Materiais Para Engenharia

CAMPUS SÃO JOSÉ DOS CAMPOS

Curso Bacharelado em Ciência e Tecnologia (BCT)

2º Semestre de 2012

Profª. Danieli Reis

[email protected] 1

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


4

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


5

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).


6

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


7

Bem-Vindos à

Engenharia dos Materiais !


8

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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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


11


12 http://boeing.com/


13

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


14

A Pirâmide dos Materiais


15

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


16

Fonte: Adaptado de Ashby.

Evolução dos Materiais de Engenharia


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


19

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.


20

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


22

Metais

Fonte: Shackelford.


23

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.


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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http://www.google.com.br/imgres?imgurl=http://dinevidros.com.br/attachments/Image/temperado.jpg&imgrefurl=http://dinevidros.com.br/page3.php&h=280&w=350&sz=17&tbnid=WqU06i8vEk5SLM:&tbnh=96&tbnw=120&prev=/images%3Fq%3Dfotos%2Bde%2Bvidros&hl=pt-BR&usg=__SZ6t4VVk7sXxwYjINQOjJTH48XE=&sa=X&ei=pHoSTM6xHsOqlAfI3OTNBw&ved=0CCQQ9QEwAg

27

Polímeros

Fonte: Shackelford.


28

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


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


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.


COMPÓSITO DE FIBRA DE VIDRO COMPOSTO DE FIBRAS DE VIDRO REFORÇADO COM MATRIZ POLIMÉRICA. MICROSCÓPIO ELETRÔNICO DE VARREDURA


33

Semicondutores

Fonte: Shackelford.


34

Semicondutores


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


(A) MICROCIRCUITO TÍPICO CONTENDO UM COMPLEXO ARRANJO DE REGIÕES SEMICONDUTORAS.

(B) UM MICROCIRCUITO VISTO NO MICROSCÓPIO ELETRÔNICO DE VARREDURA (MEV OU SEM).


BOLACHA DE SI COM 1,5MM DE ESPESSURA POR 150MM DE DIÂMETRO COM INÚMEROS

CHIPS


37

Biomateriais


Não produzir substâncias tóxicas;

Biocompatíveis.

Exemplos:

Metais

Cerâmicas

Polímeros

Compósitos

Semicondutores


http://www.google.com.br/imgres?imgurl=http://www.gmreis.com/UserFiles/Image/ancoras.gif&imgrefurl=http://www.gmreis.com/produtos.html%3FFhIdCategoria%3D83f95a29fdb2b520a1053e262fa0da2e%26FhIdProduto%3D307fd99f4379fc7c4767c8986be2cc90&h=439&w=225&sz=26&tbnid=9e5wC6wKJJkMdM:&tbnh=314&tbnw=161&prev=/images%3Fq%3Dimagem%2Bde%2Bimplante%2Bortop%25C3%25A9dico&hl=pt-BR&usg=__yrYO2kunT5bwve6pVG0_HBMRm1U=&sa=X&ei=xewSTNWsONCyuAe33fiICg&ved=0CB4Q9QEwAA

38

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.


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).


Custo Ductilidade Resistência

Metais

Cerâmicas

Polímeros

Compósitos

Semicondutores

40

Seleção de Materiais: cilindro de gases

Fonte: Shackelford.


Seleção final

Custo Ductilidade Resistência

Metais

Cerâmicas

Polímeros

Compósitos

Semicondutores

41

Seleção de Materiais: cilindro de gases

Fonte: Shackelford.


42

A engenharia e

ciência dos

materiais tem papel

importante na

prevenção e análise

de falhas em peças

ou componentes

mecânicos.


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.


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.


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


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).


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.


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.)


VAZAMENTO DE FERRO FUNDIDO EM MOLDE. MESMO NESSA FORMA TRADICIONAL DE PROCESSAMENTO DE

MATERIAL, ESTÁ SE TORNANDO CADA VEZ MAIS SOFISTICADO.


O MODERNO LABORATÓRIO DE FABRICAÇÃO DE CIRCUITO INTEGRADO REPRESENTA O ESTADO DE ARTE NO

PROCESSAMENTO DE MATERIAIS.


MT 201

52


Documents

Materiais Para Engenharia