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AULA 1 – CIÊNCIA DOS MATERIAIS Prof. Nélvio Dal Cortivo

1. INTRODUÇÃO Á CIÊNCIA DOS MATERIAIS 1.1. Generalidades

No desenvolvimento dos projetos, os engenheiros precisam ter um íntimo conhecimento das propriedades, características e comportamento dos materiais que eles se propõem a usar, quaisquer que sejam os materiais (ferro, aço, vidro, plásticos, borracha, etc) presentes em quaisquer produtos (ponte, computador, veículo espacial, marca-passo, reator, sistema de exaustão, equipamento de linha de produção, etc).

Cada produto deve ser apto à utilização proposta (resistência ao calor, ao impacto, a cargas dinâmicas, etc).

Devem ser conhecidas as estruturas internas dos materiais, para o entendimento do funcionamento dos materiais sob fenômenos físicos, bem como para o desenvolvimento de novos materiais a partir dos já existentes.

O processamento pode mudar as propriedades dos materiais (alta amplitude térmica, p. ex.) ou não mudar (dobragem de ferro e chapas metálicas, p. ex.).

O produto deve satisfazer as exigências de projeto (resistência, dureza, condutividade, densidade, cor, etc), na verificação do comportamento em serviço.

Deve-se sempre buscar conhecer as vantagens, limitações e propriedades dos materiais, com o intuito de:

9 Proporcionar resistência aos esforços solicitantes 9 Conhecer as curvas tensão-deformação 9 Diminuir o custo do projeto 9 Prevenir-se da falta de materiais 9 Estabelecer padrões mínimos de qualidade 9 Acompanhar o desenvolvimento tecnológico 9 Garantir melhor acabamento e durabilidade do produto

1.2. Tipos de materiais:

• Naturais

¾ Minerais (inorgânicos): não houve vida no processo de formação – rochas, areias, argilas, etc

¾ Orgânicos: houve vida no processo de formação – madeira, borracha (veio do petróleo), etc;

• Artificiais ¾ Metais: ferrosos e não ferrosos

¾ Não metais: 9 Cerâmica: convencional e avançada (técnica ou fina) Vidro: materiais silicosos

9 Polímeros (plásticos): Termoplásticos (após aquecimento as deformações retornam), elastômeros (têm boa capacidade de alongamento) e termo-rígidos (não se deforma sob altas temperaturas)

Metais não-ferrosos: são todos os metais, com exceção do ferro e do aço, empregados na construção mecânica (cobre; estanho; zinco; chumbo; platina; alumínio; magnésio; titânio). Possuem os mais diversos empregos, pois podem substituir materiais ferrosos em várias aplicações e nem sempre podem ser substituídos pelos ferrosos.

Cerâmica avançada engloba uma classe de "novas" cerâmicas, onde as matérias primas são artificiais. Há um grande controle do processo e, principalmente, um forte controle da microestrutura. Ex. cerâmicas de alta resistência, baixa condutividade térmica, baixo peso específico, etc, para uso em motores, fuselagens de naves espaciais, etc..

1.3 Pontos comuns para o desenvolvimento dos materiais:

• Técnico: busca de desempenho de um componente; • Sustentabilidade: busca da não agressão ao meio ambiente;

• Cultural: adequação do produto às características regionais, como modelo, forma, etc;

• Econômico: baixa relação custo benefício - eficiência;

• Estratégico: existência de reservas de minério – diferentes disponibilidades podem gerar composições diferentes para a obtenção de um mesmo produto. Ex. aço com maior ou menor teor de carbono pode ficar mais ou menos dúctil;

• Estruturas internas: diretamente relacionadas com as propriedades e características dos materiais:

9 Estrutura atômica: composição do átomo e interação entre prótons, elétrons e neutros; 9 Estrutura molecular: uma molécula é um agrupamento de átomos, ligados pelas forças interatômicas; 9 Estrutura cristalina: arranjo ordenado de átomos que se repetem indefinidamente no espaço; 9 Estrutura amorfa: arranjo desordenado dos átomos, não existindo uma repetição cristalina; 9 Estrutura mista: parte é cristalina e parte é amorfa.

1.4. Ligações atômicas

9 Iônica: muito forte – átomos com cargas opostas se atraem, tornando-se íons através da troca de elétrons; 9 Covalente: muito forte – compartilhamento de elétrons entre dois átomos; 9 Metálica (tipo de covalente): forte – nuvem eletrônica de elétrons livres nos metais; 9 Van der Waals (secundária): fraca – pontes de hidrogênio

1.5. Propriedades importantes no estudo dos materiais • Porosidade: matéria descontínua em um corpo;

• Dureza: capacidade de resistência a riscos ou à penetração;

• Tenacidade: capacidade de resistência a choques mecânicos (relacionada com a energia perdida durante o choque);

• Elasticidade: tendência de retorno à forma primitiva após aplicação de um esforço;

• Plasticidade: capacidade de deformação após ultrapassar o estado elástico, sem romper (deformação permanente);

• Resiliência: capacidade do material se deformar elasticamente, até o limite do regime elástico (energia absorvida no estado elástico);

• Ductibilidade: capacidade de maior ou menor deformação antes de romper (quanto maior a capacidade de formação, mais dúctil é o material)

• Fragilidade: inverso de ductibilidade;

• Desgaste: perda de qualidades ou de dimensões com o uso contínuo

• Durabilidade: manutenção das propriedades ao longo do tempo

• Fadiga: perda das propriedades dos materiais metálicos, devido a esforços cíclicos

• Propriedades térmicas: capacidade térmica, condutividade e dilatação térmica

• Propriedades elétricas: condutividade e resistividade

Obs.: As análises, levando em conta as propriedades, devem ser qualitativas e quantitativas. Pelos gráficos expressa-se as amplitudes deformacionais, p. ex., de materiais sujeitos a diferentes fenômenos físicos, devidas às suas propriedades internas.

Peso específico:m
p=γpeso em relação à massa

1.6. Grandezas físicas relacionadas com as propriedades dos materiais:

m=ρmassa em relação ao volume
Densidade:

Massa Específica: V

corpodµµ=água destilada a C no vácuo o4
Deformação específica:L
L∆=εvariação da dimensão em relação à dimensão

água inicial

1.7. Materiais e suas estruturas

Ligação Arranjo Propriedades

Metais Metálica1 Cristalino2 Alta condutibilidade elétrica1, alta dureza2, alta resistência ao desgaste2, alto ponto de fusão e dúctil1

Cerâmica Cov/Iônica3 Crist4/Amorf5 Baixa condutibilidade elétrica3, alta dureza4, alta resistência ao desgaste4, alto ponto de fusão e frágil5

Polímeros Cov/Iônica6/

Secundária7

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