Existem diversos tipos de materiais na natureza e nas sociedades.
Há os materiais naturais e os produzidos pelo homem. Não por acaso, existe a Ciência dos Materiais e a Engenharia dos Materiais. Ambas estudam os materiais, por meio das suas estruturas, propriedades e processamento.
Além disso, essas áreas objetivam desenvolver produtos adequados para situações específicas, para que possam ser utilizados em serviços ou em outros produtos, resultando em um desempenho e funcionalidade adequados.
Além disso, por possuir uma relação estreita com o setor produtivo, a Engenharia dos Materiais objetiva alcançar um preço justo a ser pago e uma durabilidade ao menos razoável dos materiais.
A Ciência dos Materiais pode ser chamada também de CiMat. Se você pensa em fazer um curso na área de Exatas , provavelmente vai ter disciplinas relacionadas ao CiMat. Leia o artigo que preparamos para você e esteja preparado para quando as aulas começarem!
Você vai ver por aqui:
O que é a ciência dos materiais?
A Ciência dos Materiais é o campo que estuda a relação e o comportamento macro e micro molecular dos materiais quando submetidos a diferentes situações de temperatura, pressão, compressão, deformações, entre outras mudanças.
Atualmente, o advento da nanociência e da nanotecnologia, contribuíram para a expansão dessa área do conhecimento. Nesse sentido, a Ciência dos Materiais é tida como um campo específico da Engenharia e exclusivo da Ciência.
Além disso, houve um aumento na percepção da importância desse campo. Isso porque diversas limitações tecnológicas são, na verdade, limitações materiais.
Se houvesse certos materiais com determinadas capacidades, os avanços científicos seriam consideravelmente maiores. Ou seja, é preciso investir ainda mais na Ciência e na Engenharia dos Materiais para que exista um avanço tecnológico significativo.
Assim, as descobertas nessa área podem impactar de modo significativo o futuro próximo ou distante da sociedade.
Qual a diferença entre engenharia dos materiais e ciência dos materiais?
A Engenharia dos Materiais e a Ciência dos Materiais são campos interligados e indissociáveis. Ainda assim são complementares, de modo que um não substitui o outro.
A principal diferença entre elas é que a Ciência dos Materiais pretende analisar, compreender e descobrir propriedades presentes nos diversos materiais já existentes.
Já a Engenharia dos Materiais tem o objetivo de construir, planejar e criar novos e diversos produtos, a partir das propriedades de diferentes materiais.
Assim, no primeiro caso, estuda-se as propriedades dos materiais já existentes; no segundo, cria-se novos materiais a partir dos conhecimentos obtidos pelo primeiro.
Classificação dos Materiais
Na Ciência dos Materiais, os materiais podem ser classificados de diversas formas. A classificação mais comum é baseada nas composições metálicas, de cerâmicas, de polímeros e de compósitos.
As classificações podem ser feitas de acordo com a função do material ou segundo o tipo de ligação química que ele apresenta.
Metais
- Ferro e aço;
- Ligas não-ferrosas e superligas (aplicações aeroespaciais)
- Compostos intermetálicos (materiais estruturais de alta temperatura)
Cerâmicas
- Cerâmicas estruturais (materiais estruturais de alta temperatura)
- Refratários (materiais resistentes à corrosão, isolantes térmicos)
- Cerâmica branca (porcelanas)
- Vidros
- Cerâmicas para aplicações elétricas (capacitores, isolantes, transdutores, etc.)
- Cerâmicas ligadas quimicamente (cimento e concreto)
Polímeros
- Plásticos
- Cristais líquidos
- Adesivos
Compósitos
- Compósitos particulados (pequenas partículas dispersas em um material diferente)
- Compósitos laminados (tacos de golfe, raquetes de tênis)
- Compósitos reforçados com fibras (fibra de vidro, fibra de carbono)
Como funciona o diagrama de fases
O diagrama de fases representa o estado físico do material em determinado instante, fornecendo informações também sobre a temperatura e a pressão desse material no momento analisado.
Além disso, o diagrama de fases é dividido em três regiões distintas, cada uma representando um dos estados físicos: sólido, líquido ou vapor.
Além disso, o ponto das linhas dessas regiões mostra quais são a temperatura e a pressão que certo material pode estar em dois ou três estados diferentes.
Por isso, o diagrama de fases contém diferentes elementos. São eles:
- Curva de fusão: delimita as áreas correspondentes aos estados sólido e líquido;
- Curva de vaporização: delimita as áreas correspondentes aos estados e líquido e a vapor;
- Curva de sublimação: delimita as áreas correspondentes aos estados sólido e a vapor;
- Ponto triplo: : ponto de encontro das três curvas – fusão, vaporização e sublimação. O ponto triplo indica quais são os valores de temperatura e de pressão que a substância pode estar, ao mesmo tempo, nos três estados físicos.
- Ponto crítico: indica qual é a maior temperatura possível quando a substância se encontra no estado a vapor. Assim, a partir desse ponto, já não é mais possível diferenciar os estados líquido e vapor. Com temperaturas acima do ponto crítico, a substância passa a ser considerada um gás.
Veja como é um diagrama de fases
Devido a essas características, o diagrama de fases é também chamado de diagrama de equilíbrio, pois relaciona temperatura, quantidade de fases em equilíbrio e composição química.
Assim, o diagrama funciona como uma espécie de mapa que mostra a estabilidade das diferentes fases nas duas diferentes composições e situações de temperaturas e pressões.
Além disso, é possível perceber a relação entre as propriedades do material e as suas microestruturas.
Exemplo de diagrama de fases. Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0
Falha dos Materiais
A teoria da falha dos materiais prevê que sob quais condições um material sólido pode falhar. Em outras palavras, ela analisa como ele se comporta quando submetido a situações externas.
Desse modo, dependendo das condições de temperatura, da taxa de carregamento e até mesmo do estado de tensão, os materiais podem apresentar falhas.
Em uma perspectiva matemática, a teoria da falha representa critérios de falha que são aplicados a determinados materiais.
Os critérios de falha de um certo material podem ser divididos em:
- Estado de falha;
- Estado de não-falha.
A falha material também pode ser descrita como a capacidade de determinado material de suportar ou não cargas. Além disso, ela pode ser observada em diferentes escalas, na microscópica e na macroscópica.
Tratando-se de problemas estruturais, conhecer e compreender a falha material é fundamental para determinar qual é a situação da integridade física da estrutura. Isso porque algumas falhas são resultado de comportamentos não lineares do material.
Tipos de falha material
Como vimos, há diferentes tipos de falha material. De modo geral, elas podem ser divididas nos seguintes grupos:
1. Falha microscópica
Esse tipo de falha costuma ser definida a partir do surgimento e da expansão de trincas. A metodologia é a mais adequada para identificar quais são as causas da fissura.
2. Falha macroscópica
Já a falha material macroscópica pode ser definida como a capacidade de armazenar energia. Ela pode ser classificada de acordo com as seguintes categorias:
- Falha por tensão ou deformação
- Falha do tipo energética
- Falha por dano
- Falha empírica
Estruturas cristalinas dos materiais
Os materiais sólidos podem ser cristalinos ou amorfos. Na estrutura cristalina, há uma organização geométrica dos átomos.
São exemplos de materiais com estrutura cristalina os sais, os metais e grande parte dos minerais. Nesses materiais, os átomos existentes dentro da sua estrutura formam uma rede que se chama retículo cristalino.
Outra característica desse tipo de material é que as suas moléculas de estruturas cristalinas podem ter dois tipos diferentes de ligações.
As direcionais, que inclui as ligações covalente e dipolo-dipolo, e as não direcionais, que inclui as ligações iônica, metálica e van der Walls.
Além disso, essas estruturas cristalinas são compostas por células unitárias, que são a sua unidade básica, o menor conjunto de átomos associados encontrados dentro de uma estrutura cristalina. As estruturas cristalinas são diversas.
No total, há sete tipos de sistemas cristalinos conhecidos:
- Cúbico: em que todos os ângulos são iguais a 90º
- Tetragonal: em que todos os ângulos são iguais a 90º
- Ortorrômbico: em que todos os ângulos são iguais a 90º
- Monoclínico: em que há dois ângulos iguais a 90º e dois ângulos diferentes de 90º
- Triclínico: em que todos ângulos são diferentes e nenhum é igual a 90º
- Hexagonal: em que dois ângulos são iguais a 90º e um ângulo é igual a 120º
- Romboédrico: em que todos os ângulos são iguais, mas diferentes de 90º.
Como vimos, a Ciência dos Materiais está diretamente ligada à Engenharia dos Materiais, mas ela também pode aparecer em outros cursos de Engenharia e Ciências Exatas.
Por isso, é muito importante ter esse conhecimento.
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