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Aulas CEM Mário V3

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Ciência e Engenharia de Materiais
TQ-072
Universidade Federal do Paraná
Setor de Tecnologia
Depto de Engenharia Química 
Prof. Dr. Mário José Dallavalli
Programa
Introdução
Objetivo. Os materiais na Engenharia. 
Ligação Atômica. Uma revisão.
Modelos de átomos. Ligações químicas.
Ordenação Atômica dos Materiais.
Cristalinidade. Estrutura cristalina. Sistemas cristalinos. 
Indexação de pontos, direções e planos em cristais. Difração de R-X.
Desordem atômica dos Materiais.
Cristais perfeitos, imperfeitos e materiais amorfos. 
Defeitos na rede cristalina : pontuais, lineares, superficiais e volumétricos. 
Vibrações atômicas. Difusão.
Diagramas de Fase.
Definição de fase. 
Diagramas de fase de substâncias puras ou elementos. 
Diagrama isomorfo. Regra da alavanca. 
Diagrama eutético. 
Diagrama ferro-carbono.
Propriedades Mecânicas.
Propriedades vs. estrutura. 
Deformação elástica. Deformação plástica. 
Diagrama tensão e deformação de engenharia e real. 
Caracterização mecânica dos materiais: limite de resistência, limite de escoamento, ductilidade.
Escoamento e encruamento. 
Endurecimento, recuperação, recristalização e crescimento de grão. 
Fratura. Fadiga. Fluência. 
Os Materiais Metálicos. 
Ligas ferrosas. Ferros fundidos
Ligas não-ferrosas
Os Materiais Cerâmicos.
Estrutura cristalina e fases amorfas. 
Comportamento mecânico, elétrico e óptico.
Os Materiais Poliméricos.
Estrutura. Reações de Polimerização. 
Termoplásticos e termofixos. Aditivos. 
Propriedades mecânicas.
Os Materiais Compósitos.
Classificação. 
Propriedades mecânicas. Regra das Misturas.
Seleção de Materiais.
Critérios de seleção.
Referências e “Links” Úteis
Livro Texto
CALLISTER, W. D., Materials science and engineering - an 	 	 introduction, John Wiley, 1994. 
Livro Usual
VAN VLACK, L. H., Princípios de ciência e tecnologia dos materiais, 	 Campus, 1983.
Páginas da Internet 
www…
PROVAS da DISCIPLINA
TQ-072 – A 2º Sem. 2010
SALA PA-01
1a - 16/09/2010 	Quinta-feira - 13:30 hs.
2a - 21/10/2010 	Quinta-feira - 13:30 hs. 
3a - 02/12/2010 	Quinta-feira - 13:30 hs.
Final - 09/12/2010 Quinta-feira - 13:30 hs. 
Introdução
Tipos de materiais
Metais
Fe, Au, aço (liga Fe-C), latão (liga Cu, Zn)
Cerâmicas
Vidros, argilas, cimento
Polímeros
Plásticos, polietileno (-C2H4-)n, neoprene
Compósitos
Fibra de vidro, concreto, madeira
Semicondutores
Si, GaAs, ZnO, InGaAsP
Biomateriais
Polímeros (UHDPE), cerâmicos (Al2O3), ligas metálicas (Ti-6Al-4V). 
Semicondutores
Propriedades básicas
Todos os componentes eletrônicos do computador
Condutividade finamente controlada pela presença de impurezas - dopantes.
Podem ser combinados entre si para gerar propriedades eletrônicas e óticas “sob medida”.
São a base da tecnologia de opto-eletrônica - lasers, detetores, circuitos integrados óticos e células solares.
Os semicondutores na tabela periódica
Quando combinados entre si (coluna III-V e II-VI) os metais (quadrados claros) assumem propriedades semicondutoras.
Relação Estrutura x Propriedades
As propriedades “cotidianas” dos materiais dependem 
da estrutura em escala atômica
da microestrutura (estrutura em escala intermediária)
Ex: Alumina porosa e não-porosa
A presença de poros causa espalhamento de luz e o material se torna opaco.
A eliminação dos poros através da adição de 0.1% de MgO gera um material translúcido.
Exercício:
Descrever os materiais e suas propriedades + importantes
Microestrutura de uma Solda
Seleção de Materiais
Ex: Cilindro de armazenamento de gases
Requerimento: resistir a altas pressões (14MPa)
Metais Cerâmicas
Polímeros
Semicondutores
Compósitos
Seleção de Materiais
Ex: Vaso de pressão de uma aeronave
Requerimento: resistir a altas pressões e ser leve
Aqui o custo é menos importante do que a funcionalidade
Prefere-se um material leve e forte, mesmo sendo caro.
Metais Cerâmicas
Polímeros
Semicondutores
Compósitos
LIGAÇÕES ATÔMICAS
Ligação Atômica
Porque estudar a estrutura atômica ?
As propriedades macroscópicas dos materiais dependem essencialmente do tipo de ligação entre os átomos.
O tipo de ligação depende fundamentalmente dos elétrons.
Os elétrons são influenciados pelos prótons e neutrons que formam o núcleo atômico.
Os prótons e neutrons caracterizam quimicamente o elemento e seus isótopos.
Estrutura Atômica
Melétron = 0.911x10-27g
Mpróton = 1822 Melétron => 	
Orbitais e níveis de energia
Os elétrons são atraídos pelos prótons
Os elétrons se distribuem em orbitais
Níveis de energia bem definidos
Os elétrons não podem assumir níveis intermediários
Para trocar de nível, os elétrons tem que receber a energia exata que diferencia dois níveis.
A energia é função da distância dos elétrons ao núcleo
Quanto mais perto do núcleo mais ligado o elétron
Quanto mais longe do núcleo menos ligado
Se o elétron recebe energia suficiente, ele é arrancado, se torna um elétron livre e o átomo é ionizado
Classificação das Ligações
Ligações Primárias ou Fortes
Iônica
Covalente
Metálica
Ligações Secundárias ou Fracas
Van der Waals
Dipolo permanente
Dipolo induzido
Ligação Iônica
Formada entre dois átomos que se ionizam
O Sódio tem apenas um elétron na última camada. Este elétron é fracamente ligado porque os outros 10 elétrons blindam a atração do núcleo.
O Cloro tem 7 elétrons na última camada. Se adquirir mais um elétron forma uma configuração mais estável.
O Sódio perde um elétron e se ioniza, ficando com carga positiva (cátion).
O Cloro ganha o elétron e também se ioniza, ficando Negativo (âNion).
Os íons se ligam devido à atração Coulombiana entre cargas opostas.
Note a diferença entre o raio atômico e o raio iônico.
Espaçamento Interatômico
Força e Energia de Ligação
F = dE/da
O ponto em que a força de ligação é zero corresponde ao ponto de mínima energia.
Valores típicos para a0 são da ordem de 0.3nm (0.3x10-9m)
Valores típicos para a energia de ligação são entre 600 e 1500 kJ/mol
A energia de ligação está diretamente relacionada com o ponto de fusão do material.
Direcionalidade e Coordenação
A ligação iônica é não direcional
A força de ligação é igual em todas as direções.
Para formar um material 3D é necessário que cada íon de um tipo esteja cercado de íons do outro tipo
Número de Coordenação (NC)
Número de vizinhos mais próximos de um dado átomo
Exemplo
Calcule a força de atração entre Na+ e Cl- em uma molécula de NaCl
 K= 9 x 109 V.m/C
 Q1 = Q2 = 1 x 1.6 x 10-19C
 a = RNa+ + RCl- = 0.098nm + 0.181nm = 0.278 nm
 
Exemplo
Calcule a força de atração em uma molécula de Na2O
 Neste caso temos Na+ (valência 1) e O2- (valência 2)
 			onde Z1 e Z2 são as valências
 a = RNa+ + RO2- = 0.098nm + 0.132nm = 0.231 nm
Ligação Covalente
Gerada pelo compartilhamento de elétrons de valência entre os átomos.
Elétrons de valência são os elétrons dos orbitais mais externos.
Ex: Mólecula de Cl2
 Um elétron de cada átomo é compartilhado com o outro, gerando uma camada completa para ambos.
Ligação covalente (cont.)
 A ligação covalente é direcional e forma ângulos bem definidos
 Tem uma grande faixa de energias de ligação => pontos de fusão
 Energias da ordem de centenas de kJ/mol
 Ex: Carbono na estrutura do diamante  3550°C
 Ex: Bismuto  270°C
Exemplo em polímeros	
 Etileno e Polietileno
 Na mólecula de etileno (C2H4), os carbonos compartilham dois pares de elétrons.
 A ligação covalente dupla pode se romper em duas simples permitindo a ligação com outros “meros” para formar uma longa mólecula de polietileno.
Ligação Metálica
Nos metais, existe uma grande quantidade de elétrons quase livres, os elétrons de condução, que não estão presos a nenhum átomo em