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4 março 2010, 14:00 • Augusto Moita de Deus

Propriedades mecânicas, parte I.  Problemas 1, 2, 8a-c), 11 (versão I).

T3

4 março 2010, 11:30 • Augusto Moita de Deus

Propriedades físicas:

• referentes a objectos particulares, dependendo assim das suas dimensões
  • Por exº: massa, resistência eléctrica, rigidez à flexão

PROPRIEDADES MECÂNICAS, PARTE I.

Tendencias gerais relativas ao comportamento mecânico nas 3 classes de materiais.

Materiais resistentes vs materiais pouco resistentes (i.e., materiais macios). 

• característica relacionada com as  tensões que o material consegue suportar até à rotura:  resistência .

Materiais dúcteis vs materiais pouco ducteis vs. materiais com ductilidade quase nula (i.e. materiais frágeis).

• característica relacionada com as  deformações que  o material  consegue suportar até à rotura:  ductilidade . 
  • Em particular, a ductilidade relaciona-se com a quantidade de deformação plástica acumulada até à rotura. Se um material praticamente não tem comportamento plástico, diz-se que se trata de um material frágil .

Sistema de forças distribuídas a actuar numa superfície. Resultante. Esforço de tracção e de compressão.

Ensaio de tracção (uniaxial).  Conceito de tensão (força por unidade de área). Unidade SI: Pa. Alongamento. Tensão nominal. Extensão (ou deformação) nominal. Nota: a extensão é adimensional, sendo frequentemente representada em percentagem. 

• Os resultados (  carga vs. alongamento) obtidos no ensaio de tracção uniaxial são convertidos de forma directa para valores de  tensão nominal vs.  extensão (ou, deformação) nominal. Notar que ambos os gráficos diferem apenas, quando se comparam os respectivos eixos 2 a 2, em "factores de escala" (ou seja: a força é "escalada" pela área inicial e o alongamento é "escalado" pelo comprimento inicial), sendo que o aspecto genérico desses gráficos é essencialmente o mesmo.

Tensão máxima ou tensão de rotura (desde que se atinja a tensão máxima o material está sujeito a romper de forma iminente, daí a designação de "tensão de rotura"). Máxima deformação uniforme.

Regime (exclusivamente) elástico. Lei de Hooke. Módulo de elasticidade (ou módulo de Young).

• "Elástico" significa totalmente reversível, do ponto de vista da deformação. No regime puramente elástico, quando se retiram as forças o material retorna às suas dimensões iniciais.
• Na generalidade dos materiais (com a excepção notória dos elastómeros) o regime elástico coincide com o regime linear de deformação

Regime (elasto-)plástico. Tensão de cedência. 

• No regime elástico o material recupera as suas dimensões iniciais, ao ser retirada a carga aplicada. 
  
• No regime plástico, o material fica com uma deformação permanente, vista pelo facto da curva de descarga (que é uma recta paralela à recta elástica original) intersectar o eixo das abcissas num valor de extensão não-nulo.

Extensão final total após passagem pelo regime plástico como soma de 2 termos: extensão plástica (deformação permanente) + extensão elástica (i.e., extensão associada à descarga elástica).

Tensão de prova a 0.1% (ou , por exº a 0.2%). Definição. Motivação do uso dessa propriedade.

• É uma aproximação por excesso da tensão de cedência e muitas vezes (por abuso de linguagem) confundida com ela.
• A tensão de cedência é o valor da tensão a partir da qual se começam a movimentar as deslocações (como aprenderemos no capítulo Prop. Mec. parte II). Mas essa circunstância é de difícil medição experimental, logo faz sentido usar uma aproximação que se pode determinar de forma expedita.
• Essa aproximação é equivalente a aceitar como tensão de cedência um valor de tensão que provoque no máximo uma deformação plástica de 0.1% (ou: 0.2%, consoante a norma usada). Ou seja, se a tensão fôr mantida abaixo da tensão de prova, a eventual deformação permanente é mantida abaixo dum nível considerado desprezável (o tal 0.1%, ou 0.2%)  

Referências para estudo: Smith:  261-264 ,  266-272 . Callister:  131-135, 137, 143-147 .

Leitura para a próxima aula teórica: Smith:  264-267, 272-276  . Callister: 136, 140-142, 148- 152.

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1 março 2010, 11:00 • Augusto Moita de Deus

(Não se realizou a aula, por ainda não haver suficiente matéria leccionada na aula teórica).

T2

1 março 2010, 09:30 • Augusto Moita de Deus

Introdução à Ciência e Engenharia de Materiais.

• Da mesma forma como a Biologia se debruça sobre a Vida e a Geologia estuda a Terra, existe uma disciplina científica que se dedica ao estudo dos Materiais, que é precisamente... a Ciência de Materiais. Soa redundante pois infelizmente não existe uma palavra única para a distinguir das outras disciplinas cientìficas (curiosamente, tal termo existe para um dos ramos mais antigos da Ciência de Materiais: a Metalurgia, i.e., a Ciência que estuda os Metais).
• Tal como a Geologia, por exº, a Ciência de Materiais tem fortes afinidades com a Física e com a Química, mas é distinta destas.
• A Ciência e Engenharia de Materiais é uma área científico-tecnológica transversal às demais áreas do conhecimento no âmbito da Engenharia. Todas as Engenharias (talvez com a excepção da Eng. Informática, a nível de software/algoritmos) dependem essencialmente dos conhecimentos a nível de comportamento e propriedades dos materiais usados nas respectivas aplicações. Nesse sentido é considerada como uma ciência básica da Engenharia (a par, mais uma vez, da Física e da Química).
•  Importância histórica: a evolução civilizacional, bem como o progresso numa certa área da engenharia ou da tecnologia, normalmente está sempre associado a avanços na área dos Materiais
  • Eras da história da humanidade: idade da pedra, do bronze, do ferro, (do silício).
  • O bem-estar de pessoas e bens depende criticamente dos conhecimentos que os engenheiros possuem quanto ao comportamento e/ou a função dos materiais usados nas aplicações específicas a cada área da engenharia. 
    
  • Progressos tecnológicos, em termos de I&D, inclusive em ambiente empresarial, resultam frequentemente de:
    • desenvolvimento dum novo material (por exº uma nova liga, ou um novo compósito).
    • aplicação dum material conhecido num novo produto (por exº aplicar cortiça no isolamento térmico dum Space Shuttle).
    • aplicação dum material conhecido num produto existente, por substituição de materiais (por exº, a utilização crescente de materiais compósitos e ligas de alumínio na indústria automóvel, à custa da diminuição do uso de ligas ferrosas).
  • Muitas vezes desenvolvem-se novos materiais, mas mais frequentemente:
  • • optimiza-se o comportamento de materiais conhecidos (por exº, tenta-se aumentar a resistência dum dado material)
    • optimiza-se o processo de fabrico (usando tecnologias ambientalmente mais limpas; ou meramente para reduzir custos de fabrico).

Materiais: substâncias puras (elementos e compostos) e misturas. As três classes de materiais mais usados em engenharia: metais, cerâmicos, polímeros. Materiais compósitos. Outras classes de materiais: electrónicos (ou: para electrónica), biológicos, biomateriais, materiais naturais, etc.

Ciência e Engenharia de Materiais: envolve o estudo individualizado, bem como das respectivas inter-relações, quanto aos seguintas aspectos: Propriedades, Estrutura, Processamento, e em especial como essas 3 características afectam o Comportamento/Função/Desempenho/Utilização dos materiais.

• Alguns dos capítulos centrais do programa da cadeira relacionam-se directamente com a classificação acima anunciada. Por exº: Cap 2 e 4,  Propriedades Mecânicas; Cap. 3,  Estruturas cristalinas; Cap. 5, Solidificação, nucleação, e difusão ou o Cap. 6, Diagramas de equilíbrio de fases (capítulos directamente ligados ao  processamento   de ligas metálicas e de cerâmicos, por exº).

• O comportamento dos objectos com interesse em engenharia depende naturalmente de outros factores, próprios ao respectivo domínio de estudo: em engenharia mecânica a geometria duma peça afecta obviamente o seu comportamento; a estrutura do solo afecta o comportamento duma ponte, no âmbito da engenharia civil, etc. No entanto, nesta cadeira, o objecto de estudo será especificamente os materiais, e em particular os materiais usados em aplicações de engenharia.

Ligação atómica: ligações secundárias e primárias. Ligação covalente, iónica, metálica. Características das ligações, energia, direccionalidade.

Resumo das características genéricas principais das várias classes de materiais, quanto ao seu comportamento  eléctrico e térmico; energia e tipo de ligação, módulo de elasticidade, temperatura de fusão, estrutura (cristalina ou amorfa).

• Nota: o universo dos materiais é tão vasto que é sempre possível encontrar excepções a esses comportamentos genéricos. Mas as tendências gerais são as que foram discutidas na aula e apresentadas na forma de tabela.
• Notar que as tendências quanto à energia de ligação, módulo de elasticidade e temperatura de fusão são coincidentes, mostrando que essas 3 propriedades estão relacionadas entre si. Podemos dizer concretamente que em larga medida a temperatura de fusão e o módulo de elasticidade são determinados pela energia de ligação.

Referências para estudo: Smith: 1-17,    38, 39, 46, 47, 53, 54 . Callister: 1-14,  26-30 .

Matéria para efeito de revisões de Estrutura e Ligação Atómica: Smith 19-67.  Callister: 15-34  (notar que a matéria da cadeira não versa todo o detalhe apresentado nessas páginas).

Leitura para a próxima aula teórica:   Smith:  261-264, 266-272, 274-276 . Callister:  131-135, 137, 143-147, 151.

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25 fevereiro 2010, 14:00 • Augusto Moita de Deus

(Não se realizou a aula, por ainda não haver suficiente matéria leccionada na aula teórica).