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AULA ESTRUTURADA 1 – Disciplina: Introdução à Ciência e Engenharia de Materiais 

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: Espera-se 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 Atividade de de Aprendizag Aprendizagem em Orientada 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 matéria-prima 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

consumíveis. Como exemplo pode citar vários materiais: metais, cerâmicos, semicondutores, polímeros (plásticos), vidros, fibras, madeira, areia, pedra e vários conjugados. 1.2 - 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 . Cada engenheiro ou cientista aplicado (civil, elétrico ou ambiental) está vitalmente relacionado com os materiais disponíveis para uso. Quer o produto seja uma ponte, um computador ou um reator nuclear, o engenheiro precisa ter um íntimo conhecimento das propriedades e características de comportamento dos materiais que ele se propõe a usar. Considere por um instante a variedade de materiais usados na fabricação de um automóvel: ferro, aço, vidro, plástico, borracha e etc. Para somente o aço há, aproximadamente, 2.000 variedades ou modificações. 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.  Ao fazer uma escolha, o projetista precisa levar em conta propriedades tais como resistência mecânica, condutividade elétrica e/ou térmica, densidade e outras. Por exemplo, o aço para mecanismos de transmissão deve ser facilmente usinado em produção, mas tem que ser suficientemente tenaz para suportar o uso pesado. Os pará-choques precisam ser feitos de um metal que possa ser facilmente conformado, mas capaz de resistir à deformação sob impacto. E os fios elétricos precisam ter a capacidade de suportar os extremos de temperatura. O que podemos deduzir até aqui, é que algumas características microscópicas próprias do material irão definir suas propriedades macroscópicas. Essas características microscópicas próprias de cada material são estudadas por meio de esquemas geométricos chamados genericamente de estruturas . Em resumo estrutura significa arranjo dos seus componentes internos, sejam eles átomos, íons ou moléculas. Quando nos referirmos a átomos, moléculas e íons usaremos o termo “estrutura atômica”. 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”. E ainda há aquelas estruturas que podemos ver a olho nu, que nesse caso serão referenciadas como “estruturas macroscópicas”.  As estruturas internas   dos materiais não são plenamente definidas somente especificando quais são os átomos presentes. É preciso também especificar o modo como estes se associam com seus vizinhos, em cristais, moléculas e microestruturas. Nossos esforços estarão concentrados em entender esses arranjos tridimensionais de átomos, moléculas e íons para assim podermos produzir e usar materiais de forma cada vez mais especifica. É impossível para um cientista ou engenheiros ter um conhecimento detalhado dos vários milhares de materiais atualmente disponíveis, tanto quanto manter-se completamente informado de todos os novos desenvolvimentos em materiais. Aos interessados cabe, pelo menos, dispor de uma base firme e generalista sobre os princípios que regem as propriedades de todos os materiais. Um dos princípios de maior valor é que as propriedades de um

material originam-se na sua estrutura interna.   Qualquer um pode girar botões, mas os

técnicos em eletrônica devem entender dos circuitos internos se desejarem consertar um televisor eficientemente. O engenheiro de produção, tal qual o projetista, 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. 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. Sendo imprescindível hoje essa avaliação para qualquer licenciamento ambiental. 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. Em termos práticos seria a resposta que um dado material produz quando submetido a estímulos externos. Geralmente as definições de propriedades são elaboradas independentemente da forma e do tamanho do material. Geralmente todas as propriedades importantes dos materiais sólidos podem ser agrupadas em cinco categorias diferentes: mecânica, elétrica, magnética, óptica e deteriorativa. Para cada uma dessas categorias existe um tipo característico de estímulo que é capaz de provocar diferentes respostas. As propriedades mecânicas relacionam a deformação a uma carga ou força aplicada. Os exemplos incluem o modulo de elasticidade e a resistência. Para as propriedades elétricas, tais como a condutividade elétrica e a constante dielétrica, o estímulo é um campo elétrico. Já as propriedades deteriorativas se relacionam à reatividade química dos materiais. Além da estrutura e das propriedades, dois outros componentes importantes estão envolvidos na ciência e engenharia de materiais, que são: “ processamento e  desempenho”. Os materiais precisam ser processados para atingir as especificações que o engenheiro requer para o produto projetado. As etapas de um processamento mais familiar simplesmente mudam a forma da matéria, usinando ou forjando. Claro que as propriedades são importantes para um processamento fácil. Materiais extremamente endurecidos destroem imediatamente ferramentas cortantes, enquanto materiais muito macios como o chumbo podem empenar lâminas de serra, discos abrasivos e outras ferramentas. Da mesma forma materiais muito resistentes não se habilitam a deformações plásticas, principalmente se também forem não dúcteis, isto é, frágeis. Por exemplo, seria proibitivamente caro produzir chapa metálica para a maioria dos pára-choques de carro com alguma coisa que não fosse o mais macio dos aços. Observem na Figura 2 as interdependências entre os quatro componentes já mencionados no texto, a estrutura do material irá depender da maneira como ele é processado. PROCESSAMENTO

ESTRUTURA

PROPRIEDADES

DESEMPENHO

Figura 2 – Esquema ilustrativo da relação entre os componentes básicos em ciências de

materiais.  Além disso, o desempenho do material será uma função de suas propriedades. Assim, a inter-relação entre propriedades e desempenho também está mostrado na Figura 2. 1.3 – Classificação dos materiais

Os materiais sólidos foram agrupados convenientemente em três classificações básicas: metais, cerâmicas e polímeros. Esse esquema está baseado principalmente na composição química e na estrutura atômica, e a maioria dos materiais se enquadra dentro de um ou de outro grupo, embora existam alguns materiais intermediários. Adicionalmente, existem os compósitos, que constituem em combinações de duas ou mais das três classes básicas de materiais aqui citadas. Outra classe é a dos materiais avançados, que são usados em aplicações de alta tecnologia, como por exemplo, os semicondutores, os biomateriais e os materiais nanoengenheirados. Os metais são um grupo de grande importância em termos de aplicações estruturas. É composto por elementos metálicos ligados por ligação metálica (tais como ferro, alumínio, cobre, titânio, ouro e níquel) e com frequência, também por elementos não metálicos (por exemplo, carbono, nitrogênio e oxigênio) em quantidades relativamente pequenas. Os átomos nos metais e nas ligas estão arranjados de uma maneira muito ordenada e em comparação às cerâmicas e aos polímeros, são relativamente densos. Em relação às características mecânicas, esses materiais são relativamente rígidos, resistentes à fratura e ainda assim são

dúcteis. A ductibilidade é a capacidade de grandes deformações sem sofrer fratura. Os materiais metálicos possuem grande número de elétrons não localizados. Muitas das propriedades dos metais podem ser atribuídas diretamente a esses elétrons. Por exemplo, metais são bons condutores de eletricidade e de calor e não são transparentes à luz visível. Uma superfície metálica polida possui uma aparência brilhosa. Além disso, alguns metais possuem propriedades magnéticas desejáveis, como exemplo Fe, Co e Ni.  As cerâmicas são compostos geralmente formados entre elementos metálicos e não metálicos por meio de ligações iônicas, na maioria das vezes, elas consistem em óxidos, nitretos e carbetos. Por exemplo, alguns dos materiais cerâmicos comuns incluem o óxido de alumínio (Al2O3), dióxido de silício (SiO 2), o carbeto de silício (SiC) e outros. E ainda temos as chamadas cerâmicas tradicionais que são aquelas compostas por minerais argilosos, como exemplo o cimento e o vidro. Em relação ao comportamento mecânico, os materiais cerâmicos são relativamente rígidos e resistentes. (a rigidez e a resistência são comparáveis àquelas dos metais. Adicionalmente as cerâmicas são tipicamente muito duras. Entretanto elas são extremamente frágeis (ausência de ductibilidade) e altamente suscetíveis à fratura. 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. Em relação às suas características ópticas as cerâmicas podem ser transparentes, translúcidas ou opacas e algumas à base de óxidos (exemplo Fe 3O4) exibem comportamento magnético. A Figura 3 mostra vários objetos cerâmicos usados na construção civil.

Figura 3 – materiais cerâmicos usados na construção civil.

Os polímeros  incluem os familiares materiais plásticos e borrachas. Muitos deles são compostos orgânicos quimicamente baseados no carbono, no hidrogênio e em outros elementos não-metálicos (como N, O e Si). Além disso, eles possuem estruturas moleculares muito grandes, com frequência na forma de cadeia que possuem átomos de carbono como a sua espinha dorsal. Alguns dos polímeros comuns e familiares são o polietileno (PE), o náilon, o cloreto de polivilina (PVC), o policarbonato (PC), o poliestireno (PS) e a borracha de silicone. Tipicamente, esses materiais possuem baixas densidades, enquanto as suas características mecânicas são em geral, diferentes das características exibidas pelos materiais metálicos e cerâmicos. Por exemplo, eles não são tão rígidos nem tão resistentes como os metais e cerâmicas. Entretanto, baseado em sua densidade reduzida, muitas vezes a sua rigidez e resistência em relação à sua massa são comparáveis a dos metais e das cerâmicas.  Adicionalmente, muitos polímeros são extremamente dúcteis e flexíveis, como o plástico, o que significa que eles podem ser facilmente conformados em forma complexas. Em geral, eles são relativamente inertes quimicamente e não-reativos em diversos ambientes. Uma das maiores desvantagens dos polímeros é a sua tendência em amolecer e/ou decompor em temperaturas modestas, o que, em algumas situações, limita o seu uso. Adicionalmente, eles possuem baixas condutividades elétricas e não são magnéticos.

[

CH2 CH2

]n

OH

[

  CH

CH2

]n

NH2 C

[

  CH

O CH2

]n

Figura 4 – Fórmula estrutural condensada de três polímeros comuns na área de materiais:

polietileno, polivinil e o poliacrilamina respectivamente. Um compósito   é formado por dois ou mais materiais individuais, os quais se enquadram dentro das categorias dos metais, cerâmicas e polímeros. A meta de projeto de um compósito consiste em se atingir uma combinação de propriedades que não é exibida por qualquer material isolado e, também, incorporarem as melhores características de cada um dos materiais componentes. Existem vários tipos de compósitos, os quais são representados por diferentes combinações de metais, cerâmicas e polímeros. Adicionalmente, alguns materiais de ocorrência natural também são considerados materiais compósitos, como por exemplo, a madeira e o osso. Contudo, a maioria daqueles materiais considerados nas nossas discussões refere-se a compósitos sintéticos ou artificiais (produzidos pelo homem). Um dos compósitos mais comuns e familiares é o que usa fibra de vidro embutida no interior de um material polimérico. As fibras de vidro são relativamente resistentes e rígidas, enquanto o polímero é dúctil (mas também fraco e flexível). Dessa forma, o compósito com fibra de vidro resultante é relativamente rígido, resistente, flexível e dúctil. Além disso, ele possui uma baixa densidade. 1.4 – Materiais avançados

Os materiais que são utilizados em aplicações de alta tecnologia (high-tech) são algumas vezes chamados de materiais avançados. Por alta tecnologia subentendemos um dispositivo ou produto que opera ou que funciona utilizando os princípios relativamente intrincados e sofisticados, alguns exemplos incluem os equipamentos eletrônicos (câmeras de vídeo e CD players), computadores, sistemas de fibras ópticas, espaçonaves e aeronaves. Tipicamente, esses materiais avançados são materiais tradicionais cujas propriedades foram aprimoradas, ou, então, são materiais de alto desempenho desenvolvidos recentemente. Além disso, eles podem pertencer a todos os tipos de materiais (tais como metais, cerâmicas e polímeros) e são, em geral, de alto custo. Os materiais avançados incluem os semicondutores, os biomateriais e o que nós podemos chamar de “materiais do futuro” (conhecidos também como materiais inteligentes ou nanoengenheirados). 1.5 – 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, ainda existem desafios tecnológicos, incluindo o desenvolvimento de materiais ainda mais sofisticados e especializados, assim como considerações sobre o impacto ambiental causado pela produção de materiais. Dessa forma, é apropriado fazer alguns comentários sobre essas questões a fim de tornar a perspectiva mais clara. Quantidades significativas de energia estão envolvidas nos transportes. A redução no peso dos veículos de transporte (automóveis, aeronaves, trens e etc), assim como o aumento das temperaturas de operação dos motores irá melhorar a eficiência dos combustíveis. Novos materiais estruturais de alta resistência e baixa densidade ainda precisam ser desenvolvidos, bem como materiais com recursos para trabalhar sob temperaturas mais elevadas, para serem usados nos componentes dos motores.  Adicionalmente, 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. Os materiais irão, sem dúvida alguma, desempenhar um papel importante nesses desenvolvimentos. Por exemplo, a conversão direta de energia solar em energia elétrica foi demonstrada e as células solares empregam alguns materiais razoavelmente caros e complexos. Para assegurar que essa tecnologia seja viável, devem ser desenvolvidos materiais altamente eficientes nesses processos de conversão, mas que sejam baratos.

 A célula combustível de hidrogênio é outra tecnologia atrativa e factível para a conversão de energia, que possui vantagens de não ser poluente. Ela está apenas começando a ser implementada em baterias para dispositivos eletrônicos e promete ser a fonte de energia para automóveis. Novos materiais ainda precisam ser desenvolvidos para a fabricação de células combustíveis mais eficientes e, também, para a utilização de melhores catalisadores na produção de hidrogênio.  Além disso, a qualidade do meio ambiente depende da nossa habilidade em controlar a poluição do ar e da água. As técnicas de controle da poluição empregam vários materiais.  Adicionalmente, o processamento de materiais e os métodos de refino precisam ser melhorados, de modo que produzam uma menor degradação do meio ambiente, isto é, menos poluição e menor destruição do terreno decorrentes da mineração das matérias-primas. Além disso, 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. Responder às questões propostas. 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? Caracterize-o em termos de sua estrutura microscópica e dê exemplos. 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. Justifique sua resposta. 9-) A tecnologia satisfaz, até certo ponto, as necessidades e desejos da sociedade, envolvendo a seleção de materiais com características favoráveis, a fim de incorporá-los num projeto seguro, confiável e compatível com o bem estar de cada um. Enumere o máximo dessas “características favoráveis” em um projeto. 10-) Na fibra óptica são usados alguns materiais, entre eles o polímero. Qual a razão para usálo tendo em vista que são materiais pouco resistentes. Avaliação

Escreva uma pequena dissertação (aproximadamente 15 linhas) sobre a importância dos novos materiais na sua área de atuação. Referências:

CALLISTER, W. D. Ciência e Engenharia dos Materiais: Uma Introdução. 7ª edição. Editora LTC, Rio de Janeiro, 2008. CALLISTER,

W. D. Fundamentos da Ciência e Engenharia de Materiais. 2ª edição. Editora LTC, 2006. PHULE, P. P.; ASKELAND, D. R. Ciência e Engenharia dos Materiais. 1ª edição. Editora Cengage, 2008 SHACKELFORD, J. F. Ciência dos Materiais. 6ª edição. Editora Prentice Hall Brasil, 2008.