Aula 2 Estruturas dos Materiais

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Prof. Esp. Fabiano Fagundes 
Estruturas dos Materiais 
 
Materiais de Construção I 
Por que estudar? 
• As propriedades de alguns materiais 
estão diretamente relacionadas às suas 
estruturas cristalinas. 
Ex.: Mg e Be são muito mais frágeis do que Au e 
Ag. 
• Propriedades de materiais cristalinos e 
não cristalinos são extremamente 
diferentes. 
Ex.: cerâmicas e polímeros não-cristalinos são 
opticamente transparentes. Na forma cristalina 
tendem a ser opacos. 
Propriedades 
dos materiais 
Microestrutura 
Classificação e 
Processo de 
Fabricação 
Fonte: Prof. Sidnei Paciornik - Puc Rio 
 
 
 Quais os critérios que um 
engenheiro deve adotar para selecionar 
um material entre tantos outros? 
• 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. Nunca se esquecendo da 
condição de custo do material. 
 
• 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. 
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CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS 
• A classificação tradicional dos materiais 
é geralmente baseada na estrutura 
atômica e química destes. 
 
Ligações Atômicas 
• O tipo de ligação interatômica dá suporte 
para o conhecimento das propriedades do 
material. 
 Exemplo: o carbono pode existir na 
forma de grafite que é mole, escuro e 
“gorduroso” ou na forma de diamante que é 
extremamente duro e brilhante. 
 Essa diferença nas propriedades é 
diretamente atribuída ao tipo de ligação 
química que é encontrada no grafite e no 
diamante. 
Grafite: 
- Anéis hexagonais formando uma 
lâmina em um mesmo plano; 
- Sobrepõem-se e permitem 
deslizamento; 
- Utilizado como lubrificante. 
Diamante: 
- Cada átomo de carbono está ligado 
a outros quatro átomos não contidos 
em um mesmo plano. 
Estrutura Atômica 
• A estrutura atômica pode ser comparada 
ao sistema planetário, onde os elétrons 
(planetas) giram em torno de um núcleo 
(sol); 
• Nas ligações químicas em materiais 
sólidos, os elementos se ligam a fim de 
atingir uma configuração mais estável 
(oito elétrons na última camada). 
Ligações Químicas 
• A ligação química é formada pela 
interação dos elétrons de valência, 
através de um dos seguintes 
mecanismos: 
Ganho de elétrons 
Perda de elétrons 
Compartilhamento 
de elétrons 
 A ligação atômica nos materiais pode 
ser dividida em duas categorias gerais, as 
ligações primárias e as ligações 
secundárias, onde: 
Primárias: Ligação forte com 
transferência ou compartilhamento de 
elétrons: 
Iônica, covalente e metálica. 
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 Secundária: Ligações fracas que 
contribuem para a coesão da matéria, 
sendo chamadas de forças de Van der 
Waals (polarização molecular, ponte de 
hidrogênio e outras). 
 Cada um dos quatro tipos 
fundamentais de materiais (metais, 
cerâmicas, polímeros e semicondutores) 
está associado a certo tipo (ou todos) de 
ligação atômica. 
Ligação Iônica 
• A ligação iônica se dá por transferência 
de elétrons, onde um elétron de sódio 
(Na) vai para a órbita do Cloro (Cl), 
tornando-as estáveis, tendo ambas 
oito(8) elétrons na última camada; 
Predomina nos materiais cerâmicos. 
Ligação Covalente 
• A ligação covalente é direcional, sendo 
formada pelo compartilhamento 
cooperativo dos elétrons da camada de 
valência entre dois átomos adjacentes; 
Predomina nos materiais poliméricos. 
Os elétrons de valência 
são compartilhados, isto 
é, formam um par 
eletrônico que pertence ao 
mesmo tempo a dois 
átomos vizinhos. O par de 
elétrons compartilhados 
mantém os átomos 
fortemente ligados. 
Ligação Covalente em Polímeros 
• A figura a seguir representa a ligação de uma 
molécula covalente, o etileno (C2H4). A linha 
dupla entre os dois carbonos significa um 
compartilhamento covalente de dois pares de 
elétrons de valência. 
Mero 
• Convertendo a ligação dupla em duas ligações 
simples, as moléculas adjacentes de etileno 
podem ser ligadas covalentemente em uma 
longa cadeia de moléculas de polietileno. 
Ligação Metálica 
• Ligação metálica é a ligação entre metais e metais. 
• Os átomos metálicos possuem baixa eletronegatividade, e 
grande tendência a perderem elétrons da última camada, 
transformando-se em cátions. 
• Em um sólido metálico, os átomos estão agrupados 
geometricamente ordenados, por células unitárias que se 
repetem ao longo da cadeia, formando um retículo 
cristalino. 
• Os elétrons mais externos de um átomo, por estarem longe 
do núcleo, movimentam-se livremente, formando uma 
nuvem eletrônica dentro do retículo. 
• A ligação metálica é o resultado da interação entre esses 
elétrons livres e os cátions fixos, ou seja, um aglomerado de 
cátions mergulhados em um mar de elétrons. 
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Ligação Secundária 
• O argônio (Ar) é um gás nobre que não 
tende a formar ligações primárias, pois 
sua camada orbital externa é 
preenchida e estável; 
Van der Waals 
• Entretanto, quando outro átomo de 
argônio se aproxima, a carga negativa é 
ligeiramente atraída em direção ao núcleo 
positivo do átomo adjacente; 
• Essa distorção ocorre nos dois átomos 
adjacentes; 
• O resultado é um dipolo induzido; 
Ligação Secundária 
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. 
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 
repetitivo 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. 
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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 cristalina e Amorfa 
Células Unitárias 
• Consiste no menor arranjo de átomos 
possível que, através de sua repetição, 
representa a estrutura cristalina de um 
material. 
 
• Define, de acordo com sua geometria e 
a posição dos átomos em seu interior, a 
estrutura cristalina. 
Exemplo da estrutura e célula unitária 
A célula tem formato 
de um cubo 
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. 
 
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• Existem 7 sistemas cristalinos básicos 
que englobam todas as substâncias 
cristalinas conhecidas: 
• Dos 7 sistemas cristalinos, podemos 
identificar 14 tipos diferentes de células 
unitárias, conhecidas com redes de 
Bravais. 
 
• Cada uma destas células unitárias tem 
certas características que ajudam a 
diferenciá-las das outras células 
unitárias. Além do mais, estas 
características também auxiliam na 
definição das propriedades de um 
material particular. 
Sistemas Cristalinos 
Estruturas cristalinas dos metais 
90% dos metais se cristalizam em uma dessas 
3 estruturas na solidificação: 
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Cúbica de Face Centrada: CFC 
 Alumínio (Al); Cobre (Cu); Cromo (Cr); Ouro (Au); Chumbo (Pb) 
Níquel (Ni); Prata (Ag); Platina (Pt). 
Cúbica de Corpo Centrado: CCC 
 Ferro (Fe); Nióbio (Nb); Cromo (Cr); Lítio (Li); Molibdênio (Mo); 
Tungstênio (W). 
Hexagonal Compacta: HC 
Berílio (Be); 
Cádmio (Cd); 
Cobalto (Co); 
Titânio (Ti); 
Zinco (Zn); 
Magnésio (Mg). 
• Polimorfismo: caracteriza o fenômeno que 
alguns metais apresentam de possuir mais 
do que uma estrutura cristalina, 
dependendo da temperatura e da pressão 
externa. 
• Alotropia: corresponde à condição de 
polimorfismo encontrada em sólidos 
elementares. 
Polimorfismo e Alotropia 
Grafite 
Diamante 
Polimorfismo do Ferro 
Temperatura ambiente: 
CCC (ferrita α) 
Magnética 
Acima de 912°C: 
CFC (austenita) 
Não-magnética 
Ferro (Fe) 
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Classificação de Materiais Cristalinos 
• Monocristalinos: um único e grande 
cristal – aplicações eletrônicas e ópticas 
 
• Policristalinos: constituído de várias 
pequenas regiões, com diferentes 
orientações espaciais. Cada região é 
conhecida como grão. São utilizados em 
várias aplicações (ex: aço na construção) 
 
Imperfeição no Arranjo Atômico 
• É uma imperfeição ou um "erro" no 
arranjo periódico regular dos átomos 
em um cristal. Podem envolver uma 
irregularidade: 
na posição dos átomos 
no tipo de átomos 
 
Defeitos em Cristais 
• Não existe cristal perfeito, todos os 
materiais contém defeitos ou 
imperfeições 
• Tipos de defeitos: 
Pontuais 
Lineares 
Planares 
Volumétricos 
 
Lacuna 
Todos os materiais cristalinos apresentam. 
Defeitos Pontuais 
Imperfeição 
Substitucional 
Pode ocorrer pela presença de impurezas ou 
adição intencional. 
 Exemplo: Cobre no Níquel 
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Defeito 
Intersticial 
Pode ocorrer pela presença de 
impurezas ou adição intencional. 
Exemplo: Carbono no Ferro 
É um par (lacuna – interstício). 
Exemplo: Materiais Cerâmicos 
Defeito 
 de Frenkel 
Imperfeições 
Defeitos Lineares 
• Discordâncias: 
Tipo Parafuso 
ou Espiral 
Tipo Aresta 
(de borda ou 
de cunha) 
Mista 
Defeitos Planares 
• São defeitos de superfície como os 
contornos de grãos (ligações rompidas). 
Defeitos Volumétricos 
• Inclusões; 
• Poros; 
• Trincas. 
São introduzidos durante o 
processo de fabricação. 
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CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS 
• Metais 
• Cerâmicas 
• Polímeros 
• Compósitos 
• Semicondutores 
• Biomateriais (Materiais Biocompatíveis) 
• Materiais inteligentes 
 
Classificação tradicional 
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. 
 
Cerâmicos 
• Materiais cerâmicos são geralmente uma 
combinação de elementos metálicos e não-
metálicos. 
• Geralmente são óxidos, nitretos e carbonetos. 
• São geralmente isolantes de calor e 
eletricidade. 
• São mais resistêntes à altas temperaturas e à 
ambientes severos que os metais e polímeros. 
• Com relação às propriedades mecânicas as 
cerâmicas são duras, porém frágeis. 
• Em geral são leves. 
 
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. 
 
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. 
 
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. 
 
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Referências Bibliográficas 
• 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,