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CAMPUS SÃO JOSÉ DOS CAMPOS
Curso Bacharelado em Ciência e Tecnologia (BCT)
2º Semestre de 2012
Profª. Danieli Reis
Ciência e Tecnologia dos Materiais - Profª. Danieli Reis - 2º semestre de 2012
2
1. Materiais para Engenharia.
2. Estrutura Atômica e Ligações Químicas.
3. Estrutura de Sólidos Cristalinos.
4. Imperfeições em Sólidos.
5. Difusão.
6. Diagrama de Fases.
7. Propriedades Mecânicas.
8. Propriedades Térmicas.
9. Propriedades Elétricas.
10. Propriedades Magnéticas.
11. Propriedades Ópticas.
Ementa: Ciência e Tecnologia dos Materiais
3
1. Shackelford J. F. Ciência dos Materiais, 6ª ed., Prentice
Hall Brasil, 2008. (28 exemplares)
2. Callister Jr. W. D. Ciência e Engenharia de Materiais:
Uma Introdução, 7ª ed., LTC – Livros Técnicos e
Científicos Editora S.A., 2008. (30 exemplares)
3. Askeland D. R., Phulé P. P. Ciência e Engenharia dos
Materiais, 1ª ed., Cengage Learning, 2008.
4. Padilha A. F. Materiais de Engenharia: Microestrutura
e Propriedades, 2ª ed. Hemus, 2007.
5. Smith W .F. Princípios de Ciência e Engenharia de
Materiais, 3ª ed., McGraw-Hill, 1998.
Bibliografia Básica
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1. Van Vlack, L. H. Princípios de Ciência dos Materiais,
Blucher, 1970.
2. Ashby, M. F. Jones, D. R. H. Engenharia de Materiais:
Uma Introdução a Propriedades Aplicações e Design,
vol 1, 2007.
3. Ashby, M. F. Jones, D. R. H. Engenharia de Materiais:
Uma Introdução a Propriedades Aplicações e Design,
vol 2, 2007.
Bibliografia Complementar
Ciência e Tecnologia dos Materiais - Profª. Danieli Reis - 2º semestre de 2012
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Avaliação
2 Provas
Exame
Seminário, listas de exercícios, atividades no Moodle, atividades em sala.
Programação
4 aulas semanais (máx 18 faltas):
Quartas-feiras – 13h30-15h30 (sala 109).
Quintas-feiras – 10h00-12h00 (sala 110).
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Critério de Avaliação
N= [P1 + P2 + (X + S)/2]/3 ≥ 7,0 = aprovado
N + Exame/2 ≥ 5,0 = aprovado
X = Listas de Exercícios, Atividades no Moodle, Atividades
em Sala de Aula...
S = Seminário
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Bem-Vindos à
Engenharia dos Materiais !
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9
Ciência e entendimento
básico
Conhecimento científico
Estrutura
Propriedades
Desempenho
Processamento
Conhecimento empírico
Estudo dos Materiais
Necessidades e experiências
sociais
Engenharia e Ciência dos Materiais
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10
Evolução Histórica
Fonte: Instituto Inovação
Homem Primitivo Materiais Naturais
Argilas
Idade do Cobre,
Bronze e Ferro
Avanço do Conhecimento
Ciência dos
Materiais
Engenharia de
Materiais
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11
Ciência e Tecnologia dos Materiais - Profª. Danieli Reis - 2º semestre de 2012
12 http://boeing.com/
Ciência e Tecnologia dos Materiais - Profª. Danieli Reis - 2º semestre de 2012
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Fonte: Revista Veja 17/01/2007
INVÓLUCRO DA CAPA – policarbonato ABS e plástico
CHIP – silício, cobre alumínio, ouro, estanho, níquel e plástico
BATERIA – lítio, plástico, cobre, níquel, estanho, ouro e silício
CIRCUITOS – fibra de vidro de areia de sílica e cobre
CÂMERA E LENTES – silício, cobre, níquel, ouro e plástico
TELA DE LCD – areia de sílica, óxido de estanho e índio, plástico, nitreto de índio-gálio, cobre, prata, e granada de ítrio-alumínio dopado com cério
Os Materiais do Celular
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A Pirâmide dos Materiais
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Ciclo Global dos Materiais
MATÉRIA-PRIMA BÁSICA
MATÉRIA-PRIMA INDUSTRIAL
RECICLAGEM
RESÍDUOS OU
SUCATAS
TERRA
Ciência e Engenharia
dos Materiais
PRODUTOS BENS DE CONSUMO
metais, fibras, resinas, ...
minérios, plantas, petróleo, ...
chapas, plásticos, tecidos, ...
carro, avião, casas, máquinas, ...
MATÉRIA-PRIMA BRUTA
Ciência e Engenharia
do Meio Ambiente
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Fonte: Adaptado de Ashby.
Evolução dos Materiais de Engenharia
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17 Composição e Processos
de Fabricação
Engenharia de Materiais
Propriedades
dos Materiais
Microestrutura
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- Preço - Disponibilidade - Reciclagem
- Densidade - Módulo de elasticidade - Resistência à deformação - Resistência à tração - Dureza - Tenacidade à fratura - Limite de fadiga - Limite de Fluência
- Condutividade térmica - Calor específico - Coeficiente de expansão térmica
- Resistividade - Constante dielétrica - Permeabilidade magnética
- Facilidade no processamento - União - Acabamento
- Cor - Textura - Sensação táctil
Critérios de Seleção dos Materiais
- Oxidação - Corrosão - Desgaste
Aspecto
Econômico
Físico e
Mecânico
Estético
Elétrico e
Magnético
Térmico
Produção
Interação
Ambiental
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Propriedades dos Materiais
Propriedades
Preço e disponibilidade
Propriedades de produção
Propriedades estéticas
Propriedades de superfície
Propriedades gerais não-mecânicas
Propriedades mecânicas
gerais
Projeto
Fonte: Ashby.
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Classificação Geral dos Materiais
Metais Cerâmicas e Vidros
Polímeros Compósitos
Semicondutores
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Materiais Naturais Propriedades típicas:
Renováveis;
Disponíveis no mundo inteiro;
Baixo custo;
Propriedades difíceis de superar.
Exemplos:
Madeira, papel
Algodão, lã, seda
Osso
Couro
Bambu
Pedra
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Metais
Fonte: Shackelford.
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Metais Propriedades típicas:
Resistentes;
Alta ductilidade;
Brilho em superfícies;
Alta condutividade térmica e elétrica;
Aplicações estruturais.
Exemplos:
Ferro e aços
Alumínio e suas ligas
Cobre e suas ligas
Níquel e suas ligas
Titânio e suas ligas
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Cerâmicas e Vidros
Fonte: Shackelford.
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COMPARAÇÃO ESQUEMÁTICA DA ESTRUTURA EM ESCALA ATÔMICA: (A) UMA CERÂMICA – CRISTALINA E (B) UM VIDRO – AMORFO.
OS CÍRCULOS VAZIOS REPRESENTAM ÁTOMOS NÃO METÁLICOS E OS CÍRCULOS CHEIOS ÁTOMOS METÁLICOS.
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Cerâmicas e Vidros Propriedades típicas:
Isolantes;
Refratários;
Resistentes a ambientes severos;
Frágeis.
Exemplos:
Alumina
Magnésia
Carboneto de Silício
Nitreto de Silício
Argila
Cimento e Concreto
Vidros de sílica e silicatos
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Polímeros
Fonte: Shackelford.
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Polímeros Propriedades típicas:
Compostos orgânicos de C-H e não-metais;
Macromoléculas;
Baixa massa específica;
Extremamente flexíveis;
Alta resistência química;
Baixo custo.
Exemplos:
Polietileno
Poliestireno
Poliuretano
Epóxis
Elastômeros
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CARROCERIA TRASEIRA DESSE CARRO ESPORTE FOI UMA APLICAÇÃO PIONEIRA DOS POLÍMEROS DE ENGENHARIA SUBSTITUINDO O TRADICIONAL AÇO ESTRUTURAL. O
POLÍMERO É UM NYLON INJETADO.
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Compósitos
Propriedades típicas:
Mais de um tipo de material insolúvel entre si;
Combinação das melhores propriedades de cada constituinte.
Exemplos:
Polímero reforçado com fibra de vidro
Polímero reforçado com fibra de carbono
Vidros fosfatados
Resinas termoplásticas
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CABEÇA DE TACO DE GOLFE E CABO MOLDADO EM COMPÓSITO DE FIBRA DE CARBONO COM EPOXY. TACOS DE GOLFE FEITO DESSE
SISTEMA DE COMPÓSITO AVANÇADO SÃO MAIS FORTES, RÍGIDOS E MAIS LEVES QUE OS TACOS CONVENCIONAIS PERMITINDO AO
GOLFISTA MANDAR A BOLA MAIS LONGE E COM MAIS CONTROLE.
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COMPÓSITO DE FIBRA DE VIDRO COMPOSTO DE FIBRAS DE VIDRO REFORÇADO COM MATRIZ POLIMÉRICA. MICROSCÓPIO ELETRÔNICO DE VARREDURA
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Semicondutores
Fonte: Shackelford.
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Semicondutores
Propriedades típicas:
Praticamente invisíveis;
Presentes na maioria dos aparelhos eletrônicos;
Propriedades elétricas intermediárias entre metais e isolantes;
Extremamente sensíveis à presença de impurezas;
Tornaram possível o advento dos circuitos integrados.
Exemplos:
Silício
Germânio
Arseneto de gálio
Nitreto de gálio
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(A) MICROCIRCUITO TÍPICO CONTENDO UM COMPLEXO ARRANJO DE REGIÕES SEMICONDUTORAS.
(B) UM MICROCIRCUITO VISTO NO MICROSCÓPIO ELETRÔNICO DE VARREDURA (MEV OU SEM).
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BOLACHA DE SI COM 1,5MM DE ESPESSURA POR 150MM DE DIÂMETRO COM INÚMEROS
CHIPS
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Biomateriais
Propriedades típicas:
Não produzir substâncias tóxicas;
Biocompatíveis.
Exemplos:
Metais
Cerâmicas
Polímeros
Compósitos
Semicondutores
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Setores Industriais dos Materiais
MATERIAIS SETORES INDUSTRIAIS
Biomateriais Médico-odontológico.
Cerâmicas especiais Aeroespacial; Automobilístico; Ferroviário.
Células solares Aeroespacial; Automobilístico; Construção Civil; Energia.
Ligas de alumínio Aeroespacial; Automobilístico; Ferroviário.
Ligas de carbono Aeroespacial; Automobilístico; Ferroviário; Saneamento.
Materiais inteligentes Aeroespacial; Automobilístico; Construção Civil; Eletro-eletrônico; Ferroviário; Médico-odontológico; Robótico.
Materiais magnéticos Aeroespacial; Automobilístico; Energia; Eletro-eletrônico.
Materiais nano estruturados Aeroespacial; Automobilístico; Energia; Eletro-eletrônico; Fármacos; Informática; Médico-odontológico; Derivados do petróleo.
Polímeros biodegradáveis Alimentício; Agricultura; Biomédico; Embalagens; Químico.
Polímeros condutores Aeroespacial; Automobilístico; Ferroviário; Eletro-eletrônico; Médico; Robótico.
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Questões que o engenheiro de projetos deve responder na escolha de um material estrutural:
Quão resistente é o material? Quanto de deformação o material suporta? Em que tipo de ambiente o material será usado? Qual é o custo? As duas primeiras questões podem ser obtidas
pelos ensaios mecânicos (tração, compressão, dureza, etc).
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Custo Ductilidade Resistência
Metais
Cerâmicas
Polímeros
Compósitos
Semicondutores
40
Seleção de Materiais: cilindro de gases
Fonte: Shackelford.
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Seleção final
Custo Ductilidade Resistência
Metais
Cerâmicas
Polímeros
Compósitos
Semicondutores
41
Seleção de Materiais: cilindro de gases
Fonte: Shackelford.
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A engenharia e
ciência dos
materiais tem papel
importante na
prevenção e análise
de falhas em peças
ou componentes
mecânicos.
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MT
201
ESCALA ATÔMICA RELAÇÃO PROPRIEDADE ESTRUTURA:
Al dúctil e Mg frágil.
Al CFC estrutura cúbica de corpo
centrado
Mg HC estrutura hexagonal
compacto
Ductilidade deformação ocorrendo em escala atômica
Al 12 sistemas de escorregamento combinações de planos e direções
Mg 3 sistemas de escorregamento
Comparação das estruturas
cristalinas
(a) alumínio e (b) magnésio.
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CONTRASTE NO
COMPORTAMENTO MECÂNICO:
(A) ALUMÍNIO (RELATIVAMENTE
DÚCTIL) E
(B) MAGNÉSIO
(RELATIVAMENTE FRÁGIL) EM
CONSEQUÊNCIA DA
ESTRUTURA EM ESCALA
ATÔMICA MOSTRADA NA CADA
AMOSTRA FOI TRACIONADA EM
TENSÃO ATÉ A RUPTURA.
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ESCALA MICROSCÓPICA (10-6M)
cerâmicas transparentes
Al2O3 tradicionalmente opaca opticamente transparente mudança fundamental na arquitetura em escala microscópica redução de porosidades de 3 para 0,3% adição de 0,1wt% de MgO
Consequência prática:
lâmpadas de sódio - 100 lumens/W
lâmpadas incandescentes - 15 lumens/W
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MICROESTRUTURA POROSA EM AL2O3 POLICRISTALINA (A) LEVA A UM MATERIAL OPACO (B). MICROESTRUTURA PRATICAMENTE ISENTA
DE POROS EM AL2O3 (C) LEVA A MATERIAL TRANSLUCENTE(D).
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MUDANÇA NO PROCESSO DE FABRICAÇÃO
A eliminação da porosidade resultou de uma invenção relativamente simples: adição de uma pequena quantidade (0,1wt%) de
MgO permitiu o processo de densificação completa a alta temperatura dos pós de Al2O3.
A microestrutura isenta de poros resultou em material praticamente transparente, com uma propriedade adicional importante – excelente resistência a ataque químico do vapor de sódio a alta temperatura.
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LÂMPADA DE VAPOR DE SÓDIO DE ALTA TEMPERATURA FOI POSSÍVEL PELO USO DE CILINDRO DE AL2O3
CONTENDO VAPOR DE SÓDIO. (NOTAR QUE O CILINDRO DE AL2O3 ESTÁ CONTIDO EM UMA AMPOLA DE VIDRO.)
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VAZAMENTO DE FERRO FUNDIDO EM MOLDE. MESMO NESSA FORMA TRADICIONAL DE PROCESSAMENTO DE
MATERIAL, ESTÁ SE TORNANDO CADA VEZ MAIS SOFISTICADO.
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O MODERNO LABORATÓRIO DE FABRICAÇÃO DE CIRCUITO INTEGRADO REPRESENTA O ESTADO DE ARTE NO
PROCESSAMENTO DE MATERIAIS.
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MT 201
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