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Ciência e Tecnologia de MateriaisENG1015

http://www.dema.puc-rio.br/moodleDEMa - Depto. de Engenharia de Materiais

última atualização em 10/02/2014 por sidnei@puc-rio.br

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Estrutura do Curso

• Introdução: Os materiais na engenharia

• Base teórica

• Estudos de Caso => Aplicações Tecnológicas Modernas

Materiais Estruturais

Estudo 1 - Aços Especiais

Estudo 2 - Compósitos

Materiais Funcionais

Estudo 3 - Semicondutores para Dispositivos Ópticos e Eletrônicos

• Livro Texto

W.D.Callister, “Ciência e Engenharia de Materiais – Uma Introdução”, LTC.

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Controle de Faltas/Critério de Aprovação• Presença obrigatória

Número máximo de faltas = 5 aulas

Se o aluno exceder este número estará Reprovado por Faltas, independente das notas das provas

• Critério de Aprovação – Critério 3, da PUC-Rio Duas provas, G1, G2 => Média = (G1+G2)/2

Se G2 <3,0, então Média = (G1+3G2)/4

Se Média ≥ 5,0 => AP

Caso contrário => RM

• Provas (organizadas pelo CB/CTC) G1 – 07/04/2014, segunda-feira, de 17 às 18:50 horas

G2 – 24/06/2014, terça-feira, de 17 às 18:50 horas

• Segunda chamada Alunos que perderem uma das provas podem solicitar segunda chamada,

seguindo as regras normais da DAR.

A segunda chamada será realizada após a G2 e cobrará toda a matéria, independente de qual prova o aluno deixou de fazer.

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INTRODUÇÃO

Os Materiais na Engenharia

Livro Texto - Capítulo 1

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Ciência e Engenharia de Materiais

• O que é Ciência e Engenharia dos Materiais?

É o estudo, a caracterização e a classificação dos Materiais

• Classificação Funcional dos Materiais

Aerospacial, biomédica, eletrônica, energia, estrutural, fotônica ou óptica

• Classificação de materiais com base na estrutura

Estrutura da rede cristalina, monocristal, policristal, tamanho e orientação do grão, amorfo

• Efeitos Ambientais e Outros

Temperatura, Corrosão, Fadiga, Taxa de deformação

• Design e Seleção de Materiais

Densidade e resistência específica

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As Classes de Materiais

• Metais

• Cerâmicas

• Polímeros

• Compósitos

• Semicondutores

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Metais

• Características básicas

Resistentes (suportam

tensões elevadas antes

de romper)

Dúcteis (deformam

antes de romper)

Superfície “metálica”

Bons condutores de

corrente elétrica e de

calor

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• Aços

• Ferros Fundidos

• Metais Não Ferrosos

Metais na Tabela Periódica

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Cerâmicas e vidros

• Propriedades básicas

alto ponto de fusão &

estabilidade térmica

(refratários)

são isolantes térmicos e

elétricos

são frágeis (rompem sem

deformar)

podem ser transparentes

Exército de terracota

China – 200 a.c.

Cerâmica super

isolante térmica

Bulbo transparente

de vidro

Cilindro translúcido de Alumina contendo gás em alta temperatura

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As cerâmicas na tabela periódica

Cerâmicas são formadas por combinação de metais

(quadrados verdes) com os elementos C, N, O, P e S. Si e Ge são semicondutores mas são usados em cerâmicas de forma equivalente a metais

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Polímeros

• Características básicas

A maioria dos polímeros é

sintética (feitos pelo homem)

Polímero mais abundante é

natural: celulose

Materiais altamente moldáveis

Baixa densidade

Em geral são menos resistentes

do que metais e cerâmicas

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Os polímeros na tabela periódicaPrincipais elementos formadores dos materiais poliméricos

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Compósitos

• Combinação de metais, cerâmicas e polímeros

Metais

Polímeros Cerâmicos

Compósitos

Concreto Fibra de vidro Ti/SiC

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Aplicações Típicas

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Semicondutores

• Propriedades básicas

Condutividade finamente controlada pela presença de impurezas - dopantes.

Podem ser combinados entre si para gerar propriedades eletrônicas e óticas “sob medida”.

• Aplicações

Microeletrônica

Opto-eletrônica - lasers, detectores, circuitos integrados óticos e células solares.

história dos chips

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Os semicondutores na tabela periódica

Quando combinados entre si os metais das colunas II, III, V e VI

assumem propriedades semicondutoras.

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Ciência e Engenharia de Materiais

Descrição dos arranjos de

átomos ou íons em um

material

Composição

química de um

material

Síntese: Processo pelo qual os materiais são

obtidos a partir de produtos químicos, extraídos

diretamente da natureza, ou obtidos de um

processamento anterior

&

Processamento: que abrange as diferentes

maneiras utilizadas para moldar materiais de

forma a transformá-los em componentes úteis ou

mesmo para alterar suas propriedades

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Exemplo: Automóveis

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• De 1975 a 2006 os veículos leves de carga

experimentaram um ganho de 60% em:

Economia: de 5,7 para 9,1 km/L

Potência de: 138 para 220 hp115 HP 215 HP

4,2km/L

8,4km/L

12,7km/L

14,9km/L

Automóveis: Economia de Combustível

115 HP 215 HP

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Automóveis: Evolução de Materiais

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2010:

214 HP

12,1 km/L

1975 - 2006

5,1km/L

10,2km/L

12,1km/L

Automóveis: Economia de Combustível

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Redução de peso

Aumento de Tcombustão

Aumento de Tcombustão

Exemplo: Aviões

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Aeronave 20% mais eficiente

e 16.000 kg mais leve

Boeing 777 787Ano lançamento 2000 2011

Compósitos 11% 50%

Alumínio 70 % 20%

Titânio 7 % 15%

Aço 11% 10%

Outros 1% 5%

Aviões: Duas Gerações

2525Ganho Ambientais: Turbinas Rolls-Royce

2050

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Materiais nas Turbinas

Percentual de

volume por classe

de materialCompósitos de

Matriz

Polimérica

Compósitos de

Matriz Metálica

TiAl

Aço

Ligas de Níquel

Ligas de Titânio

Metais Leves

(Ligas de Mg, Al)

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Exemplo: Biomateriais

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Exemplo: Turbinas Eólicas

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No período o custo caiu

de ~60 cents/kWh para

5-6 cents/kWh

Turbina de Itaipu 700.000 kW

De 100 a 150

residências

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Dimensões & Instalação

100 m92 m

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A Evolução das Classes de Materiais

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Propriedades e Microestrutura

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Propriedades e Ligação Química

• Exemplo: Ligação Metálica

Ligação forte entre os átomos

Elétrons livres

• Consequência

Boa condutividade

Elétrica

Térmica

“mar” de elétrons

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Propriedades e Arranjo Atômico

• Existe ordem no posicionamento dos átomos?

Material Cristalino – ordem de longo alcance

Material Amorfo –ordem de curto alcance

Carbono amorfo.

Note a desorganização na posição dos átomos.

2nm

Imagens obtidas com Microscópio Eletrônico de Transmissão (MET).

Material cristalino

Note a organização na posição dos átomos.

2nm

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Propriedades e Estrutura Cristalina

• Arranjo Tridimensional dos Átomos

Diferentes Estruturas Cristalinas

Alumínio(estrutura cúbica)

Magnésio(estrutura hexagonal)

Ambos são metais mas o Al é

mais dúctil devido à estrutura

cúbica

Al Mg

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Propriedades e Arranjo Microestrutural

• Existem muitas orientações cristalinas?

Orientação relativa entre cristais

Fusão Solidificação Policristal: Grãos

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Propriedades e Presença de Fases

• Existem diferentes fases?

Policristal monofásico Policristal polifásico