Ciência dos Materiais -Parte I Introdução e sistemas cristalinos2

Prévia do material em texto

Ciência dos Materiais
Professor: MSc. Everton Ruggeri
E-mail: everton.
1
Bibliografia recomendada
CALLISTER Jr, W.D. Fundamentos da ciência e engenharia dos Materiais. Editora LTC, 1ª ed. 2006
SHACKEFOLD, J. F. Ciência dos Materiais. Editora Pearson. 6ª edição. 2014 
Smith,W.Hashemi,J. Fundamentos de Engenharia e Ciência dos Materiais. Editora MacGrawHill. 5ª edição. 2017
ASKELAND,D.R.; PHULE,P.P. Ciência e engenharia dos materiais. SãoPaulo: CENGAGE. 2008.
Aaaaaaaaaa
2
Introdução
A ciência dos materiais é a área de conhecimento que possibilita a escolha apropriada que um engenheiro possa ter na execução de seu projeto. É uma área que aborda as interações e arranjos atômicos/químicos para verificação das propriedades dos materiais.
3
Introdução
Os materiais podem ser classificados em cinco grupos:
Metálicos
Cerâmicos
Polímeros
Compósitos
Semi-Condutores
Materiais
4
Tabela periódica
5
Materiais metálicos
Os materiais metálicos constituem as classes de materiais que possuem elétrons livres em sua estrutura e são constituídos pelos metais. Suas principais propriedades são:
Boa ductilidade e maleabilidade;
Elevada dureza;
Boa condutividade elétrica e térmica;
Boa propriedades mecânicas;
Altos pontos de fusão e ebulição;
Brilho metálico característico;
6
Materiais cerâmicos
Os materiais cerâmicos são geralmente uma combinação de elementos metálicos e não-metálicos. Suas principais características são:
São geralmente isolantes de calor e eletricidade;
São mais resistêntes à altas temperaturas e à ambientes severos que metais e polímeros;
Materiais duros e frágeis.
7
Polímeros
Os polímeros são compostos orgânicos baseados em carbono, hidrogênio e outros elementos não-metálicos fabricados em laboratórios, constituídos de moléculas chamadas de “meros”. Suas principais propriedades são:
Baixa densidade;
Alta resistência elétrica;
Baixa condutividade elétrica;
8
Compósitos
Os materiais compósitos são a combinação de materiais afim de se obter as melhores propriedades possíveis . As fases dos compósitos são chamadas de matriz – que podem ser cerâmica, poliméricas e/ou metálica – e a fase dispersa – geralmente fibras ou partículas que servem como carga. Suas características dependem então das fases utilizadas.
9
Semi-condutores
Materiais semicondutores apresentam propriedades elétricas que são intermediárias entre metais e isolantes. Suas principais propriedades são:
Possibilita a modificação das propriedades elétricas
Sensibilidade à presença de pequenas quantidades de impurezas, cuja concentração pode ser controlada em pequenas regiões do material (Formação de junções p-n)
10
Estrutura atômica
Cada átomo consiste em um núcleo muito pequeno composto por prótons e nêutrons, o qual está envolto por elétrons em movimento. Tanto os elétrons quanto os prótons possuem cargas elétricas, cuja magnitude é de 1, 602 x A carga dos elétrons possui sinal negativo, enquanto a carga dos prótons sinal positivo; os nêutrons são eletricamente neutros. As massas dessas partículas subatômicas são infinitesimalmente pequenas ; os prótons e nêutrons possuem aproximadamente a mesma massa de 1,67 x Kg, que é significativamente maior que a massa de um elétron de 9,11 x kg.
Estrutura atômica
Cada elemento químico é caracterizado pelo numero de prótons no seu núcleo, ou seu numero atômico (Z). Para um átomo eletricamente neutro ou completo, o numero atômico também é igual ao numero de elétrons. Esse numero atômico varia em unidades inteiras entre 1 , para o hidrogênio e 92 para o uranio, que é o elemento com o maior numero atômico dentre os que ocorrem naturalmente.
Estrutura atômica
A massa atômica (A) de um átomo especifico pode ser expressa como a soma das massas dos prótons e dos nêutrons no interior do núcleo. Embora o numero de prótons seja o mesmo para todos os átomos de um dado elemento, o numero de nêutrons (N) pode ser variável. Dessa forma, os átomos de alguns elementos possuem duas ou mais massas atômicas diferentes. Esses átomos são chamados de isótopos. O peso atômico de um elemento corresponde à média ponderada das massas atômicas dos isótopos do átomo que ocorrem naturalmente. 
 A
Conceitos
de um elemento ou peso molecular de um composto pode ser especificado em termos de uma por átomo (molécula) ou de massa por mol de material. Em um mol de uma substância existem 6,022 x (numero de avogrado) átomos ou moléculas. Esses dois conceitos de pesos atômicos estão relacionados através da seguinte equação:
 1 uma/átomo (ou molécula) = 1g/mol
Por exemplo, o peso atômico do ferro é de 55,85 uma/átomo ou 55,85 g/mol. Algumas vezes o uso de uma/átomo ou molécula é conveniente; em outras ocasiões gramas/mol é preferível.
Elétrons nos Átomos
Modelos Atômicos
Durante a última parte do século XIX foi observado que muitos dos fenômenos que envolviam os elétrons nos sólidos não podiam ser explicados em termo de mecânica clássica. O que se seguiu foi o estabelecimento de um conjunto de princípios e leis que regem os sistemas das entidades atômicas e subatômicas, que veio a ser conhecido como mecânica quântica. Uma compreensão do comportamento dos elétrons nos átomos e nos sólidos cristalinos envolve necessariamente a discussão de conceitos quânticos-mecânicos. 
Elétrons nos Átomos
Modelos Atômicos
Um dos primeiros precurssores da mecânica quântica foi o simplificado modelo atômico de Bohr, no qual se assume que os elétrons circulam ao redor do núcleo atômico em orbitais discretos e a posição de qualquer elétron particular está mais ou menos bem definida em termos do seu orbital.
Elétrons nos Átomos
O principio quântico-mecânico estipula que as energias dos elétrons são quantizadas; insto é, aos elétrons só são permitidos valores de energia específicos. A energia de um elétron pode mudar, mas para fazê-lo o elétron deve realizar um salto quântico para um estado de energia permitido mais elevado (com a absorção de energia) ou para um estado de energia permitido mais baixo ( com a emissão de energia). 
Elétrons nos Átomos
Os estados permitidos para o átomo de hidrogênio de Bohr estão representados na figura ao lado. Essas energias são consideradas como negativas, enquanto o zero de referência é o elétron sem qualquer ligação, ou elétron livre. Obviamente, o único elétron que está associado ao átomo de hidrogênio preencherá apenas um desses estados. Dessa forma o modelo de Bohr representa uma tentativa precoce de descrever os elétrons nos átomos, em termos tanto da posição (orbitais eletrônicos) quanto da energia (níveis de energia quantizados).
Elétrons nos Átomos
Eventualmente esse modelo de Bohr foi considerado como tendo algumas limitações significativas, devido a incapacidade em explicar vários fenômenos envolvendo os elétrons. Uma solução foi obtida com o modelo mecânico-ondulatório, no qual foi considerado que o elétron possui características tanto de uma onda como de uma partícula. Com esse modelo, um elétron não é mais tratado como uma partícula que se move em um orbital discreto; em lugar disso a posição do elétron é considerada como a probabilidade de um elétron estar em vários locais ao redor do núcleo.Em outras palavras, a posição é descrita por uma distribuição de probabilidades, ou uma nuvem eletrônica. 
Números Quânticos
Usando a mecânica quântica ondulatória, cada elétron em um átomo é caracterizado por quatro parâmetros conhecidos como números quânticos. O tamanho, a forma e a orientação espacial da densidade de probabilidade de um elétron são especificados por 3 desses números quânticos. Adicionalmente, os níveis energéticos de Bohr se separam em subcamadas eletrônicas e os números quânticos definem o numero de estados em cada subcamada. As camadas são especificadas por um numero quântico principal, n, que pode assumir valores inteiros a partir da unidade; algumas vezes essas camadas são designadas pelas letras K, L, M, N, O e assim por diante que correspondem respectivamente a n= 1, 2, 3, 4, 5,..., como indicado na tabela 
Números Quânticos
O segundo número quântico, l, define a subcamada, que é identificada por uma letra minúscula – s, p, d ou f; ele está relacionado a forma da subcamada eletrônica. Adicionalmente, a quantidade dessas subcamadas está limitada pela magnitude de n. As subcamadas permitidas para os diversos valores de n estão apresentadas na tabela do slide anterior.. 
Números Quânticos
Associado a cada elétron há momento de spin(momento de rotação), que deve estar orientado para cima ou para baixo. O quarto numero quântico, m, está relacionado a este momento de spin, para o qual existem dois valores possíveis (+1/2 e -1/2), um para cada uma das orientações de spin. Dessa forma o modelo de Bohr foi subsequentemente refinado pela mecânica ondulatória, em que a introdução de 3 novos números quânticos dá origem a subcamadas eletrônicas dentro de cada camada. 
Números Quânticos
Um diagrama completo de níveis energéticos para as diversas camadas e subcamadas usando o modelo mecânico-ondulatório é mostrado na figura ao lado. Em primeiro lugar, quanto menor o numero quântico principal, menor é o nível energético; por exemplo, a energia de um estado 1s é menor que a de um estado 2s, que por sua vez é menor que um estado 3s. Em segundo lugar, dentro de cada camada a energia de uma subcamada aumenta com o valor do numero quântico l. Por exemplo a energia de um estado 3d é maior que a de um estado 3p. Finalmente podem existir superposições da energia de um estado em uma camada com os estados em uma camada adjacente. Isso é especialmente verdadeiro para os estados d e f, por exemplo, a energia de um estado 3d é geralmente maior que aquela de um estado 4s.
Configurações Eletrônicas
Para determinar a maneira segundo a qual esses estados são preenchidos com os elétrons fazemos uso do principio da exclusão de Pauli, que é outro conceito quântico-mecânico. Esse principio estipula que cada estado eletrônico pode comportar um numero máximo de 2 elétrons, os quais devem possuir spins opostos. Assim, as subcamadas s, p, d e f podem acomodar cada uma um numero total de 2, 6, 10 e 14 elétrons, respectivamente. 
Configurações Eletrônicas
Obviamente, nem todos os estados eletrônicos possíveis em um átomo estão preenchidos com elétrons. Para a maioria dos átomos, os elétrons preenchem os estados energéticos mais baixos possíveis nas camadas e subcamadas eletrônicas, dois elétrons (que possuem spins opostos) por estado. A estrutura energética para um átomo de sódio está representada esquematicamente na figura ao lado. Quando todos os elétrons ocupam as menores energias possíveis de acordo com as restrições anteriores, um átomo é dito estar no seu estado fundamental.
Configurações Eletrônicas
A configuração eletrônica ou estrutura de um átomo representa a maneira segundo a qual esses estados são ocupados. Na notação convencional, o numero de elétrons em cada subcamada é indicado por um sobrescrito após a designação da camada e da subcamada. Por exemplo as configurações eletrônicas para hidrogênio, hélio e sódio são respectivamente, 1s¹, 1s² e 1s² 2s² 2 3s¹. As configurações eletrônicas para alguns dos elementos mais comuns estão listados na tabela ao lado.
Configurações Eletrônicas
Os elétrons de valência são aqueles que ocupam a camada mais externa. Esses elétrons são extremamente importantes, eles participam da ligação entre os átomos para formar agregados atômicos e moleculares. Além disso, muitas das propriedades físicas e químicas dos sólidos estão baseadas nesses elétrons de valência. 
Configurações Eletrônicas
Sob circunstâncias especiais, os orbitais s e p se combinam para formar orbitais híbridos s em que n indica o numero de orbitais p envolvidos e que pode assumir os valores 1, 2 e 3. Os elementos nos grupos IIIA, IVA e VA da tabela periódica são os que formam esses híbridos com maior frequência. A força motriz para a formação de orbitais híbridos é um estado energético mais baixo para os elétrons de valência. Para o carbono, o hibrido sp³ é de fundamental importância nas químicas orgânicas e de polímeros. A forma do orbital hibrido sp³ é que determina o ângulo de 109° (ou ângulo tetaédrico) encontrado frequentemente nas cadeias dos polímeros.
Estrutura atômica dos materiais
Materiais cristalinos: são aqueles onde os átomos encontram-se ordenados e se repetem formando uma estrutura tridimensional que se chama de rede cristalina.
Materiais não-cristalinos (amorfos): são aqueles onde não existe ordem de ordenação/disposição dos átomos.
Os grupos de materiais apresentados são definidos a partir de suas estruturas atômicas, assim pode-se classificar estas estruturas em dois tipos:
29
Célula unitária 	
A célula unitária consiste num pequeno grupo de átomos agrupados em uma disposição simétrica que forma um modelo repetitivo ao longo da estrutura tridimensional, denominada rede cristalina.
rede
30
Sistemas cristalinos
Os átomos quando ordenados em uma estrutura cristalina, formam arranjos de células unitárias chamados de sistemas cristalinos, que para estas estruturas são 7.
31
Tipos de estrutura cristalinas
Assim, a partir do sistema geométrico adotado para a estrutura cristalino os átomos ocupam pontos na célula unitária formando os tipos de estrutura, as chamadas redes de bravais.
32
Estrutura CS	
A estrutura cúbica simples(CS) é uma das mais comuns existentes, nela tem-se em uma célula unitária, com 1/8 de átomos nos vértices, geralmente 8 caso a estrutura não tenha defeitos e com isso se tem apenas 1 átomo por célula unitária
O volume da célula unitária é:
33
Fator de empacotamento atômico	
O fator de empacotamento atômico (FEA) representa o quanto um material consegue compactar em sua estrutura o agrupamento de átomos, assim ele denota a fração de volume em um material do arranjo dos átomos.
34
Estrutura CCC
A estrutura cúbica de corpo centrado (CCC) é uma das mais comuns existentes, nela tem-se em uma célula unitária, um átomo no centro e os demais nos vértices, geralmente 8 caso a estrutura não tenha defeitos
São exemplos de materiais que utilizam esta estrutura: O Ferro alfa (α) ou Ferrita, Cromo (Cr), Molibidênio (Mn), Tungstênio (W).
35
Características estrutura CCC
Em uma estrutura CCC, tem-se:
Vértice: 8 x 1/8 de átomos= 1
Centro: 1 átomo completo
n= 1+1 = 2
Em uma célula unitária da estrutura CCC se tem 2 átomos
36
Parâmetros estrutura CCC
Parâmetro de rede
Em uma estrutura CCC a distância entre um átomo e outro é dadopor “a”, considerado um parâmetro de comprimento da aresta da rede. Caso seja assumido formatos esféricos para o átomo, o raio atômico é dado por “r” e juntos eles estabelecem uma relação do tipo:
37
Fator de empacotamento estrutura CCC
Definido os parâmetros de rede da estrutura CCC pode-se calcular o fator de empacotamento atômico (FEA) desta estrutura através de:
Volume total da célula unitária = a³
Volume átomos em uma célula unitária
Ou seja, 68% do volume da célula unitária é ocupado por átomos
38
Estrutura CFC
A estrutura cristalina cúbica de face centrada ou estrutura CFC é uma outra estrutura cristalina muito comum que apresenta um átomo em cada vértice da rede molecular e um átomo em cada face da estrutura
O Ferro gama (γ) ou Austenita, Alumínio (Al), Cobre (Cr), Níquel (Ni) e Chumbo (Pb) possuem esta estrutura
39
Características estrutura CFC
Em uma estrutura CFC, tem-se:
Vértice: 8 x 1/8 de átomos= 1
Faces: 6x1/2= 3
n= 1+3 = 4
Em uma célula unitária da estrutura CFC se tem 4 átomos
40
Parâmetros estrutura CFC
Parâmetro de rede
41
Fator de empacotamento estrutura CFC
Volume total da célula unitária = a³
Volume átomos em uma célula unitária
Ou seja, 74% do volume da célula unitária é ocupado por átomos
42
Estrutura HC
A estrutura cristalina Hexagonal compacta (HC) é uma estrutura que foge das simetrias cúbicas anteriores e é encontrada em grande parte dos materiais metálicos. Nesta estrutura as faces superiores e inferiores do hexágono possuem 7 átomos e são ligadas ao núcleo que forma um triângulo com três átomos
São exemplos de materiais que utilizam esta estrutura: Cádmio (Cd), Lítio (Li), Zinco (Zn), Magnésio (Mg) e Titânio (Ti) 
43
Características estrutura HC
Em uma estrutura HC, tem-se:
Vértices : 6x(1/6) + 6x(1/6) = 2
Centro: 3
n= 2+3+	1= 6
A célula unitária da estrutura HC possui tem 6 átomos
Plano basais: 2x (1/2)= 1
44
Parâmetros estrutura HC
Em estruturas HC o parâmetro “a” representa a aresta da base do hexágono e “c” a altura do prisma. Assim, tem-se:
Cada átomo tangencia 3 átomos da camada de cima, 6 átomos no seu próprio plano e 3 na camada de baixo do seu plano. O número de coordenação desta estrutura também é 12.
45
Fator de empacotamento estrutura CFC
Volume total da célula unitária = a³
Volume átomos em uma célula unitária
Ou seja, 74% do volume da célula unitária é ocupado por átomos
46
Raios atômicos
47
Resumo de características sistema cúbico cristalino
		
		Átomos 	 Número de 	 Parâmetro 	Fator de 
	 por célula	 coordenação 	 de rede		empacotamento
 CS 1		6	 2R 0,52
CCC	 2 8	 4R/(3)1/2	 0,68
CFC	 4 12	 4R/(2)1/2	 0,74
48
3
4
r
a
×
=
3
3
4
r
V
×
×
=
p
3
3
64
3
4
3
3
3
×
×
=
÷
ø
ö
ç
è
æ
×
=
r
r
a
68
,
0
3
3
64
3
4
2
3
3
=
÷
÷
ø
ö
ç
ç
è
æ
×
×
÷
ø
ö
ç
è
æ
×
×
´
=
r
r
FEA
p
(
)
2
2
²
16
²
2
4
²
²
2
r
a
r
a
r
a
a
×
=
×
=
×
×
=
+
(
)
2
16
2
2
3
3
3
r
r
a
×
=
×
=
(
)
74
,
0
2
16
3
4
4
3
3
=
×
÷
ø
ö
ç
è
æ
×
×
´
=
r
r
FEA
p
2
88
,
2
r
a
×
=
(
)
2
24
2
88
,
2
3
3
3
r
r
a
×
=
×
=
(
)
74
,
0
2
24
3
4
6
3
3
=
×
÷
ø
ö
ç
è
æ
×
×
´
=
r
r
FEA
p