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Microestrutura dos materiais
Noções básicas
Objetivos
� melhor compreensão
� base científica
� avaliação das propriedades
� desenvolvimento
ao longo do tempodurabilidadefadigadeformação lenta
ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulos 6 e 7.
Leitura complementar Classificação dos materiais
� metais (ferrosos e não ferrosos)
� cerâmica (vidro, concreto e cerâmica)
� condutores e supercondutores
� polímeros (madeira, betumes, resinas, plásticos, borrachas)
� compósitos (fibra + polímero, fibra + matriz cimentícia)
� biomateriais
� materiais especiais (alto desempenho)
Ciência dos Materiais
� 14. cerâmica vermelha� 15. cerâmica para acabamentos e aparelhos (ex.
louças)� 16. materiais para alvenaria estrutural� 17. materiais refratários e abrasivos� 18. vidro� 19. madeira para acabamentos� 20. madeira como material estrutural� 21. plásticos� 22. tintas, hidrofugantes e vernizes� 23. sistemas de impermeabilização e isolamento
térmicos� 24. borrachas, mastiques e selantes� 25. materiais betuminosos� 26. compósitos de matriz polimérica� 27. fibrocimento� 28. resíduos, fibras naturais e materiais
alternativos� 29.novos materiais
� 1. metais não estruturais (alumínio, cobre, entre outros)
� 2. aço para concreto armado e alvenaria estrutural
� 3. aço para estruturas metálicas� 4. solo como material de construção (ex.
terra crua, solo-cimento, solo-cal)� 5. rocha para revestimento (mármore e granito)
� 6. agregados para concretos e argamassas� 7. cimento Portland� 8. cimentos especiais com base mineral� 9. cal� 10. gesso� 11. argamassas� 12. concreto de cimento Portland� 13. produtos a base de cimento
Materiais de construMateriais de construççãoão� 14. cerâmica vermelha� 15. cerâmica para acabamentos e aparelhos (ex.
louças)� 16. materiais para alvenaria estrutural� 17. materiais refratários e abrasivos� 18. vidro� 19. madeira para acabamentos� 20. madeira como material estrutural� 21. plásticos� 22. tintas, hidrofugantes e vernizes� 23. sistemas de impermeabilização e isolamento
térmicos� 24. borrachas, mastiques e selantes� 25. materiais betuminosos� 26. compósitos de matriz polimérica� 27. fibrocimento� 28. resíduos, fibras naturais e materiais
alternativos� 29. novos materiais
� 1. metais não estruturais (alumínio, cobre, entre outros)
� 2. aço para concreto armado e alvenaria estrutural
� 3. aço para estruturas metálicas� 4. solo como material de construção (ex.
terra crua, solo-cimento, solo-cal)� 5. rocha para revestimento (mármore e granito)
� 6. agregados para concretos e argamassas� 7. cimento Portland� 8. cimentos especiais com base mineral� 9. cal� 10. gesso� 11. argamassas� 12. concreto de cimento Portland� 13. produtos a base de cimento
Materiais de construção x Ciência dos Materiais
Materiais Metálicos
Materiais Cerâmicos
Materiais Cerâmicos
Materiais Poliméricos
Materiais Compósitos
Novos materiais e materiais mais sustentáveis
2
SistemasSistemas
� Sistemas de vedações verticais (paredes)
� Sistemas de vedações horizontais (forros e cobertur as)
� Sistemas de revestimentos e acabamentos
� Sistemas estruturais
� Sistemas de pintura e proteção
� Sistemas de impermeabilização
� Sistemas de isolamento térmico e acústico
� Sistemas de instalações prediais
� ...
Classificação dos materiais (Eng. de materiais)
� materiais para vedações
� materiais para revestimentos
� materiais para cobertura
� materiais estruturais
� materiais para pintura e proteção
� materiais para impermeabilização
� ...
Aplicação
Microestrutura
� Forma como os componentes internos dos materiais se arranjam.
� Várias formas/níveis de estudo da estrutura do material em função do que se pretende analisar.
� Objetivos: entender e obter propriedadesdesejadas.
Princípio básico
O comportamento do material depende da microestrutura
O comportamentocomportamento do material depende da microestrutura
Níveis de estudo� Sub-atômico (Å)
� átomo� microscopia eletrônica de
tunelamento
� Atômico (ηm - µm)� moléculas, cristais� Difração de raios X� Microscopia eletrônica de
varredura
Níveis de estudo� Microscópico (mm-mm)
� fases, partículas� microscópios ótico e de
varredura� ensaios físicos
� Macroscópico (>mm)� todo o material� ensaios mecânicos
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Propriedades x nível de estudo
� Sub-atômico (condutividade elétrica e propriedades térmicas)
� Atômico (ligações interatômicas e estado de agregação da matéria)
� Microscópico (caracterísitica do material em função do arranjo)
� Macroscópico (medida de propriedades médias do material)
� Massa esta concentrada no núcleo.� Núcleo ocupa pequena parte do volume total do átomo!
� Eletrosfera ocupa maior parte do volume.
� Eletrosfera tem pouca massa!
Estrutura do átomo
Estrutura do átomo
núcleo
nuvem deelétrons
Forças interatômicas
atração + repulsão ligação
atraçã
o
Fo r
ça
repu
lsão distância interatômica (α)
0
Fr
Fa
α'0
Átomo x esforços mecânicos
� Eletrosfera deformável
� Ruptura das ligações
� Ruptura do material
� Esforço >> força de ligação
� Compressão aproxima os núcleos� Tração afasta os núcleos� Elasticidade
Ligações
� iônica� atração eletrostática
perda de elétrons +ganho de elétrons -
� não direcional� sólido� solúveis (solv. polares)� exemplos: CaCl2 - NaCl
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Ligações
� covalente� elétrons compartilhados nos orbitais
� direcional� exemplo: polímeros
� metálica� elétrons livres� não direcional� + compacta� propriedades
plásticas� condutores� exemplo: metais
Forças de Van der Waals� ligações secundárias� aglutinam molécula
� efeitos dipolo� moléculas polarizadas por indução ou
permanentes
� efeitos de dispersão� oscilação de pares de elétrons
� Exemplo: pontes de hidrogênio
Energia de ligação (energia mínima para criar ou quebrar ligações)
Tipo predominante de ligação x material Ligações x materiais
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Estruturas dos sólidos
� formas com que os átomos se organizam
molecularcristalina
vítrea ou amorfa
molecularcristalina
vítrea ou amorfa
Sólidos moleculares
� Molécula� Grupos de átomos c/
forte ligação
� Sólido� moléculas c/ ligação
fraca
� Deformação� moléculas deslizam
� Exemplo :� Betumes e alguns
polímeros (algumas resinas)
� Podem ser� cristalinos� vítreos
Sólidos cristalinos� ordem
� simetria
� repetição
� estáveis
� planos de clivagem
� Anisotrópicos
� Exemplo: ferro, aço, compostos do cimento e da pasta, areia, granito)
� iônicos ou covalentes� alto ponto de fusão� resistentes� duros� Exemplo: Metais
Sólidos Cristalinos
� moleculares� moles� baixo ponto de fusão� > expansão térmica
polietileno
Exemplos de arranjos cristalinos Sólidos vítreos ou amorfos
� ausência de:� ordem� simetria� ponto de fusão
� balanço elétrico� isotrópicos� menos estáveis� Ex. pozolanas, escória
alguns vidros� Escória de alto-forno� cadeia básica (Si e O)� modificadores (Ca, Na, Fe, Al, ...)
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Sólidos vítreos ou amorfos
pozolana
Sólidos vítreos ou amorfos
escória de alto-forno
Sólidos vítreos e cristalinos
cerâmica
Estrutura dos sólidos x nível de energia
Propriedades X cristalinidade
� Material mais cristalino
� Material mais amorfo
� Maior dureza� Maior resistência� Maior rigidez (polímeros)
� Menor reatividade (atécerto ponto)
� Maior durabilidade
� Maior flexibilidade� Maior reatividade� Maior rigidez (alumínio)� Maior resistência (ligas metálicas)
� Menor durabilidade
Fases, soluções e dispersões
� fase:� parte homogênea � superfícies definidas� sistema heterogêneo� Ex. clínquer Portland
� solução� sistema homogêneo� soluto (dissolvido) � solvente (o que
dissolve)
� dispersão� solução de 2 fases
� gel (solução coloidal)� pasta� emulsão
� substâncias imiscíveis
� espumas
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Materiais estruturais polifásicos� Agregados� Argamassas� Concreto� Alguns compósitos� Metais
Importância dos defeitos
� porosidade� relação água/cimento� relação água/gesso
� fissuras� falhas cristalinas� interfaces 0
0.25
0.5
0.75
1
0 5 10 15 20 25
Volume de Poros (%)
Res
istê
ncia
Rel
ativ
a
(Neville, 1983)
Importância dos defeitos
� Movimentação iônica X defeitos
� Reatividade = f(nível de cristalização)� Resistência = f(nível de cristalização)
� Naturais = f(resfriamento)� Induzidos ligas metálicas (Ex.: Al)
ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulos 6.
Leitura complementar
Microestrutura dos materiais metálicos
ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulo 10.
Leitura ComplementarLeitura Complementar
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Ligas ferrosas
Ligas não ferrosas
� CobreResistência à corrosão
Não suporta tratamento térmico
Ex. Latão (zinco como impureza)
� AlumínioBaixa densidade, alta condutibilidadde elétrica e térmica
Resistência à corrosão
Baixa temperatura de fusão
Tratamento a frio melhora a resistência e piora a corrosão
Microestrutura dos materiais cerâmicos
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ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulo 11.
Leitura complementarLeitura complementar
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Características dos Materiais Cerâmicos� dificuldade de cristalização (estruturas cristalinas mais complexas);
� alta dureza;� resistência mecânica (maior resistência àcompressão do que à tração);
� ruptura frágil;� estabilidade química e térmica (alto ponto de fusão), e
� baixa condutibilidade elétrica e térmica.
Transdutores elétricos
Refratária, isolante elétrica e abrasiva Características elétricas e magnéticas
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Material refratário e lubrificante
Ligações covalentes e iônicas
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Microestrutura dos materiais poliméricos
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ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulo 12.
Leitura ComplementarLeitura Complementar
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Ex. Metano (CH4)
Ex. Acetileno (C2H2)
(C2H4).
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Exemplos
(Butadieno estireno)
Dispersões poliméricas
� Butilacrilato e estireno: modificações de ligantes hidráulicos e adesivos;
� Acrílico-estireno: fabricação de tintas látex, fibras, massas de recobrimento e recobrimento de tecidos;
� Acrilato-estireno: modificações de ligantes hidráulicos e preparação de recobrimentos flexíveis;
� Termopolímero acrílico-estireno-butadieno: fabricação de massas de recobrimento.
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Aplicações de polímeros termoplásticos
Aplicações de polímeros termorígidos
Vulcanização (ligações cruzadas)
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Elastômeros:propriedades e aplicações Plásticos
Fibras
� Prolipropileno� Náilon� Poliéster� Poliamida� Polietileno� Celulose� Kevlar
Cristalinidade dos polímeros
� Compostos de macromoléculas, o que restringe a cristalização.
� É preciso que a estrutura das cadeias seja regular.
� Muito difícil em meros complexos ou ramificados.
Polímeros cristalinos e amorfos
� Microestrutura dos materiais: noções básicas
� Microestrutura dos Materiais Metálicos� Microestrutura dos Materiais Cerâmicos� Microestrutura dos polímeros
Teste T2, 07/07 Teste T2, 07/07 (aulas e leitura dos cap. 6, 10, 11 e 12, duração 1,5h, individual, sem consulta)
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Aula do dia 07/07
� Teste� Materiais e sustentabilidade
Prova Final (14/07)
� Toda a matéria
ExercExercíício 1: Leitura cio 1: Leitura Individual Individual (a ser realizada na (a ser realizada na semana de engenharia)semana de engenharia)
� ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulos 1 e 5.
� Entregar no início da aula (28/04) resumo(máximo 5 páginas).
O que é concreto de alto desempenho?
Como ele se enquadra dentro dos desafios e tendências dos materiais de construção?
Como situar a ciência de materiais e a engenharia de materiais neste caso
específico?
Exercício 2a (17/03, até 02 alunos, 60 minutos, durante a aula)
O que é concreto de alto desempenho?
Como ele se enquadra dentro dos desafios e tendências dos materiais de construção?
Como situar a ciência de materiais e a engenharia de materiais neste caso
específico?
Exercício 2b (entrega no dia 24/03, pesquisa individual)
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Pesquise e selecione 2 (duas) tendências na área de materiais de construção civil (sorteio de grupo), oferecer ênfase em aplicação de princípios de ciência dos materiais
Exercício 3 (entrega e apresentação em 10
a 15 minutos no dia 28/04, 14:00-18:00, até 02 alunos)
Aponte 2 (duas) tendências na área de materiais de construção civil em 3 (três) sistemas, dando ênfase em aplicação de princípios de ciência dos materiais
Exercício 4 (aula do dia 05/05, individual, 40minutos)
Exercício 5a (aula 24/03, até 2 alunos)
Conceitue e diferencie :
Dutilidade, tenacidade
Materiais dúteis, materiais frágeis
Material duro, material resistente à compressão
Deformações elásticas, deformações plásticas
Resistência mecânica, resistência química
Exercício 5b (aula 28/04, pesquisa individual, texto escrito)
Conceitue e diferencie :
Dutilidade, tenacidade
Materiais dúteis, materiais frágeis
Material duro, material resistente à compressão
Deformações elásticas, deformações plásticas
Resistência mecânica, resistência química
� ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulos 4, 8, 13.
� Fazer nas aulas do dia 14/04 e 21/04 (14:00-18:00), entregar no início daaula (28/04) resumo (máximo 5 páginas).
Exercício 6: Leitura Individual
Entregar no início da aula (12/05) resumo(máximo 6 páginas).ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulos 2 e 3.
Exercício 7: Leitura Individual
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AULA 19/05
� Revisão de propriedades� Discussão de resultados de laboratório
Exercício 8: Microestrutura x propriedades (Texto escrito + apresentação 15 minutos em 26/05, 14:00-18:00 (02/06, se necessário,14:00-18:0 0), até 2 alunos)
� 1. metais não estruturais (alumínio, cobre, entre outros) Simone e Lhais
� 2. aço para concreto armado e alvenaria estrutural Renan e Hedjaz
� 3. aço para estruturas metálicas Alvaro e Maxwell4. rocha para revestimento (mármore e granito) Caio e Vinicius
� 5. agregados para concretos e argamassas Layla e Letícia
� 6. cimento Portland Filipe e Marco� 7. cimentos especiais com base mineral
Luiz Fernando e Marcos� 8. cal Guilherme Schulzs e Paulo Octávio� 9. gesso Camila� 10. argamassas Mariana e Clarice� 11. concreto de cimento Portland Lucas
e Marcelo� 12. cerâmica vermelha e louças Julyana
e Vitor
� 13. vidro Jaqueline e Mariana� 14. madeira (acabamentos e material
estrutural) Rafael e Pedro� 15. plásticos Vinicius e Miguel
16. tintas, hidrofugantes e vernizes Alex e Pedro
� 17. sistemas de impermeabilização e isolamento térmicos Camila e Raphael
� 18. borrachas, mastiques e selantesCarolina e Eliza
� 19. materiais betuminosos Eugênio e Nathalia
� 21. compósitos de matriz polimérica Jonathan e Naycou
� 22. fibrocimento e outros produtos a base de cimento Dayane e Júlia
� 23. Resíduos, fibras naturais e materiais alternativos Felipe e Mateus
� 24 Novos materiais de construção Rubya e Júlio
Aula 26/05
� Discussão de resultados de laboratório� Revisão de desempenho� Início da apresentação de trabalho
Entregar no início da aula (02/06) resumo(máximo 10 páginas).ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulos 6 e 7.
Exercício 9: Leitura Individual
Aula 02/06
� Estrutura dos materiais � Propriedades� Desempenho� Critérios para a seleção de materiais
Teste T1, 09/06 Teste T1, 09/06 (aulas e leitura dos cap. 02, 04, 05, 08, 13, duração 1,5h, Início 15h, individual, sem consulta)
23
Exercício 10 (2 alunos, aula do dia 09/06, com consulta, início 16:40)
Levante mecanismos de deterioração e requisitos
de desempenho em serviço a serem observados
por ocasião da especificação e da seleção de
materiais nos sistemas externos (não importa o material!!!) de um edifício residencial de Vitória (proximidade ao mar, Tambiente = 35oC, UR=85%, ventos,
proximidade a indústrias). . Justifique.
Sistemas do Exercício 10
� Sistemas de vedações verticais
� Sistemas de vedações horizontais (forros e cobertur as)
� Sistemas de revestimentos e acabamentos
� Sistemas estruturais
� Sistemas de pintura e proteção
� Sistemas de impermeabilização
� Sistemas de isolamento térmico e acústico
� Sistemas de instalações prediais
� ...
Materiais do exercício 10� 1. metais não estruturais (alumínio,
cobre, entre outros)� 2. aço para concreto armado e alvenaria
estrutural � 3. aço para estruturas metálicas � 4. rocha para revestimento (mármore e
granito)� 5. agregados para concretos e
argamassas� 6. cimento Portland� 7. cimentos especiais com base mineral � 8. cal� 9. gesso� 10. argamassas� 11. concreto de cimento Portland� 12. cerâmica vermelha
� 13. vidro� 14. madeira (acabamentos e material
estrutural) � 15. plásticos
16. tintas, hidrofugantes e vernizes 17. sistemas de impermeabilização e isolamento térmicos
� 18. borrachas, mastiques e selantes19. materiais betuminosos
� 21. compósitos de matriz polimérica � 22. fibrocimento e outros produtos a
base de cimento� 23. Resíduos, fibras naturais e
materiais alternativos� 24 Novos materiais de construção
Aula de 16/06 (ATENÇÃO)14:00-15:40 – Moldagem de corpos-de-prova no LEMAC, Prof. Avancini (Alex a Eliza (T0) e de Filipe a Lucas (T1))
16:00-17:40 – Moldagem de corpos-de-prova no LEMAC, Prof. Avancini (Luiz Fernando a Pedro Pereira (T2) e Pedro Kfuri a Vitor Brandão (T3)
Microestrutura (Lab. de Microestrutura, CTIII, Prof. Flávio) T3 de 14:30-15:10T2 de 15:15-15:55T1 de 16:00-16:40T0 de 16:45-17:30
Aula de 23/06 (ATENÇÃO)
14:00-15:00 – Aglomerante (LEMAC), Prof. Avancini, de Alex a Jonathan
15:00-18:00 – Sala do CT1 (Prof. Florindo), caracterização Ambiental
Aula 25/06 (ATENÇÃO)
16:00-17:00 – Aglomerante (LEMAC), Prof. Avancini, de Julia Nascimento a Pedro Pereira
24
Aula 26/06 (ATENÇÃO)
16:00-17:00 – Aglomerante (LEMAC), Prof. Avancini, de Rafael Cosmo a Vitor
Aula 30/06 (ATENÇÃO)
14:00-15:00 – Agregados, LEMAC, de Alex a Jonathan
15:00-18:00 – Estrutura e propriedades, CT1.
Aula 02/07 (ATENÇÃO)
16:00-17:00 – Agregados, LEMAC, de Julia Nascimento a Pedro Pereira
Aula 03/07 (ATENÇÃO)
16:00-17:00 – Agregados, LEMAC, de Rafael Cosmo a Vitor
Entregar no início da aula (30/06) resumo(máximo 5 páginas).ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulo 10.
ExercExercíício 11: Leitura Individualcio 11: Leitura IndividualMicroestrutura dos materiais metálicos
Entregar no início da aula (30/06) resumo(máximo 5 páginas).ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulo 11.
ExercExercíício 12: Leitura Individualcio 12: Leitura IndividualMicroestrutura dos polímeros
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Entregar no início da aula (30/06) resumo(máximo 5 páginas).ISAIA, G. C. (editor) Materiais de Construção Civil e Princípios de ciência e Engenharia de Materiais. IBRACON. Vol. 1, capítulo 12.
ExercExercíício 13: Leitura Individualcio 13: Leitura IndividualMicroestrutura dos materiais CerâmicosMicroestrutura dos materiais Cerâmicos
� Microestrura dos materiais: noções básicas
� Microestrutura dos Materiais Metálicos� Microestrutura dos Materiais Cerâmicos� Microestrutura dos polímeros
Teste T2, 07/07 Teste T2, 07/07 (aulas e leitura dos cap. 6, 10, 11 e 12, duração 1,5h, individual, sem consulta)
Aula do dia 07/07
� Teste� Materiais e sustentabilidade
Prova Final (14/07)
� Toda a matéria