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2012 CiÊnCiA e proprieDADe Dos mAteriAis Prof. Jony Cesar Tomelin Copyright © UNIASSELVI 2012 Elaboração: Prof. Jony Cesar Tomelin Revisão, Diagramação e Produção: Centro Universitário Leonardo da Vinci – UNIASSELVI Ficha catalográfi ca elaborada na fonte pela Biblioteca Dante Alighieri UNIASSELVI – Indaial. 658.7 T656cTomelin, Jony Cesar Ciência e propriedade dos materiais / Jony Cesar Tomelin. Indaial : Uniasselvi, 2012. 239 p. : il ISBN 978-85-7830- 572-7 1. Administração - materiais. I. Centro Universitário Leonardo da Vinci. Impresso por: III ApresentAção Caro(a) acadêmico(a)! A Ciência dos Materiais envolve o estudo da estrutura, propriedades, métodos de caracterização e o desempenho de materiais, seja no âmbito da pesquisa ou da sua utilização in loco em diversos tipos de processos. Nessa disciplina você estará sendo apresentado aos principais conceitos que envolvem essa temática, que terão por objetivo principal permitir a formação de uma visão crítica sobre a problemática que envolve a seleção de materiais para as mais diversas aplicações. Na Unidade 1 do Caderno de Estudos você será apresentado a alguns conceitos básicos, porém fundamentais para o entendimento das propriedades dos materiais, apresentadas nas unidades posteriores. Iniciaremos nosso estudo com um panorama geral sobre os tipos de materiais existentes, de acordo com a sua classificação (polímeros, cerâmicas, metais e compósitos). Uma apresentação das características elementares dos átomos e da origem das forças de ligação será descrita, bem como as diferentes formas como os átomos podem se organizar para formar um material sólido, que, por consequência, influenciam nas características macroscópicas que observamos. Concluiremos o estudo dessa unidade aprendendo um pouco sobre os diagramas de fases e a sua importância para a predição da microestrutura das ligas metálicas. Fique atento, pois o entendimento desses conceitos é fundamental para a compreensão do conteúdo apresentado nas unidades posteriores. Na Unidade 2 iniciaremos o estudo das propriedades dos materiais. Nessa etapa você deverá compreender as ligações entre as características estruturais dos materiais, apresentadas na Unidade 1, e as propriedades mecânicas, elétricas, térmicas, magnéticas e óticas dos materiais. Todas essas propriedades são mensuradas através de métodos de ensaio específicos, que compreendem o processo de caracterização dos materiais. Através da medida de suas propriedades, podemos entender e definir a sua potencial aplicação, qualidades e limitações técnicas. Na Unidade 3 trataremos de explanar os principais processos de fabricação de materiais. As propriedades dos materiais, mensuradas através dos ensaios descritos na Unidade 2, podem ser significativamente alteradas em função de tratamentos térmicos e alteração nos parâmetros de processamento. Iremos também compreender que a seleção de materiais depende de uma análise criteriosa do problema de seleção, envolvendo o conhecimento de suas propriedades e dos requisitos do produto na aplicação, técnicos e econômicos. Também estaremos conversando sobre um tema extremamente importante e atual: ao final da vida útil, quais destinos podem ter os diferentes tipos de materiais? IV Você já me conhece das outras disciplinas? Não? É calouro? Enfim, tanto para você que está chegando agora à UNIASSELVI quanto para você que já é veterano, há novidades em nosso material. Na Educação a Distância, o livro impresso, entregue a todos os acadêmicos desde 2005, é o material base da disciplina. A partir de 2017, nossos livros estão de visual novo, com um formato mais prático, que cabe na bolsa e facilita a leitura. O conteúdo continua na íntegra, mas a estrutura interna foi aperfeiçoada com nova diagramação no texto, aproveitando ao máximo o espaço da página, o que também contribui para diminuir a extração de árvores para produção de folhas de papel, por exemplo. Assim, a UNIASSELVI, preocupando-se com o impacto de nossas ações sobre o ambiente, apresenta também este livro no formato digital. Assim, você, acadêmico, tem a possibilidade de estudá-lo com versatilidade nas telas do celular, tablet ou computador. Eu mesmo, UNI, ganhei um novo layout, você me verá frequentemente e surgirei para apresentar dicas de vídeos e outras fontes de conhecimento que complementam o assunto em questão. Todos esses ajustes foram pensados a partir de relatos que recebemos nas pesquisas institucionais sobre os materiais impressos, para que você, nossa maior prioridade, possa continuar seus estudos com um material de qualidade. Aproveito o momento para convidá-lo para um bate-papo sobre o Exame Nacional de Desempenho de Estudantes – ENADE. Bons estudos! Procure, ao longo do desenvolvimento da disciplina, traçar paralelos entre as propriedades dos materiais e suas características básicas (fenômenos físicos e químicos), apresentadas nos primeiros tópicos desse caderno. O mais importante no processo de aprendizagem é que você possa desenvolver um raciocínio lógico, que lhe permita determinar as possibilidades em termos de materiais para a solução de problemas reais, e qual caminho e fonte de informações devem ser buscados para lhe auxiliar nesse processo. Bom estudo! Prof. Jony Cesar Tomelin NOTA V VI VII UNIDADE 1 – FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS ............................................ 1 TÓPICO 1 – CONCEITOS FUNDAMENTAIS .................................................................................. 3 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 3 2 PERSPECTIVA HISTÓRICA .............................................................................................................. 3 3 APLICAÇÃO DE LIGAS METÁLICAS, CERÂMICAS, .............................................................. 5 POLÍMEROS E COMPÓSITOS ......................................................................................................... 5 3.1 METAIS E SUAS LIGAS.................................................................................................................. 5 3.2 MATERIAIS CERÂMICOS ............................................................................................................. 6 3.3 POLÍMEROS ..................................................................................................................................... 8 3.4 COMPÓSITOS .................................................................................................................................. 10 3.5 SEMICONDUTORES ...................................................................................................................... 11 3.6 BIOMATERIAIS ............................................................................................................................... 11 4 ESTRUTURA ATÔMICA .................................................................................................................... 12 RESUMO DO TÓPICO 1........................................................................................................................ 14 AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................. 15 TÓPICO 2 – LIGAÇÕES QUÍMICAS .................................................................................................. 17 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 17 2 LIGAÇÕES ATÔMICAS NOS MATERIAIS ................................................................................... 17 3 LIGAÇÕES PRIMÁRIAS ....................................................................................................................20 3.1 LIGAÇÕES IÔNICAS ...................................................................................................................... 20 3.2 LIGAÇÕES COVALENTES ............................................................................................................ 21 3.3 LIGAÇÕES METÁLICAS ............................................................................................................... 22 4 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS ............................................................................................................. 23 5 TIPOS DE LIGAÇÕES PREDOMINANTES EM METAIS, CERÂMICAS E POLÍMEROS ...................................................................................................................................... 23 RESUMO DO TÓPICO 2........................................................................................................................ 26 AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................. 27 TÓPICO 3 – TIPOS DE ESTRUTURA CRISTALINA ...................................................................... 29 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 29 2 ESTRUTURAS TÍPICAS DOS METAIS .......................................................................................... 29 2.1 CÚBICA DE FACES CENTRADAS ............................................................................................... 30 2.2 CÚBICA DE CORPO CENTRADO ............................................................................................... 34 2.3 HEXAGONAL COMPACTA .......................................................................................................... 35 3 ESTRUTURAS CRISTALINAS DE MATERIAIS CERÂMICOS ................................................ 36 4 ESTRUTURAS MOLECULARES DE POLÍMEROS ...................................................................... 37 RESUMO DO TÓPICO 3........................................................................................................................ 40 AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................. 41 TÓPICO 4 – CRISTALINIDADE DOS MATERIAIS ....................................................................... 43 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 43 2 MATERIAIS MONOCRISTALINOS ................................................................................................ 43 sumário VIII 3 MATERIAIS POLICRISTALINOS .................................................................................................. 44 4 MATERIAIS AMORFOS ................................................................................................................... 45 5 MATERIAIS SEMICRISTALINOS ................................................................................................. 46 RESUMO DO TÓPICO 4...................................................................................................................... 48 AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................... 49 TÓPICO 5 – DEFEITOS DA ESTRUTURA CRISTALINA ............................................................ 51 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................... 51 2 DEFEITOS PONTUAIS ..................................................................................................................... 51 3 IMPUREZAS ........................................................................................................................................ 52 4 DISCORDÂNCIAS ............................................................................................................................ 54 5 SISTEMAS DE ESCORREGAMENTO .......................................................................................... 54 6 CONTORNOS DE GRÃOS .............................................................................................................. 57 RESUMO DO TÓPICO 5...................................................................................................................... 60 AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................... 61 TÓPICO 6 – DIAGRAMAS DE FASES ............................................................................................. 63 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................... 63 2 SOLUBILIDADE ................................................................................................................................. 63 3 FASES .................................................................................................................................................... 63 4 EQUILÍBRIO DE FASES .................................................................................................................... 64 5 MICROESTRUTURA ......................................................................................................................... 64 6 SISTEMAS BINÁRIOS ISOMORFOS ........................................................................................... 65 6.1 CONDIÇÃO DE EQUILÍBRIO ..................................................................................................... 67 6.2 CONDIÇÃO DE NÃO EQUILÍBRIO .......................................................................................... 71 7 SISTEMAS BINÁRIOS EUTÉTICOS ............................................................................................. 73 8 DIAGRAMA DE FASE Fe-Fe3C (FERRO - CARBETO DE FERRO) .................................. 74 9 DIAGRAMAS TERNÁRIOS ............................................................................................................ 78 LEITURA COMPLEMENTAR ............................................................................................................. 78 RESUMO DO TÓPICO 6...................................................................................................................... 85 AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................... 86 UNIDADE 2 – CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS ......................... 87 TÓPICO 1 – PROPRIEDADES MECÂNICAS ................................................................................. 89 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................... 89 2 TENSÃO E DEFORMAÇÃO ............................................................................................................ 89 3 MÓDULO DE ELASTICIDADE ...................................................................................................... 90 4 TENSÃO DE ESCOAMENTO.......................................................................................................... 92 5 TENSÃO DE RESISTÊNCIA ............................................................................................................ 93 6 TENSÃO DE RUPTURA ................................................................................................................... 94 7 RESILIÊNCIA, TENACIDADE, DUCTILIDADE E FRAGILIDADE ...................................... 94 8 PARÂMETROS DA ESTRUTURA QUE INFLUENCIAM NA RESISTÊNCIA MECÂNICA ......................................................................................................................................... 96 9 RELAÇÕES ENTRE AMICROESTRUTURA E A RESISTÊNCIA MECÂNICA ................... 96 10 INFLUÊNCIA DO HISTÓRICO DE TENSÕES TÉRMICAS ..................................................100 11 INFLUÊNCIA DA DEFORMAÇÃO PLÁSTICA ........................................................................101 12 FADIGA ..............................................................................................................................................101 13 FLUÊNCIA .........................................................................................................................................104 RESUMO DO TÓPICO 1......................................................................................................................107 AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................108 IX TÓPICO 2 – PROPRIEDADES ÓTICAS ...........................................................................................109 1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................109 2 PRINCÍPIOS BÁSICOS .....................................................................................................................109 3 REFRAÇÃO ..........................................................................................................................................110 4 REFLEXÃO ...........................................................................................................................................111 5 ABSORÇÃO .........................................................................................................................................111 6 TRANSMISSÃO .................................................................................................................................112 7 COR .......................................................................................................................................................113 8 OPACIDADE E TRANSLUCIDEZ ..................................................................................................113 9 LASERS .................................................................................................................................................114 10 FIBRAS ÓTICAS ...............................................................................................................................116 RESUMO DO TÓPICO 2......................................................................................................................117 AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................118 TÓPICO 3 – PROPRIEDADES ELÉTRICAS ....................................................................................119 1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................119 2 CONCEITOS FUNDAMENTAIS ....................................................................................................119 3 RIGIDEZ DIELÉTRICA .....................................................................................................................120 4 MATERIAIS CONDUTORES ..........................................................................................................121 5 MATERIAIS ISOLANTES E SEMICONDUTORES ....................................................................121 6 SUPERCONDUTIVIDADE ..............................................................................................................124 7 FATORES QUE AFETAM A RESISTIVIDADE DOS METAIS .................................................124 RESUMO DO TÓPICO 3......................................................................................................................125 AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................126 TÓPICO 4 – PROPRIEDADES MAGNÉTICAS ..............................................................................127 1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................127 2 CONCEITOS FUNDAMENTAIS ....................................................................................................127 3 DIAMAGNETISMO ..........................................................................................................................129 4 PARAMAGNETISMO .......................................................................................................................129 5 FERROMAGNETISMO .....................................................................................................................130 6 ANTIFERROMAGNETISMO ..........................................................................................................131 7 FERRIMAGNETISMO ......................................................................................................................131 8 HISTERESE ..........................................................................................................................................132 9 MATERIAIS MAGNÉTICOS DUROS E MOLES ........................................................................134 10 ARMAZENAMENTO DE INFORMAÇÕES ...............................................................................135 RESUMO DO TÓPICO 4......................................................................................................................136 AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................137 TÓPICO 5 – PROPRIEDADES TÉRMICAS .....................................................................................139 1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................139 2 ORIGEM DAS CARACTERÍSTICAS TÉRMICAS ......................................................................139 3 CAPACIDADE CALORÍFICA ..........................................................................................................140 4 EXPANSÃO TÉRMICA .....................................................................................................................140 5 CONDUTIVIDADE TÉRMICA .......................................................................................................143 RESUMO DO TÓPICO 5......................................................................................................................145 AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................146 TÓPICO 6 – PRINCIPAIS TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS ................147 1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................147 2 MICROSCOPIA ÓTICA ....................................................................................................................147 3 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV) .......................................................151 X 4 DUREZA ...............................................................................................................................................155 5 ENSAIO DE TRAÇÃO .......................................................................................................................157 6 ANÁLISE QUÍMICA ..........................................................................................................................160 7 ANÁLISE CRISTALOGRÁFICA (DIFRAÇÃO DE RAIOS-X) ..................................................163 8 ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS ....................................................................................................165LEITURA COMPLEMENTAR .............................................................................................................169 RESUMO DO TÓPICO 6......................................................................................................................171 AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................172 UNIDADE 3 – PROCESSAMENTO E SELEÇÃO DE MATERIAIS ............................................173 TÓPICO 1 – PROCESSOS DE FABRICAÇÃO ................................................................................175 1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................175 2 PROCESSAMENTO DE MATERIAIS METÁLICOS ..................................................................176 2.1 FUNDIÇÃO ....................................................................................................................................176 2.2 CONFORMAÇÃO MECÂNICA .................................................................................................181 2.3 USINAGEM ....................................................................................................................................184 2.4 TRATAMENTOS TÉRMICOS ......................................................................................................186 2.4.1 Recozimento ..........................................................................................................................186 2.4.2 Têmpera ..................................................................................................................................187 2.4.3 Revenido ................................................................................................................................188 3 PROCESSAMENTO DE MATERIAIS CERÂMICOS .................................................................190 3.1 COLAGEM DE BARBOTINA ......................................................................................................191 3.2 EXTRUSÃO E CONFORMAÇÃO PLÁSTICA ..........................................................................192 3.3 PRENSAGEM .................................................................................................................................194 3.4 SECAGEM E QUEIMA .................................................................................................................195 4 PROCESSAMENTO DE MATERIAIS POLIMÉRICOS .............................................................196 4.1 OBTENÇÃO DOS POLÍMEROS ..................................................................................................197 4.2 EXTRUSÃO .....................................................................................................................................198 4.3 INJEÇÃO .........................................................................................................................................199 5 PROCESSAMENTO DE MATERIAIS COMPÓSITOS ..............................................................200 5.1 COMPÓSITOS METAL-CERÂMICA..........................................................................................201 5.2 COMPÓSITOS POLÍMERO-CERÂMICA ..................................................................................202 5.3 COMPÓSITOS POLÍMERO-METAL ..........................................................................................204 RESUMO DO TÓPICO 1......................................................................................................................205 AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................206 TÓPICO 2 – CRITÉRIOS PARA SELEÇÃO DE MATERIAIS ......................................................207 1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................207 2 REQUISITOS DE PROJETO ............................................................................................................208 2.1 RESISTÊNCIA MECÂNICA ........................................................................................................209 2.2 CONSIDERAÇÕES SOBRE A RESISTÊNCIA À FADIGA E FLUÊNCIA .............................213 2.3 RESISTÊNCIA A INTEMPÉRIES.................................................................................................213 2.4 OUTRAS PROPRIEDADES ..........................................................................................................215 3 ASPECTOS ECONÔMICOS ............................................................................................................215 3.1 VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DO MATERIAL SELECIONADO ....................................216 3.2 GARANTIAS DE FORNECIMENTO E QUALIDADE ............................................................219 4 DESENVOLVIMENTO DE MATERIAIS PARA USO ESPECÍFICO .......................................220 4.1 INOVAÇÃO E PRODUTIVIDADE .............................................................................................220 4.2 REDUÇÃO DE CUSTOS E QUALIDADE .................................................................................221 RESUMO DO TÓPICO 2......................................................................................................................222 AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................223 XI TÓPICO 3 – RECICLAGEM DOS MATERIAIS ..............................................................................225 1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................225 2 CLASSIFICAÇÃO DOS RESÍDUOS SÓLIDOS ..........................................................................225 3 RECICLAGEM DE MATERIAIS METÁLICOS ............................................................................227 4 RECICLAGEM DE MATERIAIS POLIMÉRICOS .......................................................................227 5 RECICLAGEM DOS MATERIAIS CERÂMICOS ........................................................................229 LEITURA COMPLEMENTAR ............................................................................................................ 230 RESUMO DO TÓPICO 3..................................................................................................................... 234 AUTOATIVIDADE .............................................................................................................................. 235 REFERÊNCIAS ...................................................................................................................................... 237 XII 1 UNIDADE 1 FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM PLANO DE ESTUDOS A partir do estudo desta unidade o(a) acadêmico(a) estará apto(a) a: • conhecer acerca da história e importância do estudo da ciência dos materiais e sua aplicação no desenvolvimento tecnológico da sociedade moderna; • entender os conceitos e características fundamentais dos materiais, os quais são de suma importância para o discernimento e análise de suas propriedades, a serem abordados nas unidades posteriores; • compreender a influência das forças de ligação, arranjo dos átomos e pre- sença de defeitos estruturais na classificação e propriedades específicas dos materiais; • interpretar diagramas de fases, de forma a prever a microestrutura e pro- priedades resultantes de composições comerciais de aços e ferros fundidos; • obter conhecimento básico acerca dos sistemas ternários e aplicação no desenvolvimento dos materiais cerâmicos. conhecer acerca da história e importância do estudo da ciência dos materiais e sua aplicação no desen- volvimentotecnológico da sociedade moderna; • entender os conceitos e características fundamentais dos materiais, os quais são de suma importância para o discernimento e análise de suas propriedades, a serem abordados nas unidades posteriores; • compreender a influência das forças de ligação, arranjo dos átomos e pre- sença de defeitos estruturais na classificação e propriedades específicas dos materiais; • interpretar diagramas de fases, de forma a prever a microestrutura e pro- priedades resultantes de composições comerciais de aços e ferros fundidos; • obter conhecimento básico acerca dos sistemas ternários e aplicação no desenvolvimento dos materiais cerâmicos. Esta unidade está dividida em seis tópicos que contribuirão na compreensão dos fundamentos da ciência e propriedades dos materiais. Além disso, em cada um dos tópicos você encontrará atividades que o ajudarão a consolidar os conceitos apresentados. TÓPICO 1 – CONCEITOS FUNDAMENTAIS TÓPICO 2 – LIGAÇÕES QUÍMICAS TÓPICO 3 – TIPOS DE ESTRUTURA CRISTALINA TÓPICO 4 – CRISTALINIDADE DOS MATERIAIS TÓPICO 5 – DEFEITOS DA ESTRUTURA CRISTALINA TÓPICO 6 – DIAGRAMAS DE FASES 2 3 TÓPICO 1 UNIDADE 1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS 1 INTRODUÇÃO Para o completo entendimento das propriedades e aplicações dos diversos materiais disponíveis comercialmente, bem como entender as ferramentas de análise e desenvolvimento de materiais, é necessário inicialmente que possamos compreender a real importância do estudo que estaremos desenvolvendo neste tópico. Dessa forma, estaremos inicialmente conversando um pouco a respeito da história do desenvolvimento dos materiais ao longo do tempo, e sua integração com o desenvolvimento da sociedade. Da mesma forma, é de suma importância compreender alguns mecanismos de origem atômica, os quais serão apresentados nesse tópico, que invariavelmente explicam boa parte das características e propriedades de cada tipologia de material. Para realmente termos um conhecimento sólido da ciência e das propriedades dos materiais, precisaremos ter a capacidade de correlacionar essas características elementares com os resultados e propriedades que estaremos estudando nos capítulos posteriores. Neste tópico também estaremos discutindo e fixando conceitos básicos e essenciais, bem como a apresentação de algumas aplicações típicas de materiais, para que vocês possam se familiarizar com os diferentes tipos de materiais, visualizando as aplicações no dia a dia, em situações práticas, facilitando o entendimento. É natural que muitos conceitos apresentados nesse tópico lhe sejam completamente novos. É importante que, durante a leitura desse primeiro tópico, sejam anotados os termos e conceitos que não são familiares. Esses conceitos serão detalhados nos tópicos e unidades posteriores. 2 PERSPECTIVA HISTÓRICA A escolha de materiais adequados para determinadas aplicações, mesmo em uma análise desprovida de conhecimentos específicos, nos remete aos mais remotos momentos da existência da humanidade. A necessidade da caça, da pesca, da construção de abrigos, da criação de vestimentas, e a elaboração de utensílios para as diversas atividades do homem primitivo, podem ser tomadas como exemplo de uma seleção de materiais com características mais adequadas para cada caso. Convenhamos que, nesse contexto inicial, as opções de materiais disponíveis eram de relativa escassez: madeira, barro, pedra, couro, fibras naturais. Qual material ou combinação destes vocês utilizariam para a confecção de uma lança para caça? UNIDADE 1 | FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 4 O desenvolvimento de utensílios e recipientes de cerâmica pode ser considerado um dos primeiros avanços da humanidade na direção da criação de materiais que atendam a necessidades específicas de forma mais adequada do que os materiais naturais disponíveis. A invenção nos parece simples, levando em conta o nosso estado atual de desenvolvimento tecnológico: moldar utensílios em barro úmido, e cozermos os mesmos em fogo para que estes adquiram resistência. No entanto, ainda utilizamos esses princípios antiquíssimos para a fabricação de muitos produtos cerâmicos, como, por exemplo, as telhas e tijolos que compõem as nossas casas. O desenvolvimento de novas técnicas de fabricação desses materiais permitiu produzi-los em grande escala e com poucas perdas. O posterior conhecimento do processamento de ligas metálicas, como o ferro e o bronze, propiciou a elaboração de utensílios de diversas naturezas e utilidades. Os avanços que se seguiram permitiram à sociedade a criação de inúmeras utilidades, culminando no desenvolvimento tecnológico moderno. O desenvolvimento de materiais poliméricos, os quais nós conhecemos também por plásticos, tendo como matéria-prima base o petróleo, permitiu a produção de materiais mais leves, processados em baixa temperatura e com características mecânicas adequadas a muitas aplicações, inclusive, por exemplo, substituindo partes metálicas em veículos, permitindo assim a economia de peso e combustível. A rápida troca de informações propiciada pelo desenvolvimento tecnológico atual na área eletrônica não seria possível sem o desenvolvimento e aprimoramento constante dos materiais semicondutores, os quais permitiram o desenvolvimento dos circuitos integrados. Grandes avanços da medicina estão condicionados ao crescente estudo de biomateriais, resistentes e compatíveis com o organismo onde são implantados. A nanotecnologia nos mostra que é possível obter materiais com características especiais, abrindo um leque enorme para o desenvolvimento de materiais inteligentes e de tecnologias mais limpas. Podemos concluir então que, tanto para o homem que habitava as cavernas até o homem que habita as modernas estações espaciais, o conhecimento das propriedades dos materiais disponíveis e a engenharia ou desenvolvimento de novos materiais criados e constantemente aprimorados são fundamentais para a manutenção de condições em que este possa viver de forma adequada às suas necessidades, em um mundo moderno cada vez mais dinâmico. TÓPICO 1 | CONCEITOS FUNDAMENTAIS 5 3 APLICAÇÃO DE LIGAS METÁLICAS, CERÂMICAS, POLÍMEROS E COMPÓSITOS Diferentes tipos de materiais podem ser utilizados na fabricação de um produto ou parte de um produto industrializado. Normalmente a decisão de se utilizar determinado material passa pela análise de diversos critérios, desde as propriedades necessárias ao desempenho do componente até o seu valor final. 3.1 METAIS E SUAS LIGAS As ligas metálicas são normalmente compostas majoritariamente de elementos metálicos. Os átomos dos metais sólidos são ligados entre si por ligações metálicas. Nesse tipo de ligação, uma parte dos elétrons desses átomos deixa de pertencer a átomos definidos, formando uma nuvem de elétrons, que são chamados de elétrons livres, os quais são responsáveis pelas suas propriedades elétricas particulares. A sua estrutura ordenada e as características de suas ligações fazem com que estes materiais apresentem alta resistência mecânica, no entanto podem ser conformados em diferentes formas sem apresentar ruptura. Além disso, suas propriedades podem ser drasticamente alteradas pela deformação mecânica ou tratamentos térmicos, de acordo com a necessidade. Essas características fazem dos metais e suas ligas uma escolha bastante usual para a fabricação de componentes mecânicos, desde automóveis até estruturas de edifícios. Um aspecto bastante importante da maioria das ligas metálicas é o seu caráter de “aviso de falha”: Quando um componente ultrapassa o seu limite de carga (nesse caso trata-se do limite de escoamento, como veremos com mais detalhes na Unidade 2), ocorre uma deformação irreversível do componente, ou seja, ao retirar a carga, o componente permanece deformado. Essa deformação pode ser detectada por inspeções antes que esta peça venha a se romper, causando uma falha mais grave. Essa propriedade é bastante importante quando trabalhamos com produtosonde existe a necessidade de um nível de segurança, como em partes mecânicas de automóveis, aviões, ou de estruturas de guindastes. A ruptura da peça nesse caso pode ser catastrófica. A figura a seguir apresenta o aspecto de fratura de um material metálico dúctil e de um material frágil. A fratura do material dúctil apresenta deformação localizada. UNIDADE 1 | FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 6 O que é um material dúctil? O que se entende por material frágil? Não se preocupe em responder esses questionamentos agora. Anote esse termos. Eles serão detalhados e exemplificados nos próximos tópicos e unidades. 3.2 MATERIAIS CERÂMICOS Os materiais cerâmicos são, em sua maioria, constituídos de óxidos metálicos. As ligações químicas desses materiais podem ser iônicas ou covalentes (estaremos estudando as características dessas ligações no tópico 2 dessa unidade). Diferente dos metais, as cerâmicas normalmente apresentam estruturas mais complexas e menos simétricas. Esse fato, aliado ao tipo de ligação, faz com que a deformação da peça antes da ruptura seja praticamente nula: o componente rompe rapidamente ao atingir seu limite de resistência. A situação descrita acima é crítica quando pensamos em aplicações mecânicas com restrições de segurança. Outra característica importante dos materiais cerâmicos é que estes apresentam uma sensibilidade maior a defeitos de fabricação. A presença de trincas, muitas vezes não detectáveis, torna o limite de resistência mais baixo do que o calculado no projeto do componente sem falhas. Por esse motivo, em alguns casos, testes mecânicos prévios desses componentes são necessários para garantir uma resistência mecânica mínima exigida pela aplicação. FIGURA 1 – FRATURA DE MATERIAL DÚCTIL (À ESQUERDA) E FRÁGIL (À DIREITA) FONTE: Callister (2007) ESTUDOS FU TUROS TÓPICO 1 | CONCEITOS FUNDAMENTAIS 7 Por outro lado, algumas características dos materiais cerâmicos os tornam a melhor escolha para determinadas aplicações: • ausência de elétrons livres, culminando em elevada rigidez dielétrica e baixa condutividade elétrica, o que os torna excelentes isolantes elétricos; • a baixa condutividade térmica permite a aplicação como material refratário, isolando o calor de um processo do ambiente, protegendo os materiais metálicos que revestem determinados equipamentos; • a característica de rigidez de suas ligações químicas culmina em materiais com elevada dureza, tornando-os excelentes materiais abrasivos, de usinagem de materiais metálicos, ou para aplicações onde se deseja diminuir o desgaste mecânico; • a combinação entre suas características estéticas e resistência ao desgaste os torna uma escolha interessante no desenvolvimento de biomateriais, como próteses dentárias; • as translucides dos vidros e suas propriedades de refração da luz permitem a fabricação de diversos objetos decorativos e técnicos, incluindo lentes para aplicações diversas; • as características de pega hidráulica e propriedades mecânicas após cura, isolamento térmico e baixo custo permitem a utilização de gesso e cimentos em larga escala para construção e revestimento de edificações. Os materiais cerâmicos são utilizados atualmente em diversos setores, seja como isoladores em linhas de transmissão de energia, como blocos estruturais para edifícios, cimentos, vidros para janelas, frascos, vitrocerâmicos para fogões, substratos para catalisadores, e próteses biocompatíveis. UNIDADE 1 | FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 8 FIGURA 2 – COMPONENTE CERÂMICO: SUBSTRATO DE CATALISADOR, DE CORDIERITA FONTE: INESCAP. Disponível em: <http://www.inescap.com.br/eng/prod_doc. html>. Acesso em: 25 fev. 2012. 3.3 POLÍMEROS Os materiais poliméricos são de base orgânica (contêm carbono, C). Esses materiais, assim como os metais e cerâmicas, podem ser caracterizados por um agrupamento de átomos que formam uma estrutura, que se repete indefinidamente no material. No caso dos polímeros, essa estrutura é chamada de mero. Um polímero pode ser definido, então, como um conjunto de meros. As ligações químicas nesse tipo de material são normalmente de caráter covalente. Apesar de a ligação química do tipo covalente ser forte, os polímeros apresentam como uma das suas principais características a elevada maleabilidade. Esse comportamento, em primeira análise, nos parece contraditório, porém é explicado pela presença de ligações secundárias. Um polímero consiste em várias cadeias poliméricas, normalmente de longo tamanho, que mantêm interações de coesão entre si por forças secundárias, como pontes de hidrogênio. Estas ligações, mais fracas, explicam a facilidade de deformação desses materiais, pois a deformação ocorre pelo deslocamento das cadeias poliméricas. TÓPICO 1 | CONCEITOS FUNDAMENTAIS 9 Uma das características principais dos polímeros é a sua facilidade de processamento em baixas temperaturas (da ordem de 200°C), bem como a sua boa relação entre densidade e propriedades mecânicas. Para muitos casos, os polímeros podem ter resistência mecânica suficiente para substituir partes metálicas, com diminuição do peso do componente e também do produto. Esse fato normalmente implica em menores custos de transporte e economia de combustível, dentre outros, e é a tendência que observamos nas últimas décadas no desenvolvimento dos automóveis. Assim como nos metais, as propriedades dos polímeros podem ser alteradas, nesse caso essencialmente pelo tamanho das cadeias poliméricas e seu grau de cristalinidade. Os polímeros apresentam diversas propriedades que os tornam interessantes para determinadas aplicações, embora também apresentem limitações intrínsecas. Normalmente apresentam baixa resistência ao calor e podem sofrer degradação quando expostos a intempéries. Essa degradação consiste na quebra de ligações pela presença de raios UV provenientes da luz solar. As aplicações dos polímeros são das mais diversas: desde recipientes e utensílios domésticos em polipropileno (PP) e polietileno (PE), até componentes automotivos em Nylon®, ABS ou borrachas. Os polímeros também podem ser reforçados por outros tipos de materiais, sendo então classificados como compósitos, os quais serão discutidos no item a seguir. FIGURA 3 – ENGRENAGENS DE NYLON® FONTE: MECÂNICA OURINHENSE. Disponível em: <http://www. mecanicaourinhense.com.br/engrenagem-de-corrente-transportadora. php>. Acesso em: 25 fev. 2012. UNIDADE 1 | FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 10 3.4 COMPÓSITOS Vimos nos itens anteriores que os diferentes tipos de materiais apresentam características que os tornam interessantes para determinadas aplicações, porém, apresentam também limitações. A busca de propriedades ótimas para aplicações específicas motivou o estudo dos materiais compósitos. Um material compósito consiste na junção em um mesmo material de duas ou mais classes de materiais (metais, polímeros ou cerâmicas) para o desenvolvimento de um novo material com propriedades muitas vezes superiores às apresentadas pelos componentes separadamente, ou seja, ocorre uma sinergia entre os componentes utilizados. É possível, por exemplo, melhorar as propriedades mecânicas de um material polimérico (resina epóxi, poliuretano) adicionando certa quantidade de fibras de vidro (material cerâmico), de tamanho e características controladas. Chamamos esse tipo de material de fibra de vidro, sendo bastante empregado na indústria naval, reservatórios de água e piscinas, dentre outros. A melhora na resistência mecânica do componente, nesse caso, se dá pela transferência da carga mecânica do polímero para a fibra, que é mais rígida que a matriz polimérica. No entanto, um fator importante é a qualidade da interface entre a fibra de vidro e o polímero: a adesão de dois materiais com características físico-químicas tão distintas muitas vezes precisa ser auxiliada por um tratamento superficial da superfície das fibras. Ou seja, precisamos compatibilizar a fibra para que esta fiqueaderida corretamente ao polímero. Quando desejamos unir a resistência à abrasão elevada, mantendo a resistência a impactos e deformações, podemos utilizar um material compósito que seja capaz de suprir essa necessidade. É o caso do metal duro (na indústria comumente chamado de “Widea”). O metal duro consiste em uma matriz metálica (Co, Ni) com partículas cerâmicas (WC, carbeto de tungstênio). A fase cerâmica é responsável pela elevada dureza e resistência a abrasão, enquanto a matriz metálica dissipa o calor gerado e absorve impacto e trepidação. Pastilhas de usinagem confeccionadas nesse tipo de material apresentam propriedades adequadas para usinagem de metais com dureza elevada, bem como para usinagem a seco de materiais cerâmicos. Compósitos de base polimérica com adição de metais são utilizados para desenvolvimento de propriedades de semicondutividade: a concentração e interpolação das partículas do metal condutor na matriz polimérica irão definir a condutividade desse material, sendo interessante nos casos onde se deseja obter condutividades controladas para determinadas aplicações, bem como onde as propriedades do polímero são adequadas. TÓPICO 1 | CONCEITOS FUNDAMENTAIS 11 FIGURA 4 – OS COMPÓSITOS DE FIBRA DE VIDRO SÃO UTILIZADOS NA FABRICAÇÃO DE BARCOS E LANCHAS FONTE: VALE NÁUTICO. Disponível em: <http://www.valenautico.com.br/ site/?key=81>. Acesso em: 25 fev. 2012. 3.5 SEMICONDUTORES Os materiais semicondutores apresentam condutividade elétrica intermediária entre metais condutores e materiais intrinsecamente isolantes, como é o caso da maioria das cerâmicas. Normalmente o nível dessa condutividade é afetado por variações pequenas na quantidade de determinadas impurezas, sendo esse um ponto chave no desenvolvimento desses materiais. Com o advento dos semicondutores puderam ser desenvolvidos transistores e diodos, os quais são fundamentais para o campo da eletrônica. Esses dispositivos têm, além da capacidade de amplificar um sinal elétrico, a propriedade de atuarem como interruptores. Isto é particularmente importante, visto que a tecnologia digital opera em sistemas binários (algumas vezes designados por 0 e 1), que podem corresponder a “ligado” e “desligado” para cada transistor. Assim, dados e equações podem ser armazenados em chips de silício nos computadores, calculadoras, celulares, e inúmeros equipamentos. 3.6 BIOMATERIAIS A função dos biomateriais, como o nome indica, é a de substituir partes do corpo danificadas ou doentes. Podemos produzir biomateriais utilizando cerâmicas, polímeros, metais, semicondutores ou compósitos. Uma das principais características desses materiais é a não liberação de produtos tóxicos e biocompatibilidade, ou seja, não devem sofrer rejeição por parte do organismo receptor. Próteses dentárias, ósseas, estéticas (próteses de silicone) e marca-passos são exemplos de biomateriais. UNIDADE 1 | FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 12 4 ESTRUTURA ATÔMICA A explicação para o comportamento macroscópico dos materiais tem sua origem em suas características atômicas: tipos de átomos e arranjo entre eles, no que chamamos de estrutura. No entanto, para compreendermos as características de arranjo entre os átomos, é necessário relembrarmos alguns conceitos de química e física, os quais você já estudou nas respectivas disciplinas. Os átomos são unidades compostas por partículas subatômicas que se diferem pela sua carga e massa: prótons, elétrons e nêutrons. Os átomos possuem um núcleo, e esse núcleo é composto por prótons e nêutrons, que são unidades muito pequenas. Prótons e nêutrons apresentam massa semelhante entre si (1,67 x 10-27 Kg). A principal diferença entre prótons e nêutrons é que os prótons apresentam carga positiva (1,60 x 10-19 C), enquanto os nêutrons não apresentam carga. Os elétrons apresentam carga de mesma magnitude dos prótons (1,60 x 10- 19C), porém, negativa. Outra diferença fundamental entre os elétrons e prótons é a sua massa (9,11 x 10-31 Kg), ou seja, os elétrons são cerca de 10000 vezes mais leves. O átomo, composto de prótons e nêutrons, partículas mais pesadas, fica agrupado em um núcleo, enquanto os elétrons, partículas mais leves, circulam ao redor deste núcleo. Podemos concluir também que o núcleo apresenta carga positiva, pela presença dos prótons. FIGURA 5 – O ÁTOMO FONTE: O autor A quantidade de prótons do núcleo do átomo irá determinar o número atômico (Z) e o tipo de átomo. Essa informação, consequentemente, caracteriza um elemento químico. Cada elemento apresenta um número específico de prótons. Se o átomo estiver em seu estado neutro, o número de elétrons será igual ao número de prótons (lembre-se de que a magnitude da carga do elétron e do próton é a mesma, porém de sinal contrário). TÓPICO 1 | CONCEITOS FUNDAMENTAIS 13 A forma como os átomos se agrupam no material sólido não é totalmente densa. Existem vazios entre os átomos, e a densidade do sólido irá depender dessa quantidade de vazios. No tópico 3 iremos calcular a densidade do chumbo a partir da massa atômica e seu arranjo cristalino! Portanto, não somente o conhecimento das características dos átomos, como, por exemplo, a sua massa atômica (A), é suficiente para explicar os diferentes comportamentos macroscópicos dos materiais. Além da forma como os átomos são arranjados, tanto a magnitude como o tipo de ligação entre os átomos no material sólido se relacionam com algumas propriedades desses sólidos. É do estudo dessas forças que estaremos tratando no próximo tópico. A massa atômica (A) é a massa de um átomo do elemento. Essa massa é caracterizada pela soma das massas de cada próton e cada nêutron do elemento. Nessa conta se exclui a massa dos elétrons, pois neste caso esta é praticamente desprezível. Um mesmo elemento pode ter diferentes quantidades de nêutrons, e apresentará massas ligeiramente diferentes. Eles são chamados de isótopos. Podemos imaginar então, a partir das premissas descritas acima, que algumas propriedades físicas, como a densidade e a massa dos materiais, apresentam alguma relação com a quantidade de prótons e nêutrons dos núcleos dos seus elementos. Vamos analisar este exemplo: Da observação da tabela periódica podemos constatar que o alumínio (Al) apresenta número atômico Z=13 e massa atômica A=26,982, enquanto o chumbo (Pb) apresenta Z=82 e A=207,19. Portanto, podemos esperar que 1m3 de chumbo metálico apresente maior massa quando comparado a 1m3 de alumínio metálico. No entanto, é importante observar que a densidade destes metais no estado sólido em temperatura ambiente não depende somente da massa atômica, mas também de outros fatores, como o seu arranjo atômico, ou seja, de sua estrutura. Assim, para calcularmos a densidade e posteriormente a massa de 1m3 dos materiais citados, precisaremos de informações a respeito de como estes átomos ficam arranjados no sólido, e quantidade de vazios em cada estrutura. ATENCAO 14 Neste tópico estudamos alguns conceitos fundamentais da ciência dos materiais. A seguir apresentamos um resumo dos principais pontos abordados: • Apresentamos uma perspectiva histórica do desenvolvimento dos materiais, enfatizando a sua importância no desenvolvimento tecnológico. • Foram discutidos alguns dos aspectos principais relativos às diferentes classes de materiais e suas aplicações em função de suas propriedades. • Compreendemos que o conhecimento da estrutura do átomo é insuficiente para entendermos as propriedades macroscópicas dos materiais, sendo necessário obter informações a respeito de suas ligações e arranjo desses átomos no material. RESUMO DO TÓPICO 1 15 Caro(a) acadêmico(a), para melhor fixar o conteúdo da unidade, sugerimos que desenvolva as seguintes atividades: 1 Descreva com suas palavras a importância da ciência dos materiais para a sociedade moderna. 2 Defina quais são as principais características que diferenciam metais, polímeros, cerâmicas e compósitos. 3 Defina as característicasde cada partícula subatômica: prótons, elétrons e nêutrons. AUTOATIVIDADE 16 17 TÓPICO 2 LIGAÇÕES QUÍMICAS UNIDADE 1 1 INTRODUÇÃO As características das ligações químicas dos materiais estão relacionadas diretamente com as suas propriedades. Por esse motivo torna-se muito importante conhecermos os princípios que governam essas ligações nos sólidos. Quando analisamos o comportamento mecânico ou térmico de um material, o conhecimento da origem do comportamento macroscópico observado é importante para interpretarmos os resultados obtidos. Neste tópico estudaremos os princípios de equilíbrio das forças das ligações químicas, bem como os tipos de ligação e suas características relacionadas às propriedades de cada classe de material. 2 LIGAÇÕES ATÔMICAS NOS MATERIAIS Sabemos que um material sólido é composto por um número muito grande de átomos e que, conforme estudamos anteriormente, estes átomos são compostos por elétrons, prótons e nêutrons. A própria estrutura do átomo é resultante do equilíbrio das forças de atração e repulsão entre o núcleo positivo e os elétrons, que apresentam carga negativa. Para facilitar a nossa incursão na análise das ligações atômicas, vamos imaginar a unidade mais simples possível: a ligação entre apenas dois átomos. Quais fenômenos físicos vocês esperam observar ao aproximarmos dois átomos? FIGURA 6 – ÁTOMOS SEPARADOS POR UMA DISTÂNCIA D FONTE: O autor UNIDADE 1 | FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 18 Considerando que, em um estado inicial que promovemos, existe uma grande distância entre os dois átomos (d). Nesse caso, as forças entre estes dois átomos podem ser consideradas desprezíveis. No entanto, ao aproximarmos os dois átomos, surgem dois tipos de forças: uma atrativa e outra repulsiva, cujas magnitudes irão depender das características de ligação entre estes átomos. Ao aproximarmos os dois átomos a ponto de suas camadas de elétrons se sobreporem, ocorre um aumento na força de repulsão. A força líquida (FL) entre dois átomos é a soma entre a força de repulsão e a força de atração e, como podemos imaginar, irá depender da distância entre os dois átomos. FL = FA + FR Se ao aproximarmos dois átomos existem duas forças concorrentes (atração e repulsão), podemos supor que, a uma determinada distância entre estes átomos, a força resultante entre estes é nula, ou seja: FA + FR = 0 De fato esse estado de equilíbrio existe, e pode ser representado pela figura a seguir. Para facilitar o nosso entendimento, vamos considerar a energia resultante dessas forças ao invés de analisarmos as forças envolvidas. A energia pode ser obtida a partir da equação a seguir. E = ∫ F dr A figura a seguir mostra um gráfico esquemático da soma das energias de atração e repulsão entre dois átomos. FIGURA 7 – ENERGIA POTENCIAL EM FUNÇÃO DA SEPARAÇÃO INTERATÔMICA FONTE: Callister (2007) TÓPICO 2 | LIGAÇÕES QUÍMICAS 19 Vamos imaginar que a curva descrita na figura funciona como uma rampa, e que depositamos uma esfera no ponto A. A esfera está em equilíbrio no ponto A, e não irá se movimentar, a menos que coloquemos alguma energia mecânica que a faça se movimentar para o lado direito ou esquerdo. Ao movimentarmos a esfera para o lado direito por um curto percurso, e ao liberarmos a esfera, a mesma retornará ao ponto A. O mesmo acontece ao movimentarmos a esfera para a esquerda: a esfera retorna ao ponto A, que é o de menor energia. FIGURA 8 – CURVA DE ENERGIA DE LIGAÇÃO APLICANDO EXEMPLO DAS ESFERAS FONTE: O autor Se entendermos esse fenômeno, poderemos compreender que existe uma distância entre os dois átomos onde o valor da soma entre a energia repulsiva e atrativa é nula, que consiste em um ponto de equilíbrio, e que coincide com o valor da energia de ligação (E0). Portanto, chegamos a um ponto muito importante: em um material sólido, se um átomo se liga a diferentes átomos por ligações químicas, existe uma força de coesão entre esses átomos, e um estado de equilíbrio. Dessa forma, diferentes tipos de ligações e as magnitudes dessas energias, no equilíbrio, irão resultar em materiais de diferentes propriedades, como dureza, resistência mecânica, ponto de fusão, dentre outras, governadas por esta energia de ligação. Na prática, diferentes materiais apresentam curvas de energia de ligação diferentes, o que gera valores de energia de ligação e distância interatômica diferentes. Repulsão Atração d E UNIDADE 1 | FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 20 A seguir estudaremos os tipos de ligações predominantes nos materiais sólidos. 3 LIGAÇÕES PRIMÁRIAS 3.1 LIGAÇÕES IÔNICAS Aprendemos nas disciplinas de química que os átomos tendem, através de ligação química com outros átomos, a adquirir a configuração eletrônica dos gases inertes (estáveis). A ligação do tipo iônica sempre envolve átomos metálicos e não metálicos, sendo que o metal nesse tipo de ligação perde seu elétron de valência, e o átomo não metálico o recebe. No entanto, essa permuta tem como consequência a geração de uma carga elétrica, tornando-os íons, o que caracteriza a ligação iônica. Os átomos isoladamente apresentavam uma estrutura neutra de carga, porém, após ligação, apresentam carga positiva (o que doou o elétron) e negativa (o que recebeu elétron). No entanto, no material sólido não existem apenas dois átomos, mas uma infinidade destes. O que ocorre neste caso é uma atração entre átomos vizinhos de carga positiva e negativa, e a essa energia de atração damos o nome de energia de ligação iônica. As forças de atração são chamadas de Forças de Coulomb. A figura a seguir mostra um exemplo esquemático desse tipo de ligação. A energia de ligação E 0 é diferente para cada tipo de material. Um material mais rígido tem maior energia de ligação, e um material mais maleável apresenta menor energia de ligação. ATENCAO TÓPICO 2 | LIGAÇÕES QUÍMICAS 21 FIGURA 9 – ESQUEMA DAS LIGAÇÕES QUÍMICAS DO TIPO IÔNICA NO CLORETO DE SÓDIO (SAL DE COZINHA) FONTE: Callister (2007) 3.2 LIGAÇÕES COVALENTES Nesse tipo de ligação, um ou mais elétrons são compartilhados entre os átomos, ou seja, os elétrons compartilhados não pertencem a um átomo específico. Da mesma forma que na ligação iônica, os átomos adquirem dessa forma a estrutura eletrônica estável. A ligação covalente tende a ocorrer quando a diferença de eletronegatividade entre os átomos envolvidos é pequena. As ligações covalentes podem apresentar energia de ligação bastante elevada, como também relativamente baixas, dependendo dos tipos de átomos envolvidos. A figura a seguir mostra uma molécula de metano (CH4). Observe que a ligação entre os átomos de C e H apresenta compartilhamento de elétrons. FIGURA 10 – LIGAÇÕES QUÍMICAS DO CH 4 FONTE: Callister (2007) Força de ligação de Coulomb Elétron compartilhado do carbono Elétron compartilhado do hidrogênio UNIDADE 1 | FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 22 Observem que quando tratamos de características dos átomos e ligações químicas, um aspecto comum é a existência de um equilíbrio entre as forças de atração e repulsão entre cargas negativas e positivas de prótons, elétrons e íons. FIGURA 11 – LIGAÇÃO METÁLICA FONTE: Callister (2007) 3.3 LIGAÇÕES METÁLICAS As ligações metálicas apresentam uma característica bastante interessante, que as distingue das ligações de caráter iônica e covalente. Os átomos de um metal apresentam geralmente de um a três elétrons na camada de valência. No sólido metálico, estes elétrons não pertencem a nenhum átomo específico, mas formam uma nuvem de elétrons, ao que chamamos de elétrons livres (já havíamos citado esse termo no tópico anterior). Os elétrons das camadas interiores, juntamente com os núcleos positivos, formam uma estrutura iônica que é eletricamente estabilizada pela nuvem de elétrons. A figura a seguir mostra esquematicamente a estrutura dos átomos em um material metálico. Núcleos dos íons Nuvem de elétrons de valência ATENCAO TÓPICO 2 | LIGAÇÕES QUÍMICAS23 4 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS FIGURA 12 – LIGAÇÃO SECUNDÁRIA DO TIPO PONTE DE HIDROGÊNIO FONTE: Callister (2007) 5 TIPOS DE LIGAÇÕES PREDOMINANTES EM METAIS, CERÂMICAS E POLÍMEROS Como abordamos nos itens anteriores, podem existir nos materiais sólidos ligações primárias, mais fortes, e secundárias, mais fracas. As ligações primárias são classificadas em iônica, covalente ou metálica, e as secundárias podem ser de vários tipos, sendo mais comuns nos materiais sólidos as do tipo ponte de hidrogênio e de Van der Waals. As ligações iônicas são predominantes em materiais cerâmicos, como, por exemplo, nas cerâmicas óxidas (vidro, porcelana, alumina, dentre outras). A alumina (Al2O3), por exemplo, é composta por átomos metálicos (Al) e não metálicos (O), combinação que é característica desse tipo de ligação. A energia de ligação iônica, e por consequência da maioria dos materiais cerâmicos, tende a ser bastante elevada. Portanto, podemos imaginar que é necessária uma elevada energia para separar esses átomos. Vimos anteriormente que nas ligações iônicas, os átomos doadores e receptores de elétrons adquirem caráter positivo e negativo. Se considerarmos uma molécula, como, por exemplo, a do HF (fluoreto de hidrogênio), cuja ligação é de caráter iônico, podemos constatar que a extremidade que contém o H apresenta caráter positivo, enquanto a extremidade de F apresenta caráter negativo. Quando aproximamos duas moléculas de HF, o H positivo de uma das moléculas é atraído pelo F negativo da outra molécula. Temos nesse caso um exemplo de força de ligação secundária, do tipo ponte de hidrogênio (conforme a figura a seguir). As ligações secundárias surgem quando existe uma separação entre a parte positiva e negativa das moléculas ou átomos, gerando uma atração entre as partes de carga contrária. Normalmente esse tipo de ligação apresenta energia de ligação bem inferior ao das ligações primárias. UNIDADE 1 | FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 24 A elevada energia de ligação nas cerâmicas também implica em uma elevada rigidez do material, ou seja, é necessário aplicar forças elevadas para deformar esses tipos de materiais. De fato, os materiais cerâmicos poderiam ser referência em termos de resistência mecânica, porém outros fatores acabam por limitar a sua confiabilidade em aplicações mecânicas, como será abordado nos tópicos posteriores. Os materiais poliméricos apresentam como base ligações químicas do tipo C-H e C=C, que são do tipo covalente. Essas são ligações primárias, porém, nesse caso, não conseguimos obter uma correlação direta desses valores com a temperatura de fusão dos materiais poliméricos. Os polímeros em geral são processados em baixas temperaturas, em processos como o de injeção, onde as temperaturas são geralmente em torno de 200°C. Para entendermos essa discrepância, precisamos entender que a estrutura de arranjo dos átomos nos polímeros é em forma de longas cadeias. Os átomos nessas cadeias apresentam uma energia de ligação elevada (ligações primárias), porém, a energia que inibe a deformação dessas cadeias é originada das forças secundárias existentes entre estas cadeias, que são de baixa magnitude. Esse comportamento também explica a relativa facilidade de deformarmos esse tipo de material. Tipo de ligação Substância Energia de ligação Temperatura de fusão (ºC)kJ/mol eV/átomo, Ìon, Molécula Iônica NaCl 640 3,3 801 Covalente C (diamante) 713 7,4 >3550 Metálica Fe 406 4,2 1538 Van der Waals Cl2 31 0,32 -101 Hidrogênio H2O 51 0,52 0 QUADRO 1 – PONTO DE FUSÃO E ENERGIA DE LIGAÇÃO FONTE: Callister (2007) Se compararmos a energia de ligação desses átomos com o ponto de fusão desses materiais, constataremos que, como podemos ver no quadro a seguir, existe uma relação interessante: energias de ligação mais elevada implicam em ponto de fusão mais elevado. Não é coincidência que os materiais cerâmicos apresentam normalmente elevado ponto de fusão, e são, em alguns casos, utilizados para revestir fornos onde são fundidas ligas metálicas, cuja temperatura de fusão é menor. TÓPICO 2 | LIGAÇÕES QUÍMICAS 25 A título de visualização, podemos imaginar a estrutura de cadeias dos materiais poliméricos de forma semelhante à de um prato de espaguete. Considere que cada fio do macarrão corresponde a uma cadeia do polímero que, por conseguinte, é composta de inúmeras ligações químicas contendo C e H, primárias, covalentes, e relativamente rígidas. Para quebrarmos um fio de macarrão é necessária determinada força. Porém, para movimentarmos os fios de macarrão entre si, a força necessária é bem menor. Na maioria dos polímeros (nesse caso, mais especificamente tratamos dos termopláticos), o agrupamento dessas cadeias é mantido pelas forças secundárias. Nos metais temos predominantemente ligações metálicas, onde os elétrons de valência não estão ligados a átomos específicos, formando uma nuvem eletrônica chamada de elétrons livres. Os metais apresentam pontos de fusão variados, dependendo da sua energia de ligação. Os elétrons livres são responsáveis pela capacidade de conduzir elétrons, característica importante dos materiais metálicos, enquanto a falta de mobilidade dos elétrons nos materiais poliméricos e cerâmicos os torna intrinsecamente isolantes. Outras propriedades dos materiais metálicos irão se relacionar com a energia de ligação e o tipo de ligação, embora a estrutura de arranjo atômico seja, em grande parcela, determinante dessas características, como veremos no tópico a seguir. UNI 26 Neste tópico estudamos as ligações químicas dos materiais. A seguir apresentamos um resumo dos principais pontos abordados: • A ligação entre os átomos no material é função do equilíbrio entre as energias de atração e repulsão. • Em função dos átomos envolvidos, diferentes tipos de ligação primária podem ocorrer: metálica, iônica ou covalente. Essas ligações apresentam características e energia de ligações específicas, que determinam as propriedades das diferentes classes dos materiais. • As propriedades físicas dos materiais poliméricos dependem fortemente das características das suas ligações secundárias. RESUMO DO TÓPICO 2 27 AUTOATIVIDADE Caro(a) acadêmico(a), para melhor fixar o conteúdo da unidade, sugerimos que desenvolva as seguintes atividades: 1 Descreva com suas palavras a origem da energia de ligação entre os átomos. 2 Descreva quais são os tipos de ligação entre átomos. 3 Quais os tipos de ligação predominantes em cada classe de materiais? 4 Qual a relação entre o ponto de fusão e a magnitude da energia de ligação? 28 29 TÓPICO 3 TIPOS DE ESTRUTURA CRISTALINA UNIDADE 1 1 INTRODUÇÃO Compreendemos no tópico anterior que o tipo de ligação dos átomos e a energia de ligação química são características importantes para classificarmos e entendermos o comportamento dos materiais. No entanto, essas informações são insuficientes para entendermos completamente as suas propriedades macroscópicas. Nesse tópico estudaremos como os átomos se arranjam na estrutura dos sólidos, e como esse arranjo atômico pode ser determinante no comportamento dos mesmos. 2 ESTRUTURAS TÍPICAS DOS METAIS Os metais, caracterizados pela ligação metálica, apresentam, na maioria dos casos, estruturas de arranjo atômico relativamente simples e de elevada simetria. Esse comportamento se deve ao fato de a ligação metálica ser não direcional, o que implica em elevado número de átomos vizinhos. Esse elevado número de átomos vizinhos resulta em um grande empacotamento de átomos, o que culmina nos altos valores de densidade observados na prática nos materiais metálicos, quando comparados aos polímeros e cerâmicas. Um material metálico apresenta inúmeros átomos ligados entre si. Se analisarmos essa estrutura mais de perto, poderemos constatar que ela consiste em um arranjo de átomos que se repete indefinidamente pelo material. A essa pequena porção ou agrupamento de átomos, que representa o arranjo atômico do material,dá-se o nome de célula unitária. Na prática, o material é constituído pelo agrupamento desses pequenos “tijolos”. Como sabemos, os diferentes átomos metálicos apresentam raios iônicos e distâncias interatômicas diferentes. O número de átomos vizinhos também será função do número de ligações necessárias para formar uma estrutura estável. Dessa forma, temos células unitárias diferentes, cujos tamanhos e densidades também irão depender desses fatores. A seguir estudaremos os tipos de célula unitárias mais comuns nos metais. UNIDADE 1 | FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 30 2.1 CÚBICA DE FACES CENTRADAS A estrutura cúbica de faces centradas (CFC) é apresentada na figura a seguir. Essa estrutura é típica de muitos metais comerciais, como, por exemplo, o alumínio, o chumbo e o ouro. As estruturas cúbicas, obviamente, contêm arestas de igual comprimento. No caso da estrutura CFC, quatro átomos ocupam as arestas, e seis átomos ficam localizados em cada face do cubo. Se pensarmos somente na fração dos átomos que ocupam o interior do cubo, podemos fazer algumas observações importantes a respeito dessa estrutura: • O número de coordenação, ou seja, o número de átomos que estão ligados a cada um dos átomos, é 12. Para visualizarmos isso, basta observarmos o átomo da face frontal: ele faz ligação com os quatro átomos dos vértices de sua respectiva face, com quatro átomos que estão nas faces de sua célula unitária, e mais quatro átomos das faces da célula unitária que se posiciona à frente da célula unitária mostrada na figura. • Se conhecermos o raio atômico do átomo que estamos estudando, podemos geometricamente calcular o comprimento da aresta do cubo (a). De posse desse valor, podemos calcular o volume da célula unitária (a3). • Podemos obter o número de átomos contidos em uma célula unitária. Cada átomo da face pertence a duas outras células unitárias adjacentes, e cada átomo da aresta pertence a quatro outras células unitárias. Assim, cada átomo da face contribui com ½ átomo, e cada átomo da aresta contribui com ¼ de átomo por célula. De posse dessa informação é simples calcularmos quantos átomos há em cada célula unitária CFC. • Se soubermos quantos átomos existem em cada célula e a massa de cada átomo de um determinado material, podemos calcular a massa de uma célula unitária; • Se calcularmos o volume da célula unitária e sua massa, podemos obter a sua densidade. Podemos obter também o percentual de ocupação dos átomos nessa célula, ou fator de empacotamento atômico (FEA). TÓPICO 3 | TIPOS DE ESTRUTURA CRISTALINA 31 FIGURA 13 – CÉLULA UNITÁRIA DO TIPO CFC FONTE: Callister (2007) Exemplo: Tomemos como exemplo a célula unitária do chumbo (Pb), que apresenta raio atômico de 0,175 x 10-9 m. a) Cálculo do comprimento da aresta (a). ● Observe a face frontal da célula unitária do tipo CFC (figura 14, a seguir). Podemos traçar um triângulo retângulo que compreende duas arestas; ● Podemos constatar que a hipotenusa desse triângulo tem o comprimento de 4 raios iônicos (r). Ou seja, temos que h2=a2+a2. onde h é a hipotenusa e a é a corresponde a aresta do cubo. ● Se h=4r, temos: 4 16 2 8 2 0 175 10 2 2 2 2 2 2 2 9 R a a R a a R a x � � � � � � � � � a = 2R 2 , a = 0,50 × 10 m.-9 UNIDADE 1 | FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 32 FIGURA 14 – CÉLULA UNITÁRIA CFC, INDICANDO AS RELAÇÕES GEOMÉTRICAS FONTE: Callister (2007) b) Cálculo do volume da célula unitária: c) Cálculo da massa da célula unitária: V a V R V � � � � �� �� 3 3 9 3 2 2 16 0 175 10 2 ( ) V = 16 R 2 , V = 0,125 × 10 m 3 -27 3 Mc A n NA � � Onde: Mc = Massa dos átomos por célula unitária (g) A = Massa atômica (g/mol) n = Número de átomos no interior da célula unitária A = Número de Avogadro (6,023 X 1023 átomos/mol) TÓPICO 3 | TIPOS DE ESTRUTURA CRISTALINA 33 Assim, para o caso do chumbo temos: Mc Mc � � � � � 207 19 4 6 023 10 1 376 23 , , , 10 g-21 d) Cálculo da densidade da célula unitária: = M V cρ Onde: ρ = Densidade da célula unitária (g/cm3) Mc= Massa da célula unitária (g) V = Volume da célula unitária (cm3) Para o chumbo, temos: A densidade do chumbo comercial é de 11,34 g/cm3. Portanto, podemos ter uma boa aproximação da densidade do material a partir de dados de sua estrutura cristalina e das características de seus átomos. e) Cálculo do fator de empacotamento: O fator de empacotamento atômico (FEA) é calculado pela razão entre o volume dos átomos que ocupam a célula unitária e o volume da célula. Para o caso da CFC, temos: ρ ρ = 1,376 ×10 g 0,125 ×10 cm = 11,00� cm 0 -21 -21 3 3 ρ = 11,00 cm³g FEA � Volume do átomo (esfera de raio R) x número de átomos VVolume da célula unitária FEA = 4 3 R × 4 16 R 2 FEA = 0,74 3 3 � UNIDADE 1 | FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 34 O que na prática indica que 74% da célula unitária é ocupada por átomos, e 26% são vazios. 2.2 CÚBICA DE CORPO CENTRADO A estrutura do tipo cúbica de corpo centrado (CCC) é típica dos materiais ferrosos (aços, ferros fundidos) em temperatura ambiente. Diferentemente da estrutura CFC, os átomos das faces do cubo são substituídos por um átomo do centro do cubo. Dessa forma, em cada célula unitária temos dois átomos, um no centro, e ¼ de átomo em cada aresta (vejam a figura a seguir). FIGURA 15 – CÉLULA UNITÁRIA DO TIPO CÚBICA DO CORPO CENTRADO (CCC) FONTE: Callister (2007) O número de coordenação para a estrutura CCC é 8, que é inferior ao da CFC. Dessa forma o fator de empacotamento é menor: 0,68. A aresta da célula CCC é obtida a partir do raio atômico pela equação: a = 4R 3 A aresta da face do cubo de uma célula CCC, volume da célula e fator de empacotamento podem ser deduzidos de forma semelhante ao apresentado anteriormente para a célula do tipo CFC. Para isso precisamos compreender que, na estrutura CCC, existe um triângulo retângulo onde a hipotenusa é uma das diagonais internas do cubo, e que esta apresenta comprimento igual a 4r. UNI TÓPICO 3 | TIPOS DE ESTRUTURA CRISTALINA 35 2.3 HEXAGONAL COMPACTA Alguns metais, como o zinco, cádmio, magnésio e titânio, apresentam estrutura do tipo hexagonal compacta (figura a seguir). A estrutura hexagonal compacta é composta por três planos: dois conjuntos de seis átomos que se arranjam na forma de um hexágono, apresentando um átomo adicional no centro deste, e um plano contendo três átomos, que se localiza entre os dos conjuntos hexagonais. No interior dessa estrutura se concentra o equivalente a seis átomos: • 1/6 de átomo em cada um dos 12 vértices da estrutura; • Cada um dos dois átomos nos centros dos hexágonos contribui com ½ átomo; • Os três átomos do plano intermediário estão completamente inseridos na estrutura, contabilizando três átomos para o nosso cálculo. Como a estrutura não é cúbica, neste caso se caracteriza a sua relação geométrica pela razão c/a (conforme figura a seguir). Essa razão é adimensional e corresponde a 1,633, no entanto, para alguns materiais, a estrutura apresenta diferenças nesse valor. O número de coordenação é 12 e o fator de empacotamento atômico (FEA) é 0,74, de forma idêntica ao apresentado pela estrutura do tipo CFC. Estes valores podem também ser geometricamente calculados. FIGURA 16 – CÉLULA UNITÁRIA DO TIPO HEXAGONAL COMPACTA FONTE: Callister (2007) 36 UNIDADE 1 | FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 3 ESTRUTURAS CRISTALINAS DE MATERIAIS CERÂMICOS Diferentemente dos metais, o materiais cerâmicos, com poucas exceções, são compostos por dois ou mais elementos químicos. Esses átomos apresentam raios atômicos muitas vezes bastante diferentes entre si, resultando em estruturas mais complexas que as dos metais. Devemos lembrar também que nas ligações iônicas os átomos devem ser considerados como cátions e ânions, com carga positiva e negativa. As magnitudes dessas cargas e tamanho dos ânions envolvidos irão determinar a forma como estes átomos irão se arranjar no sólido.
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