03 Unidade 1 Elementos de ciência dos materiais

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Materiais elétricos
5MASI
Prof. Francisco Daniel
UNIDADE 1- Elementos de ciência dos materiais
Slide 3
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/assuntos.php?assunto=materiais
Descoberto material que é simultaneamente 
condutor e isolante
Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/07/2015
O hexaboreto de samário é um material estranho e 
interessante, que já vinha sendo cogitado para ser usado 
na fabricação de transistores quânticos.[Imagem: B. S. Tan
et al. - 10.1126/science.aaa7974]
Descoberto material que é simultaneamente 
condutor e isolante
Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/07/2015
Condutor e isolante
Pesquisadores identificaram um material que se comporta 
como um condutor elétrico e um isolante, ao mesmo 
tempo, o que contesta o entendimento atual de como os 
materiais se comportam, apontando para um novo tipo de 
estado da matéria.
• Em um isolante, os elétrons são em grande parte 
"travados" em um lugar,
• enquanto em um condutor os elétrons fluem 
livremente.
Descoberto material que é simultaneamente 
condutor e isolante
Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/07/2015
Hexaboreto de samário
O comportamento emergiu em temperaturas 
muito baixas - assim como ocorre com os 
supercondutores - no material chamado 
hexaboreto de samário (SmB6), um mineral 
exótico cogitado para uso em transistores 
quânticos.
Descoberto material que é simultaneamente 
condutor e isolante
Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/07/2015
Hexaboreto de samário
Outros materiais foram recentemente descritos com esse 
comportamento anômalo, comportando-se tanto como 
um condutor quanto como um isolante, mas são 
materiais híbridos, estruturados como um sanduíche, de 
modo que a superfície comporta-se de modo diferente 
do interior - os chamados isolantes topológicos. 
Mas, no SmB6, a própria massa do material apresenta 
esse comportamento, podendo ser tanto condutora 
quanto isolante simultaneamente.
Descoberto material que é simultaneamente 
condutor e isolante
Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/07/2015
Hexaboreto de samário
"Como este material está próximo à região de 
cruzamento entre isolante e condutor, descobrimos 
que ele exibe algumas propriedades realmente 
estranhas - nós estamos explorando a possibilidade 
de que esta seja uma nova fase quântica,"
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=descoberto-
material-simultaneamente-condutor-isolante&id=010160150707#.VeC4en2gvxo
O que são isolantes 
topológicos?
Conteúdo
UNIDADE 1- Elementos de 
ciência dos materiais
Apresentação da ementa
UNIDADE 1- Elementos de 
ciência dos materiais
1.1 - Propriedades mecânicas dos materiais;
1.2 - Ligações químicas;
1.3 - Estrutura cristalina;
UNIDADE 1- Elementos de 
ciência dos materiais
1.3 - Estrutura cristalina;
1.4 - Análise geral dos metais;
1.5 - Classificação geral dos metais.
UNIDADE 1- Elementos de 
ciência dos materiais
UNIDADE 2 - Materiais 
condutores
1.5 - Classificação geral dos metais.
2.1 - Características principais dos materiais 
condutores;
2.2 - Condutividade e resistividade elétrica;
UNIDADE 2 - Materiais 
condutores
2.2 - Condutividade e resistividade elétrica;
2.3 - Condutividade térmica;
2.4 - Estudo específico dos materiais condutores.
Propriedades fortemente 
dependentes da microestrutura
Propriedades pouco dependentes 
da microestrutura
- Limite de escoamento;
- Limite de resistência;
- Alongamento;
- Temperatura de transição dúctil-
frágil;
- Resistência ao impacto;
- Condutividade elétrica;
- Força coerciva;
- Resistência à corrosão;
- Resistência ao desgaste;
- Módulo de elasticidade;
- Módulo de cisalhamento;
- Coeficiente de Poisson;
- Módulo de compressibilidade;
- Densidade;
- Calor específico;
- Coeficiente de dilatação 
térmica;
Dependências das propriedades com a 
microestrutura
Angelo Fernando. Materiais de Engenharia micriestrutura. Pág.224
Limite de escoamento
 A partir do instante em que a tensão 
ultrapassa o limite de 
proporcionalidade, tem-se início a 
fase plástica.
 Nesta fase ocorre deformações 
crescentes na peça sem acréscimos 
na tensão.
 O valor desta tensão constante 
recebe o nome de limite de 
escoamento (fy).

O limite de escoamento do aço é uma 
das propriedades físicas mais 
importantes no cálculo das estruturas 
de aço, pois procura-se evitar que 
esta tensão seja atingida na seção 
transversal das barras, como forma de 
limitar a sua deformação.
http://www.cesec.ufpr.br/metalica/04/04-texto.htm
Limite de escoamento
http://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6336-classificacao-de-acordo-com-a-
tensao-limite-de-escoamento#.VdzNgH2gsSU
Propriedades fortemente 
dependentes da microestrutura
Propriedades pouco dependentes 
da microestrutura
- Limite de escoamento;
- Limite de resistência;
- Alongamento;
- Temperatura de transição dúctil-
frágil;
- Resistência ao impacto;
- Condutividade elétrica;
- Força coerciva;
- Resistência à corrosão;
- Resistência ao desgaste;
- Módulo de elasticidade;
- Módulo de cisalhamento;
- Coeficiente de Poisson;
- Módulo de compressibilidade;
- Densidade;
- Calor específico;
- Coeficiente de dilatação 
térmica;
Dependências das propriedades com a 
microestrutura
Angelo Fernando. Materiais de Engenharia micriestrutura. Pág.224
O ENSAIO DE TRAÇÃO
Propriedades fortemente 
dependentes da microestrutura
Propriedades pouco dependentes 
da microestrutura
- Limite de escoamento;
- Limite de resistência;
- Alongamento;
- Temperatura de transição dúctil-
frágil;
- Resistência ao impacto;
- Condutividade elétrica;
- Força coerciva;
- Resistência à corrosão;
- Resistência ao desgaste;
- Módulo de elasticidade;
- Módulo de cisalhamento;
- Coeficiente de Poisson;
- Módulo de compressibilidade;
- Densidade;
- Calor específico;
- Coeficiente de dilatação 
térmica;
Dependências das propriedades com a 
microestrutura
Angelo Fernando. Materiais de Engenharia micriestrutura. Pág.224
Força coerciva
Força coercitiva (Hc)-
é a intensidade de campo 
que tem de ser aplicado 
para desmagnetizar
http://laps.ufpa.br/valquiria/Materiais%20Eletricos/capituloVIII.pdf
Propriedades fortemente 
dependentes da microestrutura
Propriedades pouco dependentes 
da microestrutura
- Limite de escoamento;
- Limite de resistência;
- Alongamento;
- Temperatura de transição dúctil-
frágil;
- Resistência ao impacto;
- Condutividade elétrica;
- Força coerciva;
- Resistência à corrosão;
- Resistência ao desgaste;
- Módulo de elasticidade;
- Módulo de cisalhamento;
- Coeficiente de Poisson;
- Módulo de compressibilidade;
- Densidade;
- Calor específico;
- Coeficiente de dilatação 
térmica;
Dependências das propriedades com a 
microestrutura
Angelo Fernando. Materiais de Engenharia micriestrutura. Pág.224
Coeficiente de 
Poisson
Deformação
 Ao se aplicar uma força axial de tração em um
corpo deformável esse corpo se alonga e contrai
lateralmente, já ao se aplicar uma força de
contração o oposto ocorre.
 A deformação longitudinal é dada pela expressão:
 A deformação lateral é dada pela expressão
semelhante:
Ilustração
Coeficiente de Poisson
A definição de Coeficiente de Poisson é dada justamente pela
relação dessas duas deformações.
 Essa relação é constante na faixa faixa de elasticidade, pois as
deformações são proporcionais.
 O sinal negativo se deve ao fato de que um alongamento
longitudinal,que é uma deformação positiva, gera uma contração
lateral (deformação negativa). O inverso para o caso oposto.
Teoria química sobre os átomos
Baseado no modelo atômico Rutherford-
Bohr, o átomo é formado por uma região 
central positiva denominada núcleo, 
cercado por elétrons em órbitas circulares. 
Os átomos são formados basicamente por 
três partículas, são elas: prótons, nêutrons 
e elétrons.
http://educacao.globo.com/quimica/assunto/estrutura-atomica/atomo.html
Comportamento dos elétrons
 Os elétrons se encontram na eletrosfera, que 
corresponde a maior parte do volume atômico, 
girando ao redor do núcleo em órbitas (ou 
camadas) com energia definida.
 Há no máximo sete camadas ao redor do núcleo e 
são representadas pelas letras K, L, M, N, O, P e Q 
a partir do núcleo. A camada mais externa é 
também a mais energética.
http://educacao.globo.com/quimica/assunto/estrutura-atomica/atomo.html
Comportamento dos elétrons
 Segundo Bohr o elétron pode passar de um nível 
para outro.
 Fornecendo energia (calor, eletricidade, fóton), 
elétrons podem absorver essa energia e passar 
para estados energéticos mais elevados.
 Se ao contrário ele passar de um estado de maior 
energia para um de menor energia ele emitirá 
radiação.
Materiais de Engenharia Microestrutura. Angelo Fernando Padilha. CAP2
Configuração eletrônica
 O número de elétrons que cada órbita de um átomo possui e sua 
estrutura eletrônica pode ser descrito pela configuração 
eletrônica.
O número de elétron que cada subnível
comporta é:
s = 2 elétrons; 
p = 6 elétrons; 
d = 10 elétrons; 
f = 14 elétrons.
Configuração eletrônica
 Na prática, cada nível de energia (camada) comporta uma quantidade máxima de elétrons, e os níveis 
são divididos em subníveis:
Camada Nível Subnível 
Quantidade 
máxima de 
elétrons 
K
L
M
N
O
P
Q
1
2
3
4
5
6
7
s
s p
s p d
s p d f
s p d f
s p d
s
2
8
18
32
32
18
8
A camada de valência
A camada de valência é a última camada de distribuição eletrônica. 
O Diagrama de Pauling estabelece que os átomos podem possuir 
sete camadas de distribuição atômica. Estas camadas são 
denominadas K, L, M, N, O, P e Q.
Cada uma destas camadas possuem um número máximo de 
elétrons. Assim, as camadas acima possuem, respectivamente 2, 
8, 18, 32, 32, 18 e 2 elétrons. A camada de valência necessita, na 
maior parte dos átomos, de 8 elétrons para que seja estável.
http://www.infoescola.com/quimica/camada-de-valencia/
(UFRN) O oxigênio (O2) e o ozônio (O3) protegem a Terra da radiação 
ultravioleta,que, em excesso, é prejudicial aos seres vivos. As reações responsáveis 
por essa proteção são as seguintes:
(1) O2 + fótons → 2O (2) O3 + fótons → O2 + O
O buraco na camada de ozônio vem aumentando devido, principalmente, ao alto 
nível de clorofluorcarbonos (CFCs) lançados na atmosfera pela ação do homem. 
Usando-se o Freon 12 (CCl2F2) como exemplo, o processo de consumo do O3 é 
mostrado abaixo:
(3) CCl2F2 + fótons → CClF2 + Cl
(4) Cl + O3 → ClO + O2
(5) ClO + O → Cl + O2
A configuração eletrônica completa do elemento oxigênio e o número de elétrons 
presentes na sua camada de valência são, respectivamente: 
a) 1s2 2s2 2p4 e 8 elétrons.
b) 1s2 2s2 2p4 e 6 elétrons.
c) 2s2 2p4 e 6 elétrons.
d) 2s2 2p4 e 8 elétrons.
Tabela periódica
O átomo de oxigênio possua 8 elétrons, logo 
sua configuração eletrônica é:
1s2 2s2 2p4
O último nível (camada) é o 2, e possui 6 
elétrons.
LETRA B
Ligação metálica
Ligação metálica é a ligação entre metais e 
metais. Formam as chamadas ligas metálicas
que são cada vez mais importantes para o 
nosso dia-a-dia. 
No estado sólido, os metais se agrupam de 
forma geometricamente ordenados formando 
as células, ou grades ou retículo cristalino.
Forças intermoleculares
São responsáveis pelos três estados de agregação 
da matéria.
Também são chamadas de forças de Van der 
Waals, surgem da atração eletrostática entre 
nuvens de elétrons e núcleos atômicos.
São fracas quando comparadas às ligações 
covalentes ou iônicas.
http://www.pucrs.br/quimica/professores/schenato/download/ligacoes.pdf
Ligação metálica
Pode-se dizer que o metal seria um 
aglomerado de átomos neutros e 
cátions, mergulhados numa nuvem ou 
“mar” de elétrons livres. Esta nuvem 
de elétrons funcionaria como a ligação 
metálica, que mantém os átomos 
unidos.
http://www.soq.com.br/conteudos/ef/ligacoesquimicas/p3.php
Ligação metálica
São estas ligações e suas estruturas 
que os metais apresentam uma série 
de propriedades bem características, 
como por exemplo, o brilho metálico, 
a condutividade elétrica, o alto 
ponto de fusão e ebulição, a 
maleabilidade, a ductilidade, a alta 
densidade e a resistência á tração.
Ligação metálica
As ligas metálicas são a união de dois ou mais metais. 
Às vezes com não-metais e metais. As ligas têm mais 
aplicação do que os metais puros.
Algumas ligas:
- bronze (cobre + estanho) – usado em estátuas, sinos
http://www.soq.com.br/conteudos/ef/ligacoesquimicas/p3.php
Ligação metálica
- aço comum (ferro + 0,1 a 0,8% de carbono) – com 
maior resistência à tração, é usado em construção, 
pontes, fogões, geladeiras.
Ligação metálica
- aço inoxidável (ferro + 0,1 de carbono + 18% de 
cromo + 8% de níquel) – não enferruja (diferente do 
ferro e do aço comum), é usado em vagões de metrô, 
fogões, pias e talheres.
Ligação metálica
- latão (cobre + zinco) – usado em armas e torneiras.
Ligação metálica
- ouro / em jóias (75% de ouro ou prata + 25% de 
cobre) – usado para fabricação de jóias. Utiliza-se 25% 
de cobre para o ouro 18K. E o ouro 24K é considerado 
ouro puro.
Ligação metálica
- ouro / em jóias (75% de ouro ou prata + 25% de 
cobre) – usado para fabricação de jóias. Utiliza-se 25% 
de cobre para o ouro 18K. E o ouro 24K é considerado 
ouro puro.
Conteúdo
UNIDADE 1- Elementos de 
ciência dos materiais
Apresentação da ementa
UNIDADE 1- Elementos de 
ciência dos materiais
1.1 - Propriedades mecânicas dos materiais;
1.2 - Ligações químicas;
1.3 - Estrutura cristalina;
UNIDADE 1- Elementos de 
ciência dos materiais
1.3 - Estrutura cristalina;
1.4 - Análise geral dos metais;
1.5 - Classificação geral dos metais.
UNIDADE 1- Elementos de 
ciência dos materiais
UNIDADE 2 - Materiais 
condutores
1.5 - Classificação geral dos metais.
2.1 - Características principais dos materiais 
condutores;
2.2 - Condutividade e resistividade elétrica;
UNIDADE 2 - Materiais 
condutores
2.2 - Condutividade e resistividade elétrica;
2.3 - Condutividade térmica;
2.4 - Estudo específico dos materiais condutores.
Classificação dos metais
http://www.joinville.udesc.br/portal/professores/daniela/materiais/aula_1___classificacao_aos_materiais.pdf
CLASSIFICAÇÃO DOS METAIS
5 - METAIS
Os metais se caracterizam por possuir uma constituição cristalina,
são elementos, substâncias ou ligas caracterizados por:
- boa condutividade elétrica
- boa condutividade de calor,
- geralmente apresentando cor prateada ou amarelada,
- um alto ponto de fusão e de ebulição
- e uma elevada dureza.
Qualquer metal pode ser definido também como um elemento
químico que forma aglomerados de átomos com caráter metálico.
5 - METAIS
Nos metais os elétrons da última camada
possuem ligações muito fracas, podendo
movimentar-se livremente.
Quando o metal está em temperatura ambiente,
o movimento doselétrons livres é aleatório e
pode ser comparado ao movimento de moléculas
de gás num recipiente fechado.
5.1 - Solidificação dos Metais, Possíveis Defeitos e 
Tamanho dos Grãos
Fusão implica recebimento de grande quantidade de calor.
A solidificação é a transformação do estado líquido
para o sólido.
Para ir ao estado sólido os átomos devem se agrupar,
isto reduz a distância entre eles, quer dizer ir para
um nível menor de energia potencial.
Nesta passagem para um nível menor de energia
ocorre uma liberação de calor.
Essa diferença de energia entre os estados líquido e
sólido chama-se calor latente de fusão.
5.1 - Solidificação dos Metais, Possíveis Defeitos e Tamanho dos Grãos
O crescimento de cada núcleo de solidificação é interrompido
quando encontra núcleos vizinhos que também venham
crescendo, como uma árvore (árvore = dendros). Portanto esta
estrutura é chamada de dendrita.
5.1 - Solidificação dos Metais, Possíveis Defeitos e 
Tamanho dos Grãos
Durante a solidificação, os núcleos vão sendo formados e crescendo.
Esses núcleos irão tendo um volume final que determinará o tamanho do
grão.
O tamanho dos grãos dos metais depende da:
- velocidade de nucleação: quantos núcleos se formam por unidade de
tempo.
- velocidade de crescimento: é a velocidade com que estes núcleos
crescem.
OBSERVAÇÃO
Temperaturas baixas aumento da resistência mecânica
Temperaturas altas diminuição da resistência mecânica
5.1 - Solidificação dos Metais, Possíveis Defeitos e 
Tamanho dos Grãos
Após concluído o crescimento do núcleo passamos a
chama-lo de grão. A linha que limita a sua área é
chamada de contorno de grão.
5.1 - Solidificação dos Metais, Possíveis Defeitos e 
Tamanho dos Grãos
DEFEITOS DURANTE A SOLIDIFICAÇÃO DOS METAIS.
Bolhas
Trincas
Vazios oriundos de gases dissolvidos no líquido
e que ficaram retidos no lingote fundido. Para
se evitar as bolhas utilizam-se, desoxidantes.
Ex: Fe-Si, Fe-Mn, que evitam a formação de CO
ou CO2, pois se combinam com o O2.
São ocasionadas pelas tensões excessivas que
se desenvolvem durante o resfriamento ou
ainda devido ao formato desigual das peças,
impedindo o resfriamento uniforme.
5.1 - Solidificação dos Metais, Possíveis Defeitos e 
Tamanho dos Grãos
DEFEITOS DURANTE A SOLIDIFICAÇÃO DOS METAIS.
Segregação
ou Impurezas
Rechupe
Ao solidificar um metal, as impurezas como: fósforo
e enxofre, não são tão solúveis no estado sólido
como no líquido, portanto são repelidas para o
líquido quando a solidificação se propaga. A
solidificação caminha da periferia para o centro,
portanto é no centro que as impurezas se
acumulam, esse fenômeno é denominado
segregação.
A solidificação de um metal se inicia pelas partes que estão em
contato com as paredes do molde ou na parte superior, onde o
metal está exposto ao ar.
O metal ao passar do estado líquido para o sólido diminui seu
volume, portanto aparecerá uma região central no lingote ou peça
que se chama rechupe
5.1 - Solidificação dos Metais, Possíveis Defeitos e 
Tamanho dos Grãos
DEFEITOS CRISTALINOS
Defeitos pontuais: Lacuna. Intersticial
5.1 - Solidificação dos Metais, Possíveis Defeitos e 
Tamanho dos Grãos
DEFEITOS CRISTALINOS
Defeitos lineares
5.2 – Características dos Metais
Em relação a sua estrutura cristalina:
Alcalinos: Lítio, Sódio e Potássio
Nobres: Cobre, Prata, Ouro, Platina
Bivalentes: Berílio, Estrôncio, Cálcio, Bário
De Transição: Ferro, Níquel, Cobalto, Tugstênio
Como visto anteriormente, a maior parte das propriedades dos materiais
(físicas, químicas, mecânicas, térmicas, etc.) estão condicionadas a
natureza dos elementos químicos constituintes, aos tipos de ligações que
se desenvolvem, e os arranjos espaciais observados entre átomos e
moléculas. Além desses fatores internos ao material, alguns fatores externos
podem provocar variações das propriedades do material, tais como:
temperatura, agressividade do ambiente, processo de fabricação, tipos de
esforços mecânico, etc.
5.2 – Características dos Metais
OBSERVAÇÃO
Caso não seja descontado os volumes dos poros temos a Massa
específica aparente
Massa específica ou densidade (d) - é a relação entre a massa do
material e o volume real por ele ocupado (descontando os volumes
dos poros)
Unidades usadas: g/cm³, Kg/cm ³Unidades usadas: g/cm³, Kg/cm ³
Movimentação térmica - alteração volumétrica que se manifesta
nos materiais pelo aumento de sua temperatura (dilatação) ou pela
diminuição da mesma (contração).
ΔV = Vo . l . Δt onde:
ΔV = variação no comprimento
Vo = comprimento inicial
l = coeficiente de dilatação térmica volumétrica
Δt = gradiente de temperatura
5.2 – Características dos Metais
Calor específico - quantidade de calor necessário par elevar
de 1°C a temperatura da unidade de massa de um material
(cal / g °C , Kcal / Kg °C)
Condutividade térmica - capacidade de um
material submetido a um gradiente de
temperatura conduzir calor
5.2 – Características dos Metais
Condutividade Metálica - capacidade de um material de conduzir
uma nuvem de elétrons livres
A quantidade de energia transmitida pela nuvem de elétrons pela
unidade de tempo é explicada pela Lei de Joule - Lenz
W = quantidade de energia transmitida pela 
nuvem de elétrons pela unidade de tempo .
= condutividade elétrica
E = campo elétrico aplicado
W = quantidade de energia transmitida pela 
nuvem de elétrons pela unidade de tempo .
= condutividade elétrica
E = campo elétrico aplicado
i = densidade de corrente elétrica i = densidade de corrente elétrica 
5.2 – Características dos Metais
OBSERVAÇÕES
1 - Durante a passagem de corrente elétrica por um elemento condutor
metálico não se observa uma difusão de um metal para o outro.
2 – Levando um elemento condutor a velocidades elevadas e o freando
instantaneamente haverá uma maior concentração de elétrons em das
extremidades
3 - Um elemento condutor colocado em um campo magnético transversal
cria em suas extremidades uma força eletromotriz (f.e.m.) também em
sentido transversal (EFEITO HALL).
4 – Quando um metal sofre aquecimento alguns de seus elétrons pode
abandoná-lo em função da energia térmica incidente.
Conteúdo
UNIDADE 1- Elementos de 
ciência dos materiais
Apresentação da ementa
UNIDADE 1- Elementos de 
ciência dos materiais
1.1 - Propriedades mecânicas dos materiais;
1.2 - Ligações químicas;
1.3 - Estrutura cristalina;
UNIDADE 1- Elementos de 
ciência dos materiais
1.3 - Estrutura cristalina;
1.4 - Análise geral dos metais;
1.5 - Classificação geral dos metais.
UNIDADE 1- Elementos de 
ciência dos materiais
UNIDADE 2 - Materiais 
condutores
1.5 - Classificação geral dos metais.
2.1 - Características principais dos materiais 
condutores;
2.2 - Condutividade e resistividade elétrica;
UNIDADE 2 - Materiais 
condutores
2.2 - Condutividade e resistividade elétrica;
2.3 - Condutividade térmica;
2.4 - Estudo específico dos materiais condutores.
Estrutura elementar da matéria
Estrutura elementar da matéria
Estrutura elementar da matéria
Estrutura elementar da matéria
Estrutura elementar da matéria
Estrutura elementar da matéria
http://www.sprace.org.br/eem/home/Cartaz.html
https://www.youtube.com/watch?v=KNgRBqj9FS8
Vídeo sobre estruturas cristalinas