Aula 1 –
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Professor: Luis Gustavo Sigward EricssonCurso: Engenharia MecânicaSérie: 6º/ 5º Semestre
Ciências dos materiais- 232
Terça
Semana par
19:00 às 20:40
21:00 às 22:40
1a aula
Apresentação do curso.Características gerais nos materiais de engenharia. Ligações químicas.Estruturas cristalinas.
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Plano de ensino
• Características gerais exigidas nos materiais em engenharia. Ligaçãoquímica. Estrutura cristalina. Propriedades mecânicas dos materiaismetálicos. Propriedades elétricas e magnéticas dos materiais.Deformação dos metais. Ruptura dos metais. Ligas metálicas. Diagramade equilíbrio Fe-C.
• Curva temperatura-tempo transformação. Noções de tratamentostérmicos e termoquímicos. Propriedades e classificação dos aços. Ferrosfundidos. Metais e ligas não ferrosas.
Ementa
Aula 1 – Apresentação da disciplina
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Plano de ensino
• Proporcionar aos alunos conhecer os diversos tipos de materiais, suascaracterísticas, propriedades e aplicações.
Objetivos gerais
Aula 1 – Apresentação da disciplina
Objetivos Específicos
• Correlacionar as microestruturas com as propriedades dos materiaismetálicos. Capacitar o aluno quanto aos procedimentos e metodologiasde ensaios para medição de propriedades mecânicas de materiaismetálicos
• Desenvolver no aluno conhecimento sobre processos de tratamentotérmicos objetivando determinadas propriedades. Estudos de normas emateriais envolvidos.
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Cronograma das aulas1 - 2/16/2016 -
2 1 2/23/2016
(1) APRESENTAÇÃO DO PLANO DE ENSINO, METODOLOGIA DE ENSINO E AVALIAÇÃO
(2) Características gerais exigidas nos materiais de engenharia. Comparação entre materiais metálicos, poliméricos e cerâmicos. Ligações químicas e relação
entre elas e as propriedades de cada tipo de material.
(3) Estruturas cristalinas. Sistemas cristalinos, fator de empacotamento atômico.
3 - 3/1/2016 -
4 2 3/8/2016
(3) Imperfeições estruturais e movimentos atômicos.
(4) Propriedades mecânicas dos metais. Deformação elástica, Deformação elástica, módulo de elasticidade, limite de escoamento, limite de resistência, limite
de ruptura, alongamento estricção e tenacidade.. Deformação plástica. Curva tensão de engenharia x deformação de engenharia. Exercícios para obtenção da
curva tensão x deformação a partir da carga aplicada e do deslocamento do corpo de prova.
(5) Ruptura dos metais, fratura frágil, fratura dúctil, fadiga, fluência.
5 - 3/15/2016
6 3 3/22/2016
(6) Diagrama de equilíbrio binário, reações eutética e eutetóide, lei Gibbs.
(7) Diagrama de equilíbrio Fe-C, estruturas que se formam no resfriamento lento de aços hipoeutetóides, eutetóides e hipereutetóides. Regra da Alavanca.
- Revisão
7 - 3/29/2016
8 - 4/5/2016 PROVÁVEL NP1
9 - 4/12/2016 PROVÁVEL NP1
10 4 4/19/2016 (10) Curva temperatura-tempo-transformação, fatores que influem na posição das curvas TTT. Produtos de transformação da austenita. Temperabilidade.
(11) Noções de tratamentos térmicos: recozimento, normalização, têmpera e revenido, esferoidização, temperabilidade, austêmpera e martêmpera.
11 - 4/26/2016
12 5 5/3/2016
(12) Têmpera superficial. Tratamentos termoquímicos: cementação, nitretação e carbonitretação.
(13) Ferros fundidos – branco, cinzento, nodular, maleável. Estrutura do carbono presente em cada tipo de ferro fundido.
Propriedades dos aços, normas ABTN, ASTM E DIN, classificação dos aços.
13 - 5/10/2016
14 6 5/17/2016 (14) Metais não ferrosos e suas ligas. Cobre, bronze e latão. Alumínio e suas ligas. Introdução, propriedades aplicações, classificação e suas ligas.
- Revisão
15 - 5/24/2016 PROVÁVEL NP2
16 - 5/31/2016 PROVÁVEL NP2
Aula 1 – Apresentação da disciplina
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Bibliografia
• CALLISTER Jr., W. D. Ciência e Engenharia de Materiais - UmaIntrodução. 7ª Edição. Rio de Janeiro: LTC Editora, 2008.
• CHIAVERINI, V. AÇOS E FERROS FUNDIDOS. São Paulo: AssociaçãoBrasileira de Metalurgia e Materiais, 1996-2002.
• CHIAVERINI, V. TRATAMENTO TERMICO DAS LIGAS METALICAS. SãoPaulo: Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais, 2003-2008.
Bibliografia Básica
Bibliografia Complementar
• Chiaverini, V. METALURGIA DO PÓ. São Paulo: Associação Brasileira deMetalurgia e Metais, 1988-2001.
• Van Vlack, L. H. Princípios de Ciência dos Materiais. São Paulo: EdgardBlucher, 1970.
• COLPAERT, H. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns. 4ª Edição.São Paulo: Edgard Blucher, 2008.
• GARCIA, A; SPIM, J. A; SANTOS, C. A. Ensaios dos Materiais. 2ª Edição.Rio de Janeiro, LTC Editora, 2012.
Aula 1 – Apresentação da disciplina
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Definições
Investigação das correlações que existem entre as estruturas epropriedades de materiais.
Ciência dos Materiais
Engenharia de materiais
Projetar, desenvolver ou aperfeiçoar técnicas deprocessamento de materiais (= técnicas de fabricação) combase nas relações composição/estrutura e propriedades.
Desenvolver formas de produção de materiais socialmentedesejáveis a custo socialmente aceitável.
Aula 1 – Materiais na engenharia
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Definições
Desenvolvimento de materiais já conhecidos visando novas aplicaçõesou visando melhorias no desempenho.
Desenvolvimento de novos materiais para aplicações conhecidas.
Desenvolvimento de novos materiais para novas aplicações.
Aula 1 – Materiais na engenharia
Ciência e Engenharia dos Materiais são campos intimamenteinterligados e interdisciplinares
“Ciência e Engenharia dos Materiais é a área da atividade humanaassociada com a geração e a aplicação de conhecimentos querelacionam composição, estrutura e processamento de materiais àssuas propriedades e usos.”
Morris Cohen, MIT (em Padilha, A, F – Materiais de Engenharia, Hemus, 1997, cap 1)
Objetivos
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Objetivo da Ciência e Engenharia de Materiais
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Objetivo da Ciência e Engenharia de Materiais
Aula 1 – Materiais na engenharia
Composição
Natureza química dos materiais
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Objetivo da Ciência e Engenharia de Materiais
Aula 1 – Materiais na engenharia
Estrutura
Associada ao arranjo dos componentes do material em
estudo
Pode ( e deve) ser analisada em diversas escalas:
Estrutura em escala atômica ( menor ou igual a nm =
10-9 m)
Nanoestrutura (da ordem de nm)
o Sólidos amorfos (alguns nm) e sólidos cristalinos
(~> 100nm até mm= 10-3 m)
Microestrutura (alguns mm = 10-6 m até mm)
Macroestrutura (normalmente≥ que mm)
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Objetivo da Ciência e Engenharia de Materiais
Aula 1 – Materiais na engenharia
Estrutura
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Objetivo da Ciência e Engenharia de Materiais
Aula 1 – Materiais na engenharia
Processamento
Conjunto de técnicas para obtenção de materiais com formas e
propriedades específicas.
Forjamento Laminação
Extrusão Trefilamento
Soldagem
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Objetivo da Ciência e Engenharia de Materiais
Aula 1 – Materiais na engenharia
Processamento
Fonte: Matweb
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Objetivo da Ciência e Engenharia de Materiais
Aula 1 – Materiais na engenharia
Propriedade
Tipo e intensidade da resposta a um estímulo que é
imposto ao material
As principais propriedades são:
Mecânicas
Elétricas
Térmicas
Magnéticas
Ópticas
Deteriorativa (corrosão, oxidação, desgaste)
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Objetivo da Ciência e Engenharia de Materiais
Aula 1 – Materiais na engenharia
Desempenho
Resposta do material a um estímulo externo, presente nas condições
reais de utilização
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Classificação dos materiais
Aula 1 – Materiais na engenharia
Metais
Cerâmicas
Polímeros
Compósitos
Semicondutores
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Classificação dos materiais
Aula 1 – Materiais na engenharia
Metais
• Propriedades básicas
Resistentes (suportam tensões elevadas antes de romper);
Dúcteis (deformam antes de romper);
Superfície metálica
Bons condutores de corrente elétrica e calor
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Classificação dos materiais
Aula 1 – Materiais na engenharia
Cerâmicas
• Propriedades básicas
Alto ponto de fusão e estabilidade térmica (refratários);
São isolantes térmicos e elétricos;
São frágeis ( rompem sem deformar)
Podem ser transparentes.
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Classificação dos materiais
Aula 1 – Materiais na engenharia
Polímeros
• Propriedades básicas
A maioria dos polímeros é sintética (feita pelo homem);
Polímero mais abundante é natural: celulose;
Materiais altamente moldáveis;
Baixa densidade;
Em geral são menos resistentes do que metais e cerâmicas;
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Classificação dos materiais
Aula 1 – Materiais na engenharia
Compósitos
• Combinação dos 3 anteriores;
• Ex: Fibra de carbono e vidro.
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Classificação dos materiais
Aula 1 – Materiais na engenharia
Semicondutores
• Propriedades básicas
Condutividade controlada pela
presença de impurezas (dopantes);
Podem ser combinados entre si para
gerar propriedades eletrônicas e óticas
“sob medida”;
• Aplicações
Microeletrônica;
Opto-eletrônica – lasers, detectores,
circuitos integrados óticos e células
solares;
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Porque estudar a estrutura atômica ?
Aula 1 – Ligações químicas
•As propriedades macroscópicas dos materiais dependem essencialmente do
tipo de ligação entre os átomos.
•O tipo de ligação depende fundamentalmente dos elétrons.
•Os elétrons são influenciados pelos prótons e neutrons que formam o
núcleo atômico.
•Os prótons e nêutrons caracterizam quimicamente o elemento e
seus isótopos.
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Átomos - Conceitos Fundamentais
Aula 1 – Ligações químicas
ÁtomoNúcleo
Prótons
NêutronElétrons
Massa Atômica (A) – dada pela soma de massa dos prótons e nêutrons
Número Atômico (Z) – dada pela quantidade de prótons no átomo
Número de elétrons = número de prótons
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Modelo Atômico de Bohr
Aula 1 – Ligações químicas
Diagrama de Linus Pauling
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Ligações Químicas
Aula 1 – Ligações químicas
Os elementos se ligam para formar os sólidos para atingiruma configuração mais estável: oito elétrons na camadamais externa (Regra do octeto)
A ligação química é formada pela interação dos elétrons devalência através de um dos seguintes mecanismos:
• Ganho de elétrons
• Perda de elétrons
• Compartilhamento de elétrons
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Ligações Iônicas
Aula 1 – Ligações químicas
•Ocorre quando um átomo com a propensão adoar seus elétrons de valência, ou seja,eletropositivo, se une a outro elemento compropensão a receber elétrons, ou seja,eletronegativo.
• O átomo eletropositvo fornece elétrons para oátomo eletronegativo, formando os íons positivos,cátions, e íons negativos, ânions.
• Assim ambos apresentam as últimas camadas devalência preenchida, resultando numa situaçãoestável, similar a um gás nobre.
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Ligações Iônicas
Aula 1 – Ligações químicas
•A ligação iônica não é direcional, a atração émútua.
•A ligação é forte= 150-300 Kcal/mol (por isso o PFdos materiais com esse tipo de ligação égeralmente alto)
• Materiais duros e quebradiços. Bons isolantestérmicos e elétricos.
•A ligação predominante nos materiais cerâmicos éiônica.
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Ligações Covalentes
Aula 1 – Ligações químicas
•Quando dois átomos eletronegativos (tendência a
receber elétrons para se estabilizar) compartilham
elétrons entre si, forma-se a ligação covalente.
Podem ocorrer entre átomos do mesmo elemento
ou não.
• Compartilham um, dois ou três pares de elétrons
formando ligações covalente simples, duplas ou
triplas.
HHElétron do
hidrogênioH2
Elétron do
Carbono
Elétron do
hidrogênio
H
H
H
H
C
CH4
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Ligações Covalentes
Aula 1 – Ligações químicas
• Diferente do par iônico, a ligação covalente é direcional e amolécula formada pode existir individualmente sem a necessidadede formar retículos cristalinos.
• As moléculas podem porém ser atraídas por ligações secundáriasfracas devido à existência de dipolos eletrostáticos (Van der Waals).
• Apesar da ligação ser covalente ser forte, a ligação intermolecularé fraca resultando em baixos pontos de fusão
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Ligações Metálicas
Aula 1 – Ligações químicas
•Sólidos metálicos são formados por
átomos empacotados próximos uns dos
outros na forma de uma rede cristalina
tridimensional.
• Poucos elétrons de valência são
fracamente ligados ao núcleo e devido à
proximidade do átomos se movem nos
níveis mais altos de energia formando uma
nuvem eletrônica.
• Os outros elétrons permanecem ligados
ao núcleo formando um cátion igual à dos
elétrons livres.
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Ligações Metálicas
Aula 1 – Ligações químicas
• A repulsão eletrostática entre os cátionsvizinhos é contra balanceada pelos elétronslivres (funcionam como uma cola para manterjuntos os núcleos iônicos). A ligação metálicapossui uma caráter não direcional.
• A força da ligação depende da quantidade deelétrons livres e varia de forte a fraca.
• Conduzem bem calor e eletricidade –consequência dos elétrons livres
• A falha é do tipo dúctil (experimentamdeformação antes de romperem) que é umacaracterística da ligação metálica.
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Aula 1 –
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Questões
Aula 1 – Ligações químicas
1) Explique com suas palavras os tipos de ligações primárias
existentes
2) Cite as diferenças entre elas e as consequências em algumas
propriedades mecânicas.
3) Porquê materiais com ligações covalentes são menos densos
que os com ligação metálica ou iônica?
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Aula 1 –
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Estrutura Cristalina
Aula 1 – Estrutura Cristalina
•As propriedades dos materiais sólidos cristalinos depende da estrutura
cristalina, ou seja, da maneira na qual os átomos, moléculas ou íons estão
dispostos no espaço.
• Há um grande número de diferentes estruturas cristalinas, desde
estruturas simples exibidas pelos metais até estruturas mais complexas
exibidas pelas cerâmicas e polímeros
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Aula 1 –Aula 1 – Estrutura Cristalina
Materiais sólidos são classificados de acordo com a regularidade no
arranjo de átomos e/ou íons
Cristalino – átomos estão situados em
um arranjo repetitivo (ou periódico) a
grandes distâncias atômicas.
Amorfo – não apresentam ordem de
grande alcance
– a estrutura atômica é similar
(comparável) a de líquidos
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Estrutura Cristalina
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Aula 1 –Aula 1 – Estrutura Cristalina
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Células unitárias
•Pequeno grupo de átomos que forma um padrão repetitivoao longo da estrutura tridimensional.
• A célula unitária é escolhida para representar a simetria daestrutura cristalina.
• Os vértices da célula unitária coincidem com o centro daesfera que representa o átomo.
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Aula 1 –Aula 1 – Estrutura Cristalina
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Redes de Bravais
- 7 Sistemas crislalinos
- 14 arranjos diferentes
- As estruturas cristalinas mais comunsem metais são:
Cúbica de corpo centrado (CCC)
Cúbica de face centrada (CFC)
Hexagonal compacta (HC)
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Aula 1 –Aula 1 – Estrutura Cristalina
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Cúbico de Corpo Centrado (CCC)
Cada vértice possui 1/8 de átomo e há 1 átomo no centro da célula unitária.
Há 2 átomos por célula unitária
Ex.: Cromo (Cr), Tungstênio (W), Ferro (Fe)
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Aula 1 –Aula 1 – Estrutura Cristalina
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Cúbico de Corpo Centrado (CCC)
No sistema CCC os átomos se tocam ao longo da diagonal do cubo. Desta forma a aresta do cubo será:
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Aula 1 –Aula 1 – Estrutura Cristalina
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Cúbico de Face Centrada (CFC)
Cada vértice possui 1/8 de átomo e cada face possui1/2 átomo.
Há 4 átomos por célula unitária
Ex.: Cobre (Cu), Ferro (Fe), Alumínio (Al)
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Aula 1 –Aula 1 – Estrutura Cristalina
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Cúbico de Face Centrada (CFC)
No sistema CFC os átomos se tocam ao longo da diagonal da face do cubo. Desta forma a aresta do cubo será:
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Aula 1 –Aula 1 – Estrutura Cristalina
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Hexagonal Compacta (HC)
Há 2 planos com 6 átomos formando um hexágono com um átomo no centro. E um plano adicional com 3 átomos, situado entre os planos superior e inferior.
Cada célula unitária contém o equivalente a 6 átomos:
1/6 átomos em cada um dos 12 vértices, ½ átomos em cada um dos dois centros dos planos e 3 átomos no plano intermediário.
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Aula 1 –Aula 1 – Estrutura Cristalina
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Fator de Empacotamento Atômico (FEA)
O Fator de Empacotamento Atômico representa o volume da célula unitária efetivamente ocupado pelos átomos, ou seja a eficiência de empacotamento dos átomos.
Volume de cada átomo:
Volume da célula unitária cúbica:
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Aula 1 –Aula 1 – Estrutura Cristalina
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Fator de Empacotamento Atômico (FEA)
Estrutura FEA
CFC 0,74
CCC 0,68
HC 0,74
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Polimorfismo ou Alotropia
• Alguns metais e não-metais podem ter mais de umaestrutura cristalina dependendo da temperatura e pressão.Esse fenômeno é conhecido como polimorfismo.
• Geralmente as transformações polimorficas sãoacompanhadas de mudanças na densidade e mudanças deoutras propriedades físicas.
Ex.: Ferro, titânio, carbono (grafite e diamante)
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Aula 1 –Aula 1 – Estrutura Cristalina
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Polimorfismo ou Alotropia
Formas alotrópicas de alguns metais. Variações alotrópicas do Ferro puro
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