AULA ESTRUTURADA 1 – Disciplina: Introdução à Ciência e Engenharia de Materiais x Unidade de Ensino 1– Introdução à Ciência e Engenharia de Materiais Carga Horária: 03 horas Objetivos da Unidade: Oferecer ao aluno um embasamento conceitual que lhe permita selecionar o material mais adequado para uma determinada aplicação, de modo a atender às características de desempenho esperadas, tanto no que se refere às características de serviço quanto de processamento destes. Competência: Esperase que os alunos ao cursarem esta disciplina, tenham já adquirido uma boa compreensão dos fundamentos de Cálculo, Física e Química. Habilidades: ser capaz de tomar decisão com relação aos materiais mais adequados, raciocinar de forma lógica, criativa e analítica no que tange a resolução de problemas em materiais. Temas (ou assunto a ser discutido na aula): Unidades 1 – Introdução à ciência e engenharia de materiais 1.1 Perspectiva histórica 1.2 Ciências e engenharia de materiais 1.3 Classificação dos materiais 1.4 Materiais avançados 1.5 Necessidade dos materiais modernos. Proposta Metodológica: 1. Atividade de Aprendizagem Orientada – 01 horas Ler o texto abaixo: 1.1 Introdução: Os materiais estão presentes ao nosso redor, estão engajados em nossa cultura e presentes em nossa mais ampla existência. A prova disso é a relação intima entre os materiais e a ascensão do homem primitivo. Tal relação acabou intitulando várias épocas de nossa civilização: a Idade da Pedra, a do Bronze e a do Ferro. E de uma maneira mais abrangente se pensarmos no gelo como material, o mesmo deu nome para uma das eras mais importante que foi a “Era do Gelo”. Os primeiros homens tiveram acesso a apenas um número bem limitado de materiais, aqueles encontrados na natureza de forma superficial como: madeira, argila, peles e outros. Com o tempo, eles descobriram técnicas para a produção de materiais que tinham propriedades superiores àquelas dos materiais naturais (superficiais); esses novos materiais incluíam as cerâmicas e vários metais. Além disso, foi descoberto que as propriedades dos materiais podiam ser alteradas através de tratamentos térmicos e pela adição de outros materiais. Ocorrendo de formas naturais ou produzidos pelo homem, os materiais têm se tornado parte integrante de nossa vida. É indubitavelmente a matériaprima de trabalho de nossa sociedade; desempenhando uma função crucial não somente em nosso desenvolvimento natural de vida, mas também no bem estar e na segurança de nações. Como prova há o desenvolvimento de muitas tecnologias que tornam nossa existência tão confortável. E tal desenvolvimento esta ligado diretamente ao acesso a materiais adequados. Mas o que são materiais? Caso você faça essa pergunta para um químico, ele ira dizer que: “materiais são uma parte da matéria no universo ou, de forma mais específica, são as substâncias cujas propriedades as tornam utilizáveis em estruturas, dispositivos ou produtos 1. pedra e vários conjugados. moléculas e íons usaremos o termo “estrutura atômica”. fibras. E ainda há aquelas estruturas que podemos ver a olho nu. moléculas e íons para assim podermos produzir e usar materiais de forma cada vez mais especifica. borracha e etc. polímeros (plásticos). cerâmicos.2 Ciências e Engenharia de Materiais Didaticamente existe uma divisão na disciplina ciência e engenharia de materiais nas submateriais ciência de materiais e engenharia de materiais. Por exemplo.consumíveis. Cada engenheiro ou cientista aplicado (civil. Nossos esforços estarão concentrados em entender esses arranjos tridimensionais de átomos. condutividade elétrica e/ou térmica. dispor de uma base firme e generalista sobre os princípios que regem as propriedades de todos os materiais. mas capaz de resistir à deformação sob impacto. Um dos princípios de maior valor é que as propriedades de um . Em resumo estrutura significa arranjo dos seus componentes internos. semicondutores. vidros. sejam eles átomos. o projetista precisa levar em conta propriedades tais como resistência mecânica. Quando nos referirmos a átomos. aproximadamente. moléculas e microestruturas. mas tem que ser suficientemente tenaz para suportar o uso pesado. Aos interessados cabe. o aço para mecanismos de transmissão deve ser facilmente usinado em produção. Como exemplo pode citar vários materiais: metais. 2. íons ou moléculas. o engenheiro precisa ter um íntimo conhecimento das propriedades e características de comportamento dos materiais que ele se propõe a usar. em cristais. areia. é que algumas características microscópicas próprias do material irão definir suas propriedades macroscópicas. É impossível para um cientista ou engenheiros ter um conhecimento detalhado dos vários milhares de materiais atualmente disponíveis. No caso de estruturas formadas com aglomerados de átomos e que podem ser vistas por observação direta com o auxílio de microscópios usaremos o termo “estrutura microscópico”. plástico. Considere por um instante a variedade de materiais usados na fabricação de um automóvel: ferro. Em que se baseia a seleção do material necessário para a fabricação de uma peça específica? Figura 1 – Foto de um motor de automóvel mostrando em detalhes as diferentes peças constituídas de diferentes materiais. vidro. O que podemos deduzir até aqui. que nesse caso serão referenciadas como “estruturas macroscópicas”. Para somente o aço há. E os fios elétricos precisam ter a capacidade de suportar os extremos de temperatura. Quer o produto seja uma ponte. Os paráchoques precisam ser feitos de um metal que possa ser facilmente conformado. Essas características microscópicas próprias de cada material são estudadas por meio de esquemas geométricos chamados genericamente de estruturas. pelo menos. As estruturas internas dos materiais não são plenamente definidas somente especificando quais são os átomos presentes. um computador ou um reator nuclear. densidade e outras. É preciso também especificar o modo como estes se associam com seus vizinhos.000 variedades ou modificações. tanto quanto manterse completamente informado de todos os novos desenvolvimentos em materiais. Ao fazer uma escolha. elétrico ou ambiental) está vitalmente relacionado com os materiais disponíveis para uso. madeira. aço. a interrelação entre propriedades e desempenho também está mostrado na Figura 2. Para cada uma dessas categorias existe um tipo característico de estímulo que é capaz de provocar diferentes respostas. enquanto materiais muito macios como o chumbo podem empenar lâminas de serra. isto é. dois outros componentes importantes estão envolvidos na ciência e engenharia de materiais. Em termos práticos seria a resposta que um dado material produz quando submetido a estímulos externos. frágeis. Materiais extremamente endurecidos destroem imediatamente ferramentas cortantes. esses materiais são relativamente rígidos. usinando ou forjando. magnética. Esse esquema está baseado principalmente na composição química e na estrutura atômica. Assim. Adicionalmente. cobre. existem os compósitos. Claro que as propriedades são importantes para um processamento fácil. são relativamente densos. Da mesma forma materiais muito resistentes não se habilitam a deformações plásticas. o estímulo é um campo elétrico. Geralmente as definições de propriedades são elaboradas independentemente da forma e do tamanho do material. O engenheiro de produção. Os exemplos incluem o modulo de elasticidade e a resistência. Em relação às características mecânicas. os biomateriais e os materiais nanoengenheirados. Já as propriedades deteriorativas se relacionam à reatividade química dos materiais. Os metais são um grupo de grande importância em termos de aplicações estruturas. que são usados em aplicações de alta tecnologia. carbono. o desempenho do material será uma função de suas propriedades. tal qual o projetista.3 – Classificação dos materiais Os materiais sólidos foram agrupados convenientemente em três classificações básicas: metais. os semicondutores. mas os técnicos em eletrônica devem entender dos circuitos internos se desejarem consertar um televisor eficientemente. Além disso. Os átomos nos metais e nas ligas estão arranjados de uma maneira muito ordenada e em comparação às cerâmicas e aos polímeros. Observem na Figura 2 as interdependências entre os quatro componentes já mencionados no texto.material originamse na sua estrutura interna. precisa conhecer as características de cada elemento do produto se estiver envolvido com o projeto ou com a melhoria de desempenho de um produto final. Propriedade de um dado material pode ser definida em termos do tipo e da magnitude de sua resposta a um estímulo específico que lhe é imposto. resistentes à fratura e ainda assim são . elétrica. que constituem em combinações de duas ou mais das três classes básicas de materiais aqui citadas. também por elementos não metálicos (por exemplo. tais como a condutividade elétrica e a constante dielétrica. 1. óptica e deteriorativa. principalmente se também forem não dúcteis. PROCESSAMENTO ESTRUTURA PROPRIEDADES DESEMPENHO Figura 2 – Esquema ilustrativo da relação entre os componentes básicos em ciências de materiais. embora existam alguns materiais intermediários. As etapas de um processamento mais familiar simplesmente mudam a forma da matéria. É composto por elementos metálicos ligados por ligação metálica (tais como ferro. Sendo imprescindível hoje essa avaliação para qualquer licenciamento ambiental. seria proibitivamente caro produzir chapa metálica para a maioria dos párachoques de carro com alguma coisa que não fosse o mais macio dos aços. As propriedades mecânicas relacionam a deformação a uma carga ou força aplicada. alumínio. nitrogênio e oxigênio) em quantidades relativamente pequenas. Geralmente todas as propriedades importantes dos materiais sólidos podem ser agrupadas em cinco categorias diferentes: mecânica. cerâmicas e polímeros. Os materiais precisam ser processados para atingir as especificações que o engenheiro requer para o produto projetado. Além da estrutura e das propriedades. Qualquer um pode girar botões. Da mesma forma quando se dá a instalação de uma indústria em uma determinada área florestal é papel do engenheiro ambiental selecionar materiais cujos elementos tenham propriedades que agridam menos o ambiente. titânio. Outra classe é a dos materiais avançados. Para as propriedades elétricas. ouro e níquel) e com frequência. e a maioria dos materiais se enquadra dentro de um ou de outro grupo. que são: “processamento e desempenho”. como por exemplo. a estrutura do material irá depender da maneira como ele é processado. Por exemplo. discos abrasivos e outras ferramentas. como exemplo o cimento e o vidro. Os materiais metálicos possuem grande número de elétrons não localizados. Co e Ni. muitas vezes a sua rigidez e resistência em relação à sua massa são comparáveis a dos metais e das cerâmicas. eles possuem estruturas moleculares muito grandes. eles possuem baixas condutividades elétricas e não são magnéticos. eles são relativamente inertes quimicamente e nãoreativos em diversos ambientes. o poliestireno (PS) e a borracha de silicone. com frequência na forma de cadeia que possuem átomos de carbono como a sua espinha dorsal. na maioria das vezes. Muitos deles são compostos orgânicos quimicamente baseados no carbono. Além disso. E ainda temos as chamadas cerâmicas tradicionais que são aquelas compostas por minerais argilosos. alguns metais possuem propriedades magnéticas desejáveis. os materiais cerâmicos são relativamente rígidos e resistentes. Por exemplo. alguns dos materiais cerâmicos comuns incluem o óxido de alumínio (Al2O3). Muitas das propriedades dos metais podem ser atribuídas diretamente a esses elétrons. o policarbonato (PC). [ CH2 CH2 OH ]n [ CH CH2 ]n . Adicionalmente as cerâmicas são tipicamente muito duras. Entretanto elas são extremamente frágeis (ausência de ductibilidade) e altamente suscetíveis à fratura. em algumas situações. enquanto as suas características mecânicas são em geral. baseado em sua densidade reduzida. Adicionalmente. Uma das maiores desvantagens dos polímeros é a sua tendência em amolecer e/ou decompor em temperaturas modestas. Alguns dos polímeros comuns e familiares são o polietileno (PE). Por exemplo. elas consistem em óxidos. Além disso. metais são bons condutores de eletricidade e de calor e não são transparentes à luz visível. Em relação ao comportamento mecânico. diferentes das características exibidas pelos materiais metálicos e cerâmicos. no hidrogênio e em outros elementos nãometálicos (como N. Em geral. como exemplo Fe. Os polímeros incluem os familiares materiais plásticos e borrachas. o que.dúcteis. muitos polímeros são extremamente dúcteis e flexíveis. Entretanto. esses materiais possuem baixas densidades. A Figura 3 mostra vários objetos cerâmicos usados na construção civil. Uma superfície metálica polida possui uma aparência brilhosa. Por exemplo. limita o seu uso. o carbeto de silício (SiC) e outros. (a rigidez e a resistência são comparáveis àquelas dos metais. O e Si). A ductibilidade é a capacidade de grandes deformações sem sofrer fratura. Adicionalmente. o cloreto de polivilina (PVC). Figura 3 – materiais cerâmicos usados na construção civil. como o plástico. translúcidas ou opacas e algumas à base de óxidos (exemplo Fe3O4) exibem comportamento magnético. nitretos e carbetos. eles não são tão rígidos nem tão resistentes como os metais e cerâmicas. Em relação às suas características ópticas as cerâmicas podem ser transparentes. Tipicamente. Esses materiais são tipicamente isolantes à passagem de calor e eletricidade e são mais resistentes a altas temperaturas e a ambientes severos do que os metais e os polímeros. o náilon. o que significa que eles podem ser facilmente conformados em forma complexas. dióxido de silício (SiO2). As cerâmicas são compostos geralmente formados entre elementos metálicos e não metálicos por meio de ligações iônicas. Adicionalmente. cerâmicas e polímeros) e são. As fibras de vidro são relativamente resistentes e rígidas. ele possui uma baixa densidade. Adicionalmente. 1. o compósito com fibra de vidro resultante é relativamente rígido. a maioria daqueles materiais considerados nas nossas discussões referese a compósitos sintéticos ou artificiais (produzidos pelo homem). polivinil e o poliacrilamina respectivamente. para serem usados nos componentes dos motores. Por alta tecnologia subentendemos um dispositivo ou produto que opera ou que funciona utilizando os princípios relativamente intrincados e sofisticados. Os materiais avançados incluem os semicondutores. ainda existem desafios tecnológicos. Tipicamente. flexível e dúctil.NH2 C O [ CH CH2 ]n Figura 4 – Fórmula estrutural condensada de três polímeros comuns na área de materiais: polietileno. também. esses materiais avançados são materiais tradicionais cujas propriedades foram aprimoradas. alguns materiais de ocorrência natural também são considerados materiais compósitos. são materiais de alto desempenho desenvolvidos recentemente. Além disso. espaçonaves e aeronaves. Dessa forma. eles podem pertencer a todos os tipos de materiais (tais como metais. A meta de projeto de um compósito consiste em se atingir uma combinação de propriedades que não é exibida por qualquer material isolado e. alguns exemplos incluem os equipamentos eletrônicos (câmeras de vídeo e CD players). incorporarem as melhores características de cada um dos materiais componentes. Para assegurar que essa tecnologia seja viável. resistente. computadores. A redução no peso dos veículos de transporte (automóveis. Dessa forma. . é apropriado fazer alguns comentários sobre essas questões a fim de tornar a perspectiva mais clara. assim como considerações sobre o impacto ambiental causado pela produção de materiais. então. cerâmicas e polímeros. 1. Contudo. aeronaves. Um compósito é formado por dois ou mais materiais individuais. Existem vários tipos de compósitos. enquanto o polímero é dúctil (mas também fraco e flexível). a conversão direta de energia solar em energia elétrica foi demonstrada e as células solares empregam alguns materiais razoavelmente caros e complexos. Além disso. os quais são representados por diferentes combinações de metais. devem ser desenvolvidos materiais altamente eficientes nesses processos de conversão. desempenhar um papel importante nesses desenvolvimentos. sem dúvida alguma. existe uma necessidade reconhecida de se encontrar fontes de energia novas e econômicas e de se usar as fontes de energia atuais de uma maneira mais eficiente. sistemas de fibras ópticas. a madeira e o osso. incluindo o desenvolvimento de materiais ainda mais sofisticados e especializados. os biomateriais e o que nós podemos chamar de “materiais do futuro” (conhecidos também como materiais inteligentes ou nanoengenheirados). ou. Novos materiais estruturais de alta resistência e baixa densidade ainda precisam ser desenvolvidos. Um dos compósitos mais comuns e familiares é o que usa fibra de vidro embutida no interior de um material polimérico. Os materiais irão. como por exemplo.5 – Necessidade de materiais modernos Apesar do tremendo progresso que tem sido obtido ao longo dos últimos anos na disciplina da ciência e engenharia dos materiais. de alto custo.4 – Materiais avançados Os materiais que são utilizados em aplicações de alta tecnologia (hightech) são algumas vezes chamados de materiais avançados. cerâmicas e polímeros. assim como o aumento das temperaturas de operação dos motores irá melhorar a eficiência dos combustíveis. Quantidades significativas de energia estão envolvidas nos transportes. os quais se enquadram dentro das categorias dos metais. em geral. trens e etc). mas que sejam baratos. Por exemplo. bem como materiais com recursos para trabalhar sob temperaturas mais elevadas. 7) Na construção de casas e edifícios por que não são feitas paredes metálicas em vez de outros materiais? 8) Cite um exemplo onde o processamento virá depois do desempenho na ordem dos componentes de utilização de um material. 2 – Questionário – 2 horas 1) Quais são as principais classes de materiais e em termos de estrutura quais são as diferenças entre eles? 2) Qual a diferença conceitual entre processamento e propriedade? 3) A civilização primitiva experimentou um certo desenvolvimento tecnológico quando começou a usar quais tipos de materiais e quais técnicas? 4) Na escolha de materiais quais são as propriedades que precisar se consideradas? 5) O que define as propriedades que um dado material irá exibir? 6) Defina o que são metais? Caracterizeo em termos de sua estrutura microscópica e dê exemplos. de modo que produzam uma menor degradação do meio ambiente. entre eles o polímero. que possui vantagens de não ser poluente. as necessidades e desejos da sociedade. Justifique sua resposta. a fim de incorporálos num projeto seguro. W. em alguns processos de fabricação são produzidas substâncias tóxicas e o impacto ecológico causado pelo descarte dessas substâncias configura em um dos principais problemas ambientais. o processamento de materiais e os métodos de refino precisam ser melhorados. As técnicas de controle da poluição empregam vários materiais. até certo ponto. 9) A tecnologia satisfaz.A célula combustível de hidrogênio é outra tecnologia atrativa e factível para a conversão de energia. D. Avaliação Escreva uma pequena dissertação (aproximadamente 15 linhas) sobre a importância dos novos materiais na sua área de atuação. menos poluição e menor destruição do terreno decorrentes da mineração das matériasprimas. Referências: CALLISTER. confiável e compatível com o bem estar de cada um. 7ª edição. . 2008. envolvendo a seleção de materiais com características favoráveis. Ela está apenas começando a ser implementada em baterias para dispositivos eletrônicos e promete ser a fonte de energia para automóveis. CALLISTER. também. Adicionalmente. Além disso. 10) Na fibra óptica são usados alguns materiais. isto é. para a utilização de melhores catalisadores na produção de hidrogênio. Além disso. Novos materiais ainda precisam ser desenvolvidos para a fabricação de células combustíveis mais eficientes e. Responder às questões propostas. Editora LTC. Qual a razão para usá lo tendo em vista que são materiais pouco resistentes. a qualidade do meio ambiente depende da nossa habilidade em controlar a poluição do ar e da água. Rio de Janeiro. Enumere o máximo dessas “características favoráveis” em um projeto. Ciência e Engenharia dos Materiais: Uma Introdução. 2006. . ASKELAND. Ciência e Engenharia dos Materiais. 2ª edição. J. 2008. D.W. P. Ciência dos Materiais. D. PHULE. R. 6ª edição. 2008 SHACKELFORD.. Editora Prentice Hall Brasil. Editora Cengage. P. Editora LTC. F. Fundamentos da Ciência e Engenharia de Materiais. 1ª edição.