Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul



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Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul

F
aculdade de Engenharia


Departamento de Engenharia Mecânica e Mecatrônica

CIÊNCIA DOS MATERIAIS



Profa. Eleani M. da Costa


PROGRAMA ATUALIZADO E REVISADO EM 02/08/2004




CODICRED 4441H-04

01 SÍNTESE


DISCIPLINA:

CIÊNCIA DOS MATERIAIS




CODICRED

4441H-04,



DOCENTE(S)
ELEANI MARIA DA COSTA



CRÉDITOS/HORAS AULA
04/60hs
CURSO(S) ATENDIDO(S)



ENGENHARIA MECATRÔNICA
ENGENHARIA MECÂNICA




HORÁRIO(S)

2LM


3JK

4FG


4HI

TIPOLOGIA

TEÓRICO-PRÁTICA



MÓDULO
TEÓRICA: 1/45 PRÁTICA: 1/15


EMENTA:

  • Aulas Teóricas




  1. Introdução à Ciência dos Materiais

  2. Sistemas cristalinos

  3. Imperfeições em sólidos

  4. Difusão atômica

  5. Propriedades Mechanicas dos Metais: Deformação Elástica em Metais e Deformação Plástica em Metais

  6. Discordâncias e Mecanismos de Endurecimento

  7. Fadiga em metais

  8. Fluência em Metais

  9. Solidificação de Metais

  10. Diagrama de Equilíbrio Binário

  11. Diagrama de Equilíbrio Ferro – Carbono

  12. Curvas Transformação-Tempo-Temperatura

  13. Propriedades Elétricas, ópticas, térmicas e magnéticas dos materiais

  14. Corrosão e degradação dos materiais




  • Aulas Práticas


1-Ensaio de tração

2-Ensaio de choque

3-Ensaio de Dureza Brinell

4-Ensaio de Dureza Rockwell

5-Ensaio de Dureza Vickers

6-Metalografia dos Metais – Macrografia

7-Metalografia dos Metais - Micrografia






02 OBJETIVOS


  • Proporcionar aos alunos de engenharia mecatrônica e mecânica o conhecimento da estrutura, comportamento e propriedades dos diferentes materiais de engenharia.

  • Promover ao aluno a integração da teoria com a prática através da vivência de problemas reais em aulas de laboratório.




03 CONTEXTO


A Ciência dos Materiais é a base de todas as engenharias, pois os materiais são a matéria prima para a construção mecânica de peças, componentes e equipamentos de engenharia.

O engenheiro, quer seja mecânico, mecatrônico, civil, químico ou eletrônico, em alguma ocasião de sua vida profissional se deparará com a necessidade de escolher um material apropriado para determinada aplicação ou enfrentará algum problema de engenharia que envolva a avaliação de desempenho ou propriedades de algum material em condições de uso.

Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros?

Em primeiro lugar, o engenheiro deve caracterizar quais as condições de operação que será submetido o referido material e levantar as propriedades requeridas para tal aplicação, saber como esses valores foram determinados e quais as limitações e restrições quanto ao uso dos mesmos.

Propriedades mecânicas (resistência à tração, ao choque, à fadiga, à vibrações, dureza,…), propriedades físicas e químicas (ponto de fusão, condutividade elétrica e térmica, densidade, estrutura cristalina, coeficiente de expansão térmica, reatividade química,…) e informações sobre resistência à corrosão, à temperatura e à radiação podem ser encontrados com relativa facilidade em livros e tabelas padrões. No entanto, é de fundamental importância saber usá-las adequadamente.

Em raras ocasiões um material reúne uma combinação ideal de propriedades, ou seja, muitas vezes é necessário reduzir uma em benefício da outra. Um exemplo clássico são resistência e ductilidade, geralmente um material de alta resistência apresenta ductilidade limitada. Este tipo de circunstância exige que se estabeleça um compromisso razoável entre duas ou mais propriedades.

A segunda consideração na escolha do material refere-se ao levantamento sobre o tipo de degradação que o material sofrerá em serviço. Por exemplo, elevadas temperaturas e ambientes corrosivos diminuem consideravelmente a resistência mecânica.

Finalmente, a consideração talvez mais convincente é provavelmente a econômica: Qual o custo do produto acabado? Um material pode reunir um conjunto ideal de propriedades, porém com custo elevadíssimo. Novamente, se estabelece o inevitável compromisso entre custo e benefício.

Portanto, quanto mais familiarizados estiverem os engenheiros com as diferentes características e relações entre propriedade-estrutura dos materiais, bem como as técnicas de processamento dos materiais, maior será a sua habilidade e confiança para fazer a seleção mais sensata destes critérios.


04 PROGRAMA



AULAS TEÓRICAS


  1. Introdução à Ciência dos Materiais. Comparação entre materiais metálicos cerâmicos e polímeros. Ligações químicas.

  2. Sistemas cristalinos e fator de empacotamento atômico

  3. Imperfeições em sólidos

  4. Difusão atômica

  5. Propriedades Mecânicas dos Metais:

  • Deformação Elástica em Metais (Módulo de elasticidade e coeficiente de Poison) e

  • Deformação Plástica em Metais

  1. Discordâncias e Mecanismos de Endurecimento

  2. Fadiga em metais, mecanismo, ensaio de fadiga, limite de fadiga

  3. Fluência em metais, principais características da fluência ensaio de fluência

  4. Solidificação de metais, formação dos grãos e contornos de grãos nos materiais. Solidificação em lingotes.

  5. Diagrama de equilíbrio binário, reação eutética e eutetóide

  6. Diagrama de equilíbrio ferro-carbono, estruturas que se formam no resfriamento lento dos aços.

  7. Curvas T.T.T. Estruturas que se formam no resfriamento rápido e isotérmico dos aços.

  8. Propriedades Elétricas, ópticas, térmicas e magnéticas dos materiais

  9. Corrosão e degradação dos materiais.


AULAS PRÁTICAS


  1. Ensaio de tração. Tensão de escoamento, resistência à tração, tensão de ruptura, alongamento, estriccão.

  2. Ensaio de choque. Charpy e Izod, temperatura de transição dútil-frágil, fatores que influenciam .

  3. Ensaio de dureza Brinell. Condições de ensaio, esferas.

  4. Ensaio de dureza Rockwell . Condições de ensaio, escalas.

  5. Ensaio de dureza Vickers. Condições de Ensaio, microdureza.

  6. Metalografia dos metais. Macrografia, procedimento, importância impressão de Baumann

  7. Metalografia dos metais. Micrografia, procedimento, visualização das estruturas dos aços ao microscópio.








05 MÉTODO DIDÁTICO

Os métodos didáticos utilizados são:



  • Aulas expositivas com utilização de recursos de multimídia: retroprojetor, data show, vídeo, etc.

  • Questionários

  • Aulas práticas em laboratório.








06 SISTEMA DE AVALIAÇÃO

- O grau G1 será composto da média aritmética de 3 notas referentes à realização de 3 provas escritas e de trabalhos extra-classe e relatórios das aulas práticas (QUANDO SOLICITADO).






07 CRONOGRAMA DE ATIVIDADES
PREVISÃO DAS AULAS TEÓRICAS SEM. 02/2003

2LM


AULA

ASSUNTO

02/08


  • Apresentação da disciplina

  • Importância dos materiais

  • Comparação entre materiais metálicos cerâmicos e polímeros.

09/08


  • Ligações químicas

  • Sistemas cristalinos e fator de empacotamento atômico

16/08

  • Sistemas cristalinos e fator de empacotamento atômico

23/08

  • Imperfeições em sólidos

30/08

  • Difusão atômica

06/09

FERIADO


13/09

  • Prova 1

20/09

  • Propriedades Mecânicas dos Metais:

  • Deformação Elástica em Metais (Módulo de elasticidade e coeficiente de Poison) e Deformação Plástica em Metais

27/09

  • Discordâncias e Mecanismos de Endurecimento

  • Fadiga em metais, mecanismo, ensaio de fadiga, limite de fadiga

  • Fluência em metais, principais características da fluência, ensaio de fluência

04/10

  • Diagrama de equilíbrio binário, reação eutética e eutetóide

11/10

PROVA 2


18/10

  • Diagrama de equilíbrio ferro-carbono, estruturas que se formam no resfriamento lento dos aços.

25/10

  • Curvas T.T.T. Estruturas que se formam no resfriamento rápido e isotérmico dos aços.

01/11

  • . Curvas T.T.T. Estruturas que se formam no resfriamento rápido e isotérmico dos aços.

08/11
  • Propriedades Elétricas, ópticas, térmicas e magnéticas dos materiais


15/11

  • Propriedades Elétricas, ópticas, térmicas e magnéticas dos materiais.
  • Corrosão e degradação dos materiais


22/11

PROVA 3


29/11

PROVA RECUPERAÇÃO (TODA A MATÉRIA)


06/12

EXAME G2

ÚLTIMA DATA PARA ENTREGA DAS NOTAS 13/12

PREVISÃO DAS AULAS PRÁTICAS SEM 01/2002




TURMAS DE QUARTA

FG E HI


AULA

ASSUNTO

1

Complementação da teoria: Ligações químicas.

2

Complementação da teoria: Sistemas cristalinos e fator de empacotamento atômico

3

Complementação da teoria: Difusão atômica

4

Ensaio de Tração

5

Ensaio de choque-flexão

6

Ensaio de dureza Brinell. Condições de ensaio, esferas.

7

Ensaio de dureza Rockwell . Condições de ensaio, escalas.

8

Ensaio de dureza Vickers. Condições de Ensaio, microdureza.

9

Metalografia dos metais (Teórica)

Solidificação de metais, formação dos grãos e contornos de grãos nos materiais. Solidificação em lingotes.



10

Prática da Macrografia

11

Micrografia: Teoria, corte e embutimento à frio

12

Micrografia: preparação das amostras metalográficas

13

Micrografia: observação da microestrutura por microscopia óptica

14

Complementação teórica/exercícios

15

Semana da P3

16

Semana da prova de recuperação

17

SEMANA EXAME G2



08 BIBLIOGRAFIA

*
* É fornecido uma apostila com os slides das aulas apenas como um guia das aulas dadas, não dispensando o uso de livro para o estudo.


BÁSICA
1-Van Vlack L.H., Princípios de Ciência dos Materiais, Ed. Edgard Blücher S.P.

2- William D. Callister Jr., Introdução à Ciência e Engenharia de Materiais, Ed. LTC, 2000.

3- Russ, Materials Science: A multimedia Approach, windows version, 1996. (VIMS - Visualizations in Materials Science: http://vims.ncsu.edu/cgi/index.acgi
BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR
3- Chiaverini V., Tecnologia Mecânica, Vol. I e III Ed. McGraw – Hill S.P..

4- Chiaverini V., Aços e Ferros Fundidos, Ed. Associação Brasileira de Metais S.P.

5- Colpaert H., Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns, Ed. Edgard Blücher S.P.

6- Amauri Garcia, Jaime Álvares Spim, Carlos A. dos Santos, Ensaios dos Materiais, LTC, 2000.

7- Sérgio Augusto dos Santos. Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos: Fundamentos teóricos e práticos, Ed. Edgard Blücher S.P

8- DE GARMO, E.P.; BLACK, J.T. e KOHSET, R.A.,Materials and Processes in Manufacturing, Prentice Hall, NJ, 1997.





Dúvidas?

CONSULTE A HOME PAGE DA DISCIPLINA.



http://www.em.pucrs.br/~eleani



09 CORPO DOCENTE / CURRÍCULO RESUMIDO


Profa. Eleani Maria da Costa, Doutora em Engenharia

Graduação em Química, UFSM, 1986,

Mestrado em Engenharia Metalúrgica, de Minas e Materiais-UFRGS,1989,

Doutorado Sanduíche em Engenharia (Área:Materiais) - Massachusetts Institute of Technology –EUA e UFRGS,1995.

Especialização em Materiais Semicondutores, Universidade de Erlangen-Nurnberg – Alemanha, 1993.

Coordenadora do Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Tecnologia de Materiais (Mestrado)-PUCRS.

Consultor ad-hoc do PADCT/FINEP e do CNPq.

INTRODUÇÃO: IMPORTÂNCIA DOS MATERIAIS

A importância dos materiais na nossa cultura é muito maior do que imaginamos. Praticamente cada segmento de nossa vida cotidiana é influenciada em maior ou menor grau pelos materiais, como por exemplo os transportes, vestimentas comunicação, recreação e alimentação. Historicamente, o desenvolvimento e a evolução das sociedades estavam intimamente vinculados à capacidade de seus membros de produzir e conformar os materiais necessários para satisfazer as suas necessidades (idade da pedra, idade do bronze).

O homem primitivo só teve acesso a um número muito limitado de materiais que encontrou na natureza: pedra, madeira, argila, couro e outros. Com o passar do tempo, o homem descobriu técnicas para produzir materiais com propriedades superiores a dos materiais naturais, como por exemplo a cerâmica e alguns metais. Além disso, o homem descobriu que as propriedades de um determinado material podiam ser modificadas através de tratamentos térmicos ou por adição de outras substâncias. Neste aspecto, a utilização dos materiais baseava-se somente no processo de seleção do mesmo, ou seja, a partir de um número limitado de materiais se escolhia, em virtude de suas características, o mais apropriado para uma aplicação particular. Há relativamente pouco tempo que se começou a compreender a estrutura dos materiais e suas propriedades. Este conhecimento, adquirido há pouco mais de 50 anos é que nos capacitou a modificar ou adaptar as características dos materiais. Hoje já tem-se desenvolvido dezenas de milhares de materiais distintos com características especiais para satisfazer a nossa moderna e complexa sociedade, como metais, compósitos, polímeros, vidros, fibras, etc.

O progresso de muitas tecnologias, que aumentam a confortabilidade de nossa existência, está associado à disponibilidade de materiais adequados.

POR QUÊ SE ESTUDA OS MATERIAIS ?


O engenheiro, quer seja mecânico, mecatrônico, civil, químico ou eletrônico, em alguma ocasião se depararão com a necessidade de escolher um material apropriado para determinada aplicação ou enfrentará algum problema de engenharia que envolva a avaliação de desempenho ou propriedades de algum material em condições de uso.

Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros? Em primeiro lugar, o engenheiro deve caracterizar quais as condições de operação que será submetido o referido material e levantar as propriedades requeridas para tal aplicação, saber como esses valores foram determinados e quais as limitações e restrições quanto ao uso dos mesmos.

Propriedades mecânicas (resistência à tração, ao choque, à fadiga, à vibrações, dureza,…), propriedades físicas e químicas (ponto de fusão, condutividade elétrica e térmica, densidade, estrutura cristalina, coeficiente de expansão térmica, reatividade química,…) e informações sobre resistência à corrosão, à temperatura e à radiação podem ser encontrados com relativa facilidade em livros e tabelas padrões. No entanto, é de fundamental importância saber usá-las adequadamente.

Em raras ocasiões um material reúne uma combinação ideal de propriedades, ou seja, muitas vezes é necessário reduzir uma em benefício da outra. Um exemplo clássico são resistência e ductilidade, geralmente um material de alta resistência apresenta ductilidade limitada. Este tipo de circunstância exige que se estabeleça um compromisso razoável entre duas ou mais propriedades.

A segunda consideração na escolha do material refere-se ao levantamento sobre o tipo de degradação que o material sofrerá em serviço. Por exemplo, elevadas temperaturas e ambientes corrosivos diminuem consideravelmente a resistência mecânica.

Finalmente, a consideração talvez mais convincente é provavelmente a econômica: Qual o custo do produto acabado??? Um material pode reunir um conjunto ideal de propriedades, porém com custo elevadíssimo. Novamente, se estabelece o inevitável compromisso entre custo e benefício.

Portanto, quanto mais familiarizados estiverem os engenheiros com as diferentes características e relações entre propriedade-estrutura dos materiais, bem como as técnicas de processamento dos materiais, maior será a sua habilidade e confiança para fazer a seleção mais sensata destes critérios.

CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS

Os materiais sólidos podem ser classificados em 5 principais grupos:


  • Metais

  • Cerâmicos

  • Polímeros

  • Compósitos

  • Semicondutores

A NECESSIDADE DE MATERIAIS MODERNOS E SUBSTITUIÇÃO DE MATERIAIS


Apesar dos espetaculares progressos do conhecimento e desenvolvimento de materiais no últimos anos, o permanente desafio tecnológico requer materiais cada vez mais sofisticados e especializados. Como os exemplos que seguem.

A energia constitui uma preocupação constante. Se reconhece a necessidade de novas e econômicas fontes de energia e o uso mais racional das fontes atuais. Os materiais desempenham um papel preponderante nesta questão. Por exemplo, pode-se converter diretamente energia solar em energia elétrica através do uso de células solares baseadas em materiais semicondutores. A viabilidade tecnológica desta conversão depende do desenvolvimento de células mais baratas e de alta eficiência.

A energia nuclear tem futuro, porém a solução de muitos dos seus problemas está relacionada com os materiais, desde o combustível a estrutura dos recipientes para controlar os resíduos radioativos.

A qualidade do meio ambiente depende de nossa habilidade para controlar a contaminação do ar e da água. As técnicas de controle de contaminação empregam diversos materiais. Além disso, os procedimentos de fabricação dos materiais devem produzir a mínima degradação ambiental.

Os transportes consomem quantidades significativas de energia. A diminuição do peso dos veículos de transporte e o aumento da temperatura de funcionamento dos motores melhoram o rendimento dos combustíveis. É necessário desenvolver novos materiais com elevada resistência e baixa densidade, assim como materiais capazes de suportar elevadas temperaturas, para fabricar componentes de motores.

A maioria dos materiais que utilizamos provém de fontes não renováveis, ou seja, não são capazes de se regenerar, como por exemplo os polímeros provém do petróleo. Estas fontes não renováveis empobrecem paulatinamente, sendo necessário descobrir novas fontes ou desenvolver novos materiais com propriedades comparáveis e com menos impacto ambiental.


SUBSTITUIÇÃO DE MATERIAIS

A substituição do material depende muito do mercado em questão. A motivação da substituição de materiais pode envolver questões políticas e ou econômicas (guerras, desastres, embargos comerciais,…).


PRINCIPAIS TIPOS DE SUBSTITUIÇÃO DE MATERIAIS


Motivação: custo e ou escassez

Ex: substituição de tubos de Cu por tubos de PVC




  • MATERIAL POR QUALIDADE

Motivação: qualidade e performance do produto

Ex: substituição de chapas de aço frio por chapas galvanizadas para a indústria automobilística e de eletrodomésticos



  • FUNCIONAL OU POR INTER-PRODUTO

Motivação: perfil do consumo (não afeta o produto final e não afeta a natureza do material)

Ex: Substituição das cartas por telefone

Mudança na composição das ligas

Substituição de cabos subterrâneos por satélites para telecomunicações



  • SUBSTITUIÇÃO TECNOLÓGICA

Motivação: novas técnicas ou matérias primas que permitam a produção com menor consumo de material e energia

Ex: estanhamento eletrolítico X estanhamento por imersão nas folhas de flandres


A SUBSTITUIÇÃO DE MATERIAIS TENDE:


  • Pelo lado da ofertadiminuir custos

  • Pelo lado da demandaatender o perfil do consumo ou modificá-lo

COMO OCORRE A SUBSTITUIÇÃO DE MATERIAIS




  • Oferta de novos materiais e melhora das propriedades já existentes

Exemplo: Mercado de embalagens

Vidro (anos 50) aço ou folhas de flandres (anos 60-70)  plástico e alumínio (anos 70-80)  alumínio e tetrapack (anos 90)



  • Satisfação dos critérios de lucratividade e estratégia da empresa

Exemplo: podemos ter a tecnologia desenvolvida mas necessitamos da lucratividade.
MECANISMOS PARA MONITORAR OS PROCESSOS DE SUBSTITUIÇÃO DE MATERIAIS


  • Preços relativos (crise do petróleo)

  • Regulamentações (compostos com cfc)

  • Mudanças tecnológicas (redução do peso do automóvel)


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