CIÊNCIAS DOS
MATERIAIS
Profa. Eleani M. da Costa
Sem. 2005/01
ASSUNTO
1. Introdução à ciência e
engenharia dos materiais e
classificação dos materiais
PROGRAMA DISCIPLINA
AULAS TEÓRICAS
1. Introdução à ciência e engenharia dos
materiais e classificação dos materiais
2. Ligação química nos sólidos
- Energias e forças de ligações
- Ligações interatômicas primárias
- Ligação de Van der Waals
3. Materiais cristalinos
-Estrutura cristalina: conceitos fundamentais,
célula unitária,
- Sistemas cristalinos,
- Polimorfismo e alotropia
- Direções e planos cristalográficos, anisotropia,
- Determinação das estruturas cristalinas por difração de raios-x.
PROGRAMA DISCIPLINA
AULAS TEÓRICAS
4. Imperfeições cristalinas
- Defeitos pontuais
- Defeitos de linha (discordâncias)
- Defeitos de interface (grão e maclas)
- Defeitos volumétricos (inclusões, precipitados)
5.Mecanismos
(difusão)
de
movimento
atômico
- Mecanismo da difusão
- Fatores que influem na difusão
- Difusão no estado estacionário
- Difusão no estado não-estacionário
6. Propriedades Mecânicas dos Metais
- Deformação elástica e deformação plástica
- Coeficiente de Poisson
PROGRAMA DISCIPLINA
AULAS TEÓRICAS
7.
Discordâncias e Mecanismos
Aumento de Resistência
de
- Conceitos básicos: características das discordâncias,
sistemas de escorregamento
- Aumento da resistência por diminuição do tamanho de grão
- Aumento da resistência por solução sólida
- Encruamento, recuperação, recristalização e crescimento
de grão
8. Falha nos metais
- Fratura dúctil, fratura frágil
- Fluência nos metais
- Fadiga nos metais
PROGRAMA DISCIPLINA
AULAS TEÓRICAS
9. Diagramas de fase em condições de
equilíbrio
- Definições e conceitos básicos: identificação das fases,
limite de solubilidade, microestrutura das fases
- Diagramas de equilíbrio binários isomorfos e eutéticos
- Reações eutetóides e peritéticas
- Sistema Fe-C e microestruturas que se formam no
resfriamento lento
10. Transformações de fases em metais
e microestruturas
- Conceitos básicos
- Alterações microestruturais das ligas Fe-C e propriedades
(curvas Temperatura-Tempo-Transformação).
PROGRAMA DISCIPLINA
CONTEÚDOS EXTRAS
11-PROPRIEDADES ELÉTRICAS E
MAGNÉTICAS
12- CORROSÃO E DEGRADAÇÃO DOS
MATERIAIS
PROGRAMA DISCIPLINA

Aulas Teórico-Práticas









1-Ensaio de resistência à tração
2-Ensaio de resistência à choque
3-Ensaio de Dureza Brinell
4-Ensaio de Dureza Rockwell
5-Ensaio de Dureza Vickers
6-Metalografia dos Metais I– Macrografia
7-Metalografia dos Metais II - Micrografia
BIBLIOGRAFIA
 1-Van
Vlack L.H., Princípios de
Ciência dos Materiais, Ed. Edgard
Blücher, S.P.
 2- William D. Callister Jr., Introdução à
Ciência e Engenharia de Materiais,
Ed. LTC, 2000.
 3- Chiaverini V., Tecnologia Mecânica,
Vol. I e III Ed. McGraw – Hill S.P
DATAS DAS PROVAS
TURMAS 2LM
 11/04
: PROVA 1
 23/05 : PROVA 2
 20/06: PROVA 3
 27/06 : PROVA DE RECUPERAÇÃO
 04/07: EXAME
DATAS DAS PROVAS
TURMAS 3JK
 12/04
: PROVA 1
 17/05 : PROVA 2
 21/06: PROVA 3
 28/06 : PROVA DE RECUPERAÇÃO
 05/07: EXAME
HOMEPAGE DA DISCIPLINA

www.em.pucrs.br/~eleani
INTRODUÇÃO
 Ciência
dos materiais faz parte do
conhecimento básico para todas as
engenharias
As propriedades dos materiais definem:
 o desempenho de um determinado
componente e o processo de fabricação
do mesmo
Propriedades dos
Materiais
Microestrutura
Composição e Processo
de Fabricação
E
N
G
E
N
H
A
R
I
A
Figura copiada do material do Prof. Sidnei Paciornik do
Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio
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 ?
COMO ESCOLHER ??
Como definir qual o melhor material para
um determinado fim?
Exemplo: Copo


 Vidro

 Cerâmica
 Plástico
 Madeira
 Metal
 Papel

Depende
Custo
Tempo de vida ou
Durabilidade
Aparência
Finalidade: Natureza do
líquido (ex: copo de
metal e papel não pode
ser usado para café,
suco de laranja não
pode ser armazenado
numa taça antiga de
peltre porque remove o
Pb da liga)
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.
Quais os critérios que um engenheiro deve adotar
para selecionar um material entre tantos outros?

A segunda consideração na escolha do
material refere-se ao levantamento sobre o
tipo de degradação que o material sofrerá em
serviço.
 Por exemplo, elevadas temperaturas e
ambientes
corrosivos
diminuem
consideravelmente a resistência mecânica.
Quais os critérios que um engenheiro deve adotar
para selecionar um material entre tantos outros?

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.
SELEÇÃO DOS MATERIAIS
POR ÍNDICE DE MÉRITO
 Ex.
Resistência:
Material Aço-liga
Ti
(alta resist.)
Resist. (MPa)
à tração
1000
Al
PRFC
(AA7074)
800
500
PRFC= Polímero reforçado com fibra de carbono
700
SELEÇÃO DOS MATERIAIS
POR ÍNDICE DE MÉRITO
 Ex.
Resistência/peso:
Material
Aço-liga
Ti
(alta resist.)
133
Al
PRFC
(AA7074)
170
185
390
SELEÇÃO DOS MATERIAIS
POR ÍNDICE DE MÉRITO
 Ex.
Custo p/Kg/US$:
Material
Aço-liga
Ti
(alta resist.)
0,75
Al
PRFC
(AA7074)
15
3
20
TIPOS DE INDÚSTRIA - INFLUÊNCIA DOS MATERIAIS
INDÚSTRIA DE PONTA
•
•
Grande exigência
tecnológica
Utilização dos materiais nos limites
PRODUÇÃO EM MASSA
•
•
Produtos não
diferenciados
Utilização de materiais
abaixo dos limites
SELEÇÃO CUIDADOSA
SELEÇÃO CUIDADOSA
(FATOR CUSTO SECUNDÁRIO)
(FATOR CUSTO PRIMORDIAL)
Figura copiada do material do Prof. Arlindo Silva do Instituto
Superior Técnico da Universidade de Portugal
Quais os critérios que um engenheiro deve adotar
para selecionar um material entre tantos outros?

Em raras ocasiões um material reúne uma
combinação ideal de propriedades, ou
seja, muitas vezes é necessário reduzir uma
em benefício da outra.
 Um exemplo clássico são resistência e
ductilidade, geralmente um material de alta
resistência apresenta ductilidade limitada.
Este tipo de circunstância exige que se
estabeleça um compromisso razoável entre
duas ou mais propriedades.
CLASSIFICAÇÃO DOS
MATERIAIS
 A classificação
tradicional dos materiais
é geralmente baseada na estrutura
atômica e química destes.
CLASSIFICAÇÃO DOS
MATERIAIS
 Metais
Classificação tradicional
 Cerâmicas
 Polímeros
 Compósitos
 Semicondutores
 Biomateriais
(Mat. Biocompatíveis)
CLASSIFICAÇÃO DOS
MATERIAIS

Metais






Materiais metálicos são
geralmente uma combinação de
elementos metálicos.
Os elétrons não estão ligados a
nenhum átomo em particular e por
isso são bons condutores de calor
e eletricidade
Não são transparentes à luz
visível
Têm aparência lustrosa quando
polidos
Geralmente são resistentes e
deformáveis
São muito utilizados para
aplicações estruturais
CLASSIFICAÇÃO DOS
MATERIAIS

Cerâmicas

ALUMINA





Materiais cerâmicos são
geralmente uma combinação de
elementos metálicos e nãometálicos.
Geralmente são óxidos, nitretos e
carbetos
São geralmente isolantes de calor
e eletricidade
São mais resistêntes à altas
temperaturas e à ambientes
severos que metais e polímeros
Com relação às propriedades
mecânicas as cerâmicas são
duras, porém frágeis
Em geral são leves
OS MATERIAS CERÂMICOS NA TABELA PERIÓDICA
Os cerâmicos são constituídos de metais e não-metais
CLASSIFICAÇÃO DOS
MATERIAIS

Polímeros




Materiais poliméricos são
geralmente compostos orgânicos
baseados em carbono, hidrogênio
e outros elementos não-metálicos.
São constituídos de moléculas
muito grandes (macro-moléculas)
Tipicamente, esses materiais
apresentam baixa densidade e
podem ser extremamente flexíveis
Materiais poliméricos incluem
plásticos e borrachas
CLASSIFICAÇÃO DOS
MATERIAIS


Compósitos



Materiais compósitos são
constituídos de mais de um tipo
de material insolúveis entre si.
Os compósitos são “desenhados”
para apresentarem a combinação
das melhores características de
cada material constituinte
Muitos dos recentes
desenvolvimento em materiais
envolvem materiais compósitos
Um exemplo classico 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
CLASSIFICAÇÃO DOS
MATERIAIS
Materiais semicondutores


Semicondutores

InP


apresentam propriedades
elétricas que são intermediárias
entre metais e isolantes
Além disso, as características
elétricas são extremamente
sensíveis à presença de
pequenas quantidades de
impurezas, cuja concentração
pode ser controlada em pequenas
regiões do material (para formar
as junções p-n)
Os semicondutores tornaram
possível o advento do circuito
integrado que revolucionou as
indústrias de eletrônica e
computadores
Ex: Si, Ge, GaAs, InSb, GaN,
CdTe..
CLASSIFICAÇÃO DOS
MATERIAIS

Biomateriais



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.
EVOLUÇÃO DA UTLIZAÇÃO DOS MATERIAIS
Figura copiada do material do Prof. Arlindo Silva do Instituto
Superior Técnico da Universidade de Portugal
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 (VCRs, 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 optimizadas
ou materiais novos de alto desempenho.
ALGUMAS CONSIDERAÇÕES SOBRE A
NECESSIDADE DE 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