Aula 01 classificação dos materiais

Classificação dos Materiais
Callister cap.1

ETM 201 Materiais de Construção Mecânica
Ciência e Engenharia de Materiais
┐ Ciência de materiais:
┐ Investigação das relações existentes entre as estruturas e as
propriedades dos materiais
┐ Desenvolvimento ou sintetização de novos materiais
┐ Engenharia de materiais:
┐ Projeto ou engenharia da estrutura de um material com um conjunto
pré-determinado de propriedades, tendo como base a ciência dos
materiais
┐ Criação de novos produtos ou sistemas usando materiais existentes
┐ Desenvolvimento de técnicas para o processamento dos materiais

Abordagens didáticas em materiais
3
Átomo
Estrutura
cristalina
Imperfeições
cristalinas
Diagramas de equilíbrio
Microestrutura
Propriedades
dos materiais
Projeto de engenharia
Abordagem clássica
Ciência dos materiais

ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 4
Evolução histórica dos materiais
┐ “O grau de desenvolvimento de uma civilização está
relacionado com a sua capacidade de processar
determinados materiais”
┐ São exemplos:
┐ Idade da pedra, Idade do Bronze e Idade do Ferro, Era
espacial, materiais avançados.

┐ Primeiros seres humanos utilizavam materiais naturais:
┐ Pedra
┐ Madeira
┐ Pele
┐ Ao longo do tempo:
┐ Técnicas para melhorar os materiais ou produzir materiais
com propriedades superiores:
┐ Cerâmica
┐ Metais
┐ Ligas
┐ Tratamentos térmicos
┐ Adições
Desenvolvimento
tecnológico associado
ao acesso a materiais
adequados

┐ Por volta de 1930 temos a introdução do
conceito de ciência dos materiais em que
há uma fundamentação científica para o
desenvolvimento de materiais
especificamente projetados para uma
função.
┐ Exemplo clássico: insertos de metal duro
para usinagem

Tempo
Númerodemateriaisdisponíveis
DISPONIBILIDADE PROJETO DE MATERIAIS
Exemplos:
Pedra
Madeira
Couro e peles
Cobre nativo
Bronzes
Ferro
Ferro fundido
Aços
Exemplos:
Metal duro
“Fiberglass”
Kevlar ®
Fibra de carbono
Superligas
Cerâmicas avançadas
superímas
etc...
7000 AC ~1930
Metal duro

┐ Microestrutura do metal
duro
┐ TiC - 2470 HV
┐ WC - 1880 HV
┐ Co ~250 HV
A concepção do metal duro marca o início de
uma nova filosofia na área de materiais: Por
meio da Ciência dos Materiais foi possível
“projetar” novos materiais.

Correlação microestrutura-
propriedades
┐ Relação entre composição, microestrutura e propriedades
mecânicas
Micro e
macroestrutura
Propriedades
mecânicas
Composição
química
Composição
química

Composição química
┐ A composição química são os
elementos que compõe o
material. São exemplos:
┐ Aço: liga à base de Fe contendo até
2% de C.
┐ Alumínio: ligas à base de Al contendo
Si, Cu, Mg e Zn como elementos de
liga.
┐ Polietileno: cadeias poliméricas de
C2H4 (base é C e H).
┐ Alumina: cerâmica composta por
Al2O3.

Micro e
macroestrutura
11
propriedades
mecânicas
Micro e
macroestrutura
Propriedades
mecânicas
Composição
química

Microestrutura
┐ Consiste na forma com que as fases (cristais ou cadeias poliméricas) estão
arranjadas na microestrutura e macroestrutura. Exemplo: roda em liga Al-
Si (A356).
10 x 500 x
Si Al
Macroestrutura Microestrutura
grãos

Propriedades
mecânicas
13
propriedades
mecânicas
Micro e
macroestrutura
Propriedades
mecânicas
Composição
química

Propriedades mecânicas
┐ O senso comum leva a duas propriedades importantes
em um material:
Resistência Ductilidade
Capacidade de resistir a ação
de uma força
Capacidade de se deformar
plasticamente sob a ação de
uma força

Metais Cerâmicas
Polímeros Compósitos
Madeira Concreto

Classe do
material
Tipo de ligação
predominante
Exemplos Propriedades associadas
Metais Metálica Aços; ligas de
cobre; ligas de
alumínio
Amplo espectro de temperaturas
de fusão e rigidez;
Condutores;
Opacos
Cerâmicas Covalente e
Iônica
Alumina,
zircônia, vidros,
cimento
Elevadas temperaturas de fusão;
Elevada rigidez; Quebradiços;
Isolantes; Transparentes ou
translúcidos
Polímeros Covalente e
Van der Waals
PE; PP; PVC;
silicone
Baixas “temperaturas de fusão”;
Transparentes ou translúcidos;
Flexíveis; Baixa densidade
Compósitos * Concreto,
polímero
reforçado com
fibra (vidro,
vegetal)
Combinação das melhores
propriedades de cada
componente
* combinação de dois ou mais materiais de classes distintas

Apresentação de exemplos de
alguns materiais avançados

Exemplos para discussão
┐ Alguns exemplos de materiais “projetados”:
┐ metal duro (~1930);
┐ alumina translúcida para lâmpadas de vapor de Na;
compósitos de “Fiberglass” (~1950);
┐ compósitos de fibra de carbono;
┐ compósitos de Kevlar® (~1964);
┐ superligas a base de Ni resistentes ao calor;
┐ imãs de alto poder magnético (Nd-Fe-B);
┐ ligas com memória de forma (nitinol) e
┐ materiais biocompatíveis.

Alumina translúcida para lâmpadas de
vapor de Na
┐ São tubos translúcidos empregados em
lâmpadas de vapor de sódio.
┐ Comparativo:
┐ Filamento de tungstênio (lâmpada
incandescente) : 15 lumen/W
┐ Vapor de Na : 100 lumen/W
LED moderna: 140 – 170 lumen/W

vapor de Na
┐ A alumina convencional é
opaca (branca) devido a
presença de
microporosidades (<0,3%) e
grãos grosseiros.
┐ A temperatura de fusão (TM)
da alumina é: 2050°C.

vapor de Na
┐ A alumina translúcida
apresenta uma fração de
microporosidades inferior a
0,03% e grãos refinados.
┐ Isso é obtido por meio de
alterações no processo de
fabricação e resulta em um
aumento de “transparência”
do material.

Superligas à base de Ni
┐ As superligas são ligas metálicas à base de Ni, destinadas a aplicações
envolvendo altas temperaturas em conjunto com atmosferas
agressivas.

Superliga IN792
┐ A microestrutura das
superligas à base de
níquel apresenta uma
dispersão de
precipitados (’)
cubóides (70% em
volume) de Ni3Al ou
Ni3Ti.
┐ A matriz é de Ni
endurecida por solução
sólida por Co, W e Cr.
Superligas à base de Ni
23

┐ São ímãs permanentes de
elevado produto energético
(BHmax).
┐ São empregados em
motores elétricos
miniaturizados.
24
Superímãs de Nd-Fe-B

┐ Materiais diamagnéticos: são
repelidos por campos magnéticos
(1,8 T em 1 g de água gera força
de repulsão de 0,022 gf).
┐ Materiais paramagnéticos: são
fracamente atraídos por campos
magnéticos (1,8 T em 1 g Al gera
força de atração de 0,017 gf).
┐ Materiais ferromagnéticos: são
fortemente atraídos por campo
magnético (1,8 T em 1 g Fe gera
força de atração de 400 gf).

┐ Exemplos de tamanho
(volume) de ímãs
permanentes para um
mesmo produto energético
BHmax.
┐ Os ímãs de Sm-Co e Nd-Fe-B
permitiram a miniaturização
de motores elétricos e alto-
falantes.
26

Ligas biocompatíveis
┐ Algumas ligas metálicas não
provocam reações no interior
do corpo humano.
┐ Esta característica é
denominada biocompatilidade.

Ligas com memória de forma
┐ São ligas do sistema Ni-Ti
capazes de, após deformadas,
voltar a forma original com o
aquecimento por meio de
uma transformação
martensítica.
Experimento com liga com memória de forma

Materiais compósitos
┐ Os exemplos mais comuns são os laminados que empregam
camadas de tecido (fibras de reforço) aglomeradas por uma
resina polimérica.
┐ São exemplos:
┐ Fiberglass
┐ Compósitos de Kevlar® (aramida)
┐ Compósitos de carbono

Kevlar®
┐ São materiais compósitos
elaborados a partir de fibra
de aramida aglomerada com
resina epoxy.

Fibra de carbono
┐ A fibra de carbono é, em síntese, um compósito contendo fibras
de carbono (grafita e amorfo) aglomeradas com uma resina de
elevada resistência (normalmente epoxy). Atualmente os
compósitos de fibra de carbono (CFRP) são os materiais com a
maior relação resistência/peso.
Construção em compósito
carbono-epoxi

5%
20%
Materiais compósitos

Referências complementares
1) Shackelford, J. F. INTRODUCTION TO MATERIALS SCIENCE FOR ENGINEERS Prentice Hall
4th edition 1996
2) Newey, C. ; Wever, G. MATERIALS PRINCIPLES AND PRACTICE Materials in action series
The Open University Butherworths 1990
3) Smith, W. F. PRINCÍPIOS DE CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS McGraw-Hill
Terceira edição 1998
4) Campos Filho, M. P. A ESTRUTURA DOS MATERIAIS Editora da Unicamp 1991
5) Carvalho, G. C. ; Lembo, A. Teixeira Jr. H. M. ATOMÍSTICA livro 29 Sistema Anglo de ensino
6) Hull, D.; Bacon, D. J. INTRODUCTION TO DILOCATIONS Butterworth-Heinemann 2001
7) Phillips, R. Crystal, defects and microstructures: Modelling across scaling Cambridge
University Press 2001

Referências complementares
8) The Making, Shaping and Treatmet of steel USS
9) Porter, D.; Easterling, K. PHASE TRANSFORMATIONS IN METALS AND ALLOYS CRC Press.
ASM Handbook v. 4 Heat Treatment
10) Tschiptschin, A. P. ; Goldenstein, H. ; Sinatora, A. Metalografia dos aços Curso da ABM
1988
11) Thelning K. E. Steel and its heat treatement 2nd edition 1984
12) Heat Treater´s Guide ASM International
13) Santos, A. B. S.; Branco, C. H. C METALURGIA DOS FERROS FUNDIDOS CINZENTOS E
NODULARES Instituto de Pesquisas Tecnológicas IPT 1977
14) ASM Specialty Handbook Aluminum and aluminum alloys ASM International 1993
15) ASM Handbook v. 11 Failure analysis and prevention 10th edition
16) ASM Handbook v.12 Fractography 10th edition

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