Paulo Emílio Valadão de Miranda | Professor Titular UFRJ
EET – 310 Princípio de Ciência dos Materiais
Prof. Paulo Emílio Valadão de Miranda ([email protected])
Monitores: André Mendes ([email protected])Mariana Lima ([email protected])
Ementa e Bibliografia Recomendada:
I. Propriedades dos Materiais II. Estrutura dos MateriaisIII. Diagramas de fasesIV. Aços, ligas não-ferrosas, cerâmicos e polímerosV. Tratamentos Térmicos, Corrosão, Soldagem
Bibliografia recomendada:
• William D. Callister Jr. “Fundamentos da Ciência e Engenharia de Materiais”, LTC-LivrosTécnicos e Científicos Editora S.A., 2ª ed., Rio de Janeiro, 2006.
• S. M. Allen, E. L. Thomas, “The Structure of Materials”. John Wiley & Sons, Inc., New York, 1999.
• Rupen Adamian, “Novos Materiais – Tecnologia e Aspectos Econômicos”. Coppe/UFRJ, Rio de Janeiro, 2009.
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Conceito das Avaliações para cada Atividade Desenvolvida
I. Provas Parciais:
Prova Parcial 1 –Prova Parcial 2 –Média das Provas = 65%
II. Relatórios de Aulas Práticas:
Média das Aulas Práticas = 15%
III. Listas de exercícios:
Exercícios indicados –Média das Listas = 12%
IV. Conceito = 8%
Média Parcial = 100%.
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Conceito das Avaliações para cada Atividade Desenvolvida
Média parcial
Aluno com MP ≥ 7,0 - Aprovado
Aluno com 3,0 ≤ MP < 7,0 - Prova Final
Aluno com MP < 3,0 - Reprovado
Prova Final – PF
Média Final = (média parcial + PF)/2
Aluno com MF ≥ 5,0 - Aprovado
Aluno com MF < 5,0 - Reprovado
0,7MP
A Simetria da Natureza
Nosso objetivo é entender os materiais a partir de correlações em todas as escalas possíveis e conhecidas das configurações naturais, abstraindo-nos da dimensão cartesiana que normalmente limita a nossa visão de mundo
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Ciência dos Materiais
A Ciência dos Materiais fundamenta a Engenharia dos Materiais, permitindo a realização das atividades práticas de:
• fabricação
• conformação
• funcionalização
• preparação estética
• manutenção
de todos os utensílios, dispositivos e equipamentos utilizados.
Seu estudo baseia-se na compreensão da simetria a Natureza.
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Ciência dos Materiais
A Ciência dos Materiais baseia-se nas:
• quebras de simetria
• demonstrações naturais ou induzidas de perda de:
• Continuidade
• Forma
• Estrutura
• Comportamento
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Os materiais são compreendidos a partir de correlações em todas as escalas possíveis e conhecidas das configurações naturais.
Para isso, é necessário desprender-se das amarras que impedem correlacionar entre si temas aparentemente muito distintos, tais como astronomia com estrutura atômica ou constituição genética com plasticidade.
Como entender a Ciência dos Materiais
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O Universo
O Universo é composto por galáxias, de dimensão infinita, com demonstrações incontestáveis
de arranjos simétricos e organizados, mesmo quando a quantidade e o tamanho envolvidos
são tão fenomenais que escapam à nossa sistematização intuitiva.
A Natureza mostra-se macroscópica e microscopicamente
simétrica, organizada, com repetições sucessivas de
posicionamento, de movimento e de tipologia.
www.nasa.gov/multimedia/imagegallery
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O UniversoNo Sistema Solar, vemos que há um número
limitado de planetas que transladam-se há bilhões de anos de forma harmônica e repetitiva.
Os planetas rotacionam em
torno de um eixo imaginário e
podem ser quase esféricos, como a
própria Terra. Aí observamos
simetrias de movimento e de
forma.
www.nasa.gov/multimedia/imagegallery
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A Terra
www.nasa.gov/multimedia/imagegallery
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Marcas de praia
As ondas do mar deixam marcas na
areia da praia, sob a forma de faixas ou
linhas sinuosas repetitivas, como se estabelecessem um traçado idêntico ao de curvas de nível,
de isopotencial, que serpenteiam uma
montanha para facilitar a retenção
de água. Sand_waves by umi himeDeviantart.com
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Marcas de praia
Liga de Al-Cu-Mn tipo D16T
G. F. Miscow; J. C. R. Plácido; P. E. V. de Miranda; T. A.Netto. “Aluminum Drill Pipe Fatigue Analysis”. Proceedings of the 23rd
International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, Vancouver – Canada, 20-25 June 2004.
É o nome que se dá às formações
encontradas na morfologia de fratura de um
metal submetido à fadiga.
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Trincas de LamaA lama no fundo de um lago ressecado, quebra-se em
desenho repetitivo e característico, sempre de forma
análoga, num mesmo padrão de trincamento
interconectado.
www.sxc.hu
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Estrela do mar
Starfish by foto grafik www.deviantart.com
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Estrela do mar
A estrela do mar possui uma simetria pentagonal característica, configurando-se como um ser vivo simétrico.
www.deviantart.com
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DNANós, seres humanos, possuímos como nossa constituição mais
fundamental a simetria helicoidal do DNA, que se repete periodicamente
com “defeitos” de interligação do arranjo helicoidal simétrico.
www.molecularstation.com/molecular-biology-images/502-dna-pictures
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Estrutura cristalinaOs cristais naturais, de rocha, do diamante ou do quartzo,
assim como os metálicos, do alumínio, do ferro ou do ouro,
caracterizam-se por possuir uma estrutura cristalina,
fabulosamente organizada em nível atômico.
http://commons.wikipedia.org
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Estruturas de Bravais
São milhões de átomos, dispondo-se nas mesmas
posições relativas, ao longo de grandes dimensões
microscópicas ou mesmo macroscópicas, repetindo,
organizadamente, o mesmo arranjo fundamental de uma
célula unitária, que estabelece a base do
posicionamento espacial atômico.
http://wikis.lawrence.edu
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Redes de Bravais
Fonte: http://www.chem.ox.ac.uk/icl/heyes/structure_of_solids/Lecture1/Bravais.gif
Fonte: http://www.chem.ox.ac.uk/icl/heyes/structure_of_solids/Lecture1/Bravais.gif
Grau de compaticidade éo volume ocupado pelosátomos numa célulaunitária divido pelovolume da célulaunitária:CCC: 0,68CFC: 0,74HC: 0,74
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Planos e Direções Cristalinos: Índices de Miller
• Definem planos e direções cristalinas;
• Os índices de um plano são definidos como oconjunto dos menores números inteiros do recíprocodos interceptos dos planos com os eixos principais;
• Os índices de uma direção são a distância percorridaem cada eixo, também representada como oconjunto de menores números inteiros que acompõe.
Paulo Emílio Valadão de Miranda | Professor Titular UFRJFonte: http://www.chem.qmw.ac.uk/surfaces/scc/scat1_1b.htm
) 110( ) 210(
Planos Cristalinos
) 111(
)1(11 );11(1 );111( (111); } 111{___
Paulo Emílio Valadão de Miranda | Professor Titular UFRJFonte: http://www.resmat.com/Course/chapter1/Miller.html
Direções Cristalinas
]221[__
122
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Estrutura cristalina Estrutura cúbica de faces centradas
O alumínio, o ouro, o cobre e o níquel possuem estrutura cristalina cfc. Sua
célula unitária se repete infinitamente, sempre da mesma forma, não importa onde e como
tenham sido obtidos ou fabricados.
http://jwc.njxzc.edu
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Estrutura cristalina Estrutura cúbica de corpo centrado
O ferro, o tungstênio e o molibdênio têm
estrutura cristalina ccc.http://wikis.lawrence.edu
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Defeitos Cristalinos• Os cristais reais, seja os de formação natural e
encontrados com abundância no nosso planetaou aqueles fabricados por processos tecnológicosjá bem estabelecidos, são defeituosos.
• Interrupções na periodicidade de uma redecristalina;
• São caracterizados quanto à sua dimensão;
• Sempre há associado a um defeito umcampo de tensões de distorção elásticada rede cristalina.
• Defeitos Deformação
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Defeitos cristalinos
• Defeitos de dimensão zero: as lacunas denominados defeitos
pontuais.
• Defeitos de dimensão um: lineares, como as discordâncias
• Defeitos de dimensão dois: planares, como os contornos entre
cristais e entre fases diferentes
• Defeitos de dimensão três: volumétricos, como um poro
interno ou uma partícula de uma segunda fase imersa no
interior do cristal
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Defeitos Cristalinos
Fonte: W. D. Callister, Jr. “Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução”. LTC Editora, Rio de Janeiro, 2002.
• Dimensão Zero (pontuais)
– Lacunas e átomos intersticiais (intrínsecos);
– Impurezas intersticiais ou substitucionais (extrinsecos).
Fonte: W. D. Callister, Jr. “Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução”. LTC Editora, Rio de Janeiro, 2002.
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Sítios intersticiais em cristais
Laboratório de Hidrogênio – COPPE/UFRJ
ccc octa ri = 0,115R
cfc tetra ri = 0,225R
cfc octa ri = 0,414R
ccc tetra ri =0,219RR = raio atômico
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Defeitos Cristalinos
• Dimensão Um (lineares)– Discordância aresta;
– Discordância espiral;
– Discordância mista.Tensão Cisalhante
Tensão Cisalhante Tensão Cisalhante
Plano de
Deslizamento
Linha da
discordância
aresta
Degrau de
Deslizamento
Fonte: W. D. Callister, Jr. “Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução”. LTC Editora, Rio de Janeiro, 2002.
Fonte: W. D. Callister, Jr. “Ciência e Engenharia de
Materiais: Uma Introdução”. LTC Editora, Rio de
Janeiro, 2002.
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Defeitos Cristalinos
• Dimensão Dois (planares)– Contornos (de grão, de macla, entre fases);
– Casca esférica de um poro;
– Discordância prismática;
– Falha de empilhamento;
– Superfície livre do material.
• Dimensão Três (volumétricos)– Poros internos;
– Inclusões;
– Precipitados;
– Impurezas.
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Distorção Elástica
Energia
Distância interatômica0
A maior parte da energia associada ao trabalho mecânico aplicado ao metal é perdida sob a forma de
calor.
Cerca de 5% trabalho mecânico aplicado ao metal é transformada em energia de
deformação elástica da rede cristalina e armazenada no cristal sob a forma de defeitos
cristalinos.
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Distorção Elástica
• Pode ser isotrópica ou anisotrópica;
• Traciona ou comprime a rede cristalina;
• Há interação entre campos de distorção elástica;
• Pode ser de longo alcance ou curto alcance;
• Pode exceder o limite de escoamento local;
• Aumenta a energia interna do material.
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Distorção Elástica
• Lacuna– Isotrópica;
– Trativa;
– Curto alcance.
• Átomo intersticial– Isótrópica ou anisotrópica;
– Compressiva;
– Curto alcance (N, O e H podem causar distorção de longo alcance,anisotrópica).
• Átomo substitucional– Isotrópica;
– Trativa (pequeno);
– Compressiva (grande);
– Curto alcance.
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Distorção Elástica
• Discordância aresta positiva
– Anisotrópica;
– Compressiva acima da linha da discordância;
– Trativa abaixo da linha da discordância;
– Curto alcance.
Fonte: W. D. Callister, Jr. “Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução”. LTC Editora, Rio de Janeiro, 2002.
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Distorção Elástica
• Contornos– Resultado da soma dos defeitos que os compõe;
– Curto alcance.
• Precipitados– Coerentes pequenos, distorção de curto alcance trativa;
– Coerentes grandes, distorção de médio alcance compressiva;
– De coerentes para semi-coerentes, distorção compressiva máxima de longo alcance;
– Incoerentes, distorção de curto alcance.
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Exame Microscópico
Liga de Fe-Cr polida e atacada quimicamente
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Estrutura cristalina Dendritas
www.snowcrystals.com
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Estrutura cristalina Grãos Cristalinos
http://www.mb.hs-mittweida.de
Maclagem
Mecanismo de deformação plástica que ocorre por um cisalhamento darede cristalina, limitado a um grão, criando uma região espelhada dentrodo mesmo.
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Maclagem
• Ocorre num plano cristalográfico definido, segundouma direção específica, logo, dependem da estruturacristalina;
• A fronteira entre a região maclada e o resto do grão échamada contorno de macla;
• Maclas podem ocorrer por tensionamento mecânicoou por efeitos térmicos, sendo chamadas maclasmecânicas (ou de deformação) e de maclas derecozimento, respectivamente.
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Maclagem
• A maclagem mecânica ocorre principalmente em metais CCCe HC quando estes estão sujeitos à baixas temperaturas e aelevadas taxas de carregamento (deslizamento dediscordâncias inibido);
• As maclas de recozimento são mais comuns em materiais CFCe aparecem durante o processamento do material;
• Metalograficamente, as maclas de recozimento possuemcontornos paralelos e bem definidos enquanto as maclasmecânicas têm contornos com um aspecto lenticular;
• As maclas mecânicas tendem a terminar em outra macla ouno contorno de grão enquanto as maclas de recozimentopodem ser interrompidas no interior do grão.
Maclagem
A deformação produzida pela maclagem podecorresponder à mesma deformação produzida por umconjunto de discordâncias.
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A contribuição da maclagem em relação ao volume dematerial deformado é pequena em relação àmovimentação de discordâncias.
Maclagem
Aonde está a grande contribuição damaclagem na deformação plástica?
Nas reorientações cristalográficas resultantes,podendo colocar regiões macladas em orientaçõescristalinas agora favoráveis ao deslizamento dediscordâncias.
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Maclagem
Bandas de deslizamento
produzidas por fadiga
evidenciando maclas de
recozimento.
Micrografia óptica utilizando
Contraste por Interferência
Diferencial (DIC).
Amostra de aço inoxidável
austenítico AISI 304L, sem
ataque químico.
Aumento original: 500X.
Contornosde macla
Macla
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Tensionamento mecânico
• A ação do trabalho mecânico de forma permanente caracteriza a deformação plástica.
• A energia associada ao tensionamento mecânico aplicada em um metal é transformada em outras formas de energia que resultam na conformação do metal (criação de defeitos cristalinos)
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Tensionamento mecânico
• Os defeitos cristalinos aumentam a magnitude da energia elástica de deformação e quando é associada à energia vibracional atômica devido ao aquecimento do material, possibilita transformações como o surgimento de novos cristais, chamados grãos cristalinos (Recristalização).
• O acúmulo excessivo dessa energia de deformação elástica da rede cristalina sob a forma de defeitos cristalinos pode ser indesejável como a sua conversão em energia de superfície, criando superfícies livres ao fraturar o material.
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Perdularismo energético: Desafio da Engenharia do Século XXI
• A maior parte da energia associada ao trabalho mecânico aplicado ao metal é perdida sob a forma de calor.
• Cerca de 5% trabalho mecânico aplicado ao metal é transformada em energia de deformação elástica da rede cristalina e armazenada no cristal sob a forma de defeitos cristalinos.
• A Transmissão de energia elétrica das usinas geradoras até as nossas residências desperdiça 30% da energia original;
• A transformação da energia química do combustível automotivo em energia cinética aproveita apenas 20% para movimentar o veículo.
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Material amorfo
• Possui tantos defeitos que seus empilhamentos atômicos não caracterizam uma estrutura organizada como a cristalina, mas um material amorfo, metálico ou não.
• Material não possui arranjo atômico organizado ao longo de muitas distâncias interatômicas
• Porém, é caracterizado pela existência de organização, simetria atômica, restrita a uma dimensão de poucas distâncias interatômicas
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Metal líquido e vidros metálicos
METAL LÍQUIDO:• Não possui organização atômica da simetria cristalina generalizada • Átomos não apresentam arranjos característicos • Átomos movimentam-se• Ocorrem arranjos simétricos locais com pequeno tempo de vida
VIDROS METÁLICOS:• Quando um metal líquido é resfriado muito rapidamente, o que
equivaleria a decrescer a sua temperatura a uma taxa de milhões de graus Celsius por segundo, de forma a não permitir a ocorrência da acomodação atômica organizada, através da difusão, pode-se formar um metal amorfo, denominado vidro metálico.
• Propriedades eletromagnéticas excepcionais • São usados em dispositivos eletroeletrônicos
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Estrutura de vidros metálicos
Icosaedro com estrutura básica com intersticiais formando um dodecaedro
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Orbitais moleculares• A Natureza é simétrica e pode ser entendida pela
quebra dessa simetria. Esse arranjo é análogo ao que Bohr idealizou para a configuração espacial com que as espécies subatômicas constituem os átomos.
• Uma característica marcante, que difere o ferro, um metal de transição, do ouro, é que o primeiro tem a sua banda eletrônica d incompleta, com menos elétrons do que seria esperado para completá-la.
• Mesmo dentro da banda eletrônica, a forma (e o direcionamento) como o elétron rotaciona, caracteriza spins diferentes e influencia as propriedades elétricas e magnéticas do material.
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Nanotubos
• Os Nanotubos caracterizam uma nova forma de apresentação de um material sólido composto somente por átomos de carbono.
• Como podem ser usados: – administração de remédios em doses muito pequenas
apenas nos tecidos humanos afetados por uma doença.
– Uso energético, pelo seu potencial para armazenar hidrogênio
– Aumentar a velocidade de processamento de computadores ao nível quântico
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Fullereno
http://commons.wikimedia.org/wikiFile/Fullerene.png
http://www.photon.t.u-tokyo.ac.jp/~maruyama/
fticr/ft-icr.html
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Nanotubo
http://commons.wikimedia.org/wiki/file:types_of_carbon_nanotubes.png, 2002.
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Conclusão
• A matéria condensada, sólida ou líquida, tem suas propriedades macroscópicas definidas pela simetria, ou quebra desta simetria, apresentada pelos seus átomos e suas partículas subatômicas.
• O conhecimento e a compreensão desses arranjos simétricos e de seus defeitos é o que permite-nos produzir materiais de uso social. Isso abre um campo riquíssimo de possibilidades para que novos materiais sejam descobertos ou criados.
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