Marcilio Cunha Engenharia de Materiais RAMO DA ENGENHARIA

Marcilio CunhaMarcilio Cunha

Engenharia de MateriaisEngenharia de Materiais

RAMO DA ENGENHARIA

Ramo da engenharia em que os Ramo da engenharia em que os

conhecimentos de fisica e quimicaconhecimentos de fisica e quimica

são , sobretudo, utilizados no são , sobretudo, utilizados no

estudo, planeamento,produção ,entreestudo, planeamento,produção ,entre

outros, de materiais outros, de materiais (tradicionais ou avançados)(tradicionais ou avançados)

para as mais diversas aplicações.para as mais diversas aplicações.

ENGENHARIA DE MATERIAISENGENHARIA DE MATERIAIS

CABE AO ENGENHEIROCABE AO ENGENHEIRO

Estudar a estrutura, as propriedades, as aplicações,o processamento e o desempenho de materiais novosou já existentes, nas áreas de metais, polímeros,cerâmicos ou composótipos.

MARCILIO CUNHA


É necessário o conhecimento das relações entreÉ necessário o conhecimento das relações entre propriedades e aplicação, para os quais são exigidospropriedades e aplicação, para os quais são exigidos conhecimentos básicos nas áreas de conhecimentos básicos nas áreas de Física e Química do Estado Sólido,Química Inorgânica, Física e Química do Estado Sólido,Química Inorgânica, Química Orgânica, Física e Química de Polímeros,Química Orgânica, Física e Química de Polímeros,Metalurgia Física, Cerâmica Física, Química Analítica, Metalurgia Física, Cerâmica Física, Química Analítica, Controle da Qualidade, Gestão Ambiental.Controle da Qualidade, Gestão Ambiental.

MARCILIO CUNHAMARCILIO CUNHA


Com a globalização da economia,Com a globalização da economia,

os mercados estão mais competitivos.os mercados estão mais competitivos.



Qualidade é essencial.



Os materiais estão presentes em tudo Os materiais estão presentes em tudo que se faz para atender aos interessesque se faz para atender aos interessese às necessidades humanase às necessidades humanas..



MATERIAISMATERIAISMATERIAISMATERIAIS

Materiais são substâncias com propriedades

que as tornam úteis na construção de máquinas,

estruturas, dispositivos e produtos.

Morris Cohen – Massachusetts Institute of Technology - MTI

MATERIAISMATERIAIS

Em outras palavras, os materiais do Em outras palavras, os materiais do

universo que o homem utiliza parauniverso que o homem utiliza para

¨fazer as coisas¨.¨fazer as coisas¨.

MARCILIO CUNHA

MATERIAIS SÓLIDOS

São freqüentemente classificados em São freqüentemente classificados em três grupos principais:três grupos principais:

MATERIAIS METÁLICOS.

MATERIAIS CERÂMICOS.

MATERIAIS POLÍMEROS OU PLÁSTICOS


Metais – Cerâmicas – Polímeros Metais – Cerâmicas – Polímeros

Esse esquema está baseado principalmente naEsse esquema está baseado principalmente nacomposição química e na estrutura atômica.composição química e na estrutura atômica.

A maioria dos materiais se enquadra dentro deA maioria dos materiais se enquadra dentro deum ou de outro grupo distinto.um ou de outro grupo distinto.

Um item familiar fabricado a partir de três Um item familiar fabricado a partir de três tipos de materiais diferentes é o vasilhametipos de materiais diferentes é o vasilhamede bebidas.de bebidas.

As bebidas são comercializadas em latas As bebidas são comercializadas em latas de alumínio (metal).de alumínio (metal).

Em garrafas de vidro (cerâmica)Em garrafas de vidro (cerâmica)

Em garrafas plásticas (polímeros)Em garrafas plásticas (polímeros)

MATERIAIS SÓLIDOS

Esta classificação é baseada Esta classificação é baseada

# # NA ESTRUTURA ATÔMICA.NA ESTRUTURA ATÔMICA.

# NAS LIGAÇÕES QUÍMICAS PREDOMINANTES # NAS LIGAÇÕES QUÍMICAS PREDOMINANTES EM CADA GRUPO.EM CADA GRUPO.

MARCILIO CUNHA

MATERIAIS SÓLIDOS

Um quarto grupo

Foi incorporado nesta classificaçãoFoi incorporado nesta classificação

nas últimas décadas.nas últimas décadas.

É o grupo dos materiais compósitos.É o grupo dos materiais compósitos.

MARCILIO CUNHA

São normalmente combinações de elementos metálicos.São normalmente combinações de elementos metálicos.

Eles apresentam um grande número de elétrons livres,Eles apresentam um grande número de elétrons livres,

isto é , elétrons que não estão presos a um único átomo.isto é , elétrons que não estão presos a um único átomo.


MATERIAIS METÁLICOS

Por exemploPor exemplo

# os metais são excelentes condutores# os metais são excelentes condutores de eletricidade e calor.de eletricidade e calor.

# não são transparentes a luz.# não são transparentes a luz.



Eles são resistentes mas deformáveis.Eles são resistentes mas deformáveis.

Por isto são muito utilizados em aplicações estruturais.Por isto são muito utilizados em aplicações estruturais.

MARCILIO CUNHA


MARCILIO CUNHA


Entre os quatro grupos de materiais,Entre os quatro grupos de materiais,os materiais metálicos, e em particularos materiais metálicos, e em particularos aços, ocupam um lugar de destaqueos aços, ocupam um lugar de destaquedevido à sua extensiva utilização.devido à sua extensiva utilização.

Cerca de 70 dos 92 elementos da tabela Cerca de 70 dos 92 elementos da tabela

periódica encontrados na natureza tem periódica encontrados na natureza tem

caráter metálico preponderante.caráter metálico preponderante.



Os metais mais tradicionais,tais comoOs metais mais tradicionais,tais como::

COBRE , OURO e FERROCOBRE , OURO e FERRO

são os mais conhecidos e utilizados hásão os mais conhecidos e utilizados há

alguns milênios.alguns milênios.



No período entre 5000 e 3000 a.C., ou seja, doisNo período entre 5000 e 3000 a.C., ou seja, doismilênios após a introdução da agricultura,surgiumilênios após a introdução da agricultura,surgiuuma série de invenções importantes.uma série de invenções importantes.



O homem desenvolveu o forno O homem desenvolveu o forno de de ¨Alta Temperatura¨ ¨Alta Temperatura¨ onde eleonde ele aprendeu a fundir os metais eaprendeu a fundir os metais e a empregá-los para dominar osa empregá-los para dominar os animais.animais.

MARCILIO CUNHA


Ele inventou o arado, a carroça, Ele inventou o arado, a carroça, as embarcações, a vela e a escrita.as embarcações, a vela e a escrita.


No início da era cristã o homem conhecia sete metaisNo início da era cristã o homem conhecia sete metais::

COBRE , OURO, PRATA, CHUMBO, COBRE , OURO, PRATA, CHUMBO,

ESTANHO, FERRO E MERCÚRIOESTANHO, FERRO E MERCÚRIO



Antes da década de 1860, o ferro maleável Antes da década de 1860, o ferro maleável

tinha sido sempre consolidado em tinha sido sempre consolidado em

temperaturas abaixo do seutemperaturas abaixo do seu

ponto de fusão.ponto de fusão.


O ferro maleável consolidado em O ferro maleável consolidado em

temperatura abaixo do seu pontotemperatura abaixo do seu ponto

de fusão, levava inevitávelmentede fusão, levava inevitávelmente

à heterogeneidade na distribuiçãoà heterogeneidade na distribuição

do carbono e o aprisionamentodo carbono e o aprisionamento

da escória e outras inclusões.da escória e outras inclusões.


• Esta descoberta, feita por Esta descoberta, feita por Henry Bessemer Henry Bessemer em em 18561856,,

permitiu a produção de aço em grande escala epermitiu a produção de aço em grande escala e

inaugurou uma nova fase na história da humanidade:inaugurou uma nova fase na história da humanidade:

A IDADE DO AÇOA IDADE DO AÇO..



SÉCULO XIX :

Quase todos os desenvolvimentos se dirigiram paraQuase todos os desenvolvimentos se dirigiram paraa produção mais eficiente dos materiais conhecidosa produção mais eficiente dos materiais conhecidoshá séculos.há séculos.

Até o século XIX praticamente nenhum uso dos materiaisAté o século XIX praticamente nenhum uso dos materiaishavia explorado algo além de suas qualidades mecânicashavia explorado algo além de suas qualidades mecânicase ópticas ou sua resistência à corrosão.e ópticas ou sua resistência à corrosão.

MARCILIO CUNHA



SÉCULO XIXSÉCULO XIX

As únicas propriedades físicas amplamente medidas As únicas propriedades físicas amplamente medidas

e relatadas quantitativamente na literatura científica e relatadas quantitativamente na literatura científica

eram eram ponto de fusão , densidade, dilatação térmicaponto de fusão , densidade, dilatação térmica

e e calor específicocalor específico..

MARCILIO CUNHA


Somente para lembrar:

Ponto de fusão Ponto de fusão designa a temperatura à designa a temperatura à qual uma substância passa do estado qual uma substância passa do estado sólido ao estado líquido.sólido ao estado líquido.


Densidade absoluta Densidade absoluta é definida como a é definida como a quantidade de massa em uma unidade quantidade de massa em uma unidade de volumede volume..


Dilatação térmica Dilatação térmica é fenômeno pelo qual o corpoé fenômeno pelo qual o corposofre uma variação nas suas dimensões quandosofre uma variação nas suas dimensões quandovaria a sua temperatura.varia a sua temperatura.


Calor específico Calor específico de uma substância ou sistemade uma substância ou sistematermodinâmico como a quantidade de calor quetermodinâmico como a quantidade de calor quehá que lhe fornecer para elevar sua temperaturahá que lhe fornecer para elevar sua temperaturaem uma unidade em uma unidade KelvinKelvin ou ou grau Celsiusgrau Celsius a partir a partirde uma temperatura dada.de uma temperatura dada.


Molécula Molécula é a mais pequena porção de é a mais pequena porção de cada substância que possui todas ascada substância que possui todas assuas propriedades e que contém doissuas propriedades e que contém doisou mais átomos ligados entre si.ou mais átomos ligados entre si.


Átomo Átomo que significa indivisível, é a menorque significa indivisível, é a menorpartícula que caracteriza um elemento químicopartícula que caracteriza um elemento químicocapaz de entrar em combinaçãocapaz de entrar em combinação.


CadaCada Átomo Átomo consiste em um núcleo muito consiste em um núcleo muito pequeno composto por prótons e nêutrons, pequeno composto por prótons e nêutrons, que se encontra envolvido por elétrons emque se encontra envolvido por elétrons emmovimentomovimento.


Próton Próton é uma particula é uma particula sub-atômica sub-atômica que faz que faz parte do núcleo de todos os elementos.parte do núcleo de todos os elementos.

Convencionou-se que o próton tem cargaConvencionou-se que o próton tem cargaelétrica positiva,com o mesmo valor queelétrica positiva,com o mesmo valor quea do elétron.a do elétron.


Nêutron Nêutron uma das partículas ditas elementares, uma das partículas ditas elementares, sem carga elétrica e de massa praticamentesem carga elétrica e de massa praticamenteigual à do prótonigual à do próton.

É um dos constituintes dos núcleos atômicos.É um dos constituintes dos núcleos atômicos.


Elétron Elétron tipo de partícula elementar de eletricidadetipo de partícula elementar de eletricidadenegativa que, junto com os prótons e os nêutrons,negativa que, junto com os prótons e os nêutrons,forma os átomos e as moléculasforma os átomos e as moléculas.


Tanto os Tanto os Elétrons Elétrons como os como os Prótons Prótons possuempossuem cargas elétricas,com magnitude da ordem decargas elétricas,com magnitude da ordem de

1,60 x 10 C1,60 x 10 C

As cargas dos As cargas dos elétronselétrons possuem sinal negativo. possuem sinal negativo.

As cargas dos As cargas dos prótonsprótons possuem sinal positivo. possuem sinal positivo.

Os Os nêutronsnêutrons são elétricamente neutros. são elétricamente neutros.

Observação: “C” significa capacitância

- 1919


As massas dessas partículas subatômicasAs massas dessas partículas subatômicas são infinitesimalmente pequenassão infinitesimalmente pequenas.

Os Os prótonsprótons e e nêutronsnêutrons possuem aproximadamente possuem aproximadamentea mesma massa de a mesma massa de

1,67 x 10 kg1,67 x 10 kg

que é significativamente maior do que a massa de que é significativamente maior do que a massa de um um elétron elétron 9,11 x 10 kg.9,11 x 10 kg.

- 27- 27

- 31- 31


Núcleo atômico Núcleo atômico porção do átomo onde seporção do átomo onde seacham concentrados os seus elementosacham concentrados os seus elementosmássicos e toda sua carga positiva,sendo,mássicos e toda sua carga positiva,sendo,presumívelmente, constituído de prótonspresumívelmente, constituído de prótonse nêutrons .e nêutrons .


Número atômico Número atômico para um elemento químico,para um elemento químico,constitui-se no número de constitui-se no número de prótonsprótons no interior no interiordo núcleo atômico.do núcleo atômico.


Para um átomo elétricamente neutro ou completo,Para um átomo elétricamente neutro ou completo,oo número atômico número atômico também é igual ao número de também é igual ao número de elétrons. elétrons.

Esse número atômico varia em unidades inteirasEsse número atômico varia em unidades inteirasentre entre 11, para o , para o hidrogêniohidrogênio, e , e 9292 para o para o urânio urânio..

O O urâniourânio é o elemento com o maior é o elemento com o maior númeronúmero atômicoatômico dentre os elementos que ocorrem dentre os elementos que ocorrem naturalmente. naturalmente.


A massa atômica A massa atômica de um átomo específico podede um átomo específico podeser expressa como sendo a soma das ser expressa como sendo a soma das massasmassasdos prótons dos prótons e dos e dos nêutronsnêutrons no interior do no interior doseu núcleo.seu núcleo.

Embora o Embora o número de prótons número de prótons seja o mesmo seja o mesmo para todos os átomos de um dado elemento,para todos os átomos de um dado elemento,o número de o número de nêutronsnêutrons pode ser variável. pode ser variável.


Assim , os Assim , os átomosátomos de alguns elementos de alguns elementospossuem possuem duasduas ou ou maismais massas atômicasmassas atômicasdiferentes .diferentes .

Esses átomos são chamados de Esses átomos são chamados de isótoposisótopos..


Por exemploPor exemplo

O O isótopo de carbono isótopo de carbono mais comum mais comum C C contem contem em seu núcleo em seu núcleo 6 prótons 6 prótons e e 6 nêutrons 6 nêutrons comcommassa atômica de massa atômica de 12 uma12 uma..

É conveniente observar que existemÉ conveniente observar que existem 6,023 x 10 6,023 x 10 umauma porpor gramagrama

1212

2323


O O peso atômico peso atômico de um elemento correspondede um elemento correspondeà média ponderada das massas atômicas dosà média ponderada das massas atômicas dosisótopos do átomo que ocorrem naturalmente.isótopos do átomo que ocorrem naturalmente.

A A unidade de massa atômica unidade de massa atômica (uma) (uma) pode serpode serusada para os cálculos do peso atômico.usada para os cálculos do peso atômico.

Foi estabelecida uma escala onde Foi estabelecida uma escala onde 1 uma 1 uma foifoidefinido como sendo o equivalente a definido como sendo o equivalente a 1 12 1 12 dadamassa atômica massa atômica do isótopo mais comum do do isótopo mais comum do carbono 12 ( C) ( A = 12,00000 ).carbono 12 ( C) ( A = 12,00000 ).12


Dentro desse esquema, as Dentro desse esquema, as massas de prótonsmassas de prótonse e de nêutrons de nêutrons são ligeiramente maiores do quesão ligeiramente maiores do quea unidade,e a unidade,e A = Z + NA = Z + NOnde: Onde: A : é a A : é a massa atômicamassa atômica Z : é o Z : é o número atômiconúmero atômico N : é o N : é o número de nêutrons.número de nêutrons.

O O peso atômicopeso atômico de um elemento ou peso molecular de um de um elemento ou peso molecular de umcomposto pode se especificado em termos de composto pode se especificado em termos de umauma por por átomoátomo (molécula) ou de massa por (molécula) ou de massa por molmol de material. de material.


Em um Em um molmol de uma substância existem de uma substância existem 6,023 x 10 ( número de Avogadro )6,023 x 10 ( número de Avogadro ) átomos ou moléculas.átomos ou moléculas.

O peso atômico de um elemento ou o pesoO peso atômico de um elemento ou o pesomolecular de um composto estão relacionadosmolecular de um composto estão relacionadosatravés da equação:através da equação:

1 uma 1 uma por por átomoátomo ( ou molécula ) = ( ou molécula ) = 1 g1 g por por molmol

23


1 uma 1 uma por por átomoátomo ( ou molécula ) = ( ou molécula ) = 1 g1 g por por molmol

Por exemplo:Por exemplo:

O O peso atômico do ferro peso atômico do ferro é de é de 55,85 uma 55,85 uma porpor átomo átomo,,ou ou 55,85 g 55,85 g por por molmol..

Algumas vezes o uso da Algumas vezes o uso da unidade de massaunidade de massaatômica por átomo atômica por átomo ou ou moléculamolécula é conveniente. é conveniente.

Em outras ocasiões Em outras ocasiões g g ( ou ( ou kgkg ) por ) por molmol é preferível. é preferível.


A dilatação de um solido com o aumento deA dilatação de um solido com o aumento detemperatura ocorre porque o aumento detemperatura ocorre porque o aumento deenergia térmica aumentam as vibraçõesenergia térmica aumentam as vibraçõesdos átomos e moléculas que formam o corpodos átomos e moléculas que formam o corpo

Propriedades mecânicas (exceto asPropriedades mecânicas (exceto asconstantes elásticas ) pareciam ser constantes elásticas ) pareciam ser muito variáveis para terem algum muito variáveis para terem algum significado fundamental.significado fundamental.

A micro estrutura das ligas eraA micro estrutura das ligas erapraticamente desconhecidas.praticamente desconhecidas.

MARCILIO CUNHA


A metodologia de estudo das ligasconsistia basicamente em atacarquimicamente com ácidos as diversas composições de umdeterminado sistema binário.

MARCILIO CUNHA


Desta maneira,Karl Karsten (1839) noticiou Desta maneira,Karl Karsten (1839) noticiou a descontinuidade na reatividade quimica a descontinuidade na reatividade quimica de ligas com composição aproximadamentede ligas com composição aproximadamenteequiatômicas dos sistemas binárioequiatômicas dos sistemas bináriocobre-zinco.cobre-zinco.

MARCILIO CUNHA


MAIS TARDE DESCOBRIU-SE QUE SE TRATAVA DOMAIS TARDE DESCOBRIU-SE QUE SE TRATAVA DO

COMPOSTO INTERMETÁLICO CuZn , CONHECIDOCOMPOSTO INTERMETÁLICO CuZn , CONHECIDO

COMO LATÃO BETACOMO LATÃO BETA..

MARCILIO CUNHA



MAS A GRANDE REVOLUÇÃO ESTAVA AMAS A GRANDE REVOLUÇÃO ESTAVA ACAMINHO:CAMINHO:

A observação A observação microscópicamicroscópica da microestrutura dos da microestrutura dosmateriais e correlação com suas propriedades.materiais e correlação com suas propriedades.

Isto começou no grande centro produtor de açoIsto começou no grande centro produtor de açoem Sheffield, na Inglaterraem Sheffield, na Inglaterra..

Henry Clifton Sorby , em 1863 -1864:Henry Clifton Sorby , em 1863 -1864:

Observou a estrutura de rochas e de aços ao Observou a estrutura de rochas e de aços ao microscópico óptico.microscópico óptico.

A superfície destes materiais tinha sido polidaA superfície destes materiais tinha sido polidae atacada levemente com reagentes químicos.e atacada levemente com reagentes químicos.



Em ,18651865 os eram descobertos os Raios XRaios X

A difração de Raios X Raios X , que possibilitou a determinaçãoda estrutura cristalina dos materiais, foi descobertaem 1911 - 19121911 - 1912.

De posse da De posse da metalografia ópticametalografia óptica, da , da difraçãodifraçãode raios X de raios X e de algumas técnicas indiretas e de algumas técnicas indiretas como como dilatometriadilatometria e e análise térmica análise térmica, os , os metalurgistas puderam caracterizar as metalurgistas puderam caracterizar as transformações de fase e a microestruturas transformações de fase e a microestruturas delas decorrentes.delas decorrentes.

A correlação das A correlação das microestruturas microestruturas com as com as propriedadespropriedades foi uma conseqüência natural. foi uma conseqüência natural.



O advento da microscopia eletrônica O advento da microscopia eletrônica possibilitou melhores resoluções epossibilitou melhores resoluções ea observação de detalhes e espéciesa observação de detalhes e espéciesnão observáveis com o microscópionão observáveis com o microscópioóptico.óptico.

A maioria dos elementos químicos A maioria dos elementos químicos foi descoberta nos últimos foi descoberta nos últimos 250 anos 250 anos ..


Empregamos atualmente nos processosEmpregamos atualmente nos processosindustriais a grande maioria dos elementosindustriais a grande maioria dos elementosquímicos, ao passo quequímicos, ao passo que, até o século XIX, até o século XIXcom exceção de uns com exceção de uns 20 20 deles, os mesmos deles, os mesmoseram curiosidades nos laboratórios de químicaeram curiosidades nos laboratórios de química..


www.marciliocunha.com.brwww.marciliocunha.com.br

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