CIÊNCIAS DOS MATERIAIS.pdf

March 27, 2018 | Author: Johnatas Felipe | Category: Composite Material, Metals, Polymers, Engineering, Electricity


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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.
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