AULA - Materiais e estruturas cristalinas

Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original

*
Universidade de Itaúna
Faculdade de Engenharia 
Curso de Engenharia Civil
Ciência e Tecnologia dos Materiais
Prof. Tânia Nogueira Fonseca Souza
*
ENGENHAR I A
*
Fonte: Prof. Sidnei Paciornik - Puc Rio
 
 
*
Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros? 
Em primeiro lugar, o engenheiro deve caracterizar quais as condições de operação que será submetido o referido material e levantar as propriedades requeridas para tal aplicação, saber como esses valores foram determinados e quais as limitações e restrições quanto ao uso dos mesmos.
		
*
Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros? 
A segunda consideração na escolha do material refere-se ao levantamento sobre o tipo de degradação que o material sofrerá em serviço. 
Por exemplo, elevadas temperaturas e ambientes corrosivos diminuem consideravelmente a resistência mecânica.
		
*
Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros? 
Finalmente, a consideração talvez mais convincente é provavelmente a econômica: 
Qual o custo do produto acabado??? Um material pode reunir um conjunto ideal de propriedades, porém com custo elevadíssimo. 		
*
INDÚSTRIA DE PONTA
PRODUÇÃO EM MASSA
TIPOS DE INDÚSTRIA - INFLUÊNCIA DOS MATERIAIS
Fonte: Prof. Arlindo Silva –Universidade de Portugal
*
Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros? 
Em raras ocasiões um material reúne uma combinação ideal de propriedades, ou seja, muitas vezes é necessário reduzir uma em benefício da outra. 
Um exemplo clássico são resistência e ductilidade, geralmente um material de alta resistência apresenta ductilidade limitada. Este tipo de circunstância exige que se estabeleça um compromisso razoável entre duas ou mais propriedades.
*
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
A classificação tradicional dos materiais é geralmente baseada na estrutura atômica e química destes.
*
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Metais
Cerâmicas
Polímeros
Compósitos
Semicondutores
Biomateriais (Materiais Biocompatíveis)
Materiais inteligentes
Classificação tradicional
*
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Metais
Materiais metálicos são geralmente uma combinação de elementos metálicos.
Os elétrons não estão ligados a nenhum átomo em particular e por isso são bons condutores de calor e eletricidade
Não são transparentes à luz visível
Têm aparência lustrosa quando polidos
Geralmente são resistentes e deformáveis
São muito utilizados para aplicações estruturais
*
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Cerâmicas
Materiais cerâmicos são geralmente uma combinação de elementos metálicos e não-metálicos.
Geralmente são óxidos, nitretos e carbetos
São geralmente isolantes de calor e eletricidade
São mais resistêntes à altas temperaturas e à ambientes severos que metais e polímeros
Com relação às propriedades mecânicas as cerâmicas são duras, porém frágeis
Em geral são leves
*
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Polímeros
Materiais poliméricos são geralmente compostos orgânicos baseados em carbono, hidrogênio e outros elementos não-metálicos.
São constituídos de moléculas muito grandes (macro-moléculas)
Tipicamente, esses materiais apresentam baixa densidade e podem ser extremamente flexíveis
Materiais poliméricos incluem plásticos e borrachas
*
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Compósitos
Materiais compósitos são constituídos de mais de um tipo de material insolúveis entre si.
Os compósitos são “desenhados” para apresentarem a combinação das melhores características de cada material constituinte
Muitos dos recentes desenvolvimentos em materiais envolvem materiais compósitos
Um exemplo clássico é o compósito de matriz polimérica com fibra de vidro. O material compósito apresenta a resistência da fibra de vidro associado a flexibilidade do polímero
*
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Semicondutores
Materiais semicondutores apresentam propriedades elétricas que são intermediárias entre metais e isolantes
Além disso, as características elétricas são extremamente sensíveis à presença de pequenas quantidades de impurezas, cuja concentração pode ser controlada em pequenas regiões do material
Os semicondutores tornaram possível o advento do circuito integrado que revolucionou as indústrias de eletrônica e computadores
Ex: Si, Ge, GaAs, InSb, GaN, CdTe..
InP
*
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Biomateriais
Biomateriais são empregados em componentes para implantes de partes em seres humanos
Esses materiais não devem produzir substâncias tóxicas e devem ser compatíveis com o tecido humano (isto é, não deve causar rejeição).
Metais, cerâmicos, compósitos e polímeros podem ser usados como biomateriais.
*
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Materiais Inteligentes
Grupo de materiais que são capazes de sentir mudanças nos seus ambientes, e responder a essas mudanças.
Mudanças: temperatura, campos elétricos, campos magnéticos.
Liga com memória de forma, materiais piezo-elétricos, materiais magneto-constritivos (expandem e contraem em resposta à um campo elétrico), líquido eletro-reológicos e magneto-reológicos (mudanças drásticas na viscosidade quando aplicados campos elétricos e campos magnéticos).
*
EVOLUÇÃO DA UTLIZAÇÃO DOS MATERIAIS
Fonte: Prof. Arlindo Silva do Instituto 
Universidade de Portugal
*
ALGUMAS CONSIDERAÇÕES SOBRE A NECESSIDADE DE MATERIAIS MODERNOS
Materias que apresentem:
Alto desempenho
Baixo peso e alta resistência
Resistência à altas temperaturas
Desenvolvimento de materiais que sejam menos danosos ao meio ambiente e mais fáceis de serem reciclados ou regenerados
*
Relação propriedades x estrutura
As propriedades dos materiais dependem dentre outros fatores, dos arranjos geométricos dos átomos e também das interações que existem entre os átomos ou moléculas que os constituem.
*
Conceitos fundamentais
Algumas propriedades dos materiais estão relacionadas diretamente com o tipo de ligação. Por exemplo a condutividade térmica elétrica dos metais em função dos elétrons livres. Os materiais iônicos e covalentes, por não possuírem elétrons livres são isolantes térmicos e elétricos.
Os materiais metálicos possuem boa capacidade de deformação porque suas ligações não são direcionais
*
Níveis de Estrutura
Macroestrutura: 100.000 nm – interesse poros, micro trincas etc
Microestrutura: escala de 10 a 1.000 nm – interesse fases e constituintes
Nanoestrutura: 
Estrutura atômica: ligações atômicas, arranjos de átomos
*
Estrutura cristalina e não-cristalina
Os materiais sólidos podem ser classificados de acordo com a regularidade, segundo a qual os átomos estão arranjados uns em relação aos outros.
*
Estrutura cristalina
Um material cristalino é aquele em que os átomos estão posicionados em um arranjo repetitivos e periódico ao longo de grandes distâncias atômicas (ordem de grande ou longo alcance). 
Os átomos se posicionam em um padrão tridimensional repetitivo.
Cada átomo está ligado aos seus vizinhos mais próximos
Todos os metais, muitos cerâmicos e alguns polímeros são cristalinos.
*
Estrutura não-cristalina
Materiais não-cristalinos ou amorfos: não apresentam arranjo tridimensional de longo alcance (em alguns casos de curto alcance).
A estrutura atômica é desordenada e irregular e complexas.
Curto alcance significa poucos nanômetros.
*
Estrutura dos Sólidos 
Conceitos fundamentais:
Material cristalino: é aquele em que seus átomos estão posicionados em um arranjo repetitivo ou periódico ao longo de grandes distâncias atômicas.
Estrutura cristalina: forma pela qual os átomos, íons ou moléculas do material estão espacialmente arranjados.
Células unitárias: é a menor estrutura, ou menor subdivisão repetitiva da rede
ou estrutura cristalina . Pequenos grupos de átomos que definem a estrutura cristalina em termos de sua geometria. Formam, portanto, um padrão repetitivo.
Pode ser considerada como o bloco construtivo da rede.
*
ARRANJO ESPACIAL
*
Exemplo da estrutura e célula unitária
A célula tem formato de um cubo
*
Estruturas cristalinas dos metais
Mais comuns são:
Cúbica de face centrada
Cúbica de corpo centrado
Hexagonal compacto
*
Cúbica de Face Centrada: cfc
*
Estrutura Cúbica de Corpo Centrado: ccc
*
Estrutura Hexagonal Compacta: hc
*
Estrutura Cúbica de Corpo Centrado, ccc.
Visão espacial geométrica
*
Sistemas cristalinos
Existem muitas estruturas cristalinas possíveis, e elas foram divididas em grupos 
Esses grupos foram montados de acordo com a configuração de suas células unitárias
Tem-se um sistema de coordenadas x,y, z cuja origem coincide com um dos vértices da célula
Cada eixo coincide com arestas da célula 
*
 - Sistema cristalinos com eixos coordenados x, y z - Comprimentos axiais a, b, c - Ângulos entre os eixos alfa, beta, gama
*
*
Sistema cúbico (a=b=c; ===90): 
cúbico simples; b) cúbico de corpo
centrado; c) cúbico de faces centradas 
Sistema tetragonal (a=bc;
 ===90): a) tetragonal
simples; b) tetragonal de 
corpo centrado. 
Sistema ortorrômbico (abc; ===90): a) ortorrômbico simples;
b) ortorrômbico de bases centradas; c) ortorrômbico de corpo
centrado; d) ortorrômbico de faces centradas 
*
Sistema monoclínico (abc; 
==90 ): a) monoclínico simples;
b) monoclínico de bases centradas 
Sistema triclínico (abc;
90) 
Sistema romboédrico ou 
trigonal (a=b=c; ==90) 
Sistema hexagonal 
(a=bc; ==90, =120) 
*
Sete Sistemas Cristalinos
 Cúbico a=b=c α=β=γ=90o
Hexagonal a=b#c α=β=90o γ=120o
Tetragonal a=b#c α=β=γ=90o
Trigonal a=b=c α=β=γ#90o
Ortorrômbico a#b#c α=β=γ=90o
Monoclínico a#b#c α=γ=90o#β
Triclínico a#b#c α#β#γ#90o
Eixos
Ângulos entre eixos
*
Exercícios
O que significa o termo composição de um material
O que significa o termo estrutura de um material
Quais são os diferentes níveis de estrutura de um material
Qual é a diferença entre microestrutura e macroestrutura de um material
Defina estrutura cristalina
Defina célula unitária 
*
Referências Bibliográficas
Material de aula: Profa. Eleani M. da Costa
Van Vlack L.H., Princípios de Ciência dos Materiais, Ed. Edgard Blücher, S.P.
William D. Callister Jr., Introdução à Ciência e Engenharia de Materiais, Ed. LTC,