Aula materiais de construção aula 1 (1)

Técnicas e materiais de Técnicas e materiais de construçãoconstrução

Uma introduçãoUma introdução

Prof. DSc. Stênio Cavalier CabralProf. DSc. Stênio Cavalier Cabral

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Capítulo 1 / Introdução PERSPECTIVA HISTÓRICA Historicamente, o desenvolvimento e o avanço

das sociedades têm estado intimamente ligados às habilidades dos seus membros em produzir e manipular materiais para satisfazer as suas necessidades.

De fato, as civilizações antigas foram designadas pelo nível de seus desenvolvimentos em relação aos materiais (isto é, Idade da Pedra, Idade do Bronze).

Os primeiros seres humanos tiveram acesso a apenas um número limitado de materiais, aqueles que ocorrem naturalmente: pedra, madeira, argila, peles, e assim por diante.Com o tempo eles descobriram técnicas para a produção de materiais que tinham propriedades superiores às dos produtos naturais; estes novos materiais incluíam a cerâmica e vários metais.Além disso, foi descoberto que as propriedades de um material poderiam ser alteradas através de tratamentos térmicos e pela adição de outras substâncias. Naquele ponto, a utilização de materiais era totalmente um processo de seleção, isto é, decidia-se, a partir de um conjunto relativamente limitado de materiais disponíveis, aquele que era o mais adequado para uma dada aplicação em virtude das suas características.

Desta forma, dezenas de milhares de materiais diferentes foram desenvolvidos com características relativamente específicas que atendem as necessidades de nossa moderna e complexa sociedade; estes incluem metais, plásticos, vidros e fibras. O desenvolvimento de muitas tecnologias que tornam nossa existência tão confortável tem estado intimamente associado com a acessibilidade a materiais adequados. Um avanço na compreensão de um tipo de material é freqüentemente o precursor da progressão escalonada de uma tecnologia. Por exemplo, os automóveis não teriam sido possíveis sem a disponibilidade de aço a baixo custo ou de algum outro substituto comparável. Em nossos tempos, dispositivos eletrônicos sofisticados dependem de componentes que são feitos a partir dos chamados materiais semicondutores.

A disciplina envolve a investigação das relações que existem entre as estruturas e as propriedades dos materiais. Em contraste, a engenharia de materiais consiste, com base nestas correlações estrutura-propriedade, no projeto ou engenharia da estrutura de um material para produzir um conjunto predeterminado de propriedades.

Técnicas e materiais de construção.

"Estrutura" é, a esta altura, um termo nebuloso que merece alguma explicação. Sucintamente, a estrutura de um material está geralmente relacionada ao arranjo de seus componentes internos. A estrutura subatômica envolve elétrons no interior dos átomos individuais e as interações com seus núcleos. No nível atômico, a estrutura engloba a organização dos átomos ou moléculas em relação uns aos outros. O próximo universo estrutural de maior dimensão, que contém grandes grupos de átomos normalmente conglomerados, é chamado de "microscópico", significando aquele que está sujeito a observação direta usando algum tipo de microscópio. Finalmente, os elementos estruturais que podem ser vistos a olho nu são chamados de "macroscópicos".

A noção de "propriedade" merece elaboração. Enquanto em uso, todos os materiais estão expostos a estímulos externos que provocam algum tipo de resposta. Por exemplo, uma amostra sujeita a forças irá experimentar uma deformação; ou uma superfície metálica polida irá refletir a luz. Propriedade é uma peculiaridade do material em termos do tipo e da intensidade da resposta a um estímulo específico que lhe é imposto. Geralmente, as definições das propriedades são feitas de maneira independente da forma e do tamanho do material.

Virtualmente, todas as propriedades importantes dos materiais sólidos podem ser agrupadas em seis categorias diferentes:

mecânica, elétrica, térmica, magnética, ótica e deteriorativa. Para cada uma existe um tipo característico de estímulo capaz de provocar diferentes respostas.

As propriedades mecânicas relacionam deformação com uma carga ou força aplicada; são exemplos o módulo de elasticidade e a resistência.Para as propriedades elétricas, como a condutividade elétrica e a constante dielétrica, o estímulo é um campo elétrico. O comportamento térmico de sólidos pode ser representado em termos da capacidade calorífica e da condutividade térmica.

As propriedades magnéticas demonstram a resposta de um material à aplicação de um campo magnético. Para as propriedades óticas, o estímulo é a radiação eletromagnética ou a luminosa; o índice de refração e a refletividade são propriedades óticas representativas.Finalmente, as características deteriorativas indicam a reatividade química dos materiais.

Além da estrutura e propriedades, dois outros componentes importantes estão envolvidos na ciência e na engenharia dos materiais, quais sejam, "processamento" e "desempenho".

Com respeito às relações destes quatro componentes, a estrutura de um material irá depender da maneira como ele é processado. Além disso, o desempenho de um material será uma função das suas propriedades.Assim, a inter-relação entre processamento, estrutura, propriedades e desempenho é linear, conforme mostrado na ilustração esquemática da Fig. 1.1.

Apresentamos agora um exemplo destes princípios de processamento-estrutura-propriedades-desempenho com o auxílio da Fig. 1.2, uma fotografia que apresenta três amostras com o formato de discos delgados, colocadas sobre algum material impresso. Fica óbvio que as propriedades óticas (isto é, a transmitância da luz) de cada um dos três materiais são diferentes; o material à esquerda é transparente (isto é, virtualmente a totalidade da luz refletida passa através dele), enquanto os discos no centro e à direita são, respectivamente, translúcido e opaco.

Todas estas amostras são compostas pelo mesmo material, oxido de alumínio, porém aquela mais à esquerda é o que chamamos de um monocristal — isto é, ela é altamente perfeita —, o que dá origem a sua transparência. A amostra do centro é composta por numerosos monocristais muito pequenos, todos conectados entre si; as fronteiras entre estes pequenos cristais espalham uma fração da luz refletida da página impressa, o que torna este material opticamente translúcido. E, finalmente, a amostra à direita é composta não somente por muitos cristais pequenos interligados, mas também por um grande número de poros ou espaços vazios muito pequenos. Estes poros também espalham de maneira efetiva a luz refletida, tornando este material opaco

Os materiais sólidos têm sido convenientemente agrupados em três classificações básicas: metais, cerâmicos e polímeros. Esse esquema está baseado principalmente na composição química e na estrutura atômica, e a maioria dos materiais se encaixa em um ou outro grupamento distinto, embora existam alguns materiais intermediários. Adicionalmente, existem três outros grupos de materiais importantes na engenharia — compósitos, semicondutores e biomateriais. Os compósitos consistem em combinações de dois ou mais materiais diferentes, enquanto os semicondutores são utilizados devido às suas características elétricas peculiares; os biomateriais são implantados no interior do corpo humano.Uma explicação sucinta dos tipos de materiais e suas características representativas é apresentada a seguir.

METAIS

Materiais metálicos são normalmente combinações de elementos metálicos. Eles possuem um número grande de elétrons não localizados;isto é, estes elétrons não estão ligados a qualquer átomo em particular. Muitas propriedades dos metais são atribuídas diretamente a estes elétrons. Os metais são condutores extremamente bons de eletricidade e calor, e não são transparentes à luz visível; uma superfície metálica polida possui uma aparência lustrosa. Além disso, os metais são muito resistentes, e ainda assim deformáveis, o que é responsável pelo seu uso extenso em aplicações estruturais.

CERÂMICOS

Os cerâmicos são compostos entre os elementos metálicos e não metálicos;eles são frequentemente óxidos, nitretos, carbetos e boretos.A grande variedade de materiais que se enquadra nesta classificação inclui cerâmicos que são compostos por minerais argilosos, cimento e vidro. Estes materiais são tipicamente resistentes à passagem de eletricidade e calor, e são mais resistentes a altas temperaturas e ambientes abrasivos do que os metais e polímeros.Com relação ao comportamento mecânico, os cerâmicos são duros, porém muito quebradiços.

POLÍMEROS

Os polímeros compreendem os materiais comuns de plástico e borracha. Muitos deles são compostos orgânicos que têm sua química baseada no carbono, no hidrogênio e em outros elementos não-metálicos; além disso, eles possuem estruturas moleculares muito grandes. Estes materiais possuem tipicamente baixas densidades e podem ser extremamente flexíveis.

COMPÓSITOS

Vários materiais compósitos, que consistem em mais de um tipo de material, têm sido desenvolvidos pela engenharia. A fibra de vidro é um exemplo familiar, no qual fibras de vidro são incorporadas no interior de um material polimérico. Um compósito é projetado para mostrar uma combinação das melhores características de cada um dos materiais que o compõe. A fibra de vidro adquire resistência do vidro e flexibilidade do polímero. Muitos dos desenvolvimentos recentes de materiais têm envolvido materiais compósitos.

SEMICONDUTORES

Os semicondutores possuem propriedades elétricas que são intermediárias entre aquelas apresentadas pelos condutores elétricos e pelos isolantes. Além disso, as características elétricas destes materiais são extremamente sensíveis à presença de minúsculas concentrações de átomos de impurezas, concentrações que podem ser controladas ao longo de regiões espaciais muito pequenas. Os semicondutores tornaram possível o advento dos circuitos integrados, que revolucionaram totalmente as indústrias de produtos eletrônicos e de computadores (para não mencionar as nossas vidas) ao longo das últimas duas décadas.

BIOMATERIAIS

Os biomateriais são empregados em componentes implantados no interior do corpo humano para a substituição de partes do corpo doentes ou danificadas. Esses materiais não devem produzir substâncias tóxicas e devem ser compatíveis com os tecidos do corpo (isto é, não devem causar reações biológicas adversas). Todos os materiais citados acima — metais, cerâmicos, polímeros, compósitos e semicondutores — podem ser usados como biomateriais.

MATERIAIS AVANÇADOS

Os materiais utilizados em aplicações de alta tecnologia ( ou hightech) são algumas vezes chamados de materiais avançados.

Ciência e tecnologia dos materiais faz parte do conhecimento básico para todas as engenharias

As propriedades dos materiais definem: o desempenho de um determinado

componente e o processo de fabricação do mesmo

Propriedades dos Propriedades dos MateriaisMateriais

Composição e ProcessoComposição e Processode Fabricaçãode Fabricação

MicroestruturaMicroestrutura

EENNGGEENNHHAAR R I I AA

Figura copiada do material do Prof. Sidnei Paciornik do Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da

PUC-Rio

O número de materiais cresceu muito nas últimas décadas e a tendência é de se proliferarem mais num futuro

próximo

Desenvolvimento e aperfeiçoamento dos métodos de extração de materiais da natureza

Modificação de materiais naturais Combinação de materiais conhecidos para a

formação de novos materiais

Entre 40000 e 80000 diferentes, contando as variantes

de tratamento térmico e composição de cada material

QUANTOS MATERIAIS DIFERENTES EXISTEM ?

COMO ESCOLHER ??

Como definir qual o melhor material para um determinado fim? Exemplo: Copo

VidroCerâmicaPlásticoMadeiraMetalPapel

Custo Tempo de vida ou

Durabilidade Aparência Finalidade: Natureza do

líquido (ex: copo de metal e papel não pode ser usado para café, suco de laranja não pode ser armazenado numa taça antiga de peltre porque remove o Pb da liga)

Depende

Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre

tantos outros? Em primeiro lugar, o engenheiro deve

caracterizar quais as condições de operação que será submetido o referido material e levantar as propriedades requeridas para tal aplicação, saber como esses valores foram determinados e quais as limitações e restrições quanto ao uso dos mesmos.

Quais os critérios que um engenheiro deve adotar

para selecionar um material entre tantos outros?

A segunda consideração na escolha do material refere-se ao levantamento sobre o tipo de degradação que o material sofrerá em serviço.

Por exemplo, elevadas temperaturas e ambientes corrosivos diminuem consideravelmente a resistência mecânica.


para selecionar um material entre tantos outros?

Finalmente, a consideração talvez mais convincente é provavelmente a econômica: Qual o custo do produto acabado??? Um material pode reunir um conjunto ideal de propriedades, porém com custo elevadíssimo.

INDÚSTRIA DE PONTA PRODUÇÃO EM MASSA

TIPOS DE INDÚSTRIA - INFLUÊNCIA DOS MATERIAIS

SELEÇÃO CUIDADOSA(FATOR CUSTO SECUNDÁRIO)

SELEÇÃO CUIDADOSA(FATOR CUSTO PRIMORDIAL)

• Grande exigência tecnológica

• Utilização dos mate-riais nos limites

• Produtos nãodiferenciados

• Utilização de materiais abaixo dos limites

Figura copiada do material do Prof. Arlindo Silva do Instituto Superior Técnico da Universidade de Portugal


para selecionar um material entre tantos outros? Em raras ocasiões um material reúne uma

combinação ideal de propriedades, ou seja, muitas vezes é necessário reduzir uma em benefício da outra.

Um exemplo clássico são resistência e ductilidade, geralmente um material de alta resistência apresenta ductilidade limitada. Este tipo de circunstância exige que se estabeleça um compromisso razoável entre duas ou mais propriedades.

CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS

A classificação tradicional dos materiais é geralmente baseada na estrutura atômica e química destes.

CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAISMetaisCerâmicasPolímerosCompósitosSemicondutoresBiomateriais (Mat. Biocompatíveis)

Classificação tradicional

CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS Metais Materiais metálicos são

geralmente uma combinação de elementos metálicos.

Os elétrons não estão ligados a nenhum átomo em particular e por isso são bons condutores de calor e eletricidade

Não são transparentes à luz visível

Têm aparência lustrosa quando polidos

Geralmente são resistentes e deformáveis

São muito utilizados para aplicações estruturais


Cerâmicas Materiais cerâmicos são

geralmente uma combinação de elementos metálicos e não-metálicos.

Geralmente são óxidos, nitretos e carbetos

Geralmente tem alta resistência a passagem de calor e eletricidade

São mais resistentes à altas temperaturas e à ambientes severos que metais e polímeros

Com relação às propriedades mecânicas as cerâmicas são duras, porém frágeis

Em geral são leves

ALUMINA

OS MATERIAS CERÂMICOS NA TABELA PERIÓDICA

Os cerâmicos são constituídos de metais e não-metais


Polímeros Materiais poliméricos são geralmente compostos orgânicos baseados em carbono, hidrogênio e outros elementos não-metálicos.

São constituídos de moléculas muito grandes (macro-moléculas)

Tipicamente, esses materiais apresentam baixa densidade e podem ser extremamente flexíveis

Materiais poliméricos incluem plásticos e borrachas


Compósitos Materiais compósitos são

constituídos de mais de um tipo de material insolúveis entre si.

Os compósitos são “desenhados” para apresentarem a combinação das melhores características de cada material constituinte

Muitos dos recentes desenvolvimento em materiais envolvem materiais compósitos

Um exemplo clássico é o compósito de matriz polimérica com fibra de vidro. O material compósito apresenta a resistência da fibra de vidro associado a flexibilidade do polímero


Semicondutores

Materiais semicondutores apresentam propriedades elétricas que são intermediárias entre metais e isolantes(resistentes a passagem de corrente)

Além disso, as características elétricas são extremamente sensíveis à presença de pequenas quantidades de impurezas, cuja concentração pode ser controlada em pequenas regiões do material (para formar as junções p-n)

Os semicondutores tornaram possível o advento do circuito integrado que revolucionou as indústrias de eletrônica e computadores

InP


Biomateriais Biomateriais são empregados em componentes para implantes de partes em seres humanos

Esses materiais não devem produzir substâncias tóxicas e devem ser compatíveis com o tecido humano (isto é, não deve causar rejeição).

Metais, cerâmicos, compósitos e polímeros podem ser usados como biomateriais.

EVOLUÇÃO DA UTLIZAÇÃO DOS MATERIAIS

Figura copiada do material do Prof. Arlindo Silva do Instituto Superior Técnico da Universidade de Portugal

MATERIAIS AVANÇADOS

São materiais utilizados em aplicações de tecnologia de ponta, ou seja, são materias utilizados para a fabricação de dispositivos ou componentes que funcionam ou operam usando princípios sofiscados

Exemplos destas aplicações incluem: equipamentos eletrônicos, computadores, sistemas de fibra óptica, foguetes e mísseis militares, detectores, lasers, displays de cristal líquido, indústria aeroespacial, etc.

Estes materiais são geralmente materiais tradicionais cujas propriedades são optimizadas ou materiais novos de alto desempenho.

ALGUMAS CONSIDERAÇÕES SOBRE A NECESSIDADE DE MATERIAIS MODERNOS

Materias que apresentem:- Alto desempenho- Baixo peso e alta resistência- Resistência à altas temperaturas- Desenvolvimento de materiais que

sejam menos danosos ao meio ambiente e mais fáceis de serem reciclados ou regenerados

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