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Unidade Introdução a Ciência dos Materiais

1. Introdução à Ciência dos
Materiais
FACULDADE DO ALTO OESTE POTIGUAR
Ciência dos materiais
Profa. Fernanda Silva
2024

2. Introdução
EXISTEM MAIS DE
50.000 TIPOS DE
MATERIAIS
•Condições de Serviço: ditam as propriedades exigidas do material.
resistência   ductilidade (grau de deformação do material)
•Deterioração das propriedades durante uso:
Resistência   Temperatura ou Corrosão
•Fatores Econômicos (custo): também inclui despesas incorridas durante a fabricação
(processamento).
Os materiais estão provavelmente mais entranhados na nossa cultura do que a nossa
percepção. Nos transportes, habitação, vestiário, comunicação, recreação e produção de
alimentos; virtualmente todos os seguimentos de nossa vida diária são influenciados em
maior ou menor grau pelos materiais.

3. Ciência e Engenharia de Materiais
Envolve a investigação das relações entre as estruturas e as propriedades
dos materiais.
Em contraste, a engenharia de materiais consiste, com base nessas
correlações estrutura-propriedade, no projeto ou na engenharia da
estrutura de material para produzir um conjunto de propriedades pré-
determinadas.
Investiga as
estruturas e
propriedades.
Resultante do conhecimento
da estrutura, propriedades,
processamento e
desempenho dos materiais.
Conhecimento
aplicado de
materiais.
Ciências de materiais Ciência e engenharia de
materiais
Engenharia de
materiais

4. Ciência e Engenharia de Materiais
Assim, devemos ter atenção para as relações entre os elementos de estrutura
 e as
propriedades dos materiais
.•ESTRUTURA: geralmente relacionada ao arranjo de seus componentes internos.
ESTRUTURA SUB-ATÔMICA: envolve elétrons no interior dos átomos individuais
e as interações com seus núcleos;
ESTRUTURA ATÔMICA: engloba a organização dos átomos ou moléculas em
relação uns aos outros;
ESTRUTURA MICROSCÓPICA: contém grandes grupos de átomos normalmente
conglomerados;
ESTRUTURA MACROSCÓPICA: pode ser vista a olho nu.
grão
contorno de grão
poro

5. Ciência e Engenharia de Materiais
•PROPRIEDADE: é uma peculiaridade do material em termos do tipo e da
intensidade da resposta a um estímulo específico que lhe é imposto. As
definições das propriedades são feitas de maneira independente da forma e
do tamanho do material.
MECÂNICA: relaciona deformação com uma carga ou força aplicada;
ELÉTRICA: o estímulo é um campo elétrico;
TÉRMICA: capacidade calorífica e condutividade térmica;
MAGNÉTICA: demonstram a resposta de um material à aplicação de um
campo magnético;
ÓTICA: o estímulo é a radiação eletromagnética ou a luminosa;
DETERIORATIVA: indica a reatividade química dos materiais.

6. Ciência e Engenharia de Materiais
ASPECTO ECONÔMICO
Preço e disponibilidade
Capacidade de reciclagem
FÍSICA GERAL
Densidade
MECÂNICA
Módulo de elasticidade
Resistência à deformação e à tração
Dureza
Tenacidade
Limite de fadiga
Limite de resistência à deformação a quente
Característica de amortecimento
Condutividade térmica
TÉRMICA
Condutividade térmica
Calor específico
Coeficiente de expansão térmica
ELÉTRICA E MAGNÉTICA
Constante dielétrica
Permeabilidade magnética
INTERAÇÃO AMBIENTAL
Oxidação
Corrosão
Desgaste
PRODUÇÃO
Facilidade no processamento
União
Acabamento
ESTÉTICA
Cor
Textura
Sensação táctil

7. Ciência e Engenharia de Materiais
Além da estrutura e das propriedades, dois outros componentes importantes
estão envolvidos na ciência e na engenharia de materiais: o “processamento” e o
“desempenho”.
Com respeito às relações entre esses quatro componentes; estrutura,
propriedades, processamento e desempenho, a estrutura de um material irá
depender da maneira como ele será processado. Além disso, o desempenho de
um material será uma função das suas propriedades.

8. Por que estudar a Ciência e Engenharia de
Materiais?
Muitos cientistas e engenheiros de aplicações sejam eles das áreas de mecânica, civil,
química ou elétrica, irão uma vez ou outra se deparar com um problema de projeto que
envolve materiais.
Exemplos:
 
engrenagem de transmissão,
a superestrutura para um edifício,
um componente para uma refinaria de petróleo,
um chip de circuito integrado
Obviamente, os cientistas e engenheiros de materiais são especialistas totalmente
envolvidos na investigação e no projeto de materiais.

9. Por que estudar a Ciência e Engenharia de
Materiais?
Muitas vezes, um problema de materiais consiste na seleção do material correto dentre muitos
milhares de materiais disponíveis. Existem vários critérios em relação aos qual a decisão final
normalmente se baseia.
Em primeiro lugar, as condições de serviço devem ser caracterizadas, uma vez que
essas irão ditar as propriedades que o material deve possuir.
Uma segunda consideração de seleção é qualquer deterioração das propriedades
dos materiais que possa ocorrer durante operação em serviço.
Finalmente, muito provavelmente a consideração final estará relacionada a fatores
econômicos; Quanto irá custar o produto final acabado? Pode ser o caso de
encontrar um material com o conjunto ideal de propriedades, mas seu preço ser
proibitivo.

Por isso, quanto mais familiarizado estiverem técnicos, engenheiros e cientistas com as várias
características e relações estrutura-propriedade, assim como as técnicas de processamento
dos materiais, mais capacitado e confiante ele estará para fazer escolhas ponderadas de
materiais com base nesses critérios.

10. Classificação dos materiais
A classificação tradicional dos materiais é geralmente baseada na
estrutura atômica e química:
•Metais
•Cerâmicas
•Polímeros
•Compósitos (combinação de dois ou mais)
•Semicondutores (características elétricas peculiares)
•Biomateriais (Matériais Biocompatíveis)
Classificação tradicional

11. Classificação dos materiais
• METAIS: são normalmente combinações de elementos metálicos. Possuem grande
número de elétrons não-localizados, ou seja, não estão ligados a qualquer átomo em
particular.

12. Classificação dos materiais
• CERÂMICOS: compostos entre os elementos metálicos e não-metálicos; são
freqüentemente óxidos, nitretos e carbetos.

13. Classificação dos materiais

14. Classificação dos materiais
• POLÍMEROS: São formados pela combinação de unidades – “meros”. Leves e não-
frágeis; Opacos/transparentes; Baixa densidade e resistência mecânica; Não suportam
altas temperaturas.

15. Classificação dos materiais
•COMPÓSITOS: São “desenhados” para apresentarem a combinação das melhores
características de cada material constituinte; muitos dos recentes desenvolvimento em
materiais envolvem materiais compósitos.

16. Classificação dos materiais
•SEMICONDUTORES: As características elétricas são extremamente sensíveis à
presença de pequenas quantidades de impurezas, cuja concentração pode ser
controlada em pequenas regiões do material; os semicondutores tornaram possível o
advento do circuito integrado que revolucionou as indústrias de eletrônica e
computadores.

17. Classificação dos materiais

18. Materiais avançados
Os materiais utilizados em aplicações de alta tecnologia são algumas vezes
chamados de materiais avançados.
Por alta tecnologia (High-tech) subentendemos um dispositivo ou produto que
opera ou que funciona utilizando princípios relativamente intricados e
sofisticados;
Exemplos: equipamentos eletrônicos, computadores, sistema de fibra ótica,
espaçonaves, aeronaves e foguetes militares.
Esses materiais avançados consistem tipicamente em materiais tradicionais
cujas propriedades foram aprimoradas ou em materiais de alto desempenho
desenvolvidos recentemente.
Além disso, eles podem ser de todos os tipos de materiais, e são em geral
relativamente caros.

19. Materiais avançados

20. Materiais do Futuro
Materiais Inteligentes:
Grupo de materiais novos e de última geração que estão atualmente sendo desenvolvidos
e que terão influência significativa sobre muitas das nossas tecnologias.
O adjetivo “inteligente” implica que esses materiais são capazes de sentir mudanças nos
seus ambientes e então responder a essas mudanças de uma maneira predeterminada,
como também ocorre com os organismos vivos.
Os componentes de um material (ou sistema) inteligente incluem algum tipo de sensor
(que detecta um sinal de entrada), e um atuador (que executa uma função de resposta e
adaptação).
Os atuadores podem ser chamados para mudar a forma, a posição, a freqüência natural
ou as características mecânicas em resposta as mudanças de temperatura, campos
elétricos, e/ou campos magnéticos.
 

21. Nanotecnologia
Cientistas compreendiam a química e a física dos materiais a partir do estudo de
estruturas grandes e complexas e então investigar os blocos construtivos fundamentais
que compõem essas estruturas, que são menores e mais simples. Essa abordagem é
algumas vezes chamada de ciência “de cima para baixo”.
Contudo, com o advento dos microscópios de ponta de prova, que permitem a
observação dos átomos e das moléculas individuais, ficou possível manipular e mover
átomos e moléculas e formar novas estruturas, dessa forma desenhando novos materiais
fabricados a partir de constituintes que são simples ao nível atômico (isto é, construir
“materiais por projeto”).
A isso chamamos de abordagem “de baixo para cima”; o estudo das propriedades desses
materiais é conhecido por “nanotecnologia”, onde o prefixo “nano” indica que as
dimensões dessas entidades estruturais são da ordem do nanômetro (10
-9
m) – como
regra, inferiores a 100 nanômetros (o equivalente a aproximadamente 500 diâmetros
atômicos). Um exemplo de material desse tipo é o nonotubo de carbono.
Em futuro próximo, vamos sem dúvida alguma descobrir que um número cada vez maior
dos nossos avanços tecnológicos fará uso desses materiais nanoengenheirados.
 
 

22. Necessidades dos Materiais Modernos
Muitos materiais que usamos são derivados de recursos não renováveis, isto é, recursos
que não são possíveis de ser regenerados.
Dentre estes materiais estão incluídos os polímeros, para os quais a matéria prima
principal é o petróleo, e alguns metais. Esses recursos não renováveis estão se tornando
gradualmente escassos, o que exige:
1) A descoberta de reservas adicionais;
2) O desenvolvimento de novos materiais que possuam propriedades
comparáveis, mas que apresentem um impacto ambiental menos adverso;
3) Maiores esforços de reciclagem e o desenvolvimento de novas tecnologias
de reciclagem.
Como uma conseqüência dos aspectos econômicos não somente da produção, mas
também do impacto ambiental e de fatores ecológicos, está tornando cada vez mais
importante considerar o ciclo de vida “desde o berço até o túmulo” dos materiais em
relação ao seu processo global de fabricação.
 

23. Propriedades X Produção
PROPRIEDADES
Propriedades
mecânicas gerais
Propriedades gerais
não-mecânicas
Propriedades de
superfície
Preço e
disponibilidade
Propriedades de
produção – facilidade
de fabricação, união
e acabamento
Propriedades
estéticas – aparência,
textura, sensação
táctil
PROJETO