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13/3/2012 1 CIÊNCIA DOS MATERIAISCIÊNCIA DOS MATERIAIS Estruturas e PropriedadesEstruturas e PropriedadesEstruturas e PropriedadesEstruturas e Propriedades Prof. Lisiane Morfeo Tavares Ciência dos Materiais ` Princípio Básico: as características macroestruturais d i l d d d di õde um material dependem das suas condições microestruturais. 13/3/2012 2 Introdução ` Algumas das propriedades importantes dos materiais sólidos dependem dos arranjos geométricos dos átomos e também das interações que existem entre átomos oue também das interações que existem entre átomos ou moléculas constituintes. Introdução ` Cada átomo consiste em um núcleo muito pequeno composto por prótons e nêutrons, que é circundado por elétrons em movimentoelétrons em movimento. Número atômico (Z): número de prótons no seu núcleo. Massa atômica (A): soma das massas de prótons e nêutronsprótons e nêutrons. 13/3/2012 3 Níveis de estudo dos materiais ` Sub‐atômico (Å) ` Átomo individual e comportamento de seu núcleo e elétron ` Atômico (nm ‐ µm) ` Interação entre átomos e a formação de ligações e moléculas ` Microscópico (µm ‐ mm) ` Escala: Arranjos atômicos e moleculares e a formação de estruturas cristalinas, moleculares e amorfas ` M ó i (> )` Macroscópico (>mm) ` Comportamento do material em serviço Nível: Sub‐atômico ` Analisar a estrutura do átomo. ` Análise: Microscopia eletrônica de tunelamento (STM) Microscopia eletrônica de tunelamento (STM) Pouco empregada para os materiais da Construção Civil Além de ver, é possível medir e manipular átomos Átomos de silício 13/3/2012 4 ` Procura-se avaliar a estrutura e composição dos átomos e moléculas. ` Análise: Nível: Atômico ` Análise: Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) Microscópio capaz de produzir imagens de alta resolução da superfície de uma amostra Difração de Raio-X Estrutura atômica presente Estrutura atômica Raios‐X incidente Raios‐X difratados ` Grande aplicação na pesquisa e desenvolvimento dos materiais de construção. ` Análise: Nível: Microscópico Microscopia ótica Instrumento usado para ampliar imagens da amostra Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) Microscopia eletrônica do Ensaios físicos Ex.: Porosimetria de intrusão de mercúrio p cimento hidratado 13/3/2012 5 ` Tradicionalmente empregado ` Análise: Nível: Macroscópico ` Análise: Ensaios mecânicos Resistência à compressão do concreto Resistência à flexão Controle de qualidade do material Compressão Flexão ` Como a maioria dos materiais usados pelo engenheiro é sólida ou líquida, é Ligações atômicas desejável conhecer-se as atrações que mantêm os átomos unidos nesses estados. 13/3/2012 6 Ligações atômicas ` A compreensão de muitas das propriedades físicas dos materiais está baseada no conhecimento das forças interatômicas que unem os átomos. Força de Ligação ` A distância entre 2 átomos é determinada pelo balanço das forças atrativas e repulsivas; ` Quanto mais próximos os átomos maior a força atrativa entre eles` Quanto mais próximos os átomos maior a força atrativa entre eles, mas maior ainda são as forças repulsivas devido a sobreposição das camadas mais internas; ` Quando a soma das forças atrativas e repulsivas é zero, os átomos estão na chamada distância de equilíbrio. RAL FFF += RAL FFF + FA ≡ força de atração FR ≡ força de repulsão FL ≡ força líquida ou resultante 13/3/2012 7 • A inclinação da curva no ponto de equilíbrio demonstra a força necessária para separar os átomos sem promover a quebra da ligação. Força de Ligação • Os materiais que apresentam: • inclinação grande = materiais rígidos • Inclinação pequena = materiais flexíveis Energia de Ligação • Quanto mais profunda a curva de energia potencial mais forte a ligação atômica. • Quando a energia é fornecida a um material, a vibração térmica faz com que os átomos oscilem próximos ao estado de equilíbrio. ‐ Baixo coeficiente de expansão térmica Ponto de equilíbrio expansão térmica ‐ Alterações dimensionais relativamente pequenas em função da temperatura ‐ Temperatura de fusão elevada 13/3/2012 8 Ligações interatômicas primárias ` Metálica ` Covalente ` Iônica Ligação Metálica ` Ligação metálica é a interação eletromagnética entre os elétrons deslocalizados, não direcional, em volta dos átomos carregados positivamenteátomos carregados positivamente. Os elétrons de valência são divididos com todos os átomos (não estão ligados a nenhum átomo em particular) Elétrons de valência Átomo ligados a nenhum átomo em particular) e assim eles estão livres para conduzir. 13/3/2012 9 ` A ligação covalente é direcional e forma ângulos bem definidos d l é Ligação Covalente ` Esse tipo de ligação é comum em compostos orgânicos, por exemplo emmateriais poliméricos e diamante. Os elétrons de valência são compartilhados. ` A ligação iônica não é direcional, a atração é mútua ` A ligação predominante nosmateriais cerâmicos. Ligação Iônica Os elétrons de valência são transferidos entre átomos produzindo íons. 13/3/2012 10 Energia de ligação ` A energia de ligação é, por definição, a energia mínima requerida para criar ou para quebrar a ligação. Estrutura Cristalina ` A estrutura cristalina é caracterizada quando existe uma organização na disposição espacial dos átomos que constituem determinado arranjo atômicoconstituem determinado arranjo atômico. ` Há uma regularidade estrutural, com a repetição, nas três dimensões, de uma unidade básica, chamada de célula unitária. 13/3/2012 11 ` Célula unitária : é uma subdivisão do reticulado cristalino, na qual são mantidas as características gerais de todo o reticulado Estrutura Cristalina – Célula Unitária de todo o reticulado. Os átomos são representados como esferas rígidas Estrutura Cristalina ‐ Arranjos atômicos Rede de Bravais: • 7 sistemas cristalinos e 14 i l d í i dreticulados característicos dos materiais cristalinos • Cada uma destas células unitárias tem certas características que ajudam a diferenciá‐las das outras células unitárias. •Além do mais estasAlém do mais, estas características também auxiliam na definição das propriedades de um material particular. 13/3/2012 12 Estrutura dos materiais ` Exemplos: O f d ô i` O ferro e aço: podem apresentar uma estrutura atômica cúbicas de corpo centrado (em temperatura ambiente) ou estrutura de face centrada (em alta temperatura); ` A areia natural: constituída essencialmente de sílica em sua forma cristalina, que é o quartzo de estrutura romboédrica. Estrutura não cristalina – amorfa ` Materiais de estrutura amorfa ou vítrea, ao nível de seus arranjos atômicos, são aqueles em que os átomos não apresentam qualquer tipo de regularidade ou organização p q q p g g ç em termos de sua disposição espacial, ou, caso exista algum ordenamento, ele ocorre a curto alcance (em pequenas distâncias). ` Se aplicado aos materiais em geral, em suas diversas configurações atômicas, são amorfos:g ç , ` os gases; ` os líquidos; ` os sólidos não‐cristalinos como o vidro. 13/3/2012 13 Estrutura não cristalina – amorfa a) gás inerte b) vapor de água c) estrutura do vidro PROPRIEDADES MECÂNICAS ` As propriedades mecânicas definem o comportamento do material quando sujeitos à esforços mecânicos pois estas estãoesforços mecânicos, pois estas estão relacionadas à capacidade do material de resistir ou transmitir estes esforços aplicados sem romper e sem se deformar de maneira incontrolável. 13/3/2012 14 Principais Propriedades dos Corpos ` Extensão: Propriedade que a matéria tem de ocupar um lugar no espaço `I t bilid d` Impenetrabilidade: Dois corpos não podem ocupar o mesmo espaço ` Inércia: Propriedade que a matéria tem em permanecer na situação em que se encontra ` Compressibilidade:p Diminuição do volume devido a ação de forças externas ` Porosidade: Relação do volume de vazios e o volume total de um material ` Di i ibilid d Principais Propriedades dos Corpos ` Divisibilidade: Capacidade da matéria de reduzir‐se em partículas ` Indestrutibilidade: A matéria não pode ser criada nem destruída, apenas transformada. 13/3/2012 15 ` Dureza: Resistência dos corpos a serem riscados ` T id d Principais Propriedades dos Corpos ` Tenacidade: Resistência ao choque/impacto ` Plasticidade (maleabilidade): Propriedade de um corpo mudar de forma de modo irreversível ` Ductibilidade: Capacidade dos corpos se reduzirem a fios, sem romperem ` Durabilidade: Capacidade de permanecerem inalterados com o tempo ` Desgaste: Principais Propriedades dos Corpos Perda de qualidade ou de dimensões com o uso contínuo ` Elasticidade: Propriedade que a matéria tem de retornar seu volume inicial após aplicação de força ` Fluência: Deformação ao longo do tempo de um material submetido a uma carga ou tensão constanteuma carga ou tensão constante ` Fadiga: Fenômeno de ruptura progressiva de materiais sujeitos a ciclos repetidos de tensão ou deformação 13/3/2012 16 TIPOS DE TENSÕES QUE UMA ESTRUTURA ESTA SUJEITA ` Tração ` Compressão ` Cisalhamento ` Torção ` Flexão Como determinar as propriedades mecânicas? ` A determinação das propriedades mecânicas é feita através de ensaios mecânicos. ` Utiliza se normalmente corpos de prova (amostra` Utiliza‐se normalmente corpos de prova (amostra representativa do material) para o ensaio mecânico ` Geralmente, usa‐se normas técnicas para o procedimento das medidas e confecção do corpo de prova para garantir que os resultados sejam comparáveis. 13/3/2012 17 TIPOS DE TENSÕES QUE UMA ESTRUTURA ESTA SUJEITA CompressãoTração pç TIPOS DE TENSÕES QUE UMA ESTRUTURA ESTA SUJEITA Flexão 13/3/2012 18 TIPOS DE TENSÕES QUE UMA ESTRUTURA ESTA SUJEITA Torção TIPOS DE TENSÕES QUE UMA ESTRUTURA ESTA SUJEITA Cisalhamento
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