1

Súmula Ciência dos Materiais

1. Introducao aos Materiais

2. Estrutura Atômica

3. Estrutura Cristalina

4. Microestrutura

5. Relacao: Estrutura x Propriedades

6. Degradacao dos Materiais

Avaliacao:

Prova 1: Capítulos 1, 2 e 3Prova 2: Capítulo 4Prova 3: Capítulos 5 e 6Listas de exercícios

Nota < 4: Recuperacao da provaMais de uma abaixo de 4: ExameRecuperação de conceito: Pode-se recuperar 1 prova no dia da recuperação

Conceitos:

Média (P1+P2+P3)/3 =M < 6 – D

6 M < 7,5 – C7,5 M < 9 – B

M ≥ 9 – A

Bibliografia1. Callister Jr., W.D., Materials Science and Engineering an introduction, 3ª Edição,New York, John Wiley & Sons, 1994.2. Askeland, Donald R.: The Science and Engineering of Materials, 2ª Edição, London,Chapman and Hall, 1991.3. Shackeldford, James F. Introduction to Materials Science for Engineers. New Jersey,Prentice-Hall, Inc., 4a. Ed. 1996.4. van Vlack, Lawrence H.: Princípio de ciências dos materiais. São Paulo, Edgar Blücher,1970.5. van Vlack, Lawrence H.: Princípio de ciências e tecnologia dos materiais. 4º Edição, Rio deJaneiro, Campus, 1984.6. Anderson, J.C. et alli: Materials Science. 4º Edição, London, Chapman and Hall, 1990.7. Meyers, Marc A. e Chawla, Krishan K.: Princípios de Metalurgia Mecânica. São Paulo,Edgar Blücher, 1982.8. Flinn, Richard A. e Trojan, Paul K.: Materiales de Ingeneria y sus Aplicaciones. Bogotá,Editorial McGRaw-Hill Latino Americana S.A., 1979.9. Smith, William F.: Materials Science and Engineering. New York, McGraw-Hill Publ. Co.,2a. Ed. 1989.

2

1.1 INTRODUCAO

Conceitos Básicos

Ciência dos Materiais: A ciência investiga a relação entre a estrutura dos materiais a nível

molecular ou atômico e suas correspondentes propriedades a nível macroscópico. Isto inclui

elementos da física aplicada e química assim como também engenharia elétrica, química,

mecânica, civil.

Engenharia: Com base nas correlações entre estrutura e propriedade, a engenharia consiste

no projeto ou engenharia da estrutura de um material para produzir um conjunto

predeterminado de propriedades.

Estrutura: A estrutura de um material está geralmente relacionada ao arranjo de seus

componentes internos. A estrutura atômica envolve elétrons no interior dos átomos e as

interações com seus núcleos. Na estrutura cristalina, temos a organização dos átomos ou

moléculas em relação uns aos outros. A microestrutura engloba grandes grupos de átomos

normalmente conglomerados e pode ser observada usando algum tipo de microscópio. Já a

estrutura macroscópica ou macroestrutura pode ser vista a olho nu.

Propriedade: É uma peculariedade do material em termos do tipo e da intensidade da

resposta a um estímulo específico que lhe é imposto, ou seja, resposta do material a uma

solicitação externa ou de serviço, independente da geometria e tamanho. Propriedades

elétricas, térmicas, magnéticas, óticas...

Exceção: A nível nanométrico, fenômenos quânticos começam atuar e possibilitam a

obtenção de propriedades diferenciadas daquelas obtidas a partir de um mesmo material,

porém estruturado em escala de grandeza superior.

História dos materiais

Os materiais são utilizados desde os primórdios da civilização e a escolha de um material em

determinada era acabaram por definir esta: Idade da Pedra, Idade do Bronze, Idade do Ferro.

3

2 milhões de anos 5.000 anos 3.000 anos 300-400 anos 100 anos 60 anos

O desenvolvimento e o avanço das sociedades estão ligados às habilidades dos seus

membros em produzir e manipular materiais para atender suas necessidades. Nos primórdios

das civilizações, um número limitado de materiais era utilizado, como a pedra, madeira,

argilas e peles. A partir do desenvolvimento de técnicas de produção e processamento de

materiais, pôde-se obter materiais com melhores propriedades, como as cerâmicas e os

metais. Com o avanço no campo dos materiais, procurou-se modificar as propriedades básicas

destes, seja pela combinação de materiais, por meio de tratamentos térmicos, adição de novas

substâncias, etc.

Nos últimos 30-40 anos a pesquisa mundial tem o foco voltado para a Nanotecnologia. A

Nanotecnoliga envolve basicamente três pontos: a pesquisa e o desenvolvimento de materiais

nanoestruturados, ou seja, materiais da ordem de 1 a 100 nm; criação e uso de estruturas,

dispositivos e sistemas que possuam propriedades e funções inovadoras devido ao seu

tamanho reduzido; habilidade em controlar ou manipular a matéria em escala atômica.

Nos materiais nanoestruturados, fenômenos quânticos começam atuar e possibilitam a

obtenção de propriedades diferentes daquelas obtidas pelo mesmo material, porém em escala

maior. Devido à finíssima espessura, o número de átomos na superfície, com relação ao

número de átomos totais, é bastante elevado, possibilitando o aparecimento de fenômenos de

superfície. Ainda, as discordâncias (defeitos de empilhamento dos átomos) nestes materiais

são raras, podendo levar a tensão de escoamento deste material muito próxima à tensão

teórica. Exemplo: filmes finos magnéticos.

Novos materiais, com melhores propriedades, destinados a uma variedade de aplicações

→ seleção de materiais em função de suas características e das exigências do projeto.

4

Ciclo Global dos Materiais

1.2 INTERRELACAO: Processamento x Estrutura x Propriedades x Desempenho

A figura abaixo mostra a inter-relação de quatro importante componentes em ciência dos

materiais. Ainda, esta apresenta um quinto elemento que é a caracterização do material, que

possibilita interrelacionarmos estes componentes.

Como mostra a figura, todos os componentes estão interrelacionados, a estrutura de

um material vai depender da maneira como ele é processado. Além disso, o desempenho ou

performance do material será função de suas propriedades que estão intimamente relacionadas

com a estrutura provinda de seu processamento. O desempenho dos materiais pode ser

5

analisado em laboratório, pode ser acompanhado e avaliado durante a vida útil do mesmo ou

ainda fazendo uma análise post-mortem.

Exemplo desta interrelacao: Barra de alumínio laminada:

Estrutura:

Podemos dividir a estrutura em quatro principais:

- Estrutura atômica

- Estrutura Cristalina

- Microestrutura

- Macroestrutura

6

Propriedades:

As propriedades podem ser de superfície ou de corpo.

As propriedades de corpo são as propriedades de material como um todo enquanto que

as propriedades de superfície ocorrem na superfície dos corpos e podem oferecer vantagens

adicionais sem que se precise alterar as propriedades de corpo. Exemplo: Pecas decorativas

revestidas com cromo, pecas nitretadas, pecas com revestimento metálico e partículas

cerâmicas...

Mecânicas:

- Resistência à tração, compressão, flexão;

- Resistência ao escoamento: resistência à deformação plástica.

- Resistência ao desgaste: resistência à remoção e material de superfícies

sólidas como resultado de uma superfície movendo-se em contato com

outra.

- Módulo de elasticidade: razão entre a tensão e a deformação quando a

deformação é totalmente elástica; também é uma medida da rigidez do

material.

- Ductilidade: medida da habilidade de um material em ser submetido a uma

deformação plástica apreciável antes de sofrer uma fratura.

Físicas:

- Propriedades elétricas

- Magnéticas

- Térmicas

- Opticas

Químicas:

- Resistências à corrosao.

- Fragilizarão por hidrogênio: algumas ligas sofrem redução em suas

propriedades mecânicas quando hidrogênio atômico penetra no interior do

material.

7

Processamento:

O processamento de um material é definido em função das propriedades iniciais do

material e das propriedades necessárias para fazer frente às condições de serviço da peca ou

componente. Diferentes processos de fabricação originam diferentes microestruturas, como

pode ser verificado na figura abaixo:

Através do processamento, os materiais adquirem forma e dimensões para serem

utilizados na indústria.

Exemplos de processos: moldagem por injeção, deposição química de vapor, fundição,

conformação, compactação e sinterização, crescimento de cristais, eletrodeposição.....

1.3 TIPOS DE MATERIAIS

Classificacao dos Materiais

Critérios:

1. Aplicação pela indústria: metais, cerâmicos, polímeros, compósitos e

semicondutores.

2. Grau de desenvolvimento tecnológico: naturais, empíricos, desenvolvimento

científico e projetados.

3. Morfologia estrutural: monoestruturados, recobrimentos, gradiente e aleatório.

1. Aplicacao pela indústria

METAIS:

São normalmente combinações de elementos metálicos. Estes possuem um grande

número de elétrons não ligados a qualquer átomo em particular e por isto, são bons

condutores de eletricidade e calor, não são transparentes à luz visível. São materiais

8

resistentes e ainda assim deformáveis, o que é responsável pelo seu uso em aplicações

estruturais. Exemplos: Fe, Au, aço (liga Fe-C), latão (liga Cu-Zn)...

CERÂMICOS:

São compostos entre elementos metálicos e nao-metálicos (O, N, C, P, S); eles são

geralmente óxidos, nitretos e carbetos. São tipicamente isolantes à passagem de eletricidade e

calor, e são mais resistentes a altas temperaturas e ambientes abrasivos que os metais e

polímeros. Com relação ao comportamento mecânico, são duros, porém quebradiços (frágeis).

Exemplos: Vidros, argilas, cimento...

POLÍMEROS:

São geralmente compostos orgânicos baseados em carbono, hidrogênio e outros

elementos não metálicos. São constituídos de moléculas grandes (macro-moléculas). Possuem

tipicamente baixa densidade e podem ser extremamente flexíveis. Exemplos: plásticos e

borrachas.

COMPÓSITOS:

São constituídos de mais de um tipo de material insolúveis entre si. Estes materiais são

projetados para mostrar uma combinação das melhores propriedades de cada um dos materiais

que o compõe e que não estão presentes no material monofásico. Exemplo: matriz polimérica

com fibra de vidro, matriz metálica com partículas cerâmicas...

SEMICONDUTORES:

Possuem propriedades elétricas que são intermediárias entre aquelas apresentadas

pelos condutores elétricos e pelos isolantes. Além disto, as características elétricas destes

materiais são extremamente sensíveis à presença de minúsculas concentrações de átomos de

impurezas (dopantes). São a base da tecnologia eletrônica e óptica, com suas aplicações em

lasers, detectores, células solares, circuitos integrados e muitas outras aplicações. Exemplos:

Si, GaAs, InGaAsP.

2. Grau de desenvolvimento tecnológico

NATURAIS: utilizados como se encontram na natureza. Ex: madeira

9

EMPIRICAMENTE DESENVOLVIDOS: sem conhecimento tecnológico prévio. Ex: argila

vermelha para tijolos.

DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO: a ciência participando do desenvolvimento destes

materiais.

MATERIAIS PROJETADOS: fabricados com grau de conhecimento elevado. Ex: lâmpada

de sódio com alumina translúcida.

3. Morfologia estrutural

MONOESTRUTURADOS: único conjunto de propriedades. Ex: isolante de vela automotiva

(alumina densa), silício monocristalino, tijolos de argila vermelha.

RECOBRIMENTO: propriedades de superfície diferente das de corpo. Ex: torneiras

revestidas, palhetas de turbina aspergidas com materiais cerâmicos, pintura automotiva.

GRADIENTE: multicamadas com gradiente de propriedades. Ex: multicamadas de material

magnético e não-magnético, embalagens tetrapack, MDF.

ALEATÓRIO: reforço por uma segunda fase. Ex: níquel com partículas cerâmicas, carbeto de

tungstênio-cobalto.

1.4 EFEITO DO MEIO SOBRE O COMPORTAMENTO DO MATERIAL

TEMPERATURA

A tendência é que, com o aumento da temperatura, ocorra uma diminuição na resistência

mecânica dos materiais.

CORROSAO

Metais: Nos metais existe uma perda de material, seja pela dissolução ou pela

formação de uma incrustação ou película de material não-metálico (óxido).

10

Cerâmicos: são bastante resistentes à corrosão, que pode ocorrer a temperaturas

elevadas ou ambientes extremos. Podem ser atacados por outros líquidos cerâmicos

Polímeros: para estes materiais, o termo degradação é utilizado com mais freqüência.

Os polímeros podem dissolver quando estão expostos a um solvente líquido ou podem

absorver o solvente e sofre inchamento; ainda, o intemperismo e o calor podem causar

alterações e rompimento na estrutura molecular.

RADIACAO: Certos tipos de radiação possuem energia suficiente para penetrar em materiais

e afetar a estrutura interna destes, diminuindo a resistência mecânica e fragilizado o mesmo.

DESGASTE: Superfícies deslizando uma sobre as outras, acabam removendo partículas das

mesmas e provocando desgaste. Ex: pisos cerâmicos com tráfego de pessoas.

1.5 SELECAO DE MATERIAIS

Quais os critérios para seleção um material?

1. Apresentar as propriedades adequadas para as condições de serviço a que será submetido o

material.

Dificilmente um material apresenta uma combinação ideal de propriedades, muitas vezes é

necessário reduzir uma em benefício da outra → Compromisso entre propriedades.

Deve-se saber qual o desempenho e restrições no uso dos materiais selecionados →

Confiabilidade

2. Possa ser processado na forma desejável.

3. Seja economicamente viável: disponibilidade de matéria-prima, processo de fabricação →

Custo total.

4. Possa ser produzido com baixo impacto ambiental e posa ser reciclado.