INTRODUÇÃO A MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO CIVIL

� Perspectiva Histórica

� Os primeiros seres humanos tiveram acesso a apenas um número limitado de

materiais:

o Pedra, madeira, argila, peles,...

� Com o tempo eles descobriram técnicas para a produção de materiais que tinham

propriedades superiores às dos produtos naturais:

o Cerâmica e vários metais.

� Foi descoberto que as propriedades de um material poderiam ser alteradas

através de tratamento térmicos e pela adição de outras substâncias.

� Em tempos recentes (últimos 60 anos) os cientistas compreenderam as relações

entre os elementos estruturais dos materiais e as suas propriedades.

� Molda-se em grande parte as características dos materiais.

� Dezenas de milhares de materiais diferentes foram desenvolvidos, atendendo as

necessidades de nossa moderna e complexa

sociedade:

o Metais, plásticos, vidros e fibras.

� Ciência e Engenharia dos Materiais

• A ciência dos materiais envolve a investigação das relações entre as propriedades e as

estruturas dos materiais.

• A ESTRUTURA de um material está geralmente relacionada ao arranjo de seus

componentes internos.

• ESTRUTURA SUB-ATÔMICA: envolve elétrons no interior dos átomos individuais

e as interações com seus núcleos;

• ESTRUTURA ATÔMICA: engloba a organização dos átomos ou moléculas em

relação uns aos outros;

• ESTRUTURA MICROSCÓPICA: contém grandes grupos de átomos normalmente

conglomerados;

• ESTRUTURA MACROSCÓPICA: pode ser vista a olho nu.Propriedade é uma

peculiaridade do material em termos do tipo e da intensidade da resposta a um

estímulo específico que lhe é imposto.

• PROPRIEDADE: é uma peculiaridade do material em termos do tipo e da intensidade

da resposta a um estímulo específico que lhe é imposto. As definições das

propriedades são feitas de maneira independente da forma e do tamanho do material.

• MECÂNICA: relaciona deformação com uma carga ou força aplicada;

• ELÉTRICA: o estímulo é um campo elétrico;

• TÉRMICA: capacidade calorífica e condutividade térmica;

• MAGNÉTICA: demonstram a resposta de um material à aplicação de um campo

magnético;

• ÓTICA: o estímulo é a radiação eletromagnética ou a luminosa;

• DETERIORATIVA: indica a reatividade química dos materiais.

• Dois outros componentes importantes estão envolvidos na ciência e na engenharia

dos materiais:

• Processamento e desempenho

• A estrutura de um material irá depender da maneira como ele é processado.

• A inter-relação entre processamento, estrutura, propriedades e desempenho é

linear:

� Processamento: conjunto de técnicas para obtenção de materiais com formas

e propriedades específicas.

� Desempenho: resposta do material a um estímulo externo, presente nas

condições reais de utilização.

Exemplo : três amostras (de óxido de alumínio) processadas por diferentes rotas

� Por que estudar Ciência e Engenharia dos Materiais?

� Todo engenheiro:

o Mecânico, Civil, Eletricista ou de outra especialidade

� Está virtualmente interessado nos materiais que lhe são disponíveis.

� Seja qual for o produto:

o Uma ponte, um computador, um veículo espacial ou

um automóvel...

� O engenheiro deve ter conhecimento das propriedades

características e do comportamento dos materiais que vai

usar.

Monocristal (transparente)

Policristal denso

(translúcido)

Policristal poroso (opaco)

São muitas perguntas...

...a serem feitas em cada caso!

� As propriedades dos materiais definem:

o o desempenho de um determinado componente e o processo de fabricação do

mesmo.

� 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

� QUANTOS MATERIAIS DIFERENTES EXISTEM ?

� Entre 40000 e 80000 diferentes, contando as variantes de tratamento térmico e

composição de cada material

� COMO ESCOLHER ??

� Como definir qual o melhor material para um determinado fim?

Exemplo: Copo

� Vidro

� Cerâmica

� Plástico

� Madeira

� Metal

� Papel

� 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.

� A segunda consideração na escolha do material refere-se ao levantamento sobre o

tipo de degradação que o material sofrerá em serviço.

� Custo

� Tempo de vida ou Durabilidade

� Aparência

� Finalidade: Natureza do líquido

� (ex: copo de metal e papel

não pode ser usado para café)

o Por exemplo, elevadas temperaturas e ambientes corrosivos diminuem

consideravelmente a resistência mecânica.

� 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.

� CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS

� A classificação tradicional dos materiais é geralmente baseada na estrutura atômica e

química destes.

� METAIS: são normalmente combinações de elementos metálicos.

• Possuem grande número de elétrons não-localizados, ou seja, não estão ligados

a qualquer átomo em particular.

• Propriedades:

• Condutores de eletricidade e calor;

• Não transparentes à luz visível;

• Têm aparência lustrosa quando polidos;

• Geralmente são resistentes e deformáveis;

• São muito utilizados para aplicações

estruturais.

� CERÂMICOS: compostos entre os elementos metálicos e não-metálicos.

• são freqüentemente óxidos, nitretos e carbetos.

Propriedades:

• Isolantes de eletricidade e calor;

• Resistentes à alta temperatura e ambientes

abrasivos (mais que metais e polímeros);

• Duros, porém muito quebradiços.

� POLÍMEROS: compreendem os materiais comuns de plástico e borracha.

• Muitos deles são compostos orgânicos que tem sua química baseada no

carbono, no hidrogênio e em outros elementos não-metálicos;

• além disso, possuem estruturas moleculares muito grandes.

• Propriedades:

• Alta flexibilidade;

• Baixa densidade.

• Baixo isolamento térmico e elétrico

• Alta dureza e baixo coeficiente de expansão

� COMPÓSITOS:

• são constituídos de mais de um tipo de material

insolúveis entre si;

• 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:

• apresentam propriedades elétricas que são intermediárias entre metais e

isolantes;

• as características elétricas são extremamente sensíveis à presença de pequenas

quantidades de impurezas, cuja concentração pode ser controlada em

pequenas regiões do material;

• os semicondutores tornaram possível o advento do circuito integrado que

revolucionou as indústrias de eletrônica e computadores.

“wafer”de Si para chips de computador Micro sistemas eletro-mecânicos (MEMS)

• Os compostos semicondutores são formados por elementos das colunas III e V ou II e VI.

� 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.

� 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 (CD players,

DVDs), 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

otimizadas ou materiais novos de alto desempenho.

� NECESSIDADE DOS 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