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Ciência e Tecnologia dos Materiais Profª. Dr. Kelly Bossardi e-mail: kelly.bossardi@prof.uniso.br EMENTA • Ciência e engenharia dos Materiais • Ligações Químicas x propriedades básicas dos materiais • Classificação dos materiais • Estrutura cristalina e Imperfeições • Propriedades Térmicas • Propriedades Mecânicas • Processos de Corrosão e Degradação dos Materiais • Introdução aos Processos de Produção de Materiais • Laboratório - Ensaios de Tração, Dureza Rockwell, Microscopia ótica e Tratamento térmico. AVALIAÇÕES 2 Avaliações – 1ª 25/09/2014 – P1 2ª 04/12/2014 – P2 Atividades em sala de aula - AA. Aulas Laboratório – As datas serão agendadas – Relatório Prática (RP). Média = ( 𝑷𝟏+𝑷𝟐 𝟐 )𝒙𝟎, 𝟕𝟎 + 𝒏𝑨𝑨+𝑹𝑷 𝒏+𝟏 𝒙𝟎, 𝟑𝟎 ≥ 6,0 1 Substitutiva 11/12/2014 (Substitui a média total) BIBLIOGRAFIA • CALLISTER JR., W.D., Ciência e Engenharia de Materiais: uma introdução, editora LTC, 5ª Ed. 2002 • SHACKELFORD, J.F., Ciência dos Materiais, Ed. Pearson-Prentice Hall, 6ª Ed. 2008 • ASKELAND D.R., PHULÉ P.P., Ciência e Engenharia dos Materiais, Ed.CENGAGE Learning, São Paulo, 2008. Uso e Importância dos Materiais Desde o início dos tempos, o homem vem executando trabalhos de engenharia progressivamente mais complexos, com finalidade de suprir abrigo e propiciar conforto para si e seus dependentes, protegendo-se dos perigos e das intempéries. O primeiro elemento estrutural de engenharia usado pelo homem, foi a madeira, seguindo-se a pedra, depois metais, a cerâmica, o vidro, os polímeros e, finalmente os compósitos. O que é Ciência e Engenharia dos Materiais? Ciência dos Materiais – Investigação entre composição / estrutura e propriedades dos materiais. Engenharia dos Materiais – Projetar, desenvolver ou aperfeiçoar técnicas de processamento de materiais (= técnicas de fabricação) com base nas relações composição / estrutura e propriedades. Ciência e Engenharia dos Materiais são campos intimamente interligados e interdisciplinares. Composição e Estruturas dos Materiais Composição – Natureza Química dos Materiais. Estrutura – Associada ao arranjo dos componentes do material em estudo. Deve ser analisasda em diferentes escalas. PROPRIEDADES DOS MATERIAIS Propriedade: tipo e intensidade da resposta a um estímulo que é imposto ao material As principais propriedades dos materiais podem ser agrupadas em: • Mecânicas • Elétricas • Térmicas • Magnéticas • Ópticas • Químicas • de degradação (corrosão, oxidação, desgaste) Processamento: conjunto de técnicas para obtenção de materiais com formas e propriedades específicas. Desempenho: resposta do material a um estímulo externo, presente nas condições reais de utilização. PROCESSAMENTO e DESEMPENHO Classificação dos Materiais Os materiais sólidos foram agrupados em três categorias básicas: METAIS, CERÂMICOS e COMPÓSITOS. Este agrupamento está baseado principalmente na composição química e na estrutura atômicas. Adicionalmente, existem os COMPÓSITOS, que são combinações “engenheiradas” de dois ou mais materiais diferentes. Outra categoria é a dos materiais AVANÇADOS – usados em aplicações de alta tecnologia, como por exemplo os semicondutores, os biomateriais, os materiais inteligentes e os nanomateriais. METAIS São compostos por um ou mais elementos metálicos, e com frequência também por elementos não metálicos (quantidades pequenas). Os átomos nos metais e nas suas ligas estão arranjados em uma maneira muito ordenada, e em comparação com os cerâmicos e os polímeros, são relativamente densos. Em relação as características mecânicas: são rígidos e resistentes, e ainda assim dúcteis; são resistentes à fratura. Grande número de elétrons livres. Muitas propriedades estão relacionadas a esses elétrons livres. Propriedades gerais : – Resistência mecânica de moderada a alta. – Moderada plasticidade. – Alta tenacidade. – Opacos. – Bons condutores elétricos e térmicos. CERÂMICAS Composição : combinação de elementos metálicos e não-metálicos (óxidos, carbetos e nitretos). Tipos de ligações – Caráter misto, iônico-covalente Tipos de materiais : – Cerâmicas tradicionais. – Cerâmicas de alto desempenho. – Vidros e vitro--cerâmicas. – Cimentos Propriedades gerais : – Isolantes térmicos e elétricos – Inércia química. – Corpos duros e frágeis POLÍMEROS Incluem materiais plásticos e borrachas. Composição : compostos orgânicos – Carbono, hidrogênio, oxigênio e outros elementos, tais como nitrogênio, enxofre e cloro. Propriedades gerais : – Flexibilidade e facilidade de conformação. – Tenacidade. – Geralmente pouco resistentes a altas temperaturas. COMPÓSITOS Composto por dois (ou mais) materiais individuais que se enquadram nas categorias: metais, cerâmicos e polímeros. Constituídos por mais de um tipo de material: – Matriz – Reforçador Projetados para apresentar as melhores características de cada um dos materiais Exemplos: – Produtos fabricados em “fibras de vidro” - cerâmico (vidro) reforçando uma matriz de material polimérico MATERIAIS AVANÇADOS Materiais utilizados em aplicações de alta tecnologia (ou high- tech) – dispositivo ou produto que opera / funciona usando princípios relativamente intricados e sofisticados. Alguns exemplos: equipamentos eletrônicos, computadores, espaçonaves, foguetes. São materiais tradicionais cujas suas propriedades foram aprimoradas e também materiais de alto desempenho desenvolvidos, e são de alto custo. Incluem: biomateriais, semicondutores, nanomateriais e materiais inteligentes. • Semicondutores: propriedades elétricas que são intermediárias entre os condutores (metais e suas ligas) e os isolantes (cerâmicos e polímeros). • Biomateriais: são empregados em componentes implantados no corpo humano; NÃO devem produzir substâncias tóxicas e ser compatíveis com os tecidos do corpo. • Materiais Inteligentes: São novos materiais de última geração que estão sendo desenvolvidos. O adjetivo inteligente implica que esses materiais serão capazes de sentir mudanças nos seus ambientes e assim responder a essas mudanças segundo maneiras predeterminadas. • Nanomateriais: NÃO são diferenciados com base em sua química, mas sim em função do seu tamanho (nanômetro). ESTRUTURA ATÔMICA O átomo é composto por elétrons, prótons e geralmente nêutrons: FORÇAS E ENERGIA DE LIGAÇÃO A compreensão de muitas das propriedades físicas dos materiais está baseada no conhecimento das forças interatômicas que unem os átomos, prendendo-os. A energia de ligação entre dois átomos corresponde à energia necessária para separar esses dois átomos até uma distância de separação infinita. LIGAÇÕES QUÍMICAS - Materiais que possuem grandes energias de ligação em geral possuem temperatura de fusão elevadas; à temperatura ambiente, as substâncias sólidas são formadas devido a elevadas energias de ligação, enquanto nos casos em que existem apenas pequenas energias de ligação o estado gasoso é favorecido; os líquidos prevalecem quando as energias são de magnitude intermediária. Ligações Químicas DIVERSAS PROPRIEDADES DOS MATERIAIS DEPENDEM DO ARRANJO DE SEUS ÁTOMOS E DAS LIGAÇÕES ENTRES OS MESMOS. Ex: Diamante e Grafite POR QUE OS ÁTOMOS FORMAM LIGAÇÕES ? • ÁTOMOS LIGADOS SÃO TERMODINAMICAMENTE MAIS ESTÁVEIS • OS ÁTOMOS ENVOLVIDOS ⇒ CONSTITUIÇÃO DA ÚLTIMA CAMADA ELÉTRONSMAIS EXTERNOS SÃO OS QUE PARTICIPAM DAS LIGAÇÕES LIGAÇÕES PRIMÁRIAS: IÔNICA; METÁLICA E COVALENTE LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS: OCORRE A PARTIR DE FORÇAS ELETROSTÁTICAS OU DE VAN DER WALLS - EFEITO DE DISPERSÃO; DIPOLO-DIPOLO E PONTES DE HIDROGÊNIO LIGAÇÃO IÔNICA Encontrada em compostos cuja composição envolve tanto elementos metálicos como não-metálicos, ou seja, elementos que estão localizados nas extremidades horizontais da tabela periódica. Os átomos de um elemento metálico perdem facilmente os seus elétrons de valência para os átomos não- metálicos. No processo, todos os átomos adquirem configurações estáveis e, adicionalmente, uma carga elétrica; isto é, eles se tornam íons. A ligação iônica é chamada não-direcional, isto é, a magnitude da ligação é igual em todas as direções ao redor do íon. Consequentemente, para que materiais iônicos sejam estáveis, em um arranjo tridimensional todos os íons positivos devem possuir íons carregados negativamente como seus vizinhos mais próximos, e vice-versa. A ligação predominante nos materiais cerâmicos é iônica. Os materiais iônicos são, por característica, materiais duros e quebradiços e, além disso, isolantes elétricos e térmicos. Propriedades - Ligações Iônicas • É chamada não-direcional, a magnitude da ligação é igual em todas as direções; • Materiais muito duros; Alto ponto de fusão e ebulição (requer energia considerável para romper o retículo); • Compostos iônicos conduzem corrente quando a substância se encontra fundida ou ionizada. LIGAÇÃO COVALENTE As configurações eletrônicas estáveis são adquiridas pelo compartilhamento de elétrons entre átomos adjacentes. Dois átomos ligados de maneira covalente irão cada um contribuir com pelo menos um elétron para a ligação, e os elétrons compartilhados podem ser considerados como pertencentes a ambos os átomos. A ligação covalente é direcional, isto é, ocorre entre átomos específicos e pode existir somente na direção entre um átomo e um outro que participa no compartilhamento de elétrons. As ligações covalentes podem ser muito fortes, como no diamante, que é muito duro e possui temperatura de fusão muito alta, ou elas podem ser muito fracas, como ocorre com o grafite, que tem temperatura de fusão baixa. Os matérias poliméricos tipificam essa ligação, sendo a estrutura molecular básica uma longa cadeia de átomos de carbono que se encontram ligados entre si de maneira covalente. Propriedades - Ligações Covalentes • Compostos covalentes são formados geralmente por moléculas discretas. • A ligação covalente é direcional, sendo forte entre os átomos da molécula. Entre uma molécula e outra, há apenas forças fracas de van der Waals. • Geralmente são gases, líquidos ou sólidos pouco consistentes e de baixo ponto de fusão. Exceções: SiO2, SiC, GaAs, diamante (materiais muito duros e de elevado ponto de fusão). • São isolantes elétricos, não apresentam carga elétrica, não conduzindo corrente em nenhum estado da matéria. • Compostos covalentes reagem lentamente, pois as reações envolvem ruptura da ligação covalente. • Pode ser forte (diamante) ou fraca (grafite) É possível a existência de ligações interatômicas que sejam parcialmente iônicas e parcialmente covalentes, e, de fato, poucos compósitos exibem ligações com caráter que seja exclusivamente iônico ou covalente. Para um composto, o grau de cada tipo de ligação depende das posições relativas dos átomos constituintes na tabela periódica ou da diferença nas suas eletronegatividades. Quanto maior for a separação do canto inferior esquerdo para o canto superior direito, isto é, quanto maior for a diferença entre as eletronegatividades, mais iônica será a ligação. De maneira contrária, quanto mais próximos estiverem os átomos, isto é, quanto menor for a diferença de eletronegatividades, maior será o grau de covalência LIGAÇÃO METÁLICA Encontrada em metais e suas ligas. Os materiais metálicos possuem um, dois ou, no máximo, três elétrons de valência. Estes elétrons de valência não se encontram ligados a qualquer átomo em particular no sólido e estão mais ou menos livres para se movimentar ao longo de todo o metal. Eles podem ser considerados como pertencentes ao metal como um todo, ou como se estivessem formando uma “nuvem de elétrons”. Os elétrons restantes, aqueles que não são elétrons de valência, juntamente com os núcleos atômicos, formam o que são chamados núcleos iônicos, que possuem uma carga líquida positiva igual em magnitude à carga total dos elétrons de valência por átomo. Os elétrons livres protegem os núcleos iônicos carregados positivamente das forças eletrostáticas mutuamente repulsivas que eles iriam, de outra forma, exercer uns sobre os outros; consequentemente, a ligação metálica apresenta caráter não-direcional. Adicionalmente, esses elétrons livres atuam como uma “cola” para manter juntos os núcleos iônicos. Propriedades - Ligações Metálicas • Alta condutividade elétrica e térmica: Cerâmicos são isolantes pois não possuem elétrons livres na ligação química; • Permitem grande deformação plástica pois as ligações são móveis ou seja não são rígidas como as iônicas e as covalentes. Os materiais cerâmicos são frágeis pois as ligações são rígidas; • Possuem o brilho metálico, como os elétrons são muito móveis trocam de nível energético com facilidade emitindo fótons; • São sempre opacos: pela mesma razão acima mas nesse caso absorvendo a luz incidente. Já os cerâmicos podem ser transparentes. Ligações químicas nos sólidos – define algumas propriedades Nos diferentes estados da matéria, podemos encontrar quatro tipos de arranjos: Estrutura dos Materiais Sem ordem – nos gases monoatômicos, como o Ar (argônio), os átomos ou íons não possuem arranjo ordenado – preenchem aleatoriamente todo espaço disponível. Ordem de curto alcance – arranjo especial dos átomos se estender apenas aos vizinhos mais próximos – cada molécula de água possui ordem curto alcance em razão das ligações covalentes entre os átomos de hidrogênio e oxigênio. Uma situação semelhante ocorre em materiais conhecidos como AMORFOS (estrutura Amorfa) – como por exemplo a estrutura tetraédrica da sílica (quatro íons de oxigênio ficarem ligados a cada íon de silício). No entanto, além da unidade básica não há periodicidade de longo alcance em seu arranjo. Ordem de longo alcance – também denominado de Estrutura CRISTALINA, na qual os átomos ou íons apresentam ordem de longo alcance – formam uma grade regular, repetitiva e tridimensional. Tais materiais são denominados MATERIAIS CRISTALINOS. Os materiais sólidos podem ser classificados de acordo com a regularidade pela qual átomos ou íons estão arranjados uns em relação aos outros. • Estrutura Cristalina – átomos estão posicionados em um arranjo periódico – ordenados. • Estrutura Amorfa ou não cristalina – desordem – “sem forma”. Amorfo Cristalino MATERIAIS CRISTALINOS – Se for composto por um único a grande cristal, o material cristalino recebe o nome de Material Monocristalino (ou monocristal). Um Material Policristalino (ou policristal), é composto por várias pequenas regiões com diferentes orientações espaciais. Cada região que contém cristais com dada orientação é conhecida como grão. Todo material policristalino assemelha-se a uma colagem de vários grupos de cristais que formam pequenos grãos. As fronteiras entre essas regiões em que há desalinhamento entre os cristais recebem o nome de Contorno de grão. FORMAÇÃO DOS CRISTAIS Os materiais, que apresentam estrutura cristalina, ao se solidificar, cristalizam;ou seja seus átomos localizam-se em posições definidas e ordenadas, que se repetem nas três dimensões e que formam um figura geométrica regular denominada cristal. Nos materiais cristalinos, denomina-se estrutura cristalina à maneira como átomos, moléculas ou íons se encontram espacialmente arranjados. Todos os metais, muitas cerâmicas e alguns polímeros (nunca 100%) formam estruturas cristalinas sob condições normais de solidificação. MATERIAIS AMORFOS: Não-cristalino, SÃO em geral TRANSPARENTES. Os vidros e polímeros apresentam estrutura amorfa. Os polímeros apresentam regiões amorfos e porções cristalinas. Modelo de esferas rígidas: os átomos ou íons são representados como esferas de diâmetro fixo. Reticulado ou Rede: conjunto de pontos dispostos segundo uma padrão periódico, de modo que a vizinhança de cada ponto de rede é idêntica – descreve o arranjo de átomos ou íons. Um átomo ou um grupo de átomos, localizados de forma específica entre si e associados a cada ponto da rede, é conhecido como BASE ou Unidade de Repetição. Obtemos um ESTRUTURA CRISTALINA ao agrupar redes e base. REDE, CÉLULA UNITÁRIA, BASES E ESTRUTURAS CRISTALINAS Algumas das propriedades dos sólidos cristalinos dependem da estrutura cristalina do material, ou seja, da maneira segundo a qual os átomos, íons ou moléculas estão arranjados no espaço. Existe um número extremamente grande de estruturas cristalinas diferentes, todas possuindo uma ordenação atômica de longo alcance – variam desde estruturas relativamente simples, nos metais, até excessivamente complexas, como alguns cerâmicos. A CÉLULA UNITÁRIA é uma subdivisão da rede que ainda mantém as características típicas de toda a rede - é o menor agrupamento de átomos representativo de uma determinada estrutura cristalina específica. A célula unitária é escolhida para representar a simetria da estrutura cristalina. As propriedades dos materiais sólidos cristalinos depende da estrutura cristalina, ou seja, da maneira na qual os átomos, moléculas ou íons estão espacialmente dispostos. Há um número grande de diferentes estruturas cristalinas, desde estruturas simples exibidas pelos metais até estruturas mais complexas exibidas pelos cerâmicos e polímeros Sistemas Cristalinos Parâmetros de Rede: Existem somente sete diferentes combinações dos parâmetros de rede. Cada uma dessas combinações constitui um sistema cristalino. Tipos de células: P – Primitiva ou Simples - CS I – Corpo centrado - CCC F – Face centrada - CFC C – Centrada em duas faces Sistema cristalino Parâmetro de rede e ângulo entre os eixos Estrutura cristalina Cúbico Três eixos iguais em ângulo reto Cúbica simples Cúbica de corpo centrado Cúbica de faces centradas Tetragonal Três eixos em ângulo reto, dois iguais Tetragonal simples Tetragonal de corpo centrado Ortorrômbico Três eixos desiguais em ângulo reto Ortorrômbico simples Ortorrômbico de corpo centrado Ortorrômbico de bases centradas Ortorrômbico de faces centradas Romboédrico Três eixos iguais, ângulos iguais Romboédrico simples Hexagonal Dois eixos iguais a 120, terceiro eixo a 90 Hexagonal simples Monoclínico Três eixos desiguais, um ângulo diferente Monoclínico simples Monoclínico de bases centradas Triclínico Três eixos desiguais, ângulos desiguais Triclínico simples ESTRUTURA CRISTALINA HEXAGONAL COMPACTA (HC) Os átomos estão localizados nos vértices do corpo. a=b≠c; α=β=90°, g=120o As faces superior e inferior são compostas por seis átomos que formam hexágonos regulares; O equivalente a seis átomos está contido em cada célula unitária. O que vamos estudar sobre as Células Unitárias dos Sistemas Cristalinos: • Número de coordenação – corresponde ao número de átomos vizinhos mais próximos; • Número de átomos dentro da célula unitária; • Parâmetro de rede – átomos na face da célula unitária. • Fator de Empacotamento Atômico– é um índice que varia de 0 a 1 e representa a fração do volume de uma célula unitária que corresponde a esferas sólidas. Sistema Cúbico Os átomos podem ser agrupados dentro do sistema cúbico em 3 diferentes tipos de repetição: • Cúbica simples; • Cúbica de corpo centrado; • Cúbica de face centrada. Cúbica Simples - CS • Número de Coordenação – 6. • Número de átomos dentro da célula unitária - Apenas 1/8 de cada átomo cai dentro da célula unitária, ou seja, a célula unitária contém apenas 1 átomo. • Parâmetro de Rede: Volume dos átomos = volume Esfera = 4𝜋𝑅3 3 Volume da Célula = Volume Cubo = a³ = (2R)³ Vamos tentar Definir os mesmos parâmetros para o CCC e o CFC. CCC E CFC CÚBICO DE CORPO CENTRADO - CCC • Número de coordenação – 8. • Número de átomos dentro da célula unitária – 2: Parâmetro de rede : O parâmetro da rede (a), nesse caso, é calculado a partir do valor da diagonal principal do cubo (valor conhecido) e da diagonal de uma de suas faces. Assim tem-se: ão Então: (4R)2 = a2 + a2 + a2 (4R)2 = 3a2 4R = 3 a a = 𝟒𝐑 𝟑 Fator de Empacotamento Atômico: FEA = 8 CÚBICO DE FACE CENTRADO - CFC • Número de coordenação – 12. • Número de átomos dentro da célula unitária = 8(cantos)*1 + 6 (faces)*1 = 4 átomos 8 2 Parâmetro de rede: Então: (4R)2 = a2 + a2 (4R)2 = 2a2 4R = 2 a a = 𝟒𝐑 𝟐 Fator de Empacotamento Atômico: FEA = 𝟒 𝒙 𝟒𝝅𝑹𝟑 𝟑 𝒂𝟑 = 𝟒 𝒙 𝟒𝝅𝑹𝟑 𝟑 𝟒𝑹 𝟐 𝟑 = 𝟒 𝒙 𝟒𝝅𝑹𝟑 𝟑 𝟔𝟒𝑹𝟑 𝟏,𝟒𝟏𝟒𝟐 𝟑 = 𝟒 𝒙 𝟒𝝅𝑹𝟑 𝒙 𝟏,𝟒𝟏𝟒𝟐𝟑 𝟔𝟒𝑹𝟑𝒙 𝟑 = 140,90 192 = 0,74 Exercícios 1. Na estrutura, cristalina CCC, quantos átomos existem por célula unitária? 2. Qual é o número de coordenação dos átomos na estrutura cristalina CCC? 3. Qual é a relação entre o comprimento da aresta (a) da célula unitária CCC e o raio dos átomos? 4. A 20°C, o bário é CCC e o parâmetro de rede 0,5019 nm. Calcule o valor do raio de um átomo de bário em nanômetros. 5. A 20°C, o ferro apresenta a estrutura CCC, sendo o raio atômico 0,124 nm. Calcule o parâmetro de rede a da célula unitária do ferro. 6. Na estrutura, cristalina CFC, quantos átomos existem por célula unitária? 7. Qual é o número de coordenação dos átomos na estrutura cristalina CFC? 8. Qual é a relação entre o comprimento da aresta (a) da célula unitária CFC e o raio dos átomos? 9. O cobre é CCC e o parâmetro de rede 0,3615 nm. Calcule o valor do raio de um átomo de cobre em nanômetros. Exercícios 1. Na estrutura, cristalina CCC, quantos átomos existem por célula unitária? R: 2 átomos 2. Qual é o número de coordenação dos átomos na estrutura cristalina CCC? R: 8 3. Qual é a relação entre o comprimento da aresta (a) da célula unitária CCC e o raio dos átomos? R: 4R / 𝟑 4. A 20°C, o bário é CCC e o parâmetro de rede 0,5019 nm. Calcule o valor do raio de um átomo de bário em nanômetros. R: 0,2173 nm 5. A 20°C, o ferro apresenta a estrutura CCC, sendo o raio atômico 0,124 nm. Calcule o parâmetro de rede a da célula unitária do ferro. R: 0,2864 nm 6. Na estrutura, cristalina CFC, quantos átomos existem por célula unitária? R: 4 7. Qual é o número de coordenação dos átomos na estrutura cristalina CFC? R:12 8. Qual é a relação entre o comprimento da aresta (a) da célula unitária CFC e o raio dos átomos? R: 4R / 𝟐 9. O cobre é CFC e o parâmetro de rede 0,3615 nm. Calcule o valor do raio de um átomo de cobre em nanômetros. R: 0,1278 nm Polimorfismo e Alotropia Alguns materiais (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. A estrutura cristalina que prevalece depende tanto da temperatura quanto da pressão externa. Polimorfismo do Carbono Grafite é o polimorfo estável sob condições ambientais; o Diamante é formado sob pressões extremamente elevadas.
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