Aula 01 - Introdução a ciência dos materiais

Ciência e Engenharia dos Materiais E i

Classificação e Propriedades dos e Ensaios

Classificação e Propriedades dos materiais

Prof. C. BRUNETTI

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

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

Introdução

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.

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)

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”?

Introdução

• Por exemplo:

15 000 componentes15.000 componentes

4.000.000 componentes

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).

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

Introdução

Desempenho

ProcessoPropriedades

Estrutura

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

Resistência mecânica

Propriedade quep qpermite que o materialseja capaz de resistir àj pação de determinadostipos de esforços,p ç ,como:TraçãoTraçãocompressãoT ãTorçãoFlexão.

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.

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.

Prof. C. Brunetti – ME51Q-Materiais para Mecatrônica

Dureza

Resistência do Resistência do material à

t ã à penetração, à deformação plástica e ao desgaste.


Fragilidade

Baixa resistência aos choques. aos choques. Ex.: Vidro,

â icerâmicas


Tenacidade

Quantidade de i á i energia necessária

para romper um p pmaterial.


Densidade

Quantidade de matéria alocada matéria alocada dentro de um

l volume específico. p


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


a uma variação de temperatura.

Propriedades elétricas

Condutividade elétricaCapacidade de Capacidade de conduzir eletricidade eletricidade.

ResistividadeResistência do material à passagem de corrente elétrica.


Propriedades magnéticas

PermeabilidadePermeabilidadeRemanênciaCoercividade


Propriedades ópticas

Absorção Refração Reflexão e Prof. C. Brunetti – ME51Q-Materiais para Mecatrônica

Absorção, Refração, Reflexão e Espalhamento

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

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 ...

Classificação dos materiais

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.



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)



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



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...



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...


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

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.

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

Exemplos de aplicações

Resistências relativas







Exemplos de Aplicações

Para não esquecer!

Desempenho

ProcessoPropriedades

Estrutura

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