Materiais de Construção Mecânica: Estrutura Atômica, Ligações Químicas e Estruturas Cristalinas

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AULA 02: REVISÃO 
Materiais de construção mecânica 
MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA 
Aula 02: Revisão 
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Temas/objetivos desta Aula 
ESTRUTURA 
ATÔMICA 
1 
ESTRUTURAS 
CRISTALINAS 
 
3 
PRÓXIMOS 
PASSOS 
LIGAÇÕES 
QUÍMICAS 
2 
PROPRIEDADES 
MECÂNICAS 
 
4 
DIAGRAMAS 
DE FASES 
 
5 
LIGAS 
METÁLICAS 
 
6 
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Estrutura atômica 
Por que conhecer a estrutura atômica? 
 
• Os prótons e os nêutrons caracterizam quimicamente o elemento. 
• Os elétrons são influenciados pelos prótons e nêutrons que formam o núcleo atômico. 
• O tipo de ligação depende fundamentalmente dos elétrons. 
• Muitas propriedades dos materiais dependem essencialmente do tipo de ligação entre os átomos. 
 
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Estrutura atômica 
• Número atômico: Z = p. 
 
• Número de massa: A = p + n. 
 
• Isótopos: átomos de um mesmo elemento 
químico, com o mesmo número atômico e 
diferentes números de massa. 
 
Representação esquemática do átomo de Bohr 
(CALLISTER Jr., 2016.) 
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Ligações químicas 
Por que conhecer as ligações químicas? 
 
 
• Os átomos podem atingir uma configuração estável através da “doação” e/ou “ganho” de elétrons 
ou ainda, através do compartilhamento de elétrons. 
 
• Elemento eletronegativo: ganha elétrons (ânions). 
 
• Elemento eletropositivo: doa elétrons (cátions). 
 
• As ligações químicas podem ser classificadas em ligações fortes e ligações fracas, sendo que a energia 
das ligações fortes é cerca de 100 vezes superior à das ligações fracas. 
 
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Ligações químicas 
Valores de eletronegatividade para os elementos (CALLISTER Jr., 2016). 
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Ligações químicas 
Ligação iônica 
 
• Atração eletrostática entre cátions e ânions. 
 
• Eletricamente neutros. 
 
• Forças interatômicas fortes. 
 
• As energias de ligação são relativamente altas e assim 
os materiais que possuem estas ligações apresentam 
temperaturas de fusão elevadas. 
 
• A ligação NÃO apresenta direcionalidade, isto é, a 
energia de ligação é igual em todas as direção do 
cristal. 
 
Representação esquemática da ligação iônica no 
cloreto de sódio (CALLISTER Jr., 2016). 
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Ligações químicas 
Ligação covalente 
 
• Compartilhamento de elétrons. Este 
compartilhamento é muito comum na maioria 
das moléculas orgânicas 
 
• Forças interatômicas fortes. 
 
• São fortemente direcionais, em outras palavras, 
resulta em um determinado ângulo de ligação. 
 
Representação esquemática da molécula do metano (CALLISTER Jr., 2016). 
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Ligações químicas 
Ligação metálica 
 
 
• Os metais apresentam 1, 2, e no máximo, 3 
elétrons de valência. Estes elétrons não estão 
ligados a nenhum átomo em particular. 
 
• A ligação NÃO apresenta direcionalidade e como 
consequência dos elétrons “livres” (“mar de 
elétrons”), os metais apresentam boa 
condutibilidade térmica e elétrica. 
 
• Forças interatômicas fortes. 
 Ilustração esquemática da ligação metálica (CALLISTER Jr., 2016). 
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Estruturas cristalinas 
Por que conhecer as estruturas cristalinas? 
 
 
• A ordenação atômica em sólidos cristalinos indica que 
pequenos grupos de átomos formam um padrão 
repetitivo. 
 
• Então, ao descrever estruturas cristalinas, torna-se 
conveniente subdividir a estrutura em pequenas 
“entidades” que se repetem, chamadas células unitárias. 
 
• As células unitárias para a maioria das estruturas são 
paralelepípedos ou prismas que possuem três conjuntos 
de faces paralelas. 
 
Células unitárias das estruturas cristalinas (cúbica simples, cúbica de corpo 
centrado e cúbica de faces centradas) (MARTINS, G.J. A importância da 
visualização no ensino de estruturas cristalinas na disciplina de química 
inorgânica básica. In: Simpósio Brasileiro de Educação Química, 11, 
Teresina, 2013. Anais. Teresina: ABQ. 
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Estruturas cristalinas 
 
• A ligação metálica é não direcional (“mar de elétrons”), por isso não existem restrições em relação ao 
número e à posição dos átomos vizinhos. 
 
• Isto acarreta em um grande número de vizinhos e empacotamentos densos dos átomos. 
 
• Três estruturas cristalinas são encontradas para a maioria dos metais: cúbica de corpo centrado, cúbica 
de faces centradas e hexagonal compacta. 
 
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Estruturas cristalinas 
Cúbica de corpo centrado (CCC) 
 
• Átomos dispostos nos vértices e no centro de 
um cubo. 
 
• Presente no ferro (até 910 e acima de 1400°C), 
cromo, lítio, molibdênio, vanádio etc. 
 
Para a estrutura cristalina cúbica de corpo centrado, (a) uma representação da 
célula unitária por meio de esferas rígidas, (b) uma célula unitária segundo 
esferas reduzidas e (c) um agregado de muitos átomos(CALLISTER Jr., 2016). 
Átomos por 
Célula 
Número 
de Coordenação 
FEA 
2 8 0,68 
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Estruturas cristalinas 
Cúbica de faces centradas (CFC) 
 
• Átomos dispostos nos vértices e nos centros das 
faces de um cubo. 
 
• Ferro (entre 910 e 1400°C), alumínio, cobre, 
chumbo, etc. 
Átomos por 
Célula 
Número 
de Coordenação 
FEA 
4 12 0,74 
Para a estrutura cristalina cúbica de corpo centrado, (a) uma representação da 
célula unitária por meio de esferas rígidas, (b) uma célula unitária segundo 
esferas reduzidas e (c) um agregado de muitos átomos(CALLISTER Jr., 2016). 
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Estruturas cristalinas 
Hexagonal compacta (HC) 
 
• Átomos localizados em cada vértice, no centro 
das bases de um prisma e três átomos nos 
centros dos prismas triangulares. 
 
• Zinco, magnésio, cobalto etc. 
Átomos por 
Célula 
Número 
de Coordenação 
FEA 
6 12 0,74 
Para a estrutura cristalina cúbica de corpo centrado, (a) uma representação da 
célula unitária por meio de esferas rígidas, (b) uma célula unitária segundo 
esferas reduzidas e (c) um agregado de muitos átomos(CALLISTER Jr., 2016). 
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Estruturas cristalinas 
Polimorfismo e alotropia 
 
• Alguns materiais podem ter mais de 
uma estrutura cristalina dependendo 
da temperatura e pressão. São 
denominados de polimórficos 
(compostos em geral) ou alotrópicos 
(elementos químicos). 
 
• Geralmente as transformações 
polimórficas são acompanhadas de 
mudanças na densidade e mudanças 
de outras propriedades físicas. 
O polimorfismo do óxido de zircônia e a alotropia do carbono (CALLISTER Jr.,2016). 
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Estruturas cristalinas 
Direções cristalográficas 
 
• Uma direção cristalográfica é definida como uma linha entre dois pontos, ou um vetor. 
 
• Algumas direções da célula unitária são de particular importância, por exemplo os metais se deformam ao 
longo da direção de maior empacotamento. Muitas propriedades dos materiais dependem da direção do 
cristal. 
 
• São utilizados os índices de Miller da seguinte forma: 
 
 1 - Definir dois pontos por onde passa a direção; 
 2 - Definir o ponto alvo e origem, fazendo-se: alvo-origem; 
 3 - Eliminar as frações e reduzir ao m.m.c.; 
 4 - Escreverentre colchetes, e se houver nr. negativo o sinal é colocado sobre o nr. 
 
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Estruturas cristalinas 
Direções cristalográficas 
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Propriedades dos materiais 
Por que e para que ensaiar os materiais? 
 
• Os ensaios determinam as propriedades mecânicas 
dos materiais. 
 
• Simulam as condições de serviço dos materiais. 
Uma máquina universal de ensaios 
(EMIC. Série 23 EMIC - tração, 
COMPRESSÃO, FLEXÃO, ETC). 
Disponível em: 
http://www.emic.com.br/Produtos+
Mostra/4/77/232/Maquina+universal
+para+ensaios+mecanicos+de+tracao
_+compressao_+flexao_+etc_+model
o+EMIC+23_20_+eletromecanica_+m
icroprocessada_+marca+INSTRON_E
MIC/. Acesso em: 27 out. 2016.). 
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Propriedades dos materiais 
Tipos de cargas 
 
• Estática: carga aplicada de um modo lento e gradual. 
 
• Dinâmica: carga aplicada de modo repentino. 
 
• Fadiga: carga aplicada varia repetidamente. 
Ilustração esquemática 
de como uma carga de 
tração produz um 
alongamento e uma 
deformação linear 
positiva. As linhas 
tracejadas representam 
a forma antes da 
deformação; as linhas 
contínuas, após a 
deformação (CALLISTER 
Jr., 2016). 
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Propriedades dos materiais 
Principais instituições normativas 
 
• ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. 
 
• ASTM – American Society for Testing and Materials. 
 
• ISO – International Organization for Standardization. 
Um corpo de prova 
padrão para ensaios 
de tração com seção 
transversal circular 
(CALLISTER Jr., 2016). 
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Propriedades dos materiais 
Ensaio de tração 
 
• O ensaio de tração pode ser empregado para 
caracterizar várias propriedades mecânicas dos 
materiais que são importantes para projetos. 
 
• Uma amostra é deformada, geralmente até sua 
fratura, por uma carga de tração que é aumentada 
gradativamente e é aplicada uniaxialmente ao longo 
do eixo de um corpo de prova. 
 
• Durante os ensaios, a deformação fica confinada à 
região central mais estreita (que possui uma seção 
transversal uniforme ao longo do seu comprimento). 
Comportamento típico da curva tensão-deformação de engenharia 
até a fratura, ponto F. O limite de resistência à tração LRT está 
indicado pelo ponto M. Os detalhes dentro dos círculos representam 
a geometria do corpo de prova deformado em vários pontos ao 
longo da curva (CALLISTER Jr., 2016). 
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Propriedades dos materiais 
Ensaio de dureza 
 
• Na mecânica, trata-se da resistência à penetração de um 
material duro em outro. 
 
• Os ensaios de dureza são realizados com maior frequência 
que qualquer outro ensaio mecânico, por diversas razões: 
 
1. Eles são simples e baratos; 
2. O ensaio é não destrutivo; 
3. Com frequência, outras propriedades mecânicas 
podem ser estimadas a partir dos dados de dureza, 
como, por exemplo, o limite de resistência à tração. 
 
Técnicas de ensaio de dureza (CALLISTER Jr., 2016). 
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Diagramas de fases 
Ensaio de dureza 
 
• Informa sobre a microestrutura: pode predizer 
propriedades mecânicas em função da temperatura e 
composição. 
 
• Permite a visualização da solidificação e da fusão. 
 
• Prevê as transformações de fases. 
 
• Gera informações termodinâmicas e não apresentam 
qualquer consideração sobre a cinética das reações. 
 
Solubilidade do açúcar (C12H22O11) em um xarope 
açúcar-água (CALLISTER Jr., 2016). 
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Diagramas de fases 
Interpretação dos diagramas de fases 
 
• Para um sistema binário com composição e temperatura 
conhecidas e que esteja em equilíbrio, pelo menos três 
tipos de informações são disponíveis: 
 
1. as fases que estão presentes; 
2. as composições dessas fases; e 
3. as porcentagens ou frações das fases. 
 
O diagrama de fases cobre-níquel (CALLISTER Jr. ,016). 
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Diagramas de fases 
A regra da alavanca 
 
• Traça-se a linha de amarração na temperatura desejada. 
• Determina-se a composição global, ou original, C0 (em 
termos de um dos componentes) da liga sobre a linha de 
amarração. 
• Desenha-se linhas verticais dos pontos de interseção até o 
eixo horizontal. 
• Mede-se as distâncias entre a composição global da liga 
até as fronteiras com as duas fases. 
• As frações das fases líquida, WL, e da fase sólida, W ,, são 
calculadas pela razão entre as distâncias desde a 
composição global até as fronteiras com a fase sólida e a 
fase líquida. Ou seja: 
 
Uma parte do diagrama de fases cobre-níquel no qual as 
composições e as quantidades das fases estão 
determinadas para o ponto B (CALLISTER Jr., 2016). 
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Ligas metálicas 
De todos os sistemas de ligas binárias, talvez o mais 
importante seja o formado pelo ferro e pelo carbono. 
Tanto os aços quanto os ferros fundidos, que são os 
principais materiais estruturais em toda cultura 
tecnologicamente avançada, são essencialmente ligas 
ferro-carbono. As relações entre o tratamento térmico, 
a microestrutura e as propriedades mecânicas são de 
suma importância para o entendimento dessas ligas. 
O diagrama de fases ferro-carbeto de ferro (CALLISTER Jr., 2016). 
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Exercício 
Para uma liga com 90%p Sn-10%p Pb a 200 °C: 
Quais fases estão presentes? A 
Quais são as composições dessas fases? B 
Qual a proporção das fases? C 
O diagrama de fases ferro-carbeto de ferro (CALLISTER Jr., 2016). 
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Respostas do exercício 
Duas (β + Líquido). A 
Cβ = 97%p Sn- 3%p Pb; 
CL = 72%p Sn- 28%p Pb. B 
Wβ = 0,72 ou 72%; 
WL = 0,28 ou 28%. C 
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Saiba mais 
 Assista ao vídeo Conceito de alotropia disponível em: 
<https://www.youtube.com/watch?v=faZKVJ6oPhU>, acessado em 11/11/2016. 
 Leia os capítulos 9 e 10 do livro: CALLISTER, Jr. W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e Engenharia de 
materiais. Rio de Janeiro: LTC, 2016. p. 301-387 
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VAMOS AOS PRÓXIMOS PASSOS? 
 
 
Classificações dos materiais sólidos; 
 
Materiais avançados; 
 
Necessidades dos materiais modernos; 
 
Seleção de materiais e considerações 
de projetos. 
AVANCE PARA FINALIZAR 
A APRESENTAÇÃO.