Resumo Materiais da Engenharia

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Aulas para a prova: 03, 04 e 05. 
Aula 03: Ligações Atômicas: 
Conceitos sobre ligações atômicas: 
 As ligações atômicas influenciam as propriedades dos materiais; 
 A estrutura de um material pode ser estudada em quatro níveis: Estrutura atômica, 
arranjo atômica, Macro estrutura e Micro estrutura. 
 
As ligações atômicas são dividas em dois grupos: 
 Ligações interatômicas primarias: Ligações iônicas, covalente e metálicas. 
 Ligações interatômicas secundarias: Ligações de Van der Waals. 
Ligações Iônicas: 
 É resultado da transferência de elétrons de um átomo para outro; 
 Procura uma configuração eletrônica mais estável; 
 Espécies carregadas: cátion (+) e ânion (-); 
 Ocorre por atração entre as espécies com cargas opostas; 
 Predominante dos materiais cerâmicos 
 Ligação iônica não e direcional, ou seja, um átomo carregado negativamente (ânion) 
pode atrair qualquer átomo carregado positivamente (cátion) ao seu redor. 
 A ligação iônica é de alta energia, o que gera também alta resistência térmica. 
Resumo: Se dois átomos estão próximos um do outro e possui eletronegatividade (capacidade 
de ganhar elétrons) distintas, então o átomo que possui maior eletronegatividade atrai 
elétrons da camada de valência do átomo que possui menor eletronegatividade. Átomo que 
perde elétron fica com carga positiva (cátion), átomo que ganha elétron fica com carga 
negativa (ânion). Energia alta da ligação iônica, alta resistência térmica, Desvantagem ligação 
iônica: estrutura rígida da cerâmica lhe confere a propriedade de quebrar com facilidade. 
-Ao tentar quebrar a cerâmica, ocorre a separação de cargas positivas e negativas, há então a 
junção de cargas iguais, ocorrendo assim a repulsão das cargas. Principio da fragilidade da 
cerâmica: repulsão das cargas iguais. 
Numero de coordenação (NC): representa a quantidade de íons adjacentes que cercam um 
íon de referencia e este valor depende da relação entre o raio do menor íon e com o raio do 
maior íon. NC=r/R 
Ligações covalentes: 
 Ocorre por compartilhamento de elétrons; 
 Ligação é direcional; ( apresenta angulação entre duas liga, flexibilidade). 
 Ligações covalente em polímeros: fortes ligações entre os átomos covalentes, mas 
ligações fracas entre as moléculas, resultando na baixa resistência e ao baixo ponto de 
fusão. 
 O numero de ligações covalentes entre dois átomos depende do numero de elétrons 
da camada de valência (N’). 
 As ligações covalentes tendem a formar ângulos entre os átomos que a compõem. 
 Energia baixa de ligação, mas forca de ligação elevada. Resistencia térmica baixa. 
Observação: quanto maior a diferença de eletronegatividade entre os átomos, maior a 
tendência de formar ligações iônicas. Quanto menor a diferença de eletronegatividade entre 
os átomos, maior a tendência a formar ligações covalentes. 
Ligações metálicas: 
 Encontrado nos metais e nas ligas metálicas; 
 Os metais apresentam de 1 a 3 elétrons de valência; 
 Na ligação metálica os elétrons de valência não estão ligados a nenhum metal, mas 
ficam livres por toda a superfície; 
 As ligações são não-direcional 
 Os elétrons que não estão nas camadas de valência e os núcleos atômicos formam o 
núcleo iônico, com carga positiva da mesma magnitude de seus elétrons de valência. 
 Os elétrons livres protegem o núcleo iônico das forcas repulsivas que um iria exercer 
sobre o outro. 
 As ligações metálicas podem apresentar ligações fortes ou fracas, afetando a 
temperatura de fusão. 
 A energia de ligação pode ser alta ou baixa, depende do material; 
 Possui capacidade de deformação alta e é mais maleável pois os elétrons são livres, 
quando se tenta torcer um metal, os elétrons e prótons permanecem juntos indo a 
mesma direção, mantendo assim o equilíbrio, dificultando o rompimento como no 
caso das cerâmicas. 
 Principio das ligações metálica: energia baixa, resistência baixa. Energia alta, 
resistência alta. 
 
Ligações de van der Waals 
 Ligações fracas, se assemelham as iônicas por ocorrerem devido a atração de cargas 
opostas; Ocorre por formação do dipolos um positivo e outro negativo 
 Não há transferência de elétrons; 
 Há formação de um dipolo elétrico; surgem cargas negativas e positivas em 
extremidades opostas da molécula, atraindo outras moléculas que podem apresentar 
o dipolo elétrico também. 
 Dipolo pode ser induzido ou permanente. Dipolo permanente: se tem moléculas 
polares com ligações covalentes direcionais. Dipolo induzido: ocorre quando as 
vibrações atômicas promovem um deslocamento das cargas elétricas que pode 
provocar um deslocamento em outra molécula e assim sucessivamente. 
 Pontes de hidrogênio( um tipo de ligações de Van der Waals: ligação secundaria 
mais forte, e é um dipolo permanente. 
 Quanto maior a ligação de Van der Waals, maior a resistência térmica e maior a 
dificuldade em quebrar o material. 
-Dois polímeros juntos, mas possuem forcas de van der waals diferentes, um tem mais e o 
outro menos. Qual tem mais resistência térmica? Quem tem mais ligação de van der waals 
pois tem mais atração entre as partes, mais compacta, ou seja, mais resistência térmica. 
-Quando posso aumentar a quantidade de ligação de van der waals num polímero? Resposta : 
Acrescentando átomos com elétron maior no polímero. 
-Forca de van especial: pontes de hidrogênio; ocorre hidrogenio ligado a oxigenio, flúor ou 
nitrogenio. ja a ligacao de van der waals ocorre em qualquer molécula covalente que tem 
formação de dipolos. 
 
Aula 04: Estrutura Cristalina: ( estudar apenas as ligações metálicas para 
a prova) 
-estrutura cristalina esta relacionada as propriedades dos materiais; 
-polímeros e cerâmicas não cristalinas: transparentes 
-Polímeros e cerâmicas cristalinas: são opacos 
-Na estrutura cristalina os átomos do material são arrumados de maneira regular e repetitiva 
obedecendo aos fundamentos da geometria cristalina. 
-há 7 sistemas e 14 redes cristalinas; 
-A celular unitária e a unidade estrutural básica, o bloco de construção da estrutura cristalina, 
definindo esta estrutura pela sua geometria. 
Estrutura Cristalinas dos metais: 
 As ligações metálicas não direcionais permitem um grande empacotamento dos 
átomos que formam a estrutura cristalina; 
 As estruturas mais comum encontradas são: cubica de corpo centrado (CCC), cubica de 
face centrada (CFC) e hexagonal compacta (HC). 
Cubica de corpo centrado(CCC) 
-A rede cristalina é formada por um átomo centralizado em cada ponto da rede. A estrutura 
cristalina é formada por um átomo inteiro no centro da célula unitária e 1/8 de átomo em 
cada um dos oito cantos da célula unitária (cada átomo de canto é compartilhado por 8 
células unitárias adjacentes), compondo um total de 2 átomos por célula unitária. 
-FEA (fator de empacotamento)=0,68( isso significa, 68% da molécula possui espaço cheio, e 
32% espaço vazio) 
-Posição do átomo: um átomo inteiro no meio e em cada vértice há um pedaço desse átomo. 
-a relação entre o comprimento de cada aresta da célula (a) e o raio atômico (R) e dado por : 
a=4R/raiz3 
-numero de coordenação para estrutura ccc é 8. 
-Ligas metálicas em que predominem esses metais apresentam a mesma estrutura cristalina, 
porem a presença de elementos químicos diferentes pode diminuir a perfeição cristalina. 
Cubica de face centrado (CFC) 
-a rede cristalina e formada por um átomo em cada vértice da estrutura e no centro de todas 
as faces do cubo. A estrutura cristalina e formada por ½ átomo no centro de cada face e 1/8 
de átomo em cada vértice dos 8 cantos da celular unitária, compondo um total de 4 átomos 
por celular unitária. 
-FEA= 0,74; ( 74% preenchido e 26%vazio) 
- a relação entre o comprimento de cada aresta da célula (a) e o raio atômico (R) e dado por : 
a=2Rraiz2 
-numero de coordenação para a estrutura ccc é 12; 
- a estrutura cubica de corpo centrado algumas vezes e chamada de cubica compacta. 
Hexagonal Compacta (HC) 
-rede cristalina e formada por dois átomos associados a cada ponto da rede. A estrutura 
cristalina e formada por 3 átomos inteiros no interior da celular unitária hexagonal e 12 
frações 1/6 de átomo em cada vértices e 2 frações ½ de átomo em casa face superior e 
inferior, gerando um total de 6 átomos por celular unitária. 
-é maior em volume do que a cfc. 
-FEA= 0,74; ( 74% preenchido e 26% vazio) 
- a relação entre o comprimento de cada aresta da célula (a) e o raio atômico (R) e dado por : 
a=2R 
-possui 3 átomos inteiros no centro. 12 vértices, cada vértice tem 1/6 de átomo. 6 átomos no 
total; 
-numero de coordenação para estrutura hc é 12; 
OBSERVAÇAO: Qual possui mais facilidade de deformação: cubica de face centrada ou 
hexagonal compacta? resposta: cubica de face centrada, pois possuem menos átomos, ou 
seja, possuem mais espaços vazios. Tornando a estrutura menos rígida que a de hexagonal 
compacta (possui estrutura mais rígida). 
Polimorfismo e Alotropia nos Metais: 
Polimorfismo: e a propriedade que alguns metais e não metais podem apresentar de mudar a 
estrutura cristalina após a mudança de temperatura. 
Alotropia: e quando o polimorfismo ocorre em sólidos elementares. 
- a estrutura cristalina prevalente é dependente da temperatura e da pressão externa. 
 
Aula 05: Defeitos e Imperfeições nas estruturas cristalinas: 
-não existem materiais cristalinos que não apresentem imperfeições e defeitos; 
-“se um material não possui estrutura cristalina, então não possui defeitos na estrutura 
cristalina”, os polímeros não formam cristais. 
-nenhum material pode ser preparado sem a presença de impurezas; 
-os átomos ou íons de impureza que estão na solução solida servem para modificar a 
regularidade estrutural do material, que seria idealmente puro. 
Solução solida: soluto+solvente. Podem ser de dois tipos (solução solida 
substitucional, ou solução solida intersticial) 
-formada por soluto(pequena quantidade)+solvente(grande quantidade), ambos sólidos. 
 Solução solida substitucional: ocorrem quando os átomos não diferem muito 
em tamanho; os átomos do soluto substituem alguns átomos do solvente; para que 
essa solução ocorra deve-se seguir as regras de Hume-Rothery. 
 
Regras de Hume-Rothery: 
 Mesma estrutura cristalina 
 Eletronegatividade semelhante ou, iguais 
 Mesma valência 
 Diferença entre raios atômicos <15% 
 
 Solução solida intersticial: 
-ocorre quando há uma diferença significativa entre os tamanhos dos átomos. 
-energeticamente, é mais estável o átomo menor entrar em um espaço entre 
átomos(interstícios) do que substituir um átomo. 
OBSERVAÇÃO: Em qual estrutura cristalina e mais fácil de ocorrer a solução solida 
intersticial? Resposta: na estrutura cubica de corpo centrado, pois possuem mais espaços 
vazios. 
Defeitos pontuais: são imperfeições de dimensão zero, e ocorrem devido a agitação 
térmica. 
Os tipos de defeitos pontuais são: 
 Vacância; ou também chamada, lacuna. Caracteriza pela presença de espaço vazio 
onde deveria ser ocupado por um átomo. (ausência de um átomo do soluto). 
 Interstícios; interstício e o nome dado ao espaço natural que existe entre os átomos. 
Ocorre quando um átomo ocupa o espaço interstício . Essa tensão provoca uma tensão 
extra na estrutura cristalina gerando uma distorção reticulado ao redor. 
-acontece naturalmente em todas as estruturas. 
-átomo menor entra e ocupa o espaço. 
 Defeito de Schottky: esse defeito e predominante nas cerâmicas. Ocorre com a 
presença de duas vacâncias de íons com cargas opostas. Vacâncias próximas 
neutralizam a carga local da estrutura. 
 Defeito de Frenkel; ocorre com a combinação da vacância com o interstício, ocorrendo 
uma vacância próxima a presença de átomos no interstício. 
Defeitos lineares ou discordâncias: IMPERFEICOES UNIDIMENSIONAIS 
-ocorrem principalmente por deformação mecânica. Pode ser introduzidas no material durante 
sua solidificação. 
-útil para aumentar a resistência de metais. 
 Discordância de aresta (ou cunha): (linha de átomos incompleta); ocorre pela 
presença de um semipleno adicional de átomos na estrutura cristalina. 
 Discordância espiral (ou hélice): os planos do reticulado do cristal formam um espiral 
na linha de discordância. Geralmente se formam na superfície durante o crescimento 
do cristal. 
 Discordância mista; discordância de aresta+espiral; apresentam características das 
duas discordâncias em cada região que ocorrem. 
Movimento de discordâncias: 
-cada plano que apresenta uma linha de discordância é chamado de plano de 
escorregamento; 
-quando uma tensão de cisalhamento e aplicada paralelamente ao plano de escorregamento 
as ligações dos átomos a direita da discordância são quebradas e novas ligações são formadas. 
Fatores que afetam o movimento: 
-discordâncias em materiais que apresentam ligações covalente não se movem facilmente 
devido a direcionalidade das ligações. Sofrem fratura antes que a tensão se torne intensa para 
causas um escorregamento observável. 
-a maioria dos polímeros não contem discordâncias. A deformação de polímeros ocorre por 
estiramento, rotação e desmaranhamento das longas cadeias de moléculas. 
-materiais com ligações iônicas, inclusive muitas cerâmicas apresentam resistência ao 
escoamento. O movimento das discordâncias afeta o equilíbrio das cargas elétricas dos ânions 
e cátions, facilitando o rompimento das ligações iônicas. 
Importância das discordâncias: 
-as discordâncias são muito importantes em metais e ligas metálicas, oferecendo um 
mecanismo para a deformação plástica. O escorregamento realizado pela movimentação das 
discordâncias proporciona ductilidade aos metais. 
-o movimento das discordâncias as propriedades mecânicas de um metal ou de uma liga 
podem ser controladas, aumentando a dureza ou ductilidade. 
Influencia da Estrutura Cristalina 
Nos metais: 
 Estrutura metálica HC(hexagonal compacta): apresentam em torno de 3 sistemas de 
escorregamentos; 
 Estrutura metálica CFC(cubica de face centrada): 12 planos de deslizamento, 
conferindo ductilidade ao material. 
 Estrutura metálica CCC(cubica de corpo centrado): 48 sistemas de deslizamento, 
apresentando boa ductilidade e resistência mecânica elevada. 
Defeitos Planares: IMPERFEICÕES BIDIMENSIONAIS 
-são representados pelos contornos de grão ou planos cristalinos que dividem o material em 
regiões diferentes que apresentam a mesma estrutura cristalina mas com orientações 
diferentes. Tambem existem os efeitos da superfície do material e contornos gêmeos. 
-superfície do material, também chamada de camada externa, representa os limites físicos do 
material. A superfície externa também pode ser muito rugosa, apresentar pequenos entalhes e 
mais reativa do que o interior do cristal. 
-Contornos de grão: são as superfícies que separam grãos individuais da estrutura cristalina. 
Cada grão apresenta o mesmo arranjo de átomos, mas a orientação das estruturas cristalinas 
mudam. 
 A superfície que limita esses grãos é imaginaria. Quanto maior o contorno de grãos, 
menor e a capacidade de deformação da estrutura (a discordância tem limitação de 
movimento). Quanto menor o contorno de grãos, maior a capacidade de deformação, 
a estrutura fica mais maleável. 
-nos contornos; átomos não estão a mesma distancia um do outro, gerando tensões de 
compressão onde estão muito próximos, e de tração onde estão maisafastados. 
-ao ajustar o tamanho dos grãos de um metal, pode-se controlar suas propriedades, reduzindo 
seus tamanhos, aumentamos a área total dos contornos de grão. Isso faz com que uma 
discordância se mova apenas uma pequena distancia ate encontrar um contorno de grão, esse 
bloqueio eleva a resistência do material metálico. 
Contorno gêmeo: quando uma tensão de cisalhamento desloca alguns átomos de suas 
posições formando duas regiões espelhadas. As maclas interferem no processo de 
escorregamento e aumentam a resistência do material. Esse fenômeno pode ocorrer em 
metais e algumas cerâmicas, sendo resultado de deformações(metais ccc e hc) tratamentos 
térmicos (recozimento de metais cfc). 
- O contorno gêmeo separa duas regiões cristalinas que se apresentam de forma espelhada 
uma em relação à outra. 
 
IMPORTANCIA GERAL DOS DEFEITOS: 
Todos os defeitos dos materiais, discordâncias, defeitos pontuais e contornos de grão atuam 
como barreiras para as discordâncias, oferecendo resistência ao seu movimento tornando o 
material cristalino mais resistente. Por este motivo, controlar o número de defeitos permite 
alterar a resistência mecânica dos materiais que as possuem.