Aula 01 classificação dos materiais

Classificação dos Materiais Callister cap.1

ETM 201 Materiais de Construção Mecânica

Ciência e Engenharia de Materiais

┐ Ciência de materiais:

┐ Investigação das relações existentes entre as estruturas e as

propriedades dos materiais

┐ Desenvolvimento ou sintetização de novos materiais

┐ Engenharia de materiais:

┐ Projeto ou engenharia da estrutura de um material com um conjunto

pré-determinado de propriedades, tendo como base a ciência dos

materiais

┐ Criação de novos produtos ou sistemas usando materiais existentes

┐ Desenvolvimento de técnicas para o processamento dos materiais


Abordagens didáticas em materiais

3

Átomo

Estrutura cristalina

Imperfeições cristalinas

Diagramas de equilíbrio

Microestrutura

Propriedades dos materiais

Projeto de engenharia

Abordagem clássica Ciência dos materiais

ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 4

Evolução histórica dos materiais

┐ “O grau de desenvolvimento de uma civilização está

relacionado com a sua capacidade de processar

determinados materiais”

┐ São exemplos:

┐ Idade da pedra, Idade do Bronze e Idade do Ferro, Era

espacial, materiais avançados.



┐ Primeiros seres humanos utilizavam materiais naturais:

┐ Pedra

┐ Madeira

┐ Pele

┐ Ao longo do tempo:

┐ Técnicas para melhorar os materiais ou produzir materiais

com propriedades superiores:

┐ Cerâmica

┐ Metais

┐ Ligas

┐ Tratamentos térmicos

┐ Adições

Desenvolvimento

tecnológico associado

ao acesso a materiais

adequados


┐ Por volta de 1930 temos a introdução do

conceito de ciência dos materiais em que

há uma fundamentação científica para o

desenvolvimento de materiais

especificamente projetados para uma

função.

┐ Exemplo clássico: insertos de metal duro

para usinagem



Tempo

Nú

mer

o d

e m

ater

iais

dis

po

nív

eis

DISPONIBILIDADE PROJETO DE MATERIAIS

Exemplos: Pedra Madeira Couro e peles Cobre nativo Bronzes Ferro Ferro fundido Aços

Exemplos: Metal duro “Fiberglass” Kevlar ® Fibra de carbono Superligas Cerâmicas avançadas superímas etc...

7000 AC ~1930

Metal duro



┐ Microestrutura do metal

duro

┐ TiC - 2470 HV

┐ WC - 1880 HV

┐ Co ~250 HV


A concepção do metal duro marca o início de uma nova filosofia na área de materiais: Por meio da Ciência dos Materiais foi possível “projetar” novos materiais.


Correlação microestrutura- propriedades

┐ Relação entre composição, microestrutura e propriedades

mecânicas

Micro e macroestrutura

Propriedades mecânicas

Composição química




┐ A composição química são os elementos que compõe o material. São exemplos:

┐ Aço: liga à base de Fe contendo até 2% de C.

┐ Alumínio: ligas à base de Al contendo Si, Cu, Mg e Zn como elementos de liga.

┐ Polietileno: cadeias poliméricas de C2H4 (base é C e H).

┐ Alumina: cerâmica composta por Al2O3.



11



mecânicas





Microestrutura

┐ Consiste na forma com que as fases (cristais ou cadeias poliméricas) estão

arranjadas na microestrutura e macroestrutura. Exemplo: roda em liga Al-

Si (A356).

10 x 500 x

Si Al

Macroestrutura Microestrutura

grãos



13



mecânicas






┐ O senso comum leva a duas propriedades importantes

em um material:

Resistência Ductilidade

Capacidade de resistir a ação de uma força

Capacidade de se deformar plasticamente sob a ação de

uma força


Classificação dos Materiais

Metais Cerâmicas

Polímeros Compósitos

Madeira Concreto


Classificação dos Materiais

Classe do

material

Tipo de ligação

predominante

Exemplos Propriedades associadas

Metais Metálica Aços; ligas de

cobre; ligas de

alumínio

Amplo espectro de temperaturas

de fusão e rigidez;

Condutores;

Opacos

Cerâmicas Covalente e

Iônica

Alumina,

zircônia, vidros,

cimento

Elevadas temperaturas de fusão;

Elevada rigidez; Quebradiços;

Isolantes; Transparentes ou

translúcidos

Polímeros Covalente e

Van der Waals

PE; PP; PVC;

silicone

Baixas “temperaturas de fusão”; Transparentes ou translúcidos;

Flexíveis; Baixa densidade

Compósitos * Concreto,

polímero

reforçado com

fibra (vidro,

vegetal)

Combinação das melhores

propriedades de cada

componente

* combinação de dois ou mais materiais de classes distintas

Apresentação de exemplos de alguns materiais avançados


Exemplos para discussão

┐ Alguns exemplos de materiais “projetados”:

┐ metal duro (~1930);

┐ alumina translúcida para lâmpadas de vapor de Na;

compósitos de “Fiberglass” (~1950);

┐ compósitos de fibra de carbono;

┐ compósitos de Kevlar® (~1964);

┐ superligas a base de Ni resistentes ao calor;

┐ imãs de alto poder magnético (Nd-Fe-B);

┐ ligas com memória de forma (nitinol) e

┐ materiais biocompatíveis.


Alumina translúcida para lâmpadas de vapor de Na

┐ São tubos translúcidos empregados em

lâmpadas de vapor de sódio.

┐ Comparativo:

┐ Filamento de tungstênio (lâmpada

incandescente) : 15 lumen/W

┐ Vapor de Na : 100 lumen/W

LED moderna: 140 – 170 lumen/W



┐ A alumina convencional é

opaca (branca) devido a

presença de

microporosidades (<0,3%) e

grãos grosseiros.

┐ A temperatura de fusão (TM)

da alumina é: 2050°C.



┐ A alumina translúcida

apresenta uma fração de

microporosidades inferior a

0,03% e grãos refinados.

┐ Isso é obtido por meio de

alterações no processo de

fabricação e resulta em um

aumento de “transparência”

do material.


Superligas à base de Ni

┐ As superligas são ligas metálicas à base de Ni, destinadas a aplicações

envolvendo altas temperaturas em conjunto com atmosferas

agressivas.


Superliga IN792

┐ A microestrutura das

superligas à base de

níquel apresenta uma

dispersão de

precipitados (’)

cubóides (70% em

volume) de Ni3Al ou

Ni3Ti.

┐ A matriz é de Ni

endurecida por solução

sólida por Co, W e Cr.

Superligas à base de Ni

23


┐ São ímãs permanentes de

elevado produto energético

(BHmax).

┐ São empregados em

motores elétricos

miniaturizados.

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Superímãs de Nd-Fe-B



┐ Materiais diamagnéticos: são

repelidos por campos magnéticos

(1,8 T em 1 g de água gera força

de repulsão de 0,022 gf).

┐ Materiais paramagnéticos: são

fracamente atraídos por campos

magnéticos (1,8 T em 1 g Al gera

força de atração de 0,017 gf).

┐ Materiais ferromagnéticos: são

fortemente atraídos por campo

magnético (1,8 T em 1 g Fe gera

força de atração de 400 gf).


┐ Exemplos de tamanho

(volume) de ímãs

permanentes para um

mesmo produto energético

BHmax.

┐ Os ímãs de Sm-Co e Nd-Fe-B

permitiram a miniaturização

de motores elétricos e alto-

falantes.

26



Ligas biocompatíveis

┐ Algumas ligas metálicas não

provocam reações no interior

do corpo humano.

┐ Esta característica é

denominada biocompatilidade.


Ligas com memória de forma

┐ São ligas do sistema Ni-Ti

capazes de, após deformadas,

voltar a forma original com o

aquecimento por meio de

uma transformação

martensítica.

Experimento com liga com memória de forma

//localhost/Volumes/SUSANA/ETC601 - Materiais de Constru%C3%A7%C3%A3o/Tsuchiya_menmory_effect.mpeg


Materiais compósitos

┐ Os exemplos mais comuns são os laminados que empregam

camadas de tecido (fibras de reforço) aglomeradas por uma

resina polimérica.

┐ São exemplos:

┐ Fiberglass

┐ Compósitos de Kevlar® (aramida)

┐ Compósitos de carbono


Kevlar®

┐ São materiais compósitos

elaborados a partir de fibra

de aramida aglomerada com

resina epoxy.


Fibra de carbono

┐ A fibra de carbono é, em síntese, um compósito contendo fibras

de carbono (grafita e amorfo) aglomeradas com uma resina de

elevada resistência (normalmente epoxy). Atualmente os

compósitos de fibra de carbono (CFRP) são os materiais com a

maior relação resistência/peso.

Construção em compósito carbono-epoxi

//localhost/Volumes/SUSANA/ETC601 - Materiais de Constru%C3%A7%C3%A3o/Fibra de carbono_ Renault F1.wmv


5%

20%

Materiais compósitos


Referências complementares

1) Shackelford, J. F. INTRODUCTION TO MATERIALS SCIENCE FOR ENGINEERS Prentice Hall

4th edition 1996

2) Newey, C. ; Wever, G. MATERIALS PRINCIPLES AND PRACTICE Materials in action series

The Open University Butherworths 1990

3) Smith, W. F. PRINCÍPIOS DE CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS McGraw-Hill

Terceira edição 1998

4) Campos Filho, M. P. A ESTRUTURA DOS MATERIAIS Editora da Unicamp 1991

5) Carvalho, G. C. ; Lembo, A. Teixeira Jr. H. M. ATOMÍSTICA livro 29 Sistema Anglo de ensino

6) Hull, D.; Bacon, D. J. INTRODUCTION TO DILOCATIONS Butterworth-Heinemann 2001

7) Phillips, R. Crystal, defects and microstructures: Modelling across scaling Cambridge

University Press 2001


Referências complementares

8) The Making, Shaping and Treatmet of steel USS

9) Porter, D.; Easterling, K. PHASE TRANSFORMATIONS IN METALS AND ALLOYS CRC Press.

ASM Handbook v. 4 Heat Treatment

10) Tschiptschin, A. P. ; Goldenstein, H. ; Sinatora, A. Metalografia dos aços Curso da ABM

1988

11) Thelning K. E. Steel and its heat treatement 2nd edition 1984

12) Heat Treater´s Guide ASM International

13) Santos, A. B. S.; Branco, C. H. C METALURGIA DOS FERROS FUNDIDOS CINZENTOS E

NODULARES Instituto de Pesquisas Tecnológicas IPT 1977

14) ASM Specialty Handbook Aluminum and aluminum alloys ASM International 1993

15) ASM Handbook v. 11 Failure analysis and prevention 10th edition

16) ASM Handbook v.12 Fractography 10th edition

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