Introdução à Ciência dos Materiais

Introdução à Ciência dos MateriaisKelly Benini

2 Introdução à Ciência dos Materiais16/03/2020

Titanic, 1912

Foi culpa do Iceberg?

Importância de conheceras propriedades dos

materiais em diferentescondições de uso!


✓19 anos de vida;

✓Os requisitos de inspeção de segurança haviam sido checados;

✓Causa: Combinação de corrosão e fadiga

“..a 24,000ft, os pilotos escutaram um estrondo seguido de barulho de vento atrás deles. O comandante avistou o céu azul sobre o teto da primeira classe..”

ALOHA AIRLINES, Vôo 243 - BOEING 737-200, 28 de ABRIL 1988


Importância de se preocupar com a vida útil

de um material e comoeste será descartado!

5 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais

Desenvolvimento de novas tecnologias para

produção de novosmateriais

Objetivo da Disciplina

✓Apresentar aos estudantes de engenharia os conceitos básicos de Ciência dos Materiais;

✓Apresentar os conceitos principais da relação entre microestrutura , propriedades e processamento;

✓Fornecer informações suficientes para a escolha de um material de acordo com a sua aplicação


Conteúdo do Curso


1. INTRODUÇÃO E CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS1.1 Introdução aos Materiais de Engenharia1.2 Classificação dos Materiais (Aspectos básicos de materiais compósitos, polímeros, cerâmicas e metais)

2. ESTRUTURA E LIGAÇÕES2.1 Estrutura dos átomos2.2 Tipos de Ligações (ligações covalente, iônica, metálica e forças de Van der Waals)2.3 Energia e Força de Ligação2.4 Estrutura dos materiais (Molecular, Amorfa e Cristalina)2.5 Sólidos cristalinos (direções e planos cristalográficos; células unitárias; redes de Bravais; fator de empacotamento

Conteúdo do Curso


3. IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS (DEFEITOS)3.1 Tipos e formação de defeitos3.2 Movimentação de discordância

4. DIAGRAMA DE FASES4.1 Definição de fase, regra de Gibs, curva de resfriamento4.2 Diagramas de equilíbrio de sistemas binários;4.3 Diagrama Ferro-Carbono

5. CONCEITOS BÁSICOS SOBRE AS PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 5.1 Propriedades Mecânicas;

materiais não newtonianos; relaxação e fluência; fadiga. 5.2 Propriedades Físico-químicas5.3 Propriedades Térmicas

Calendário das avaliações

9 16/03/2020

Projeto 1 – 13/abril

P1 – 04/maio

Projeto 2 – 15 e 22/junho

P2 – 29/ junho

Turma F5

Recuperação – 13/julho

4,0*2

6,0*2

2121

++

+=

AAPPM F

Onde: MF = Média FinalP = Provas regulares ( P1 e P2)A = Notas do Projeto

Introdução à Ciência dos Materiais


10 16/03/2020


P1 – 04/maio


P2 – 29/ junho

Turma N3


4,0*2

6,0*2

2121

++

+=

AAPPM F




11 16/03/2020


P1 – 24/abril


P2 – 03/ julho

Turma P6


4,0*2

6,0*2

2121

++

+=

AAPPM F



Objetivo da Aula


Conhecer os fundamentos da ciência dos materiais;

Classificar os materiais de engenharia e aprender sobre suas principais propriedades.

Ciência e Engenharia de Materiais

Ciência x Engenharia


Ciência dos Materiais

“Investigação das relações que existem

entre as estruturas e as propriedades”

Callister Jr., 2011

Engenharia dos Materiais

“Consiste no projeto ou na engenharia

da estrutura de um material para obter

um conjunto predeterminado de

propriedades”Callister Jr., 2011



15 16/03/2020

Composição

• Constituição química do material

Síntese

• modo como são feitos, a partir de quais substâncias químicas

Microestrutura

• Descrição detalhada do arranjo de átomos

Processo de fabricação

• modo como são transformados em componentes úteis, com propriedades adequadas.

Propriedades dos Materiais


Microestrutura x Propriedades

16 16/03/2020

➢ Efeito da microestutura nas propriedades da alumina

Porosa Não Porosa

A presença de poros causa espalhamento de luz e o material

se torna opaco

A eliminação dos poros através da adição de 0.1% de MgO gera um

material translúcidoIntrodução à Ciência dos Materiais


17 16/03/2020

➢ Efeito da microestutura nas propriedades do PHBV

Poroso(Eletrofiação)

Translúcido(Evaporação do solvente)



18 16/03/2020

Como recebido

Normalização

Têmpera

Recozimento

➢ Efeito da microestutura nas propriedades do Aço



19 16/03/2020

➢ Desenvolvimento e aperfeiçoamento dos métodos de extração de materiais da natureza;

➢ Modificação de materiais naturais;

➢ Combinação de materiais conhecidos para a formação de novos materiais

O número de materiais cresceu muito nas últimas décadas e a tendência é de se proliferarem mais num

futuro próximo devido ao avanço da tecnologia



20 16/03/2020

Quantos materiais diferentes existem?



21 16/03/2020

Quantos materiais diferentes existem?

Como escolher?

Entre 40.000 e 80.000

diferentes, contando as variantes

de tratamento térmico e

composiçãode cada material



22 16/03/2020

Como escolher? Depende do uso...



23 16/03/2020

Como escolher? Depende do uso...

Custo

Durabilidade

Aparência

Finalidade



24 16/03/2020

Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros?

• Propriedades que o material deve ter

• Seleção de acordo com as solicitaçõesCondições de Servico

• Considerar a redução da resistência durante o uso

• Exposição temperatura e/ou ambiente corrosivo

Deteriorização

• Custo do produto acabado

Fatores Econômicos



25 16/03/2020

Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros?

Em raras ocasiões um material reúne uma combinação ideal de propriedades, ou seja, muitas vezes é necessário reduzir uma em

benefício da outra

Um exemplo clássico são resistência e ductilidade, geralmente um material de alta resistência apresenta ductilidade limitada. Este tipo de circunstância exige que se estabeleça um compromisso

razoável entre duas ou mais propriedades.


Resumo da aula anterior


• Devido a variações de composição, síntese e processamento

• Condições de serviço

• Deteriorização

• Fatores Econômicos

• Sintese e

• Composição

• Desenvolvimentosde projetos de Engenharia

• Novos materiais

• Preocupaçõesambientais

Importância dos materiais naEngenharia

Grande númerode diferentes

materiaisdisponíveis

Como selecionarum material

para determianda

aplicação?

Estrutura

Prop.Proc.

Aula 2Classificação dos

Materiais

Classificação dos Materiais

28 16/03/2020 Adicionar um rodapé

Composição química e estrutura atômica

Metais

Cerâmicos

Polímeros

Aplicação

Compósitos

Semicondutores

Biomateriais


Metais e suas ligas

Combinação de elementos metálicosFe, Cu, Zn, Al, Mg, Ti,

Niimpurezas

(C,N,O)

Ligação metálica

Elétronslivres

✓ Bons condutores de calor e eletricidade

Resistentese

Deformáveis

✓ Não são transparentes à luz visível

✓ Têm aparência lustrosa quando polidos

RígidosResistentes e

Dúcteis


Metais e suas ligas

Ligas Metálicas

Ferrosas

Aços (C<1,4% p)

Baixa Liga

Baixo teor de Carbono

C<0,25%p

Médio teor de carbon0

0,25<C<0,60%p

Alto teor de carbon0

0,60<C<1,4%p

Alta liga

Ferros Fundidos2,14<C<4,5%p

Ferro Cinzento

Ferro Branco

Ferro dúctil (nodular)

Não ferrosas

Ligas de Cobre, Alumínio, Magnésio

e Titânio

Fe-C

Cerâmicas


Propriedades

✓ Resistência à alta temperatura;

✓ Isolante térmico e elétrico;

✓ Elevada dureza;

✓ Frágil;

✓Inerte;

✓Transparente, translúcida ou opaca.

ResistentesFrágeis

Combinação de elemento metálicos

e não metálicosÒxidos, carbetos, nitretos, argilas

Materiais inorgânicos cuja ligação atômica é

totalmente ou predominantemente iônica.

Materiais Cerâmicos

✓ Vidros✓ Produtos à base de

argila✓ Refratários✓ Abrasivos✓ Cimentos✓ Cerâmicas avançadas

Cerâmicas


✓ Peças de motores de combustão interna;

✓ Revestimento de fornos;

✓ Estruturas aeroespaciais.

Aplicações dos Materiais Cerâmicos Avançados

Cerâmicas Tradicionais

Tijolos

Telhas

Porcelana

Cerâmicas avançadas

Componentes eletrônicos

Industria aeroespacial

Computadores

Polímero

✓ poli = muitos

✓mero = unidades de repetição

Polímeros


Principais Propriedades

✓ Baixa densidade;

✓ Boa resistência à corrosão;

✓ Podem ser flexíveis;

✓ Maus condutores de

eletricidade e calor;

✓ Baixa resistência a

temperatura

MateriaisOrgânicosC, H, N, O

LigaçãoCovalente

n CH2 = CH

2]CH

2 CH

2[ n

etileno polietileno

monômero polímero

Polímeros


Comportamento Mecânico

Termoplástico

polímeros que quando submetidos a uma dada temperatura e pressão,

amolecem e fluem e, após solidificação podem ser

reprocessados novamente na mesma condição.

Termorrígido

polímeros que quando submetidos a uma dada temperatura e pressão,

amolecem e fluem e, após solidificação, tornam-se

infusíveis, insolúveis e não reprocessados.

Elastômero

polímeros que na temperatura ambiente sofrem altas

deformações (maior que o tamanho original) frente a uma

solicitação e quando retirada esta solicitação possuem recuperação

elástica total.

Polímeros


Exemplos

Compósitos


Classe de materiais heterogêneos, multifásicos, resultante da combinação racional dos seguintes componentes:

As proporções de combinação desses componentes deve ser feita de modo a maximizar algumas propriedades.

Reforço: dá principal resistência ao esforço;

Matriz: meio de transferência do esforço;

Compósitos


Poliméricos

Cerâmicos

Metálicos

fibra curta

particulado

fibra longa

contínua

descontínuaManta/Tecido

Pneu – borracha (elastômero) reforçada tela aço ou nylon

Disco de corte – óxido alumínio com malha fibra de

vidro

Concreto

Matriz

Reforço

Compósitos


Principais Propriedades

✓Alta resistência mecânica;

✓Baixo peso;

✓Alto custo;

✓Delaminação http://blog.hangar33.com.br/a-era-dos-compositos-na-fabricacao-das-aeronaves/

http://blog.hangar33.com.br/a-era-dos-compositos-na-fabricacao-das-aeronaves/

Semicondutores


Material não-metálico, conhecido como material eletrônico, com

condutividade elétrica intermediária.

✓ Feitos de silício, germânio, arseneto de gálio;

✓ Circuitos integrados;

✓ Filmes finos semicondutores;

✓ Energia liberada na forma calor (Si e Germânio);

Semicondutores


Germânio

Fibra óptica.

Eletrônica: Radares, amplificadores de

guitarras elétricas, ligas metálicas de

SiGe em circuitos integrados de alta

velocidade

Silício

Material abundante,

interesse especial na

indústria eletrônica e

microeletrônica como

material básico para

produção de transistores

para chips, células solares e

em diversos circuitos

eletrônicos.

LED

Biomateriais


Material implantado no interior do corpo humano.

✓Não devem produzir substancias tóxicas;

✓Devem ser compatíveis com os tecidos do corpo (não causar

reações biológicas adversas);

✓ Podem ser de metal, cerâmica, polímero, compósito ou

semicondutor.

Biomateriais


Biometais

• Aço inoxidável (liga cromo)

• Liga Co-Ni-Cr-Mo

• Titânio

Biocerâmicas

• Bioinertes: permanece no organismo sem induzir resposta tecidual significativa (Alumina, Zircônia, Carbono);

• Bioativas: induz crescimento tecidual (vidros bioativos, hidroxiapatite – HÁ)

• Reabsorvível: biodegrada no organismo, sendo metabolizado sem causar efeitos nocivos (fosfato tricálcico - TCP e vidro bioativo).

Biopolímeros e Biocompósitos

• Polimetilmetacrilato – PMMAou acrílico

• Fosfato de cálcio bifásico (TCP + HA)

Novos materiais


- Ligas com memória de forma

- Cerâmicas piezoelétricas

- Materiais magneto-constritivos

Materiais Inteligentes

- Nanotubos de carbono

- Nanocelulose

- Nanoargilas

Nanomateriais

Projeto de inovaçãoe Sustentabilidade

Aplicação dos Materiais

Data Aula Conteúdo

02/03 Aula 2 Informações de como o projeto deverá ser conduzido e formação dos grupos

09/03 Aula 3 Identificar nos materiais escolhidos qual o tipo de estrutura, microestrutura, composição, síntese e tipo de ligação

16/03 Aula 4 Principais propriedades dos materiais (informações que serão úteis para a definição do tipo de reciclagem, se for o caso, e processamento do produto final) e definição do

processo de fabricação do produto23/03 Aula 5 Preparação do texto do Projeto

30/03 Aula 6 Preparação da apresentação do Projeto

13/04 Aula 7 Entrega do Projeto e Apresentação inicial - Parte 1 do Projeto

27/04 Aula 8 Feedback do Projeto e esclarecimento de dúvidas

11/05 Aula 10 Verificar se o processo de fabricação escolhido é adequado e iniciar o desenho/protótipo do produto

18/05 Aula 11 Definir as propriedades finais do produto e verificar a adequação do material escolhido e do processo de fabricação

25/05 Aula 12 De acordo com as propriedades levantadas verificar a adequação do projeto considerando o desenho/protótipo (geometria, dimensões), aplicação, custo e

condições de uso01/06 Aula 13 Preparação do texto do Projeto


15/06 Aula 15 Entrega do Projeto e Apresentação final - Parte 2 do Projeto (5 grupos)

22/06 Aula 16 Entrega do Projeto e Apresentação final - Parte 2 do Projeto (5 grupos)45 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais

Turma F5

Cronograma


Data Aula Conteúdo


16/03 Aula 3 Identificar nos materiais escolhidos qual o tipo de estrutura, microestrutura, composição, síntese e tipo de ligação

23/03 Aula 4 Principais propriedades dos materiais (informações que serão úteis para a definição do tipo de reciclagem, se for o caso, e processamento do produto final) e definição do processo de

fabricação do produto30/03 Aula 5 Preparação do texto do Projeto



11/05 Aula 9 Verificar se o processo de fabricação escolhido é adequado e iniciar o desenho/protótipo do produto

18/05 Aula 10 Definir as propriedades finais do produto e verificar a adequação do material escolhido e do processo de fabricação

25/05 Aula 11 De acordo com as propriedades levantadas verificar a adequação do projeto considerando o desenho/protótipo (geometria, dimensões), aplicação, custo e condições de uso

01/06 Aula 12 Preparação do texto do Projeto





Turma N3

Data Aula Conteúdo


06/03 Aula 3Identificar nos materiais escolhidos qual o tipo de estrutura, microestrutura,

composição, síntese e tipo de ligação

13/03 Aula 4Principais propriedades dos materiais (informações que serão úteis para a definição do

tipo de reciclagem, se for o caso, e processamento do produto final) e definição do processo de fabricação do produto




17/04 Aula 8 Feedback do Projeto e esclarecimento de dúvidas

08/05 Aula 10Verificar se o processo de fabricação escolhido é adequado e iniciar o

desenho/protótipo do produto

15/05 Aula 11Definir as propriedades finais do produto e verificar a adequação do material escolhido

e do processo de fabricação

22/05 Aula 12De acordo com as propriedades levantadas verificar a adequação do projeto

considerando o desenho/protótipo (geometria, dimensões), aplicação, custo e condições de uso



19/06 Aula 15 Entrega do Relatório final e Apresentação final - Parte 2 do Projeto (5 grupos)

26/06 Aula 16 Entrega do Relatório final e Apresentação final - Parte 2 do Projeto (5 grupos)47 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais

Turma P6

Motivação


Project Based Learning (PBL)


➢ Project Based Learning (PBL) um método de ensino no qual os alunos adquirem conhecimentos e habilidades trabalhando por um período prolongado para

investigar e responder a uma pergunta, problema ou desafio autêntico, envolvente e complexo.

➢ No PBL os alunos trabalham em um projeto por um longo período de tempo -de uma semana a um semestre - que os envolve na solução de um problema do mundo real ou na resposta a uma pergunta complexa. Eles demonstram seus conhecimentos e habilidades criando um produto ou apresentação pública para

um público real.

➢ Como resultado, os alunos desenvolvem conhecimento profundo de conteúdo, além de habilidades críticas de pensamento, colaboração,

criatividade e comunicação. A aprendizagem baseada em projetos libera uma energia contagiosa e criativa entre alunos e professores.

Como vai funcionar o Projeto?


Escolher um produto e o material do qual ele será feitoPoderá ser um material bruto (posteriormente processado para a confecção de um

produto) ou um produto já existente que será reciclado para a confecção de um novo

O produto e/ou o material devem ser escolhidos pensando emconceitos de sustentabilidade e no meio ambiente

Como vai funcionar o Projeto?


Parte 1

• Levantar os dados de caracterização dos materiais escolhidos para estabelecer algumas de suas propriedades tais como tipo de estrutura, composição, síntese e tipo de ligação e informações sobre processo de fabricação e/ou reciclagem;

• Considerações com relação ao aspecto ambiental do produto e do projeto;

• Explicar porque diferentes materiais são escolhidos para diferentes produtos e para isso, os grupos deverão examinar as propriedades físico-químicas, mecânicas e microscópicas através de ensaios e análises que devem ser adequados aos materiais escolhidos (buscar dados da literatura);

• Definir o processo de fabricação.

Parte 2

• Verificar a adequação do processo de fabricação de acordo com o material escolhido;

• Projeto do Produto (Desenho e/ou protótipo)

• Determinação das principais propriedades do produto e a sua adequação com o projeto proposto.

1° Apresentação

2° Apresentação

Avaliação


Apresentação com a ideia inicial do projeto

• Apresentação Oral (5 minutos por grupo)

• Projeto.

Parte 1 Apresentação Final do Produto

• Apresentação Oral com slides (15 minutos porgrupo)

• Relatório Final

Parte 2

• CALLISTER JR., W. D. Fundamentos da Ciência e Engenharia de Materiais: Uma abordagem integrada, 2ª ed,

Rio de Janeiro: LTC, 2006.

• VAN VLACK, H. L. Princípios de Ciência dos Materiais, São Paulo: Cengage Learning, 2008.

• ASKELAND, D. R. e PHULÉ, P. P. Ciência e Engenharia dos Materiais, São Paulo: Edgar Blucher, 1970.

REFERÊNCIAS E BIBLIOGRAFIA CONSULTADA

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Introdução à Ciência dos Materiais

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