Introduction to Materials Science in Mechanical Engineering

1. Resistência dos Materiais DEMGi - Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial Resistência dos Materiais CAPITULO 1 INTRODUÇÃO

2. Resistência dos Materiais DEMGi - Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial Resistência dos Materiais: Ciência que estuda os métodos de cálculo, na engenharia da: • Resistência • Rigidez • Estabilidade dos elementos constituintes de estruturas e/ou máquinas. Resistência:Capacidade de uma estrutura (máquina) e seus elementos constituintes (órgãos) de resistir a uma determinada carga sem se destruir. Rigidez:Capacidade de uma estrutura (máquina) e seus elementos constituintes (órgãos) de resistir a cargas exteriores que tendem a provocar deformações. Estabilidade:Capacidade de uma estrutura (máquina) e seus elementos constituintes (órgãos) de conservar a forma original de equilíbrio elástico.

3. Resistência dos Materiais Sólidos Substâncias que apresentam as suas partículas dispostas numarranjo interno regularmente determinado Substâncias que mantém um volume e forma fixos. DEMGi - Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial A estrutura física dos sólidos depende do arranjo e forças de ligação entre seus átomos, iões ou moléculas. METAIS POLÍMEROS COMPÓSITOS CERÂMICOS NaCl

4. Resistência dos Materiais Metais Cerâmicos e Vidros Polímeros Compósitos Naturais Electrónicos DEMGi - Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial Os Materiais na Engenharia S. Paciornik – DCMM PUC-Rio

5. Resistência dos Materiais DEMGi - Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial Microscopia Óptica e Electrónica O microscópio é um aparelho utilizado para visualizar estruturas minúsculas Ampliações de 1500 vezes Microscópio óptico: 1 - Ocular; 2 - Revólver; 3 - Objectiva; 4 - Parafuso macrométrico; 5 - Parafuso micrométrico; 6 - Platina; 7- Espelho; 8 - Condensador 5

6. Resistência dos Materiais DEMGi - Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial Microscopia Electrónica Microscópio electrónico de transmissão - TEM Microscópio electrónico de varrimento - SEM Ampliações de 9000 vezes Ampliações de 250000 vezes

7. Resistência dos Materiais DEMGi - Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial Metais • Propriedades básicas • Resistentes e podem ser moldados • Dúcteis (deformam antes de quebrar) • Superfície “metálica” • Bons condutores de corrente eléctrica e de calor S. Paciornik – DCMM PUC-Rio S. Paciornik – DCMM PUC-Rio 7

8. Resistência dos Materiais DEMGi - Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial 8 Os metaisna tabela periódica S. Paciornik – DCMM PUC-Rio 8

9. Resistência dos Materiais DEMGi - Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial Cerâmicos e vidros • Propriedades básicas • São uma combinação de metais com O, N, C, P, S • São altamente resistentes à temperatura (refractários) • São isolantes térmicos e eléctricos • São frágeis (quebram sem deformar) • São menos densas do que metais • Podem ser transparentes S. Paciornik – DCMM PUC-Rio S. Paciornik – DCMM PUC-Rio 9

10. Resistência dos Materiais DEMGi - Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial Os cerâmicosna tabela periódica Cerâmicos são formadas por combinação de metais com os elementos C, N, O, P e S. Si e Ge são semicondutores mas são usados em cerâmicos de forma equivalente a metais S. Paciornik – DCMM PUC-Rio S. Paciornik – DCMM PUC-Rio

11. Resistência dos Materiais DEMGi - Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial Polímeros Propriedades básicas • São sintéticos - feitos pelo homem • Altamente moldáveis - plásticos • São formados pela combinação de unidades - “meros” • São formados por um número bem limitado de elementos. C e H, O (acrílicos), N (nylons), F (fluor-plásticos) e Si (silicones). • São leves e não frágeis • Em geral são menos resistentes do que metais e cerâmicas

12. Resistência dos Materiais DEMGi - Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial Ospolímerosna tabela periódica

13. Resistência dos Materiais DEMGi - Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial Semicondutores Propriedades básicas • Todos os componentes electrónicos do computador • Condutividade finamente controlada pela presença de impurezas • Podem ser combinados entre si para gerar propriedades electrónicas e ópticas “sob medida”. • São a base da tecnologia de electrónica lasers, detectores, circuitos integrados ópticos e células solares.

14. Resistência dos Materiais DEMGi - Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial Ossemicondutoresna tabela periódica Quando combinados entre si (coluna III-V e II-VI) os metais (quadrados claros) assumem propriedades semicondutoras.

15. Resistência dos Materiais 2nm DEMGi - Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial Estrutura Cristalina • Muitos materiais - metais, algumas cerâmicas, polímeros - ao solidificarem, organizam-se numa rede geométrica 3D - a rede cristalina. • Estes materiais cristalinos, têm uma estrutura altamente organizada, em contraposição aos materiais amorfos, nos quais não há ordem de longo alcance. Cristal 1 Fronteira Cristal 2 Fronteira entre dois cristais de TiO2 Note a organização geométrica dos átomos Carbono amorfo Note a desorganização na posição dos átomos Imagens obtidas com Microscópio Eletrónico de Transmissão (TEM). S. Paciornik – DCMM PUC-Rio

16. Resistência dos Materiais Principais estruturas cristalinas Cúbica de corpo centrado - ccc Cúbica de faces centradas - cfc Hexagtonal compacta - HC DEMGi - Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial Metais e Ligas Metálicas Estruturas atómicas: Cristalina, parcialmente cristalina e amorfa

17. Resistência dos Materiais DEMGi - Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial Dmitriy Mendeleev

18. Resistência dos Materiais a R 1 átomo inteiro 1/8 de átomo DEMGi - Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial Estrutura Cúbica de Corpo Centrado - C. C. C • A rede cúbica de corpo centrado é uma rede cúbica na qual existe um átomo em cada vértice e um átomo no centro do cubo. Os átomos tocam-se ao longo da diagonal. Factor de compacidade atómica S. Paciornik – DCMM PUC-Rio

19. Resistência dos Materiais 1/8 de átomo a R 1/2 átomo DEMGi - Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial Estrutura Cúbica de Faces Centradas - C. F. C • A rede cúbica de face centrada é uma rede cúbica na qual existe um átomo em cada vértice e um átomo no centro de cada face do cubo. Os átomos se tocam ao longo das diagonais das faces do cubo. Factor de compacidade atómica FCAcfc = Volume dos átomos = 0.74 Volume da célula A rede cfc é a mais compacta

20. Resistência dos Materiais c c/2 a DEMGi - Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial Estrutura Hexagonal Compacta - HC A rede hexagonal compacta pode ser representada por um prisma com base hexagonal, com átomos na base e topo e um plano de átomos no meio da altura. FCA = 0.74 A rede HC é tão compacta quanto a CFC

21. Resistência dos Materiais DEMGi - Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial Sumário : Hipóteses da Resistência dos Materiais • Continuidade • Homogeneidade • Elasticidade, • Pequenas deformações, • Principio da sobreposição, • Isotropia, • Anisotropia … Competências:No final do capitulo os alunos deverão ser capazes de saber quando podem ser aplicadas as teorias de cálculo usadas na Mecânica dos corpos deformáveis de modo a avaliar o comportamento mecânico dos materiais.

22. Resistência dos Materiais DEMGi - Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial HIPÓTESES DA RESISTÊNCIA DOS MATERIAIS • Continuidade do material • Homogeneidade e isotropia do material • Pequenas deformações • Elasticidade perfeita dos materiais • Relação linear entre as forças e os deslocamentos • Princípio da sobreposição

23. Resistência dos Materiais Auto-intersticial átomo da própria rede ocupando um interstício Impureza Intersticial átomo diferente ocupando um interstício Impureza Substitucional átomo diferente ocupando um vazio Vazio ausência de átomo DEMGi - Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial Visualização de Defeitos Pontuais S. Paciornik – DCMM PUC-Rio

24. Resistência dos Materiais DEMGi - Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial Materiais Anisotrópicos S. Paciornik – DCMM PUC-Rio

25. Resistência dos Materiais Limite de cedência Extensão,  (mm/mm) 0 0.002 0.004 0.005 0.008 0.010 DEMGi - Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial

26. Resistência dos Materiais DEMGi - Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial Força [N] Deslocamento [mm]

27. Resistência dos Materiais DEMGi - Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial Principio da sobreposição dos efeitos