;
• São formados por um número bem limitado de
elementos – C e H, O (acrílicos), N (nailon), F
(fluor-plásticos), Si (silicones),
• Maior desvantagem: amolecem e/ou se
decompoe em temperaturas relativamente baixas.
OS POLÍMEROS NA TABELA PERIÓDICA
POLÍMEROS
Faca de material cerâmico.
Vários objetos comuns feitos a partir de
materiais poliméricos.
Polímero natural.
INTRODUÇÃO
COMPÓSITOS
Compostos de dois (ou mais) materiais individuais –
das classes já discutidas (metais, cerâmicos,
polímeros).
Visa atingir uma combinação de propriedades dos
componentes.
Alguns ocorrem naturalmente (madeira, osso), mas
a maioria é sintético (fibra de vidro).
Outro exemplo é o polímero reforçado com fibra de
carbono (aeronaves, aplicações aeroespaciais,
equipamentos esportivos de alta tecnologia –
bicicletas, tacos de golfe, raquetes de tênis, esquis e pranchas de
snowboard)
COMPÓSITOS
Fibra de vidro
Fibra de carbono
Madeira
Concreto
Veículo de linha fabricado em fibra de
vidro
INTRODUÇÃO
Massa específica
Gráfico de barras dos valores de massa específica à temperatura ambiente
para vários materiais metálicos, cerâmicos, polímeros e compósitos.
INTRODUÇÃO
Rigidez
Gráfico de barras dos valores de rigidez (módulo de elasticidade) à
temperatura ambiente para vários materiais metálicos, cerâmicos, polímeros
e compósitos.
INTRODUÇÃO
Resistência
Gráfico de barras dos valores de resistência (limite de resistência à tração) à
temperatura ambiente para vários materiais metálicos, cerâmicos, polímeros
e compósitos.
INTRODUÇÃO
Tenacidade
Gráfico de barras da resistência à fratura (tenacidade à fratura) à
temperatura ambiente para vários materiais metálicos, cerâmicos, polímeros
e compósitos.
INTRODUÇÃO
Condutividade Elétrica
Gráfico de barras das faixas de condutividade elétrica à temperatura
ambiente para vários materiais metálicos, cerâmicos, polímeros e
semicondutores.
INTRODUÇÃO
Propriedades cerâmicas x metais
Comparação da resistência entre
cerâmicas finas e metais
Comparação da densidade específica
entre cerâmicas finas e metais
INTRODUÇÃO
MATERIAIS AVANÇADOS
Materiais que são utilizados em alta tecnologia
algumas vezes são chamados de materiais
avançados.
Alta tecnologia – dispositivos ou produtos que
operam
ou
funcionam
utilizando
princípios
relativamente complexos e sofisticados (câmeras
de vídeo, CD/DVD players), computadores, sistemas
de fibras óticas, espaçonaves, etc...
Podem ser de todos os tipos (metais, cerâmicos,
polímeros).
Normalmente são caros.
INTRODUÇÃO
MATERIAIS AVANÇADOS
Incluem:
• Semicondutores,
• Biomateriais,
• Materiais inteligentes,
• Nanomateriais,
• Exemplos de aplicação:





Materiais usados em lasers,
Circuitos integrados,
Armazenamento magnético,
Mostradores de cristal líquido, LCD,
Fibras óticas.
INTRODUÇÃO
MATERIAIS AVANÇADOS - Semicondutores
Possuem propriedades elétricas intermediárias entre
aquelas dos condutores e isolantes.
Sensíveis a presença de mínimas concentrações de
átomos de impurezas.
Características:
• Todos componentes eletrônicos dos computadores,
• Condutividade finamente controlada pela presença de
impurezas - dopantes,
• Podem ser combinados entre si para gerar propriedades
eletrônicas e óticas “sob medida”,
• São a base da tecnologia opto-eletrônica, lasers,
detetores, circuitos integrados óticos e células solares.
OS SEMICONDUTORES NA TABELA PERIÓDICA
Quando combinados entre si, (coluna III-V e II-IV) os metais assumem propriedades
semicondutoras.
INTRODUÇÃO
MATERIAIS AVANÇADOS - Biomateriais
Materiais
empregados
em
implantados no corpo humano.
componentes
Características:
• não podem produzir substâncias tóxicas,
• devem ser compatíveis com tecidos do corpo,
• cerâmicos, metais,
semicondutores.
polímeros,
compósitos
e
INTRODUÇÃO
MATERIAIS AVANÇADOS – Materiais do
futuro
Materiais inteligentes:
• capazes de sentir mudanças no seu ambiente e
responder a estas mudanças,
• sensor-atuador (mudar forma, a posição,
frequencia natural, características mecânicas em
resposta a mudança de temperatura, campo
elétrico, campo magnético, etc...) ,
• ligas com memória de forma – após deformados,
retornam a forma original quando submetidos a
variação de temperatura,
INTRODUÇÃO
MATERIAIS AVANÇADOS – Materiais do
futuro
Materiais inteligentes:
• sensor-atuador (mudar forma, a posição,
frequencia natural, características mecânicas em
resposta a mudança de temperatura, campo
elétrico, campo magnético, etc...) ,
• cerâmicas piezoelétricas – expandem e contraem
em resposta à um campo elétrico,
•
magneto-constritivos – respondem a campo
magnético,
• fluidos eletroreológicos/magnetoreológicos –
sofrem mudanças drásticas na viscosidade quando
aplicados campos elétricos e campos magnéticos.
INTRODUÇÃO
MATERIAIS
Nanomateriais
AVANÇADOS
–
Qualquer um dos quatro tipos básicos de materiais
– com dimensões da ordem do nanometro (10-9) –
como regra, menor que 100 nm.
INTRODUÇÃO
Estruturas e propriedades
As propriedades dos materiais
 dependem
atômica,
da
estrutura
em
 como os átomos estão organizados
Al
estrutura cúbica
Fe
escala
INTRODUÇÃO
Estruturas e propriedades
As propriedades dos materiais
da microestrutura em escala intermediária.
 como os microconstituintes estão organizados
INTRODUÇÃO
Latão Cu-Zn
Liga Al-Si
Liga Fe-C – aço 1020
Liga Fe-C – aço 1045
Liga Fe-C
fofo
INTRODUÇÃO - Estruturas e propriedades
INTRODUÇÃO – Seleção de Materiais
Recipientes para bebidas carbonatadas
Seleção do material adequado (requisitos):
• barreira a passagem do gás carbônico, sob
pressão,
• atóxico e inerte com a bebida e reciclável,
• resistente a quedas de 1 m quando cheio,
• baixo custo do material e de fabricação,
• transparente
• colorido e ou adornado,
?
INTRODUÇÃO – Seleção de Materiais
Recipientes para bebidas carbonatadas
Seleção do material adequado:
Qual o material mais adequado?
Metal,
Cerâmica ou
Polímero?
INTRODUÇÃO – Seleção de Materiais
Recipientes para bebidas carbonatadas
INTRODUÇÃO – Seleção de Materiais
Cilindros de armazenamento de gases
Requisitos: resistir a altas pressões (14 MPa):
INTRODUÇÃO – Seleção de Materiais
Vazo de pressão de uma aeronave
Requisitos:
custo é
funcionalidade
resistir a altas pressões
menos
importante
que
Preferível material leve e forte mesmo sendo caro
a