Apostila de Aula de Materiais 2

8/18/2019 Apostila de Aula de Materiais 2

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Adilson Luiz Chinelatto


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Ligações químicas. Arranjos atômicos.Imperfeições nos cristais. Estrutura depolímeros. Introdução à solidificação.Diagrama de equilíbrio. Propriedadesmecânicas. Propriedades elétricas,magnéticas e ópticas. Introdução aosmateriais compósitos. Fundamentos deprocessamento de materiais metálicos,cerâmicos e poliméricos. Noções de difraçãode raios-X.


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1- Introdução à relação Estrutura-Propriedade-Processamento

2- Revisão sobre estrutura atômicaa. Estrutura dos átomosb. Estrutura eletrônica dos átomos

3- Ligações químicasa. Ligações Iônicasb. Ligações Covalentesc. Ligações Metálicasd. Ligações Secundárias ( ligações de van der Waals)e. Ligações Mistasf. Distâncias interatômicas

g. Raios atômicos e raios iônicosh. Número de coordenação


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4- Estrutura cristalinaa. Cristalinidade e células unitáriasb. Redes espaciaisc. Estruturas cristalinas dos materiaisd. Alotropiae. Posições atômicas nas células unitárias cúbicasf. Direções nas células unitárias cúbicasg. Planos cristalográficos e índices de Miller

5- Difração de raios-Xa. Fontes de raios-Xb. Fenômeno da difração

c. Difração de raios-X e a Lei de Braggd. Técnicas de difração de raios-Xe. Identificação da estrutura cristalina dos sólidos

6- Defeitos em sólidosa. Impurezas, soluções sólidas e estequiometriab. Defeitos puntuais

c. Defeitos linearesd. Defeitos superficiaise. Defeitos volumétricosf. Monocristais e policristaisg. Observação de defeitos por Microscopia Ótica e Eletrônica


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7- Difusão em sólidosa. Processos cinéticos em sólidosb. Mecanismos de difusãoc. Difusão no estado estacionáriod. Difusão no estado não estacionárioe. Aplicações industriais do processo de difusão

8- Introdução à solidificaçãoa. Nucleação homogêneab. Nucleação heterogêneac. Raio crítico e super-resfriamentod. Crescimento de cristais

9- Diagramas de fasesa. Definições e conceitos básicosb. Diagrama de substâncias purasc. Regra das fases de Gibbsd. Sistemas binários com solução sólida completae. Regra da alavanca

f. Reações invariantesg. Sistemas binários eutéticosh. Sistemas binários eutéticos com fases intermediáriasi. Sistemas binários peritético e monotético j. Sistemas ternáriosk. Sistema Ferro-Carbono


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10- Materiais metálicosa. Principais estruturas cristalinas dos metaisb. Conceitos de tensão e deformaçãoc. Dureza e ensaios de durezad. Deformação elásticae. Deformação plásticaf. Discordâncias e a deformação plásticag. Mecanismos de aumento de resistência em metaish. Recuperação, recristalização e crescimento de grãoi. Falha

j. Desenvolvimento da microestrutura e alterações das propriedades mecânicasdos metaisk. Processamento de materiais metálicosl. Tratamentos térmicos de materiais metálicos

m. Aços e ferros fundidosn. Ligas não ferrosas

11- Materiais cerâmicosa. Principais estruturas dos materiais cerâmicosb. Estruturas dos silicatosc. Propriedades mecânicas dos materiais cerâmicosd. Processos de conformação

e. Sinterizaçãof. Cerâmicas tradicionaisg. Cerâmicas avançadash. Refratáriosi. Vidros


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12- Materiais Poliméricosa. Moléculas poliméricasb. Processos de polimerizaçãoc. Cristalinidade e estereoisomerismo

d. Termofixose. Termoplásticosf. Processamento de materiais poliméricosg. Propriedades mecânicas dos materiais poliméricosh. Fluência e relaxação de tensãoi. Fratura

13- Introdução aos materiais compósitosa. Compósitos reforçados com partículasb. Compósitos reforçados com fibrasc. Compósitos estruturais

14- Propriedades elétricas e eletrônicas dos materiais

a. Conduçãob. Semicondutividadec. Dielétricosd. Supercondutividade


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15- Propriedades magnéticas dos materiaisa. Conceitos básicosb. Tipos de magnetismosc. Materiais magnéticos duros e moles

d. Armazenamento de informaçõese. Supercondutividade

16- Propriedades térmicas dos materiaisa. Capacidade caloríficab. Expansão térmicac. Condutividaded. Tensões térmicas

17- Propriedades óticas dos materiaisa. Conceitos básicosb. Refraçãoc. Reflexão

d. Absorçãoe. Transmissãof. Corg. Aplicações de fenômenos óticos


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1- W. D. Calister Jr. “Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução” 5aedição, editora LTC.

2- Donald R. Askeland e Pradeep P. Phulé, “Ciência e Engenharia dosMateriais”, editora CENGAGE Learning

3-William F. Smith “Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais” 3aEdição, editora McGraw Hill.

4- Lawrence H. Van Vlack “Princípios de Ciência e Tecnologia dosMateriais” 4a Edição, editora Campus.

5- James F. Shackelford “Introduction to Materials Science for Engineers”3rd Edition, editora Prentice Hall.

6- R. A. Higgins “Propriedades e Estruturas dos Materiais em Engenharia”,editora Difel.

7- A. F. Padilha “Materiais de Engenharia – Microestrutura e Propriedades”,Editora Hemus


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As notas semestrais serão compostas pelamédia aritmética da nota de 3 provas.


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Datas 1º Semestre 2º Semestre

N1 26/03/2012 03/09/2012

N2 14/05/2012 15/10/2012

N3 02/07/2012 26/11/2012

Exame Final 03/12/2012


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Segundo Morris Cohen os Materiais são assubstâncias cujas propriedades as tornamutilizáveis em estruturas, máquinas,dispositivos, ou produtos consumíveis.

Os Materiais podem ser encontradosdiretamente na natureza, como argilas,madeira, etc., ou podem ser fabricadosartificialmente, como os plásticos, o aço,

etc.


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Os Materiais são divididos normalmente em: MateriaisMetálicos, Materiais Cerâmicos e Materiais Poliméricos.

Esta divisão é baseada na estrutura atômica e nasligações químicas predominantes em cada grupo.

Um quarto grupo foi incorporado nesta classificação nasúltimas décadas, é o grupo dos Materiais Compósitos.

Entretanto, existem ainda outros grupos de materiais,que nos últimos anos têm ganhado grande importância

devido as suas propriedades, tais como os MateriaisSemicondutores e Materiais Supercondutores.


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Estes materiais são formados pela combinação de elementosmetálicos unidos por ligações metálicas. Muitas daspropriedades destes materiais são atribuídas aos elétrons, quese comportam como elétrons livres no interior do material.

Entre os quatro grupos de materiais os materiais metálicos, emparticular os aços, ocupam um lugar de destaque devido a suagrande utilização. Na tabela periódica cerca de 70 elementostêm um caráter predominantemente metálico.

As primeiras ferramentas e armas feita com metais surgiramentre 5000 e 3000 a.C., (aproximadamente 2000 anos após aintrodução da agricultura) quando o homem desenvolveu fornosque possibilitaram a fusão de metais.

No início da era cristã o homem conhecia 7 metais: cobre, ouro,prata, chumbo, estanho, ferro e mercúrio.

Um dos maiores avanços na produção e utilização de materiais

metálicos ocorreu com a descoberta dos processos de fabricaçãodos aços com baixo teor de carbono. Esta descoberta foi feitapor Henry Bessemer em 1856 e permitiu a produção de aço emgrande escala.


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Os materiais cerâmicos são normalmente formados pela

combinação de elementos metálicos unidos a elementos nãometálicos. Estes elementos são unidos por ligações iônicas e/oucovalentes.

Os primeiros utensílios feitos de cerâmica foram potes, panelas epequenas estatuetas. Estima-se que começaram a ser fabricadosao redor de 8000 a.C. Estes utensílios eram feitos com argila,que quando misturada a água podia ser facilmentemoldada. Após a secagem, ela se torna rígida e adquire altadureza após a queima. Esta operação intencional de dar forma equeimar a argila, obtendo um produto com propriedades novas,foi talvez o início da engenharia de materiais.

Os vidros são também caracterizados como materiais cerâmicose tem-se registro de uso por volta do ano 4000 a.C. no Egito eem 1500 a.C. a produção de vidro já estava relativamenteestabelecida. Em 1200 d.C. Veneza já era a capital do vidro, eem 1292 toda a produção foi transferida para a ilha de Muranopara proteger os segredos dos ingleses e dos franceses.

Já as porcelanas começaram a ser fabricadas pelos chineses em200 a.C. e chegaram a Europa no século XIII através de MarcoPólo, mas somente com Johann Friedrich Böttger em 1708 é quese consegui produzir uma porcelana de alta qualidade.


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Os materiais poliméricos são constituídos de moléculasorgânicas gigantes, chamadas de macromoléculas, as quaispodem ser naturais, como o couro, a seda, o algodão, a madeirae a borracha, ou podem ser sintéticas, como os hidrocarbonetosderivados do petróleo. Estas moléculas são formadas por átomosde elementos não metálicos, como o carbono, hidrogênio,nitrogênio, oxigênio, flúor, entre outros, os quais são ligados porligações covalentes. Estas moléculas ligam-se umas as outras

por meio de ligações fracas.

Os polímeros naturais foram utilizados por milênios, mas foi nadécada de 1820 que ocorreu a síntese da uréia por Woehler, queliquidou a teoria da força vital e permitiu a obtenção decompostos orgânicos de maneira sintética. Em 1905 foidescoberto por Leo Hendrik Baekeland o baquelite que foi o

primeiro polímero sintético, mas foi só em 1935 que foidescoberto o polietileno, dando origem a descoberta da maioriados polímeros até 1950. Entretanto a produção dos polímerospela indústria começou por volta de 1960, crescendoexponencialmente.


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Os materiais compósitos são materiais projetados demodo a conjugar características desejáveis de dois oumais materiais. Eles são formados normalmente porduas fases, sendo uma a matriz e a outra o reforço. Amatriz pode ser polimérica, metálica ou cerâmica,enquanto que o reforço pode estar na forma de

dispersão de partículas, fibras, bastonetes, lâminasou plaquetas. Um compósito natural é a madeira, onde a matriz e o

reforço são poliméricos. Outro compósito muitoutilizado é o concreto, neste caso tanto a matrizquanto o reforço são cerâmicos.

A grande expansão no desenvolvimento e no uso doscompósitos iniciou-se na década de 1970.


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Os materiais são formados por átomos que se unemformando uma est ru tura atômica.

Uma maneira de se entender o que é est ru tur a, é compararos materiais à parede de uma casa. Nesta parede os tijolossão colocados um a um unidos por meio de umaargamassa para dar forma e sustentação a parede, esteconjunto de tijolos e argamassa é a est ru tura da parede.Nos materiais ainda são usados alguns termosrelacionados à estrutura, dependendo da dimensão deobservação utilizada.

Quando se observa a nível atômico, a escala utilizada é onanômetro (10-9m), gerando a nanoest ru tura , já quando seobserva os materiais utilizando um microscópio, a escala éo mícron (10-6m), nesta escala a estrutura é chamada demicroes t ru tura e finalmente quando se observa a olho nu,a estrutura é chamada de macroes t ru tura .


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As p rop r iedades são as respostas que osmateriais fornecem, quando são aplicados aeles certos estímulos. Geralmente estas p rop r iedades não dependem da forma ou do

tamanho do material. De uma maneira geraltodas as p rop r iedades importantes dosmateriais podem ser agrupadas em seiscategorias: mecânica, elétrica, térmica,magnética, ótica e deteriorativa.


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Por sua vez a maneira como o material éprocessado durante a fabricação de umdeterminado produto ( p rocessam en to ), podemodificar a estrutura e as propriedades destematerial.

A Ciência dos Materiais se preocupa emrelacionar a est ru tura com as p rop r iedades dosmateriais, enquanto que a Engenharia deMateriais está focada no p rocessam en to e comoeste irá modificar as p rop r iedades dos materiais,para garantir que um determinado produto atinjao desempenho previsto.


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Estrutura

Propriedade

Desempenho

Processamento

CM


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Tensão

Deformação

Módulo elástico

Ductilidade

Dureza

Tenacidade

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