ICM - Resumo

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Introdução a Ciência dos Materiais 
Giovanna Mazzali 
Prof. Mário 
A atual classificação dos materiais: 
 
Metais! 
» Materiais metálicos são normalmente 
uma combinação de elementos 
metálicos; 
» Possuem elétrons livres; 
» Bons condutores de eletricidade e 
calor; 
» Não transparentes; 
» Muito resistentes; 
» Facilmente deformáveis. 
 
Cerâmicas! 
» Composições de elementos metálicos 
e não metálicos; 
» Óxidos, nitretos e carbetos; 
» Argilas, cimento e vidro; 
» Normalmente isolantes; 
» Duros e quebradiços; 
» Resistente a altas temperaturas 
 
Polímeros! 
» Plásticos, borrachas e adesivos; 
» Compostos orgânicos baseados em 
carbono, hidrogênio e outros 
elementos não 
metálicos; 
» Produzidos pela criação de grandes 
estruturas moleculares a partir de 
moléculas 
orgânicas; 
» Baixa condutividade elétrica; 
» Baixa resistência à temperatura. 
 
Compósitos! 
» Formados por dois ou mais tipos de 
materiais. 
 
 
 
 
As forças Intramoleculares e 
Intermoleculares! 
Ligações químicas são forças que unem 
átomos formando moléculas, 
agrupamentos de átomos ou sólidos 
iônicos na busca de uma maior 
estabilidade. 
 
Ligação Iônica 
A ligação iônica assume um caráter não 
direcional 
 
Características dos Compostos Iônicos: 
 
» Sólidos a temperatura ambiente. 
» Ponto de Fusão e Ebulição muito 
elevados. 
» Conduzem corrente elétrica quando 
fundidos ou em solução aquosa. 
» Melhor solvente é a água. 
 
 
Ligação Metálica 
 
Teoria dos elétrons livres 
Segundo a teoria dos elétrons livres, 
elétrons de valência movem-se 
livremente por entre a rede de íons 
metálicos positivos, não estando 
localizados em nenhum átomo em 
particular: 
A ligação metálica assume um caráter 
não direcional 
 
 
Ligação covalente! 
»Uma ligação covalente resulta do 
compartilhamento de um par de 
elétrons entre os átomos. 
»A força de ligação resulta da atração 
entre estes elétrons, compartilhados, e 
os núcleos dos átomos que participam 
da ligação. 
»Não, pois a ligação covalente é uma 
ligação direcional. 
As forças Intermoleculares 
As ligações intermoleculares são mais 
fracas do que as ligações 
intramoleculares (ligações químicas 
entre átomos que constituem as 
moléculas). 
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Solidificação 
O que acontece com as moléculas ou 
átomos de um determinado material 
em um processo de solidificação? 
 
ESTRUTURA CRISTALINA 
Muitos materiais -metais, algumas 
cerâmicas, alguns polímeros -ao se 
solidificarem, se organizam numa rede 
geométrica 3D –A REDE CRISTALINA 
 
Estes materiais CRISTALINOS, têm 
uma estrutura altamente organizada, 
em contraposição aos materiais NÃO 
CRISTALINOS (amorfos), nos quais 
não há ordem de longo alcance. 
 
Estrutura Cristalina 
 
Material cristalino 
É aquele no qual os átomos 
encontram-se ordenados sobre longas 
distâncias atômicas formando uma 
estrutura tridimensional que se chama 
de rede cristalina 
 
CÉLULA UNITÁRIA (Unidade básica 
repetitiva da estrutura tridimensional 
 
Como a rede cristalina tem uma 
estrutura repetitiva, é possível 
descrevê-la a partir de uma estrutura 
básica, como um “tijolo”, que é 
repetida por todo o espaço. 
 
ESTRUTURA CÚBICA 
Os átomos podem ser agrupados 
dentro do sistema cúbico em 3 
diferentes tipos de repetição 
 
1.Cúbico simples 
- Um átomo é colocado em cada ponto 
da rede. 
 
2.Cúbico de corpo centrado 
- A rede Cúbica de Corpo Centrado é 
uma rede cúbica na qual existe um 
átomo em cada vértice e um átomo no 
centro do cubo. Os átomos se tocam 
ao longo da diagonal. 
 
3.Cúbico de face centrada 
-A rede cúbica de face centrada é uma 
rede cúbica na qual existe um átomo 
em cada vértice e um átomo no centro 
de cada face do cubo. Os átomos se 
tocam ao longo das diagonais das faces 
do cubo. 
 
 
POLIMORFISMO OU ALOTROPIA 
 
Alguns metais e não-metais podem ter 
mais de uma estrutura cristalina 
dependendo da temperatura e pressão. 
Esse fenômeno é conhecido como 
polimorfismo. 
Geralmente as transformações 
polimórficas são acompanhadas de 
mudanças na densidade e mudanças 
de outras propriedades físicas. 
 
 
Pontos em cristais 
 
A posição de qualquer ponto localizado 
no interior de uma célula unitária pode 
ser especificada em termos de sua 
coordenada, calculada como múltiplos 
fracionários dos comprimentos das 
arestas das células unitárias, ou seja, 
dos parâmetros de rede. 
 
 
Direções em cristais 
 
Uma direção cristalográfica é definida 
como um vetor entre dois pontos na 
célula cristalina. 
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São representadas 
entre colchetes=[uvw] 
 
Se a subtração der negativa, coloca-se 
uma barra sobre o número 
 
Os números devem ser divididos 
ou multiplicados por um 
fator comum para dar números 
inteiros. 
 
 
PLANOS CRISTALINOS 
 
Regras para representação dos índices 
de Miller = (hkl) 
1)Se o plano passa pela origem 
selecionada, um outro plano paralelo 
deve ser construído no interior da 
célula unitária mediante uma 
translação apropriada ou uma nova 
origem deve ser estabelecida no 
vértice de uma outra célula unitária 
adjacente. 
 
Por quê são importantes? 
•Para a deformação plástica 
 
A deformação plástica (permanente) 
dos metais ocorre pelo deslizamento 
dos átomos, escorregando uns sobre os 
outros no cristal. Este deslizamento 
tende a acontecer preferencialmente 
ao longo de planos direções específicas 
do cristal. 
 
•Para as propriedades de transporte 
 
Em certos materiais, a estrutura 
atômica em determinados planos 
causa o transporte de elétrons e/ou 
acelera a condução nestes planos, e, 
relativamente, reduz a velocidade em 
planos distantes destes. 
 
•Para a determinação da estrutura 
cristalina 
 
Os métodos de difração medem 
diretamente a distância entre planos 
paralelos de pontos do reticulado 
cristalino. Esta informação é usada 
para determinar os parâmetros do 
reticulado de um cristal. 
Os métodos de difração também 
medem os ângulos entre os planos do 
reticulado. Estes são usados para 
determinar os ângulos interaxiais de 
um cristal. 
 
DETERMINAÇÃO DA ESTRUTURA 
CRISTALINA POR DIFRAÇÃO DE 
RAIOS X 
 
Fenômeno de espalhamento da 
radiação eletromagnética, provocada 
pela interação entre o feixe de raios-X 
incidente e os elétrons dos átomos 
componentes de um material. 
 
Lei de Bragg = n de lambda= 2 d 
sen(teta) 
 
Difratómetro 
No Difratómetro, se obtém um registro 
gráfico dos sinais que as reflexões 
originam em detectores eletrônicos de 
radiação. 
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Quais as características principais de 
uma rede cristalina? 
 
1.Geometria da rede 
 
2.Número de átomos na célula 
cristalina 
Átomos na célula CS = 8 x 1/8 = 1 
átomo 
Átomos na célula CCC = 8 x 1/8 +1 = 2 
átomos 
Átomos na célula CFC = 8 x 1/8 +1/2 x 6 
= 4 átomos 
 
3.Relação entre o parâmetro de rede 
e o átomo 
CS = a = 2 vezes o Raio do átomo 
a = 2R 
Ccc = 
 
Cfc= 
 
 
4.Número de coordenação atômico 
Corresponde ao número de átomos 
vizinhos mais próximos ou átomos em 
contato. 
 
 
 
CS: Número de coordenação = 6 
 
CCC: Número de coordenação = 8 
 
CFC: Número de coordenação = 12 
 
5.Fator de Empacotamento: 
Fator de empacotamento atômico 
(FEA) representa a fração do volume de 
uma célula unitária que corresponde às 
esferas sólidas. 
 
 
 
 
 
 
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TABELA RESUMO PARA O SISTEMA 
CÚBICO 
 
 
As propriedades de alguns materiais 
são profundamente influenciadas pela 
presença de imperfeição no sólido 
cristalino. 
 
1)O processo de dopagem em semi 
condutores visa criar imperfeições para 
mudar o tipo de condutividade em 
determinadas regiões do material. 
 
2)A deformação mecânica dos 
materiais promove a formação de 
imperfeições que geram um aumento 
na resistência mecânica (processo 
conhecido como encruamento) 
 
 
DEFEITOS PONTUAIS 
 
a) Lacunas ou vacâncias 
•Envolve a falta de um átomo, ondeum sítio deveria estar ocupado está 
com um átomo faltando 
•São formados durante a solidificação 
do cristal ou como resultado das 
vibrações atômicas (os átomos 
deslocam-se de suas posições normais) 
•Não é possível criar um material 
isento desse tipo de defeito 
 
 
b) Átomos Intersticiais 
•Envolve um átomo extra no interstício 
(do próprio cristal) 
•Produz uma distorção no reticulado, 
já que o átomo geralmente é maior que 
o espaço do interstício 
•A formação de um defeito intersticial 
implica na criação de uma vacância, 
por isso este defeito é menos provável 
que uma vacância 
 
c)Impurezas 
 
• Um metal considerado puro sempre 
tem impurezas (átomos estranhos) 
presentes 
99,9999% =1 022a1023 átomos de 
impurezas por m3 
•Exemplo: prata de lei é uma liga 
composta por 92,5% de prata e 7,5% de 
cobre (a prata pura é resistente à 
corrosão, mas é muito macia). 
 
LIGAS METÁLICAS 
 
As impurezas (chamadas elementos 
de liga) são adicionadas 
intencionalmente com a finalidade: 
 
-Aumentar a resistência mecânica 
-Aumentar a resistência à corrosão 
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-Aumentar a condutividade elétrica 
 
Nas soluções sólidas as impurezas 
podem ser: 
-Intersticial 
-Substitucional 
 
 
SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAIS 
 
Os átomos de impurezas ou os 
elementos de liga ocupam os espaços 
dos interstícios 
Ocorre quando a impureza apresenta 
raio atômico bem menor que o 
hospedeiro 
Como os materiais metálicos tem 
geralmente fator de empacotamento 
alto as posições intersticiais são 
relativamente pequenas 
Geralmente, no máximo 10% de 
impurezas são incorporadas nos 
interstícios 
 
 
d) Impurezas em sólidos 
 
TIPOS DE SOLUÇÕES 
SÓLIDASSUBSTITUCIONAIS 
ORDENADA 
 
Os átomos do soluto ou átomos de 
impureza tomam o lugar dos átomos 
hospedeiros ou os substituem 
FATORES QUE INFLUEM NA 
FORMAÇÃO DE SOLUÇÕES SÓLIDAS 
SUBSTITUCIONAIS REGRA DE HOME-
ROTHERY 
 
1)Raio atômico: deve ter uma 
diferença de no máximo 15%, caso 
contrário pode promover distorções na 
rede e assim formação de nova fase. 
 
2)Estrutura cristalina: mesma 
 
3)Eletronegatividade: próximas 
4)Valência: mesma ou maior que a do 
hospedeiro. 
 
 
2-DEFEITOS LINEARES: 
DISCORDÂNCIAS 
 
•É um defeito linear ou unidimensional 
em torno do qual alguns dos átomos 
estão desalinhados 
•Podem ser: 
a) Aresta 
- Uma porção extra de um plano de 
átomos, ou semiplano, cuja aresta 
termina no interior do cristal. 
b) Espiral 
c)Mista 
 
Ensaios Mecânicos 
TIPOS DE ENSAIOS MECÂNICOS 
Podemos classificar os ensaios 
mecânicos em dois blocos: 
 
• Ensaios destrutivos; 
• Ensaios não destrutivos. 
 
Ensaios destrutivos são aqueles que 
deixam algum sinal na peça ou corpo 
de prova submetido ao ensaio, mesmo 
que estes não fiquem inutilizados. 
Exemplos: tração, compressão, 
cisalhamento, dobramento, flexão, 
embutimento, torção, dureza, fluência, 
fadiga e impacto. 
 
Ensaios não destrutivos são aqueles 
que após sua realização não deixam 
nenhuma marca ou sinal e por 
consequência, nunca inutilizam a peça 
ou corpo de prova. Por essa razão, 
podem ser usados para detectar falhas 
em produtos acabados e 
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semiacabados. Exemplos: visual, 
líquido penetrante, partículas 
magnéticas, ultrassom e radiografia 
industrial. 
 
 
 
ENSAIO DE TRAÇÃO 
 
No ensaio de tração o corpo é 
deformado por alongamento, até o 
momento em que se rompe. 
 
 
 
A força de tração atua sobre a área da 
seção transversal do material. Tem-se 
assim uma relação entre essa força 
aplicada e a área do material que está 
sendo exigida, denominada tensão. 
Tensão (σ) é a relação entre uma força 
(F) e uma unidade de área (S): 
 
 
 
 
Estricção 
 
Corresponde à redução na área 
da seção reta do corpo, imediatamente 
antes da ruptura 
 
 
Ductilidade 
 
Corresponde ao alongamento total do 
material devido à deformação plástica 
 
Deformação Plástica 
deslocamento de discordâncias 
 
O conceito de discordância, na verdade 
de discordância em cunha, pode 
justificar a discrepância entre as 
tensões calculada e medida nos sólidos 
cristalinos. 
 
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Aumento de resistência 
 
Se a deformação plástica é 
enormemente facilitada por meio da 
movimentação de discordâncias, duas 
possibilidades decorrem 
imediatamente para aumentar a 
resistência mecânica de um material: 
 
Reduzir drasticamente a densidade de 
discordâncias do material, se possível 
eliminando-as e dificultar o movimento 
das discordâncias. 
 
 
Mecanismos de aumento de 
resistência dos metais 
 
1.Aumento da resistência por adição de 
elemento de liga (formação de solução 
sólida ou precipitação de fases) 
2.Aumento da resistência por redução 
do tamanho de grão 
3.Aumento da resistência por 
encruamento