PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM

INTRODUÇÃO

CMA – CIÊNCIA DOS MATERIAIS(04 Créditos - Obrigatória)

2º Semestre de 2017

Prof. Júlio César Giubilei Milan

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINACENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

Materiais

•Importância dos materiais.

•Civilizações antigas foram designadas pelo nível de conhecimento em relação aos materiais (idade da pedra, 2.500.000 AC, idade do bronze, 3.500 AC, idade do ferro, 1000 AC ....).

•Primeiros seres humanos – materiais que ocorrem naturalmente (pedras, madeira, argila, peles, etc.)

•Com o tempo – técnicas para produção de materiais – cerâmicas e vários metais.

•Descoberta que as propriedades podem ser alteradas por tratamentos térmicos e pela adição de outras substâncias.

INTRODUÇÃO

Materiais

•Nesta época – apenas seleção de materiais.

•Recentemente (cerca de 100 anos) – entendimento das relações entre elementos estruturais dos materiais e suas propriedades.

•Dezenas de milhares de materiais – desenvolvidos com características específicas (metais, plásticos, vidros, fibras).

•Avanço no entendimento – precursor progressão da tecnologia.

• Aços nos automóveis.

• Semicondutores nos produtos eletrônicos.

INTRODUÇÃO

Desenvolvimento dos materiais no tempo. Os materiais da pré história, a esquerda, ocorriam naturalmente; o desafio para os engenheiros daquela época era dar forma aos materiais. O desenvolvimento da termoquímica e da química de polímeros possibilitou materiais feitos pelo homem, mostrado nas regiões coloridas.

Materiais

• Ciência de materiais.

relação entre estrutura e propriedades.

• Engenharia de materiais.

projeto ou desenvolvimento da estrutura de um material para produzir um conjunto predeterminado de propriedades (baseado nas correlações estrutura-propriedade).

INTRODUÇÃO

Ciência e Engenharia de Materiais

• Cientista de materiais.

desenvolver ou sintetizar novos materiais

• Engenheiro de materiais.

criar novos produtos ou sistemas utilizando materiais existentes e/ou desenvolver técnicas de processamento de materiais

INTRODUÇÃO

Ciência e Engenharia de Materiais

• Estrutura.

Arranjo dos componentes internos

Subatômico – interações de elétrons com núcleo

Atômico – organização de átomos e moléculas

Microscópico – observação direta por meio de algum tipo de microscópio

Macroscópico – observação a olho nu.

INTRODUÇÃO

Propriedade.

Tipo e magnitude da resposta a um estímulo específicoMecânicas → (módulo de elasticidade, resistência, tenacidade);Elétricas → (condutividade elétrica, constante dielétrica);Térmicas → (capacidade calorífica, condutividade térmica);Magnética → (resposta a um campo magnético);Óptica → (índice de refração, refletividade);de deterioração → (reatividade química dos materiais).

INTRODUÇÃO

Ciência e Engenharia de Materiais – componentes importantes

• Processamento

• Desempenho

Processamento Estrutura Propriedades Desempenho

O quatro componentes da disciplina da ciência e engenharia dos materiais e seu inter-relacionamento linear.

INTRODUÇÃO

Fotografia mostrando a transmitância à luz de três amostras de óxido de alumínio. Da esquerda para direita:Material monocristalino, que é transparente;Material policristalino e completamente denso (não poroso), que é translúcido;Material policristalino que contém aproximadamente 5 % de porosidade, que é opaco.

Por que estudar Ciência e Engenharia de Materiais?

•Cientistas experimentais e/ou engenheiros – expostos a problemas de projetos que envolva materiais;

•Seleção de material adequado;

•Deterioração de propriedades durante serviço;

•Considerações econômicas;•material e processamento

INTRODUÇÃO

CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS

Materiais sólidos convencionalmente agrupados em três classes (composição química e estrutura atômica):

• Metais Fe, Au, Al, Cu, Aço (liga Fe, C), latão (liga Cu, Zn)

• Cerâmicas vidros, argila, cimento

• Polímeros plásticos, polietileno, nylon, epoxi

Adicionalmente:

• Compósitos (combinações de dois ou mais materiais diferentes) fibra de vidro, concreto, madeira

• Materiais avançados (usados em aplicações de alta tecnologia) (biomateriais, semicondutores, materiais inteligentes, materiais nanoengenheirados)

INTRODUÇÃO

METAIS

São compostos de um ou mais elementos metálicos (Fe, Al, Cu, Ti, Au, Ni) e frequentemente um não metálico (C, N, O)

Propriedades básicas:

• Átomos arranjados de forma ordenada;• Relativamente densos;

• Rígidos e resistentes;

• Deformáveis (dúcteis e não quebradiços – frágeis);

• Superfície metálica;

• Bons condutores de eletricidade.

INTRODUÇÃO

OS METAIS NA TABELA PERIÓDICA

Objetos familiares fabricados a partir de metais

e ligas metálicas.

METAIS

CERÂMICAS

São compostos formados entre elementos metálicos e não metálicos (óxidos, nitretos e carbetos) Al2O3, SiO2, SiC, Si3N4.

Cerâmicas tradicionais – minerais argilosos (porcelana, vidro, cimento)

Propriedades básicas:• Altamente resistentes a temperatura (refratários);• Menos densos que os metais;• Fortes e rígidos;• Frágeis;• Isolantes;• Podem ser transparentes.

INTRODUÇÃO

Cerâmicas são formadas por combinações de metais com os elementos C, O, N, P, e S.

Si e Ge são semicondutores mas são usados em cerâmicas na forma equivalente aos metais

AS CERÂMICAS NA TABELA PERIÓDICA

Objetos comuns produzidos a partir de materiais cerâmicos.

Faca de material cerâmico.

Ferramenta de usinagem de materias cerâmicos.

CERÂMICAS

POLÍMEROS

Incluem materiais plásticos e de borracha.

Muitos são compostos orgânicos baseados no C, H e outros elementos não metálicos (como O, N e Si).

Possuem estruturas moleculares grandes.

Polietileno (PE), nailon, cloreto de polivinila (PVC), policarbonato (PC), poliestireno (PS) e borracha de silicone.

INTRODUÇÃO

POLÍMEROS

Propriedades básicas:• São sintéticos – feitos pelo homem;• Densidade reduzida;• Altamente moldáveis;• Muitos são extremamente dúcteis e flexíveis;• Formados pela combinação de unidades – meros;• São formados por um número bem limitado de elementos – C e H, O (acrílicos), N (nailon), F (fluor-plásticos), Si (silicones),• Maior desvantagem: amolecem e/ou se decompoe em temperaturas relativamente baixas.

INTRODUÇÃO

OS POLÍMEROS NA TABELA PERIÓDICA

Vários objetos comuns feitos a partir de materiais poliméricos.

Faca de material cerâmico.

Polímero natural.

POLÍMEROS

COMPÓSITOS

Compostos de dois (ou mais) materiais individuais – das classes já discutidas (metais, cerâmicos, polímeros).

Visa atingir uma combinação de propriedades dos componentes.

Alguns ocorrem naturalmente (madeira, osso), mas a maioria é sintético (fibra de vidro).

Outro exemplo é o polímero reforçado com fibra de carbono (aeronaves, aplicações aeroespaciais, equipamentos esportivos de alta tecnologia – bicicletas, tacos de golfe, raquetes de tênis, esquis e pranchas de snowboard)

INTRODUÇÃO

Fibra de vidro Veículo de linha fabricado em fibra de vidro

ConcretoMadeira

Fibra de carbono

COMPÓSITOS

Gráfico de barras dos valores de massa específica à temperatura ambiente para vários materiais metálicos, cerâmicos, polímeros e compósitos.

Massa específica

INTRODUÇÃO

Gráfico de barras dos valores de rigidez (módulo de elasticidade) à temperatura ambiente para vários materiais metálicos, cerâmicos, polímeros e compósitos.

Rigidez

INTRODUÇÃO

Gráfico de barras dos valores de resistência (limite de resistência à tração) à temperatura ambiente para vários materiais metálicos, cerâmicos, polímeros e compósitos.

Resistência

INTRODUÇÃO

Gráfico de barras da resistência à fratura (tenacidade à fratura) à temperatura ambiente para vários materiais metálicos, cerâmicos, polímeros e compósitos.

Tenacidade

INTRODUÇÃO

Gráfico de barras das faixas de condutividade elétrica à temperatura ambiente para vários materiais metálicos, cerâmicos, polímeros e semicondutores.

Condutividade Elétrica

INTRODUÇÃO

Comparação da resistência entre cerâmicas finas e metais

Propriedades cerâmicas x metais

Comparação da densidade específica entre cerâmicas finas e metais

INTRODUÇÃO

MATERIAIS AVANÇADOS

Materiais que são utilizados em alta tecnologia algumas vezes são chamados de materiais avançados.

Alta tecnologia – dispositivos ou produtos que operam ou funcionam utilizando princípios relativamente complexos e sofisticados (câmeras de vídeo, CD/DVD players), computadores, sistemas de fibras óticas, espaçonaves, etc...

Podem ser de todos os tipos (metais, cerâmicos, polímeros).

Normalmente são caros.

INTRODUÇÃO

MATERIAIS AVANÇADOS

Incluem:• Semicondutores,• Biomateriais,• Materiais inteligentes,• Nanomateriais,• Exemplos de aplicação:

Materiais usados em lasers, Circuitos integrados, Armazenamento magnético, Mostradores de cristal líquido, LCD, Fibras óticas.

INTRODUÇÃO

MATERIAIS AVANÇADOS - Semicondutores

Possuem propriedades elétricas intermediárias entre aquelas dos condutores e isolantes.

Sensíveis a presença de mínimas concentrações de átomos de impurezas.

Características:• Todos componentes eletrônicos dos computadores,• Condutividade finamente controlada pela presença de impurezas - dopantes,• Podem ser combinados entre si para gerar propriedades eletrônicas e óticas “sob medida”,• São a base da tecnologia opto-eletrônica, lasers, detetores, circuitos integrados óticos e células solares.

INTRODUÇÃO

Quando combinados entre si, (coluna III-V e II-IV) os metais assumem propriedades semicondutoras.

OS SEMICONDUTORES NA TABELA PERIÓDICA

MATERIAIS AVANÇADOS - Biomateriais

Materiais empregados em componentes implantados no corpo humano.

Características:• não podem produzir substâncias tóxicas,

• devem ser compatíveis com tecidos do corpo,• cerâmicos, metais, polímeros, compósitos e semicondutores.

INTRODUÇÃO

MATERIAIS AVANÇADOS – Materiais do futuro

Materiais inteligentes:• capazes de sentir mudanças no seu ambiente e responder a estas mudanças,• sensor-atuador (mudar forma, a posição, frequencia natural, características mecânicas em resposta a mudança de temperatura, campo elétrico, campo magnético, etc...) ,

• ligas com memória de forma – após deformados, retornam a forma original quando submetidos a variação de temperatura,

INTRODUÇÃO

MATERIAIS AVANÇADOS – Materiais do futuroMateriais inteligentes:

• sensor-atuador (mudar forma, a posição, frequencia natural, características mecânicas em resposta a mudança de temperatura, campo elétrico, campo magnético, etc...) ,

• cerâmicas piezoelétricas – expandem e contraem em resposta à um campo elétrico,

• magneto-constritivos – respondem a campo magnético,• fluidos eletroreológicos/magnetoreológicos – sofrem

mudanças drásticas na viscosidade quando aplicados campos elétricos e campos magnéticos.

INTRODUÇÃO

MATERIAIS AVANÇADOS – Nanomateriais

Qualquer um dos quatro tipos básicos de materiais – com dimensões da ordem do nanometro (10-9) – como regra, menor que 100 nm.

INTRODUÇÃO

Estruturas e propriedades

As propriedades dos materiais

dependem da estrutura em escala atômica,

como os átomos estão organizados

Al Fe

estrutura cúbica

INTRODUÇÃO

Estruturas e propriedades

As propriedades dos materiais

da microestrutura em escala intermediária.

como os microconstituintes estão organizados

INTRODUÇÃO

INTRODUÇÃO

Liga Al-Si

Liga Fe-C – aço 1020

Latão Cu-Zn

Liga Fe-C – aço 1045

Liga Fe-C

fofo

INTRODUÇÃO - Estruturas e propriedades

Recipientes para bebidas carbonatadas

Seleção do material adequado (requisitos):• barreira a passagem do gás carbônico, sob pressão,• atóxico e inerte com a bebida e reciclável,• resistente a quedas de 1 m quando cheio,• baixo custo do material e de fabricação,• transparente• colorido e ou adornado,

?

INTRODUÇÃO – Seleção de Materiais

Recipientes para bebidas carbonatadas

Seleção do material adequado:

Qual o material mais adequado?Metal,

Cerâmica ouPolímero?

INTRODUÇÃO – Seleção de Materiais

Recipientes para bebidas carbonatadas

INTRODUÇÃO – Seleção de Materiais

Cilindros de armazenamento de gases

Requisitos: resistir a altas pressões (14 MPa):

INTRODUÇÃO – Seleção de Materiais

Vazo de pressão de uma aeronave

Requisitos: resistir a altas pressões

custo é menos importante que a funcionalidade

Preferível material leve e forte mesmo sendo caro

INTRODUÇÃO – Seleção de Materiais