Ciência dos Materiais - Inserir Descrição - Docsity
luis-fernando-paulista-cotian-11 17 de Novembro de 2008
Ciência dos Materiais, Notas de estudo de Engenharia de Produção
1. INTRODUÇÃO Á CIÊNCIA DOS MATERIAIS 1.1. Generalidades No desenvolvimento dos projetos, os engenheiros precisam ter um íntimo conhecimento das propriedades, características e comportamento dos materiais que eles se propõem a usar, quaisquer que sejam os materiais (ferro, aço, vidro, plásticos, borracha, etc) presentes em quaisquer produtos (ponte, computador, veículo espacial, marca-passo, reator, sistema de exaustão, equipamento de linha de produção, etc). Cada produto deve ser apto à utilização proposta (resistência ao calor, ao impacto, a cargas dinâmicas, etc). Devem ser conhecidas as estruturas internas dos materiais, para o entendimento do funcionamento dos materiais sob fenômenos físicos, bem como para o desenvolvimento de novos materiais a partir dos já existentes. O processamento pode mudar as propriedades dos materiais (alta amplitude térmica, p. ex.) ou não mudar (dobragem de ferro e chapas metálicas, p. ex.). O produto deve satisfazer as exigências de projeto (resistência, dureza, condutividade, densidade, cor, etc), na verificação do comportamento em serviço. Deve-se sempre buscar conhecer as vantagens, limitações e propriedades dos materiais, com o intuito de: Proporcionar resistência aos esforços solicitantes Conhecer as curvas tensão-deformação Diminuir o custo do projeto Prevenir-se da falta de materiais Estabelecer padrões mínimos de qualidade Acompanhar o desenvolvimento tecnológico Garantir melhor acabamento e durabilidade do produto
1.2. Tipos de materiais: • Naturais Minerais (inorgânicos): não houve vida no processo de formação – rochas, areias,
argilas, etc Orgânicos: houve vida no processo de formação – madeira, borracha (veio do
petróleo), etc; • Artificiais Metais: ferrosos e não ferrosos Não metais:
Cerâmica: convencional e avançada (técnica ou fina) Vidro: materiais silicosos
Polímeros (plásticos): Termoplásticos (após aquecimento as deformações retornam), elastômeros (têm boa capacidade de alongamento) e termo-rígidos (não se deforma sob altas temperaturas)
Metais não-ferrosos: são todos os metais, com exceção do ferro e do aço, empregados na construção mecânica (cobre; estanho; zinco; chumbo; platina; alumínio; magnésio; titânio). Possuem os mais diversos empregos, pois podem substituir materiais ferrosos em várias aplicações e nem sempre podem ser substituídos pelos ferrosos. Cerâmica avançada engloba uma classe de "novas" cerâmicas, onde as matérias primas são artificiais. Há um grande controle do processo e, principalmente, um forte controle da microestrutura. Ex. cerâmicas de alta resistência, baixa condutividade térmica, baixo peso específico, etc, para uso em motores, fuselagens de naves espaciais, etc.. 1.3 Pontos comuns para o desenvolvimento dos materiais: • Técnico: busca de desempenho de um componente; • Sustentabilidade: busca da não agressão ao meio ambiente; • Cultural: adequação do produto às características regionais, como modelo, forma,
etc; • Econômico: baixa relação custo benefício - eficiência; • Estratégico: existência de reservas de minério – diferentes disponibilidades podem
gerar composições diferentes para a obtenção de um mesmo produto. Ex. aço com maior ou menor teor de carbono pode ficar mais ou menos dúctil;
• Estruturas internas: diretamente relacionadas com as propriedades e características dos materiais: Estrutura atômica: composição do átomo e interação entre prótons, elétrons e
neutros; Estrutura molecular: uma molécula é um agrupamento de átomos, ligados
pelas forças interatômicas; Estrutura cristalina: arranjo ordenado de átomos que se repetem
indefinidamente no espaço; Estrutura amorfa: arranjo desordenado dos átomos, não existindo uma
repetição cristalina; Estrutura mista: parte é cristalina e parte é amorfa.
1.4. Ligações atômicas Iônica: muito forte – átomos com cargas opostas se atraem, tornando-se íons através
da troca de elétrons; Covalente: muito forte – compartilhamento de elétrons entre dois átomos; Metálica (tipo de covalente): forte – nuvem eletrônica de elétrons livres nos metais; Van der Waals (secundária): fraca – pontes de hidrogênio
1.5. Propriedades importantes no estudo dos materiais
• Porosidade: matéria descontínua em um corpo; • Dureza: capacidade de resistência a riscos ou à penetração; • Tenacidade: capacidade de resistência a choques mecânicos (relacionada
com a energia perdida durante o choque);
• Plasticidade: capacidade de deformação após ultrapassar o estado elástico,
sem romper (deformação permanente);
• Ductibilidade: capacidade de maior ou menor deformação antes de romper
(quanto maior a capacidade de formação, mais dúctil é o material)
• Propriedades térmicas: capacidade térmica, condutividade e dilatação
• Propriedades elétricas: condutividade e resistividade Obs.: As análises, levando em conta as propriedades, devem ser qualitativas e quantitativas. Pelos gráficos expressa-se as amplitudes deformacionais, p. ex., de materiais sujeitos a diferentes fenômenos físicos, devidas às suas propriedades internas.
Peso específico: m p
=γ peso em relação à massa
Massa Específica: V m
=ρ massa em relação ao volume
Densidade: água
corpod µ µ
= água destilada a C no vácuo o4
Deformação específica: L L∆
=ε variação da dimensão em relação à dimensão
inicial 1.7. Materiais e suas estruturas Ligação Arranjo Propriedades Metais Metálica1 Cristalino2 Alta condutibilidade elétrica1, alta
dureza2, alta resistência ao desgaste2, alto ponto de fusão e dúctil1
Polímeros Cov/Iônica6/ Secundária7
Crist/Amorf Baixa condutibilidade elétrica6 e baixo ponto de fusão7
Compósitos Suas propriedades dependem de quais materiais são usados.
Baixa solubilidade (não ocorre precipitação de fases), alta dureza, resistência ao desgaste, alto ponto de fusão, pode ser frágil ou dúctil.
Metais: Ligação metálica (ligação forte)– alta condutibilidade elétrica, propriedades plásticas (ductilidade), alto ponto de fusão Arranjo cristalino – alta dureza, alta resistência ao desgaste. Ponto crítico: defeitos no arranjo cristalino (diminui a resistência nos metais) Cerâmicas: Ligação covalente e/ou iônica (ligação muito forte): baixa condutibilidade elétrica, alto ponto de fusão
Arranjo cristalino e amorfo: alta dureza (cristalino), alta resistência ao desgaste (cristalino), frágil. Ponto crítico: excessiva fragilidade devida à alta dureza Polímeros: Ligações covalentes, iônicas e secundárias: baixa condutibilidade elétrica, baixo ponto de fusão (secundárias) Arranjo cristalino e amorfo: Ponto crítico: ligações secundárias (baixo ponto de fusão) Exemplos: Orgânicos artificiais (com carbono): policloreto de vinila (PVC), nylon, borracha artificail (petróleo) Orgânicos naturais: celulose, borracha natural (latex)