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Ciência dos Materiais I Prof. Dr. Carlos Roberto Grandini Prof. Dr. Carlos Roberto Grandini Bauru 2006

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Ciência dos Materiais I

Prof. Dr. Carlos Roberto GrandiniProf. Dr. Carlos Roberto Grandini

Bauru2006

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ProgramaçãoCiência dos Materiais: História e Perspectivas 10/03Estrutura Atômica 17/03Arranjos Atômicos 24/03Imperfeições em Arranjos Atômicos 31/03Movimentação Atômica em Materiais 07/04Primeira Avaliação 28/04Equilíbrio Termodinâmico: Estado e Fase 06/05Estabilidade de Estados 19/05Transformações de Fase 26/05Processos de Difusão e Transporte 02/06Segunda Avaliação 09/06Visão Geral sobre Propriedades Físicas e Aplicações de Materiais: metais, polímeros, cerâmicas e vidros, semicondutores, compósitos 23, 30/06Segunda Avaliação 07/07Avaliação Substitutiva 14/07

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Critério de Avaliação

Média de 3 provas;A prova substitutiva, se realizada, substitui a menor nota, independente de for maior ou menor que a anterior;

Conceitos:

10 ≥ Mp ≥ 9,0 Conceito A8,9 ≥ Mp ≥ 7,0 Conceito B6,9 ≥ Mp ≥ 5,0 Conceito CAbaixo de 4,9 Reprovado

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Bibliografia Básica

D.R. Askeland, P.P. Phulé, The Science and Engeneering of Materials, 4th Edition, Thomson, New

York, 2003.

W.D. Callister Jr., Materials Science and Engeneering: an integrated approach, 2th Edition, John Willey, New York,

2005.

J.F. Shackelford - Materials Science for Engineers, 6th

Edition, Prentice Hall, New York, 2005.

W.F. Smith, Principles of Materials Science and Engineering, 3rd Edition, McGraw Hill, New York, 1998.

L.H. Van Vlack, Princípios de Ciência e Tecnologia de Materiais, 4a Edição, Campus, Rio de Janeiro, 1984.

C. Kittel, Introdução à Física do Estado Sólido, 5ª Edição, Guanabara-Koogan, Rio de Janeiro, 1978.

P.W. Atkins, Physical Chemistry, 4th. Edition, OxfordUniversity Press, Oxford, 1992.

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Ciência dos MateriaisCiência dos MateriaisHistHistóória e Perspectivasria e Perspectivas

Materiais:

– presentes em nosso dia-a-dia;

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– engajados em nossa cultura;

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– intimamente relacionados com a ascensão do homem:

» Idade da pedra:

» Idade do bronze:

» Idade do ferro:

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– Civilizações antigas:

– Evolução:

» materiais naturais:

Pedra, madeira, argila, peles(couro), etc...

» Materiais naturais poderiam ser tratados originando outros com propriedades melhores.

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O que são materiais?

– Uma parte da matéria no universo;

Ciência e Engenharia de Materiais (CEM):

– São as substâncias cujas propriedades as tornam utilizáveis em estruturas, máquinas, dispositivos ou produtos consumíveis.

– é a área da atividade humana associada com a geração e com a aplicação de conhecimentos que relacionem composição, estrutura e processamento dos materiais às suas propriedades e aplicações.

Ciência dos Materiais:

– a CEM, em conjunto, formam uma ponte de conhecimentos sobre materiais, que liga as ciência básicas às diversas especialidades de engenharia.

– visa essencialmente a descoberta de conhecimentos fundamentais sobre os materiais.

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Se desejarmos realçar a parcela da Ciência dos Materiais neste espectro, devemos agir no sentido de entender a

natureza dos materiais, estabelecendo teorias ou descrições que relacionem a estrutura com a composição,

propriedades e comportamento. A Engenharia de Materiais, por seu turno, sintetizará e empregará, tanto os

conhecimentos fundamentais quanto os empíricos, no sentido de desenvolver, preparar, modificar e aplicar os

materiais que atendam às exigências.

Engenharia de Materiais:

– se dedica principalmente à aplicação desses conceitos.

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Ciência dos Materiaisé um empreendimento com propósitos que alcançam desde omicromundo dos átomos e dos elétrons até o gigantesco macromundomaterial com funções e serviços que apóiem o homem na busca das soluções para os problemas da sociedade;

sentido mais amplo:

– é uma multidisciplina que abraça (mas não substitui) algumas disciplinas:

– metalurgia e cerâmicos;

– física do estado sólido e química orgânica.

Há, por certo, muitos cientistas e engenheiros que são especialistas em materiais - metalurgistas, ceramistas e químicos especializados em polímeros -

inteiramente envolvidos com a Ciência e Engenharia de Materiais. Um importante registro assinala que a cada seis horas do trabalho profissional de qualquer outro tipo de engenheiro, pelo menos uma hora ele lida diretamente

com materiais e sua utilização. Para físicos e químicos as frações são bem mais altas.

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Estrutura – Propriedades – Desempenho

Processamento

Ciência e Entendimento Básico

Necessidades e Experiências Sociais

Conhecimento Científico Conhecimento Empírico

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METAIS

POLÍMEROS

VIDROS

CERÂMICASCOMPÓSITOS

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Classificação dos MateriaisOs materiais são agrupados em três grupos principais, baseados em princípios químicos e na estrutura:

Metais:» Materiais metálicos são normalmente uma combinação de elementos metálicos;

» Possuem elétrons livres;

» Bons condutores de eletricidade e calor;

» Não transparentes;

» Muito resistentes;

» Facilmente deformáveis.

Aplicações

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– Cerâmicas:

» Composições de elementos metálicos e não metálicos;

» Óxidos, nitretos e carbetos;

» Argilas, cimento e vidro;

» Normalmente isolantes;

» Duros e quebradiços;

» Resistente a altas temperaturas

Aplicações

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– Polímeros:

» Plásticos, borrachas e adesivos;

» Compostos orgânicos baseados em carbono, hidrogênio e outros elementos não metálicos;

» Produzidos pela criação de grandes estruturas moleculares a partir de moléculas orgânicas;

» Baixa condutividade elétrica;

» Baixa resistência à temperatura.

Aplicações

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Em adição, existem outras categorias de importância que consistem na combinação destes tipos de materiais:

– Compósitos:

» Formados por dois ou mais tipos de materiais.

Aplicações

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Compósitos de fibras reforçadas (fibras de carbono em matriz polimérica) utilizados na estrutura de bicicletas.

Partes do “corpo” de carros de corrida, e de alguns veículos comuns, são feitos de fibras de vidro em matriz polimérica.

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– Semicondutores:

» Possuem propriedades elétricas intermediárias entre condutores e isolantes;

» Sensíveis à presença de impurezas.

Aplicações

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– Nanomateriais:

» São materiais contendo cristais ou clusters de átomos com dimensões da ordem do nanômetro, que corresponde a uma escala intermediária entre o átomo isolado e o material macroscópico.

Aplicações

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– Biomateriais:

» São materiais biológicos que são implantados no corpo humano.

Aplicações:

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O projeto de James Auger e Jimmy Loizeau, pesquisadores do Laboratório de Mídia do Massachusetts Institute of Technology -MIT em Dublin, na Irlanda, desenvolveu um dente que pode ser usado para receber sinais de um telefone celular.

O dispositivo é apenas um conceito e sequer um protótipo foi construído. SegundoAuger, é necessário esperar que haja interesse comercial na idéia.

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Existem várias propriedades que devem ser levadas em consideração no desenvolvimento de materiais e/ou alternativas de processo e aplicações:

• Econômicas

• Mecânicas

• Superficiais

• Fabricação

• Físicas e Químicas

• Microestruturais

• Estéticas

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FUNÇÃO

PROCESSO

FORMAMATERIAL

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• Preço • Custos Financeiros • Valor de Mercado • Incentivos Fiscais • Disponibilidade • Fornecedores Alternativos • Materiais com Propriedades Equivalentes • Atualização Tecnológica • Ciência e Tecnologia Evoluem Rapidamente! • Necessário Estudo Permanente

Propriedades Econômicas

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Propriedades Mecânicas

• Resistência

• Dureza

• Ruptura

• Fadiga

• Escoamento (início da deformação plástica)

• Fluência (processo lento de deformação, depende da temperatura e tempo)

• Desgaste, etc.

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• Corrosão

• Desgaste

• Abrasão

• Adesão

• Erosão

• Revestimento

Propriedades Superficiais

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• Usinagem

• Soldagem

• Colagem

• Fundição

• Conformação

• Acabamento

Propriedades de Fabricação

METALURGIA DO PÓ

As peças são produzidas a partir de pequenas partículas na forma de pó, aquecidas sob pressão dentro de uma matriz, abaixo da temperatura de fusão.

Este processo de consolidação é chamado de “Sinterização”

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Propriedades Físicas e Químicas

• Elétricas (resistência, piezo e termoeletricidade)

• Magnéticas

• Óticas (cor, transparência, refração, absorção)

• Térmicas

• Dilatação

• Durabilidade Química

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Propriedades Microestruturais

• Tipo (cristalina, cadeias, amorfa)

• Cristalização (CFC, CCC, HC, ...)

• Defeitos (discordâncias, vazios)

• Fases

• Solubilidade

• Tratamentos Térmico

Dendrites numa superliga à base de níquel

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Propriedades Estéticas

São propriedades que variam muito com o tempo e são difíceis de quantificar, mas têm grande valor econômico.

• Aparência

• Textura

• Tato

• Jeito

• Moda