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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 ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 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. ETM 201 Materiais de Construção Mecânica Evolução histórica dos materiais ┐ 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 ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 6 ┐ 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 Evolução histórica dos materiais ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 7 Tempo N ú m er o d e m at er ia is d is p o n ív ei s 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 Evolução histórica dos materiais ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 8 ┐ Microestrutura do metal duro ┐ TiC - 2470 HV ┐ WC - 1880 HV ┐ Co ~250 HV Evolução histórica dos materiais 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. ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 9 Correlação microestrutura- propriedades ┐ Relação entre composição, microestrutura e propriedades mecânicas Micro e macroestrutura Propriedades mecânicas Composição química Composição química ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 10 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. ETM 201 Materiais de Construção Mecânica Micro e macroestrutura 11 Correlação microestrutura- propriedades ┐ Relação entre composição, microestrutura e propriedades mecânicas Micro e macroestrutura Propriedades mecânicas Composição química ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 12 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 ETM 201 Materiais de Construção Mecânica Propriedades mecânicas 13 Correlação microestrutura- propriedades ┐ Relação entre composição, microestrutura e propriedades mecânicas Micro e macroestrutura Propriedades mecânicas Composição química ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 14 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 ETM 201 Materiais de Construção Mecânica Classificação dos Materiais Metais Cerâmicas Polímeros Compósitos Madeira Concreto ETM 201 Materiais de Construção Mecânica Classificação dos Materiais 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 ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 18 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. ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 19 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 ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 20 Alumina translúcida para lâmpadas de 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. ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 21 Alumina translúcida para lâmpadas de 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. ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 22 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. ETM 201 Materiais de Construção Mecânica Superliga IN792 ┐ A microestrutura das superligas à base de níquel apresenta uma dispersão de precipitados (’) cubóides (70% em volume) de Ni3Al ou Ni3Ti.
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