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Definição e Classificação dos Materiais
PMT 5783 - Fundamentos de Ciência
e Engenharia dos Materiaise Engenharia dos Materiais
Prof. Douglas Gouvêa
Objetivos
• Apresentar a relação entre Ciência dos Materiais eApresentar a relação entre Ciência dos Materiais eEngenharia de Materiais.
• Apresentar a relação entre composição estrutura• Apresentar a relação entre composição, estrutura,processamento e propriedades/desempenho de ummaterialmaterial.
• Apresentar uma classificação dos diferentes tipos demateriaismateriais.
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Definições
• Ciência dos Materiais
– Investigação das relações entre composição/estrutura epropriedades dos materiais
• Engenharia dos Materiais
– Projetar desenvolver ou aperfeiçoar técnicas de processamento deProjetar, desenvolver ou aperfeiçoar técnicas de processamento demateriais (= técnicas de fabricação) com base nas relaçõescomposição/estrutura e propriedades.
– E também:
• Desenvolver formas de produção de materiais socialmentedesejáveis a custo socialmente aceitável
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desejáveis a custo socialmente aceitável.
Definições
• Ciência e Engenharia dos Materiais são campos intimamente interligados einterdisciplinares.
• “Ciência e Engenharia dos Materiais é a área da atividade humana associadacom a geração e a aplicação de conhecimentos que relacionem composição,estrutura e processamento de materiais às suas propriedades e usos.”
Morris Cohen, MIT (in Padilha, A.F. – Materiais de Engenharia, Hemus, 1997, cap. 1)
• Objetivos:
– Desenvolvimento de materiais já conhecidos visando novas aplicações oui d lh i d hvisando melhorias no desempenho.
– Desenvolvimento de novos materiais para aplicações conhecidas.
– Desenvolvimento de novos materiais para novas aplicações.
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Tetraedro dos Materiais
P i d dPropriedades
Desempenho e Custo
Composição
Processamento
Estrutura (de nano a macro)
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nano a macro)
Objetoda
Ciênciae
Engenhariade
Materiais
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Composição e Estrutura
• Composição
– Natureza química dos materiais
• Estrutura
– Associada ao arranjo dos componentes do material em estudo
– Pode (e deve) ser analisada em diferentes escalas
• Estrutura em escala atômica (menor ou igual a nm = 10-9m)
• Nanoestrutura (da ordem de nm)• Nanoestrutura (da ordem de nm)
– Sólidos Amorfos (alguns nm) e Sólidos Cristalinos (~ >100nmaté mm=10-3m)
• Microestrutura (alguns μm = 10-6 m até mm)
• Macroestrutura (normalmente igual ou maior que mm)
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EstruturasEscala
Escala “Macro”
E l
“Micro”
Escala Atômica
Escala “Nano”
Bloco de motor em liga de alumínio fundidode alumínio fundido
(material em desenvolvimento)
Ford Motor Company
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Propriedades de um Material
• Propriedade: tipo e intensidade da resposta a um estímulo que éi t t i limposto ao material
• As principais propriedades dos materiais podem ser agrupadas em:– MecânicasMecânicas
– Elétricas
– Térmicas
– Magnéticas
– Ópticas
Químicas– Químicas
– de degradação (corrosão, oxidação, desgaste)
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Processamento e Desempenho
• Processamento: conjunto de técnicas para obtenção de materiaiscom formas e propriedades específicas.
• Desempenho: resposta do material a um estímulo externo, presentenas condições reais de utilização.
Monocristal(transparente)
safiraPolicristal
porososafira
Policristal denso
po oso(opaco)
denso(translúcido)
10/18Exemplo : três amostras de alumina (Al2O3) processadas por diferentes rotas
São muitas perguntas...
...a serem feitas
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em cada caso!
Classificação dos Materiais
• Os materiais podem ser classificados de diversas← M táli classificados de diversas formas.
• Uma classificação muito utilizada é baseada na
← Metálicos
utilizada, é baseada na composição:
– MetálicosCerâmicos →– Cerâmicos
– Poliméricos
– CompósitosCompósitos
• Existem classificações segundo a função do material ou o tipo de ligação química
← Poliméricos
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ou o tipo de ligação química.
Metais( )
• Composição: combinação de elementosmetálicos.
(a)
• Grande número de elétrons livres.
• Muitas propriedades estão relacionadas aesses elétrons livres.
• Propriedades gerais :
– Resistência mecânica de moderada aalta.
(b)
– Moderada plasticidade.
– Alta tenacidade.
– OpacosOpacos.
– Bons condutores elétricos e térmicos.
(a) Micrografia óptica de um latão policristalino
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(b) Micrografia óptica (luz refletida) de um aço hipoeutetóide, mostrando perlita grossa
Cerâmicas
• Composição : combinação de elementosmetálicos e não-metálicos (óxidos, carbetos enitretos)nitretos).
• Tipos de ligações
– Caráter misto, iônico-covalente
• Tipos de materiais :• Tipos de materiais :
– Cerâmicas tradicionais.
– Cerâmicas de alto desempenho.
– Vidros e vitro-cerâmicas– Vidros e vitro-cerâmicas.
– Cimentos
• Propriedades gerais :
Isolantes térmicos e elétricos
Micrografia eletrônica de varredura de uma amostra de porcelana calcinada (atacada por
HF a 5oC durante 15s)– Isolantes térmicos e elétricos.
– Refratários.
– Inércia química.
Corpos duros e frágeis
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– Corpos duros e frágeis.
Polímeros
• Composição : compostos orgânicos
– Carbono, hidrogênio, oxigênio e outroselementos, tais como nitrogênio, enxofre ecloro.
• Compostos de massas moleculares muitograndes (macro-moléculas).grandes (macro moléculas).
• Tipos de materiais :
– Termo-plásticos.
– Termo-rígidos– Termo-rígidos.
– Elastômeros.• Propriedades gerais :
B i d id d
Micrografia óptica de transmissão (usando luz polarizada cruzada) mostrando a
estrutura esferulítica de um polietileno.– Baixa densidade.
– Flexibilidade e facilidade de conformação.
– Tenacidade.
Geralmente pouco resistentes a altas
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– Geralmente pouco resistentes a altastemperaturas.
Compósitos (compostos)
• Constituídos por mais de um tipo de material:
– Matriz
– Reforçador
• Projetados para apresentar as melhorescaracterísticas de cada um dos materiais
l idenvolvidos.
• Exemplos:
– Produtos fabricados em “fibras de vidro”(“fib l ”) ã tit íd fib
(a)(“fiberglass”) → são constituídos por fibrasde um material cerâmico (vidro) reforçandouma matriz de material polimérico.
(a) superfície de fratura de um compósito de matriz polimérica com reforço de fibras de carbono;
(b)( b) fibras de carbono trançadas, usadas em compósitos de
matriz polimérica
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(b)matriz polimérica.
Classificação segundo a função
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Materiais segundo o tipo de ligação
Tetraedro que representa a contribuição relativa dos diferentes
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Tetraedro que representa a contribuição relativa dos diferentes tipos de ligação para categorias de materiais de engenharia
(metais, cerâmicas e polímeros)