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Ciência e Tecnologia de Materiais
ENG1015
http://www.dema.puc-rio.br/moodle
DEMa - Depto. de Engenharia de Materiais
última atualização em 10/02/2014 por [email protected]
Estrutura do Curso
• Introdução: Os materiais na engenharia
• Base teórica
• Estudos de Caso => Aplicações Tecnológicas
Modernas
 Materiais Estruturais
Estudo 1 - Aços Especiais
Estudo 2 - Compósitos
 Materiais Funcionais
Estudo 3 - Semicondutores para Dispositivos Ópticos e
Eletrônicos
• Livro Texto
 W.D.Callister, “Ciência e Engenharia de Materiais – Uma
Introdução”, LTC.
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Controle de Faltas/Critério de Aprovação
• Presença obrigatória
 Número máximo de faltas = 5 aulas
 Se o aluno exceder este número estará Reprovado por Faltas, independente
das notas das provas
• Critério de Aprovação – Critério 3, da PUC-Rio




Duas provas, G1, G2 => Média = (G1+G2)/2
Se G2 <3,0, então Média = (G1+3G2)/4
Se Média ≥ 5,0 => AP
Caso contrário => RM
• Provas (organizadas pelo CB/CTC)


G1 – 07/04/2014, segunda-feira, de 17 às 18:50 horas
G2 – 24/06/2014, terça-feira, de 17 às 18:50 horas
• Segunda chamada


Alunos que perderem uma das provas podem solicitar segunda chamada,
seguindo as regras normais da DAR.
A segunda chamada será realizada após a G2 e cobrará toda a matéria,
independente de qual prova o aluno deixou de fazer.
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INTRODUÇÃO
Os Materiais na Engenharia
Livro Texto - Capítulo 1
Ciência e Engenharia de Materiais
• O que é Ciência e Engenharia dos Materiais?
 É o estudo, a caracterização e a classificação dos Materiais
• Classificação Funcional dos Materiais
 Aerospacial, biomédica, eletrônica, energia, estrutural,
fotônica ou óptica
• Classificação de materiais com base na estrutura
 Estrutura da rede cristalina, monocristal, policristal,
tamanho e orientação do grão, amorfo
• Efeitos Ambientais e Outros
 Temperatura, Corrosão, Fadiga, Taxa de deformação
• Design e Seleção de Materiais
 Densidade e resistência específica
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As Classes de Materiais
•
•
•
•
•
Metais
Cerâmicas
Polímeros
Compósitos
Semicondutores
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Metais
• Características básicas
 Resistentes (suportam
tensões elevadas antes
de romper)
 Dúcteis (deformam
antes de romper)
 Superfície “metálica”
 Bons condutores de
corrente elétrica e de
calor
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Metais na Tabela Periódica
• Aços
• Ferros Fundidos
• Metais Não Ferrosos
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Cerâmicas e vidros
• Propriedades básicas
 alto ponto de fusão &
estabilidade térmica
(refratários)
 são isolantes térmicos e
elétricos
 são frágeis (rompem sem
deformar)
 podem ser transparentes
Exército de terracota
China – 200 a.c.
Cerâmica super
isolante térmica
Bulbo transparente
de vidro
Cilindro translúcido de Alumina contendo gás em alta temperatura
As cerâmicas na tabela periódica
Cerâmicas são formadas por combinação de metais
(quadrados verdes) com os elementos C, N, O, P e S.
Si e Ge são semicondutores mas são usados em cerâmicas de forma equivalente a metais
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Polímeros
• Características básicas
 A maioria dos polímeros é
sintética (feitos pelo homem)
 Polímero mais abundante é
natural: celulose
 Materiais altamente moldáveis
 Baixa densidade
 Em geral são menos resistentes
do que metais e cerâmicas
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Os polímeros na tabela periódica
Principais elementos formadores dos materiais poliméricos
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Compósitos
• Combinação de metais, cerâmicas e polímeros
Metais
Compósitos
Polímeros
Concreto
Cerâmicos
Fibra de vidro
Ti/SiC
Aplicações Típicas
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Semicondutores
• Propriedades básicas
 Condutividade finamente
controlada pela presença de
impurezas - dopantes.
 Podem ser combinados
entre si para gerar
propriedades eletrônicas e
óticas “sob medida”.
• Aplicações
 Microeletrônica
 Opto-eletrônica - lasers,
detectores, circuitos
integrados óticos e células
solares.
história dos chips
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Os semicondutores na tabela periódica
Quando combinados entre si os metais das colunas II, III, V e VI
assumem propriedades semicondutoras.
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Ciência e Engenharia de Materiais
Composição
química de um
material
Descrição dos arranjos de
átomos ou íons em um
material
Síntese: Processo pelo qual os materiais são
obtidos a partir de produtos químicos, extraídos
diretamente da natureza, ou obtidos de um
processamento anterior
&
Processamento: que abrange as diferentes
maneiras utilizadas para moldar materiais de
forma a transformá-los em componentes úteis ou
mesmo para alterar suas propriedades
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Exemplo: Automóveis
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Automóveis: Economia de Combustível
• De 1975 a 2006 os veículos leves de carga
experimentaram um ganho de 60% em:
 Economia: de 5,7 para 9,1 km/L
 Potência de: 138 para 220 hp
115 HP
215 HP
115 HP
215 HP
14,9
km/L
12,7
km/L
8,4
km/L
4,2
km/L
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Automóveis: Evolução de Materiais
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Automóveis: Economia de Combustível
2010:
214 HP
12,1 km/L
12,1
km/L
1975 - 2006
10,2
km/L
5,1
km/L
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Exemplo: Aviões
Aumento de Tcombustão
Redução de peso
Aumento de Tcombustão
Aviões: Duas Gerações
Boeing
777
787
Ano lançamento
Compósitos
Alumínio
Titânio
Aço
Outros
2000
11%
70 %
7%
11%
1%
2011
50%
20%
15%
10%
5%
Aeronave 20% mais eficiente
e 16.000 kg mais leve
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25
Ganho Ambientais: Turbinas Rolls-Royce
25
2050
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Materiais nas Turbinas
Percentual de
volume por classe
de material
Metais Leves
(Ligas de Mg, Al)
Compósitos de
Matriz
Polimérica
Ligas de Titânio
Compósitos de
Matriz Metálica
Ligas de Níquel
TiAl
Aço
Exemplo: Biomateriais
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Exemplo: Turbinas Eólicas
28
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Turbina de Itaipu 700.000 kW
De 100 a 150
residências
No período o custo caiu
de ~60 cents/kWh para
5-6 cents/kWh
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Dimensões & Instalação
100 m
92 m
A Evolução das Classes de Materiais
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Propriedades e Microestrutura
Propriedades e Ligação Química
• Exemplo: Ligação Metálica
 Ligação forte entre os átomos
 Elétrons livres
• Consequência
 Boa condutividade
Elétrica
Térmica
“mar” de elétrons
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Propriedades e Arranjo Atômico
• Existe ordem no posicionamento dos átomos?
 Material Cristalino – ordem de longo alcance
 Material Amorfo –ordem de curto alcance
2nm
2nm
Material cristalino
Note a organização na posição dos átomos.
Carbono amorfo.
Note a desorganização na posição dos átomos.
Imagens obtidas com Microscópio Eletrônico de Transmissão (MET).
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Propriedades e Estrutura Cristalina
• Arranjo Tridimensional dos Átomos
Al
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Mg
 Diferentes Estruturas Cristalinas
Alumínio
Magnésio
(estrutura cúbica)
(estrutura hexagonal)
Ambos são metais mas o Al é
mais dúctil devido à estrutura
cúbica
Propriedades e Arranjo Microestrutural
• Existem muitas orientações cristalinas?
 Orientação relativa entre cristais
Fusão
Solidificação
Policristal: Grãos
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Propriedades e Presença de Fases
• Existem diferentes fases?
Policristal monofásico
Policristal polifásico
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