Aula 3 Fundamentos da ciência dos materiais 2016 2

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AULA 4 – FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS
MATERIAIS DE 
CONSTRUÇÃO I
UNIVERSIDADE FEDERAL R. DO SEMI ÁRIDO
CAMPUS ANGICOS
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS 
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL
Prof. Ma. Janaina Salustio
Objetivos
 melhor compreensão 
 base científica
 avaliação das 
propriedades
O comportamento
do material 
depende da 
microestrutura
Níveis de estudo
 Sub-atômico (Å)
 estrutura do átomo
 microscopia eletrônica de tunelamento
 não utilizado em MCC
 Atômico (nm - mm)
 Avalia a estrutura e 
composição das moléculas e cristais
 difração de raios X
 Nível de cristalização
 Tipo de cristal (composição quím.)
 microscopia eletrônica de varredura
Usando um microscópio de
tunelamento, pesquisadores da
IBM conseguiram arranjar
átomos de ferro (cones azuis)
depositados sobre uma
superfície de cobre (em
vermelho), formando uma
espécie de curral atômico.
Níveis de estudo
 Microscópico (mm-mm)
Fases
microscópios ótico e de 
varredura
ensaios físicos (porosimetria)
 Macroscópico (>mm)
Analisa o material como um 
todo
ensaios mecânicos
(resist. à compressão)
Gerdau – análise de 
microestrutura e fratura de metais
Ciência dos Materiais
 Nível Macroscópico (tração direta):
(SAVASTANO Jr, 1992)
Ciência dos Materiais
 Nível Microscópico (superfície fraturada):
Matriz de cimento portland reforçada com 4% de 
fibras de sisal (SAVASTANO Jr, 2000)
 
Ponto 1 – fibra arrancada 
da matriz
Pontos 2 e 3 – fibra rompida
Modelos Atômicos
 O material, qualquer que seja ele, é constituído
por um conjunto de uma unidade básica que é o
átomo.
 Estrutura do átomo (MODELO BOHR)
Modelos Atômicos
Orbitais (Níveis quânticos: K, L, M, N,O,
P, Q )
Número atômico: indica o número 
de elétrons ou de prótons de cada 
átomo.
NA = 6
Níveis de energia: s, p, d e f
Valência do átomo: é a habilidade do átomo para entrar em
combinação química com outros elementos pelo número de elétrons
na camada mais externa.
Camada de valência: é a camada mais externa do átomo.
Ligações atômicas
Em muitas substâncias, os átomos são agrupados em
agregados de dois átomos ou mais. Tal agregado de
átomos é chamado de molécula. Em uma molécula, os
átomos componentes permanecem unidos por forças
chamadas ligações químicas.
Ligações atômicas
 Interação atômica (Forças interatômica)
R
e
p
u
ls
ã
o
A
tr
a
ç
ã
o
DISTÂNCIA 
INTERATOMICA
Força de 
atração
Força de 
repulsão
Soma das 
forças
Adaptado a partir do VAN VLACK, 1970.
– Existe uma determinada distancia entre átomos em que a soma das 
forças de atração e repulsão é igual a ZERO;
– Este é o ponto de mínima energia potencial, equilíbrio da ligação química;
– Forças de atração obedecem a Lei de Coulomb
As ligações atômicas
Ligações primárias (fortes):
•Ligação iônica;
•Ligação covalente;
•Ligação metálica.
Ligações secundárias – forças de van der Walls
•Moléculas polares;
•Dipolos induzidos;
•Pontes de hidrogênio.
Ligação iônica
Materiais iônicos:
• Frágeis (baixa deformações 
até a ruptura)
• Baixa condutividade elétrica;
• Ex: materiais cerâmicos
Ligação covalente
 Características
elétrons compartilhados
Compatibilização dos orbitais
Gera direcionamento
Direcional
exemplo: polímeros
Materiais covalentes:
• Frágeis (baixa deformações 
até a ruptura)
• Baixa condutividade elétrica
Ligação covalente
Ligações metálicas
Ligações metálicas
 Características
 elétrons livres (“nuvem”)
 não direcional: pois os átomos “presos” na
“nuvem” eletrônica não estão fixados em uma
única posição.
 Boa ductilidade: uma vez que, sob tensão, quando
os átomos são forçados a mudar a relação entre
si, simplesmente a direção da ligação é alterada,
ao invés de haver quebra da ligação.
 Bons condutores elétricos e térmicos: sob efeito
de um campo elétrico, há o movimento dos elétrons da
nuvem, provocando um fluxo de corrente elétrica.
 exemplo: metais
Forças de Van der Waals
As ligações de van der waals permite a junção de moléculas
por meio de atrações eletrostáticas relativamente fracas.
.
São consequência da assimetria da molécula. O centro
de carga positiva não coincide com o centro de carga
negativa, originando o dipolo.
Forças de Van der Waals
Fluoreto de hidrogênio
A força que une 2 ou mais átomos, ou que une as moléculas, depende
basicamente do tipo de ligação e dos elementos envolvidos, estando
relacionada com o espaço interatômico. Em um material nem sempre existe
apenas um único tipo de ligação, mas sim um tipo que prevalece.
Estruturas dos sólidos
Estrutura cristalina
Estrutura amorfa ou vítrea
Os arranjos atômicos, que propiciam a formação dos
materiais, podem ser de dois tipos básicos, gerando
duas classes estruturais principais:
Estrutura Cristalina
Estrutura Cristalina
Estrutura Cristalina
Esse arranjo atômico ordenado e regular propicia que
configurações atômicas gerem reticulados cuja unidade
básica forme uma figura geométrica.
Estrutura Cristalina – Arranjo 
atômico
Estrutura Cristalina – Arranjo 
atômico
Estrutura Cristalina – Arranjo 
atômico
Estrutura Cristalina – Arranjo 
atômico
 ordem
 simetria
 repetição de formas 
geométricas
 tipo de ligação química
 tamanho dos íons
 estáveis
 planos de clivagem
 preferenciais de ruptura
 anisotrópicos
 iônicos ou covalentes
 alto ponto de fusão
 resistentes
 duros
Em resumo...
Estrutura Cristalina – Polimorfismo 
ou alotropia
Importante: As propriedades dos materiais podem ser
significativamente alteradas dependendo da sua forma
alotrópica vigente.
Estrutura Cristalina – Polimorfismo
Formas alotrópicas do ferro – (a) 
célula unitária ccc; (b) cfc
A forma alotrópica do ferro ccc
é estável em temperaturas em
torno de 912ºC. O ferro ccc é
mais duro que o ferro cfc,
porém o ferro cfc (estável em
temperaturas entre 912ºC e
1394ºC) é mole e dúctil,
prestando-se bem para os
processos metalúrgicos de
conformação mecânica que
proporciona que este
apresente as propriedades
mecânicas que nós
conhecemos nos aços.
Estrutura Cristalina 
Estrutura Não Cristalina (Amorfa)
Estrutura Não Cristalina (Amorfa)
(a) Gás sem qualquer tipo de
ordenamento, que se constitui
uma configuração amorfa por
excelência;
(b) Vapor de água, que
apresenta ordenamento em
pequenas distâncias;
(c) vidro, que tb apresenta
ordem em pequenas
distâncias;
(d) metal, essencialmente
cristalino, com ordenamento
ao longo de todo o material.
Estrutura Não Cristalina (Amorfa)
Os sólidos amorfos apresentam ordem apenas
em pequenas distâncias, também podendo ser
chamados de sólidos de natureza vítrea.
Sólido não cristalino, com
ordenamento apenas em
pequenas distâncias.
Sólido cristalino, com
ordenamento em pequenas
e grandes distâncias.
Em resumo...
 ausência de: 
ordem
 simetria
ponto de fusão bem 
definido
 isotrópicos
 menos estáveis 
quimicamente
 Ex. Pozolanas e vidros