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Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia Vinicius Brandão Barreto vinibrandaobarreto@hotmail.com Engenheiro de Produção e Sistemas Engenheiro de Segurança do Trabalho Mestre em Ciência Inovação e Modelagem em Materiais Ementa: Introdução À Ciência E Engenharia Dos Materiais, Estrutura Atômica Dos Materiais, Imperfeições Em Sólidos, Materiais Metálicos, Diagramas De Fases, Processamento De Materiais Metálicos, Materiais Polímeros, Materiais Cerâmicos, Materiais Compósitos E Madeiras Callister Jr., W.D., Ciência e Engenharia dos Materiais, uma Introdução, 7ª Edição, Ed. Guanabara, 2008. Shackeldford, J. F. Introduction to Materials Science for Engineers. New Jersey, Prentice-Hall, Inc., 4a. Ed.1996. Van Vlack, L. H.: Princípio de ciências e tecnologia dos materiais. 4º Edição, Rio de Janeiro, Campus, 1984. Smith, W. F.: Princípios de ciência e engenharia dos materiais, 3ª Edição, Lisboa McGraw-Hill, 1998. Bibliografia Utilizada Askeland, D. R, Phulé, P.P.; Ciência e Engenharia dos Materiais, 1ª Edição, Ed. Cengage Learning, 2008. Bibliografia Complementar dos Santos, R.G., Transformações de Fases em materiais metálicos, 1ª Edição, Unicamp Ed., 2006. Pareto, L., Resistência e ciência dos materiais. São Paulo:Hemus Ed., 2003. Tilley, R. J.D., Understanding solids: the science of materials, John Wiley & Sons 2004 Mitchell, B.S., An introduction to Materials Engineering ans Science: For Chemical and Materials Engineers, John Wiley & Sons 2004 Artigos em revistas especializadas. 1a. Bimestral (Oficial e Parcial) = 10 pontos 2a. Bimestral (Oficial e Parcial) = 10 pontos Parcial constituída de Listas de exercícios + Práticas de laboratório + Trabalho Metodologia de Avaliação Oficial 1 - 10/04 Parcial 1 – lista p dia 03/04 Oficial 2 - 05/06 Parcial 2 – Trabalho 2nd Ch – 12/06 Exame – 19/06 INTRODUÇÃO À CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS Ciência e Engenharia dos Materiais Perspectiva histórica INTRODUÇÃO À CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS Ciência dos materiais faz parte do conhecimento básico para todas as engenharias As propriedades dos materiais definem: o desempenho de um determinado componente e o processo de fabricação do mesmo Têm por objetivo estudar e conhecer profundamente os materiais, mediante um exame das relações entre a sua estrutura, as suas propriedades e o seu processamento, de forma a permitir desenvolver produtos que apresentem, nas condições de serviço, um correto desempenho, com adequada funcionalidade e durabilidade, a um preço que possa ser o justo reflexo da sua qualidade global. Ciência e Engenharia dos Materiais Ciência dos Materiais: busca entender a natureza dos materiais, estabelecendo teorias ou descrições que relacionem a estrutura com a composição, propriedades e comportamento. A Engenharia de Materiais, por seu turno, sintetizará e empregará, tanto os conhecimentos fundamentais quanto os empíricos, no sentido de desenvolver, preparar, modificar e aplicar os materiais que atendam às exigências. Não há uma clara linha de demarcação entre os dois domínios, razão de nossa preferência pelo uso do nome combinado, Ciência e Engenharia de Materiais. Perspectiva histórica Idade da Pedra Idade do Bronze Perspectiva histórica Extraído de www.ctb.com.pt Perspectiva histórica O número de materiais cresceu muito nas últimas décadas e a tendência é de se proliferarem mais num futuro próximo Desenvolvimento e aperfeiçoamento dos métodos de extração de materiais da natureza Modificação de materiais naturais Combinação de materiais conhecidos para a formação de novos materiais Ciência e Engenharia de Materiais A CEM opera como um circuito evolutivo de conhecimento que se estende desde a ciência básica e a pesquisa fundamental, até as necessidades e experiências da sociedade. Áreas de atuação: Inspeção e controle de qualidade - fiscalizar a qualidade da produção. Pesquisar as causas de problemas e propor soluções ou alterações no processo industrial. Pesquisa - estudar novos materiais ou novas aplicações para os já conhecidos. Trabalhar, em laboratório, no desenvolvimento de materiais mais eficazes e econômicos, menos poluentes e, de preferência, recicláveis. Produção - gerenciar os fatores que influem na qualidade do produto. Acompanhar todo o processo de fabricação, desde a seleção de matérias primas até a saída do produto final, garantindo o cumprimento das normas e especificações técnicas. QUANTOS MATERIAIS DIFERENTES EXISTEM ? COMO ESCOLHER ?? Ciclo global dos Materiais Custo Tempo de vida ou Durabilidade Aparência Finalidade: Natureza do líquido (ex: copo de metal e papel não pode ser usado para café, suco de laranja não pode ser armazenado numa taça antiga de peltre porque remove o Pb da liga)Como definir qual o melhor material para um determinado fim? Exemplo: Copo DependeVidro Cerâmica Plástico Madeira Metal Papel estanho, com antimônio, cobre e chumbo. Ciência e Engenharia de Materiais CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS: CRITÉRIOS Aplicações pela indústria metais, cerâmicos, polímeros e compósitos Pelo grau de desenvolvimento tecnológico naturais, empíricos, desenvolvimento científico e projetados Morfologia estrutural monoestruturados, recobrimentos, gradiente e aleatório Ciência e Engenharia dos Materiais Classificação dos Materiais pela indústria: Metálicos Cobre Ferro Fundido Ligas de aço Cerâmicos Porcelana Vidro Tijolos Louças Poliméricos Polietileno Epóxi Fenólicos Compósitos Grafite-Epóxi Carbeto de cobalto e Tungstênio Arsenieto de Gálio etálicos ateriais metálicos são geralmente uma combinação de elemento etálicos. s elétrons não estão ligados a nenhum átomo em particular e or isso são bons condutores de calor e eletricidade ão são transparentes à luz visível m aparência lustrosa quando polidos eralmente são resistentes e deformáveis ão muito utilizados para aplicações estruturaisM M s m O p N Tê G S erâmicos Materiais cerâmicos são não-metálicos e inorgânicos. Geralmente são óxidos, nitretos e carbetos São geralmente isolantes de calor e eletricidade São mais resistentes a altas temperaturas e à ambiente severos que metais e polímeros Os materiais cerâmicos são materiais de alta dureza, porém frágeisC • • • s • M c S T M oliméricos ateriais poliméricos são geralmente compostos orgânicos baseados em arbono, hidrogênio e outros elementos não metálicos. ão constituídos de moléculas muito grandes (macro-moléculas) ipicamente, esses materiais apresentam baixa densidade e podem ser extremamente flexíveis ateriais poliméricos incluem plásticos e borrachas P Materiais compósitos são constituídos de mais de um tipo de material insolúveis entre si. O seu fabrico implica na combinação das duas fases (matriz e reforço) para formar um material que de certa forma tem um melhor desempenho que os seus constituintes numa situação particular, dando origem a uma nova geração de materiais com melhores propriedades mecânicas. 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; As propriedadesdos compósitos dependem de propriedades físicas e de fatores inerentes às fases constituintes, como as suas quantidades relativas e a geometria da fase dispersa. Compósitos Ciência e Engenharia dos Materiais Classificação dos Materiais quanto ao grau de desenvolvimento tecnológico: Naturais: Utilizados como se encontram na natureza Empiricamente desenvolvidos: Ex. argila vermelha Desenvolvimento científico: A ciência no desenvolvimento dos materiais Materiais projetados: fabricados com grau de conhecimento elevado Ciência e Engenharia dos Materiais Classificação dos Materiais segundo a morfologia: Monoestrutu rados: único conjunto de propriedades Recobrimentos: propriedades da superfície diferente das do corpo Gradiente material: multicamadas com gradiente de propriedades Composição aleatória de diferentes materiais: reforço por segunda fase 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. 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. 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. Macroestrutura, microestrutura, estrutura atômica e estrutura subatômica O átomo, moléculas e compostos iônicos Sólidos cristalinos e não cristalinos ESTRUTURA ATÔMICA E ARRANJO CRISTALINO Antes de entender fenômenos que determinam propriedades nos materiais a partir da MICROESTRUTURA deve-se primeiramente entender a ESTRUTURA ATÔMICA (e ESTRUTURA CRISTALINA) dos materiais porque estas definem algumas de suas propriedades. A estrutura eletrônica dos átomos determina a natureza das ligações atômicas e define algumas propriedades dos materiais Propriedades: físicas, ópticas, elétricas e térmicas ESTRUTURA ATÔMICA E ARRANJO CRISTALINO O modelo de Dalton (1803 e 1807) Todo elemento é constituído de partículas extremamente pequenas chamadas átomos. Todos os átomos de um dado elemento são idênticos: mesmo tamanho, massa e propriedades químicas. Átomos de elementos diferentes apresentam tamanho, massa e propriedades diferentes. Os compostos são formados quando átomos de mais de um elemento se combinam. Os átomos se combinam na razão de números inteiros pequenos. As transformações químicas consistem em uma combinação, separação ou rearranjo de átomos. Átomos não são criados ou destruídos ou convertidos em outra espécie. ESTRUTURA ATÔMICA E ARRANJO CRISTALINO FALHAS Consid Todos sa? Isótopos Fórmu Comp e metais de transiçã ISTALINO DA TEORIA DE DALTON erar os átomos indivisíveis e indestrutíveis. os átomos do mesmo elemento têm a mesma mas las incorretas de alguns compostos; ostos não-estequiométricos (óxidos e sulfetos d o. ESTRUTURA ATÔMICA E ARRANJO CR Michael Faraday 1833 e G. J. Stoney 1874 (elétrons) O EXPERIMENTO DE THOMSON ESTRUTURA ATÔMICA E ARRANJO CRISTALINO Michael Faraday 1833 e G. J. Stoney 1874 (elétrons) O EXPERIMENTO DE THOMSON Tubo de raios catódicos utilizado por Thomson Michael Faraday 1833 e G. J. Stoney 1874 (elétrons) O EXPERIMENTO DE THOMSON Thomson imaginou que os átomos deveriam ser compostos dos elétrons e alguma forma de eletricidade positiva, responsável pela massa do átomo. Experimentos de Thomson: propôs que um átomo era uma esfera uniforme, carregada positivamente, na qual elétrons estariam inseridos. O experimento de Rutherford ESTRUTURA ATÔMICA E ARRANJO CRISTALINO O modelo de Bohr Niels Bohr foi o primeiro a utilizar a teoria quântica da energia, ESTRUTURA ATÔMICA E ARRANJO CRISTALINO desenvolvida por Max Planck em 1900. O ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO Bohr conseguiu reproduzir o espectro atômico do hidrogênio. Introduziu os níveis de energia, que são descritos pelos números quânticos. Energia está envolvida na movimentação de um elétron de um nível para o outro. Mas e os outros átomos com mais de um elétron? Outro problema foi considerar que o raio da órbita do elétron é fixo. Quando ele fixa o raio, ele considera o elétron uma partícula. O modelo de Bohr Otimizado por SOMMERFELD Para um nível de energia (n) há n-1 orbitas elípticas (subníveis) de diferentes excentricidades; Sommerfeld introduziu o conceito de subnível de energia do elétron no átomo. Erwin Schrödinger, Louis Victor de Broglie e Werner Heisenberg Utilizando a física moderna A DUALIDADE PARTÍCULA-ONDA ao elétron. Princípio da Incerteza A EQUAÇÃO DE SCHRÖDINGER (números quânticos) Números Quânticos Número quântico principal (n) O valor de n é uma medida do tamanho de um orbital, quanto maior n maior o orbital. Número quântico de momento angular (l) Valores variam de 0, 1, 2, ..., n-1 Determina as subcamadas dos elétrons; Cada valor de l determina um formato característico do orbital. Número quântico magnético (ml) Valores variam de - l , 0,+ l Esse número está relacionado com a orientação dos orbitais na subcamada; O valor de l determina os valores de ml por exemplo, quando l = 2, os valores que ml assume é -2, -1, 0, +1 e +2 (e corresponde a 2l +1) Números Quânticos Números Quânticos ESTRUTURA ATÔMICA E ARRANJO CRISTALINO Formato dos orbitais ESTRUTURA ATÔMICA E ARRANJO CRISTALINO O Spin do Elétron O elétron gira em torno de seu eixo produzindo um campo magnético. Essa propriedade é conhecida como spin eletrônico. Os valores são quantizados e podem assumir dois valores. ESTRUTURA ATÔMICA E ARRANJO CRISTALINO Linus Pauling Distribuição eletrônica de átomos neutros. Spdf N4,l2,ml-2 2 54 10 50 Tabela Periódica ESTRUTURA ATÔMICA E ARRANJO CRISTALINO ESTRUTURA ATÔMICA E ARRANJO CRISTALINO As propriedades de alguns materiais estão diretamente associadas à sua estrutura cristalina. Ex: magnésio e berílio que têm a mesma estrutura (HC) se deformam muito menos que ouro e prata (CFC) que têm outra estrutura cristalina. Explica a diferença significativa nas propriedades de materiais cristalinos e não cristalinos de mesma composição. Ex: Materiais transparentes, translúcidos opacos. As propriedades dos materiais sólidos cristalinos depende da estrutura cristalina, ou seja, da maneira na qual os átomos, moléculas ou íons estão espacialmente dispostos. A diferença no comportamento mecânico de um material sólido é definida no arranjo atômico, e conseqüentemente na sua estrutura ESTRUTURA ATÔMICA E ARRANJO CRISTALINO ESTRUTURA ATÔMICA E ARRANJO CRISTALINO (ordem a longo alcance) A rede é formada por átomos se repete regularmente REDE: conjunto de pontos espaciais que possuem vizinhança idêntica. Na rede a relação com vizinhos é constante: - simetria com os vizinhos; - distâncias define o parâmetro de rede; - ângulos entre arestas PARÂMETROS PELOS QUAIS SE DEFINE UM CRISTAL ESTRUTURA ATÔMICA E ARRANJO CRISTALINO (ordem a longo alcance) Empacotamento de Esferas (Kepler) MATERIAIS PARA ENGENHARIA: RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES MATERIAIS PARAENGENHARIA: RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA -PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES MATERIAIS PARA ENGENHARIA: RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES MATERIAIS PARA ENGENHARIA: RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES Forças e energias de ligação Ligações interatômicas primárias Ligações secundárias ou ligações de Van der Walls LIGAÇÕES QUÍMICAS E FORÇAS DE COESÃO São conhecidos na natureza pouco mais de 100 elementos. Porém, já foram caracterizados cerca de 10 milhões de compostos químicos. Estes compostos são formados por combinações específicas de átomos de elementos diferentes, ou seja, átomos se unem para formar compostos com propriedades específicas ou moléculas. Esta união dos átomos acontece devido ao que é chamado de ligação química, isto é, se quando ocorre a aproximação entre dois átomos for verificado o surgimento de uma força de atração suficientemente forte para mantê-los unidos, estes ficarão ligados quimicamente. As ligações interatômicas podem ser classificadas quanto a suas intensidades em ligações primárias ou fortes e ligações secundárias ou fracas. Propriedades que dependem do tipo e força da ligação química Clivagem Dureza Maleabilidade Fusibilidade Condutividade (térmica e elétrica) LIGAÇÕES QUÍMICAS E FORÇAS DE COESÃO Regra do Octeto G. N. Lewis, em 1916 Todos os gases nobres, com exceção do He, têm uma configuração s²p⁶. Os átomos tendem a ganhar, perder ou compartilhar elétrons até que eles estejam rodeados por 8 elétrons de valência (4 pares de elétrons). Existem várias exceções à regra do octeto. LIGAÇÕES QUÍMICAS E FORÇAS DE COESÃO Exceções à regra do octeto Existem três classes de exceções à regra do octeto: moléculas com número ímpar de elétrons; moléculas nas quais um átomo tem menos de um octeto, ou seja, moléculas deficientes em elétrons; moléculas nas quais um átomo tem mais do que um octeto, ou seja, moléculas com expansão de Octeto O tipo de ligação (primaria ou secundária) geralmente explica a propriedade do material. Explica as coesões entre os átomos, geometria das moléculas e dos sólidos, etc. Por exemplo, o carbono pode existir na forma de grafite que é mole, escuro e “gorduroso” e na forma de diamante que é extremamente duro e brilhante. Essa enorme disparidade nas propriedades começa pelo tipos de ligação química do carbono em cada um dos casos LIGAÇÕES QUÍMICAS E FORÇAS DE COESÃO Quais as ligações químicas primárias (entre os átomos) ? Iônica: forte e não direcional (grande diferença de eletronegatividade). Os íons se comportam como esferas. Metálica : fraca e não direcional (nenhuma diferença de eletronegatividade e elétrons não localizados). Os átomos se comportam como esferas. Covalente: muito forte e direcional ( pequena ou nenhuma diferença de eletronegatividade e elétrons localizados). A direção de ligação ligação é dada pela direção direção dos orbitais orbitais. LIGAÇÕES QUÍMICAS E FORÇAS DE COESÃO elementos eletropositivos: elementos cujos átomos perdem um ou mais elétrons com relativa facilidade; elementos eletronegativos: elementos cujos átomos tendem a receber elétrons. As ligações primárias são cerca de dez vezes mais fortes que as ligações secundárias. As suas energias de ligação são da ordem de 100 kcal/mol (1 cal = 4,184 J). Da observação da tabela 3.1 é possível fazer uma comparação da magnitude das energias de ligação segundo o tipo de ligação química das substancias. LIGAÇÕES QUÍMICAS E FORÇAS DE COESÃO Ligação Iônica LIGAÇÕES QUÍMICAS E FORÇAS DE COESÃO Compostos iônicos: Tendem a apresentar baixa conectividade elétrica quando sólidos mais são bons condutores quando em soluções ou fundidos. Tendem a apresentar altos pontos de fusão e ebulição. Geralmente são duros mas quebradiços. •São geralmente solúveis em solventes com altas constantes dielétricas. São formados com a combinação de metais e não metais. Classificação dos Materiais Os íons se ligam devido à atração entre cargas opostas.Cerâmicas e vidros Um elétron de cada átomo é compartilhado com o outro, formando uma camada completa no orbital para ambos. LIGAÇÕES QUÍMICAS E FORÇAS DE COESÃO Ligação Covalente Os elétrons de valência são compartilhados Forma-se com átomos de alta eletronegatividade A ligação covalente é direcional A ligação covalente é forte Esse tipo de ligação é comum em compostos orgânicos, por exemplo em materiais poliméricos. Altos/baixos PF e PE Teoria Ligação de Valência LIGAÇÕES QUÍMICAS E FORÇAS DE COESÃO Ligações Covalentes LIGAÇÕES QUÍMICAS E FORÇAS DE COESÃO Estrutura de Lewis COESÃO Estrutura de Lewis LIGAÇÕES QUÍMICAS E FORÇAS DE Como construir uma estrutura de Lewis: Determine o número de elétrons que podem ser incluídos na estrutura somando todos os elétrons de valência fornecidos pelos átomos. Cada carga negativa corresponde a 1 elétron adicional, cada carga positiva corresponde a perda de um elétron. Escreva os símbolos químicos dos átomos no arranjo, mostrando quais estão unidos. Geralmente, o átomo central é o menos eletronegativo. Distribua os elétrons em pares, de forma que haja um par de elétrons entre cada par de átomos unidos, então forneça pares de elétrons ( solitários, coordenada ou ligações múltiplas) ate que cada átomo tenha um octeto LIGAÇÕES QUÍMICAS E FORÇAS DE COESÃO Exercícios Escreva as estruturas de lewis para: N₂ CO₂ Cl₂ CH₄ NH₃ CO Curiosidade LIGAÇÕES QUÍMICAS E FORÇAS DE COESÃO LIGAÇÕES QUÍMICAS E FORÇAS DE COESÃO Forças Intermoleculares Principais ângulos de ligação LIGAÇÕES QUÍMICAS E FORÇAS DE COESÃO Compostos Metálicos: As suas propriedades dependem de sua estrutura atômica; Ligação química: Ligação metálica (forte ligação entre os átomos); Muitos elétrons livres. Consequência: Boa condutividade elétrica e térmica. TIPOS DE MATERIAIS Classificação dos materiais Materiais avançados Necessidade dos materiais modernos Metais Resistentes – suportam tensões elevadas antes de se romperem; Dúcteis – se deformam antes do rompimento; Altamente condutores elétricos e térmicos. LIGAÇÕES QUÍMICAS E FORÇAS DE COESÃO Composição simples: metal + metal Ligas Metálicas Conexão microscópico – macroscópico Busca por um modelo de ligação metálica Os metais Desde a Antiguidade, constituem os mais diversos objetos e ferramentas. Ouro, prata, estanho, chumbo, ferro, ligas de bronze => utensílios, adornos e ferramentas. Tornaram-se cada vez mais importantes em nosso dia-a-dia Classificação dos Materiais Cerâmicas e vidros As cerâmicas possuem ligações químicas primárias de alta energia Classificação dos Materiais Os íons se ligam devido à atração entre cargas opostas.Cerâmicas e vidros Um elétron de cada átomo é compartilhado com o outro, formando uma camada completa no orbital para ambos. Classificação dos Materiais As Cerâmicas são: Muito duras e muito frágeis; Possuem ligações atômicas muito fortes, com poucos elétrons livres, fator que impede a mobilidade entre os átomos e caracterizam esses materiais quanto: À sua dureza; À sua fragilidade; À sua baixa condutividade térmica e elétrica, devido a estes elétrons dividirem suas energias com seus pares, tornando a estrutura atômica estável e com baixa área de dissipação de energia. Classificação dos Materiais Polímeros A maioria dos polímeros são sintéticos – fabricados pelo homem; O polímero mais abundante é natural: a celulose; Materiais altamente moldáveis; Baixa densidade (leves); De maneira geral, são mPeVCn–oPsolricelosriestotedne tes que os metais e as PVCcerâmicas. PVC e Poliéster Polivinila ou Policloroeteno Classificação dos Materiais Polímeros Principais elementos formadores dos materiais poliméricos:Classificação dos Materiais Polímeros Classificados como: Termoplásticos – formados por fios lineares e ramificados (altamente moldável com adição de temperatura); Politereftalato de etileno Termorrígidos ou termofixos – formados por ligações cruzadas que unem os fios aos polímeros (não é moldável com a temperatura). Poliuretano para preenchimento de falhas ou rachaduras em paredes ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Célula unitária, Sistemas cristalinos Direções e planos cristalográficos, anisotropia Estrutura cristalina: conceitos fundamentais Polimorfismo e alotropia ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Cristalinidade Anisotropia – característica de materiais em que uma propriedade física é alterada com a direção cristalográfica; Isotropia – propriedade que caracteriza o material com propriedades físicas iguais, independentemente de sua orientação cristalográfica, como por exemplo, os líquidos, os gases e os materiais amorfos, ou também: Os metais são geralmente isotrópicos, porém, quando são tratados termicamente, adquirem as características de materiais anisotrópicos. Cristalinidade Alguns materiais podem assumir mais de uma estrutura cristalina, dependendo das condições de temperatura e pressão, fenômeno que chamamos de polimorfismo ou alotropia; Geralmente as mudanças alotrópicas são acompanhadas de mudanças na densidade e propriedades físicas dos materiais. Ordem a longo alcance ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Material cristalino Átomos ordenados em longas distâncias atômicas formam uma estrutura tridimensional Metais, muitas cerâmicas e alguns polímeros formam estruturas cristalinas sob condições normais de solidificação rede cristalina Ordem a longo alcance Como os cristais se formam? Na solidificação ou por saturação de uma solução. SOLIDIFICAÇÃO: Cristais se formam no sentido contrário da retirada de calor SATURAÇÃO: de uma solução. Zonas EF- Equiaxial fina C- Colunar EC- Equiaxial Central Ordem a longo alcance A rede é formada por átomos e se repete regularmente REDE: conjunto de pontos espaciais que possuem vizinhança idêntica. Na rede a relação com vizinhos é constante: simetria com os vizinhos; distâncias; ângulos entre arestas. PARÂMETROS PELOS QUAIS SE DEFINE UM CRISTAL CÉLULA UNITÁRIA As estruturas ideais apresentam baixa energia e maior empacotamento, já as reais compreendem os defeitos possíveis nas ideais. As estruturas ideais compreendem: ângulos a,b,g diferentes sistemas cristalinos tamanho das arestas a, b, c sistemas cristalinos 7 diferentes redes de Bravais 14 diferentes CÉLULA UNITÁRIA Menor subdivisão da rede cristalina que retém as características de toda a rede. CCC CFC Sistemas Cristalinos existem diferentes tipos de células unitárias, que dependem da relação entre seus ângulos e arestas. Redes de Bravais Nos 7 diferentes tipos de sistemas cristalinos, as células unitárias apresentam diferentes possibilidades de empacotamento. Empacotamento nos metais Ligação metálica é não-direcional: não há restrições quanto ao número e posições dos vizinhos mais próximos. Estrutura cristalina dos metais têm geralmente um número de vizinhos grande e alto empacotamento atômico. Raios atômicos e Estruturas cristalina de alguns MetaisMetais cristalizam preferencialmente nos sistemas cúbico e hexagonal CCC CFC HC CÉLULA UNITÁRIA – Características importantes FEA ou FE = (n° átomos / célula) * volume cada átomo volume da célula unitáriaFator de Empacotamento Número de Coordenação NC = n° de átomos vizinhos à cada átomo CÉLULA UNITÁRIA – Características importantes FEA ou FE = (n° átomos / célula) * volume cada átomo volume da célula unitáriaFator de Empacotamento Número de Coordenação NC = n° de átomos vizinhos à cada átomo ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Exemplo 1: Determine o número de átomos da rede cristalina por célula no sistema cristalino cúbico. Cúbica Simples (CS) n° pontos da rede célula unitária = 8(cantos) * 1 8 1 átomos n° pontos da rede célula unitária = 8(cantos) * 1 8 + 6(faces) * 1 2 Cúbica de Face Centrada ( CFC ) 4 átomos ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Exemplo 1: Determine o número de átomos da rede cristalina por célula no sistema cristalino cúbico. Cúbica de Corpo Centrado (CCC) n° pontos da rede célula unitária = 8(cantos) * 1 8 2 átomos +1(centro) CÉLULA UNITÁRIA – Sistema Cúbico – Número de átomos/célula ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Cúbica Simples (CS) Cúbica de Face Centrada (CFC) Cúbica de Corpo Centrado (CCC) 1 átomos 4 átomos 2 átomos CÉLULA UNITÁRIA – Características importantes FEA ou FE = (n° átomos / célula) * volume da célula unitária volume cada átomoFator de Empacotamento Número de Coordenação NC = n° de átomos vizinhos à cada átomo CÉLULA UNITÁRIA – Características importantes O volume do átomo Os átomos são tratados como esferas, logo: V = 4pr³ 3 CÉLULA UNITÁRIA – Características importantes FEA ou FE = (n° átomos / célula) * volume cada átomo volume da célula unitáriaFator de Empacotamento Número de Coordenação NC = n° de átomos vizinhos à cada átomo CÉLULA UNITÁRIA – Características importantes O volume da célula unitária para o sistema cúbico Depende do tamanho da aresta (parâmetro de rede) V = a˳³ Determina-se primeiramente como os átomos estão em contato (direção de empacotamento fechado, ou de maior empacotamento) Para determinar o tamanho da aresta, relacionamos a com os raios atômicos (geometricamente) Parâmetros de rede numa estrutura cristalina São seis os parâmetros de rede: Os 3 comprimento das arestas a, b, c Os 3 ângulos entre os eixos a,b,g ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS a˳= r+rExemplo 2: Determine a relação entre o raio atômico e o parâmetro da rede cristalina para as células unitárias do sistema cristalino cúbico (CS, CFC, CCC). r rCúbica Simples (CS) Contato entre os átomos ocorre através da aresta da célula unitária a˳ ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Exemplo 2: Determine a relação entre o raio atômico e o parâmetro da rede cristalina para as células unitárias do sistema cristalino cúbico (CS, CFC, CCC). r 2r rCúbica de Face Centrada (CFC) Contato entre os átomos ocorre através da diagonal da face da célula unitária d=4r d²= a˳² + a˳² (4r) ² = 2 a˳²a˳ ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Exemplo 2: Determine a relação entre o raio atômico e o parâmetro da rede cristalina para as células unitárias do sistema cristalino cúbico (CS, CFC, CCC). Cúbica de Corpo Centrado ( CCC ) Diagonal DiagonalContato entre os átomos ocorre através da diagonal do cubo da célula unitária d c ²= a˳² + (a˳√2)² d c ²= a˳² +2a˳² (4r) ² = 3a˳²Lateral: d=a√2 do Cubo: d=a√3 d cubo =4r CÉLULA UNITÁRIA – Sistema Cúbico ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Cúbica Simples (CS) Cúbica de Face Centrada (CFC)Cúbica de Corpo Centrado (CCC) 1 átomos 4 átomos 2 átomos ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Exemplo3: O raio atômico do ferro é 1,24 Å Calcule o parâmetro de rede do Fe CCC e CFC. Fe CCC Fe CFC a˳= 2,86 Å a˳= 3,51 Å CÉLULA UNITÁRIA – Características importantes FEA ou FE = (n° átomos / célula) * volume cada átomo volume da célula unitáriaFator de Empacotamento ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Exemplo 4: Calcule o fator de empacotamento do sistema cúbico. Cúbica Simples (CS) Cúbica de Face Centrada (CFC) Cúbica de Corpo Centrado (CCC) ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Rede HC Pode ser representada por um prisma de base hexagonal, com átomos na base e topo, e um plano de átomos no meio da altura. Número de coordenação O número de coordenação é o número de vizinhos mais próximos, depende de: Covalência: o número de ligações covalentes que um átomo pode compartilhar; Fator de empacotamento cristalino. ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Número de coordenação Cúbica Simples (CS) NC=6 Número de coordenação Cúbica de Corpo Centrado (CCC) NC=8 Número de coordenação Cúbica de Face Centrada (CFC) NC=12 Número de coordenação Hexagonal Compacta(HC) NC=12 Empilhamento Ótimo 3D.O fator de empilhamento de 0,74, obtido nas redes CFC e HC, é o maior possível para empilhar esferas em Empilhamento Ótimo Densidade O conhecimento da estrutura cristalina permite o cálculo da densidade dos materiais: ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Densidade (n° átomos / célula) * massa at ô mica de cada átomo volume da célula unitária * (n° de Avogadro) r=A densidade teórica de um cristal pode ser calculada usando-se as propriedades da estrutura cristalina. n° de Avogadro = 6.022 × 10 23 Exemplo 5: Determine a densidade do Fe CCC, que tem um a˳ de 2,866 Å. Átomos/célula = 2 átomos Massa atômica = 55,85 g/g.mol Volume da célula unitária = a˳³= 23,55 10⁻²⁴cm³/célula Número de Avogadro = 6,02 10²³ átomos/g.mol A densidade medida é 7,870 mg/m³. Exemplo 6: O Cobre (Cu) possui um raio atômico de 0,128 nm numa estrutura CFC e com peso atômico (massa molar) de 63,55 g/mol. Calcule a densidade do cobre. Átomos/célula = 4 átomos Massa atômica = 63,55 g/g.mol Volume da célula unitária = a˳³= (2R√2) ³ = (2*1,28x10-8√2)cm³/célula Número de Avogadro = 6,02 10²³ átomos/g.mol r=(4 átomos) * 63,5 g/g.mol (2*1,28x10-8*√2)cm³* (6,02 10²³átomos/g.mol) 8,89 g/cm³ A densidade medida é 8,84 mg/cm³. Alotropia ou transformações polimórficas Geralmente as transformações polimórficas são acompanhadas de mudanças na densidade e mudanças de outras propriedades físicas. Diagrama de fases do Ferro (PxT) Exemplo 7: Calcule a mudança de volume que ocorre quando o Fe CCC é aquecido e transforma-se em Fe CFC. Na transformação o parâmetro de rede muda de aCCC = 2,863Å para aCFC = 3,591Å. DIREÇÕES E PLANOS NO CRISTAL Direções da célula unitária Algumas direções da célula unitária são de particular importância, por exemplo os metais se deformam ao longo da direção de maior empacotamento. As propriedades de muitos materiais são direcionais, ou seja, dependem da direção cristalográfica na qual as medições são feitas. Ex. módulo de elasticidade, condutividade elétrica, índice de refração.(ANISOTROPIA). Os índices de Miller das direções são usados para descrever estas direções. ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Para descrever uma estrutura cristalina é necessário escolher uma notação para posições, direções e planos: Posições São definidas dentro de um cubo com lado unitário. Z Y X Por exemplo o módulo de elasticidade do Fe CCC é maior na diagonal do cubo que na direção da aresta Coordenadas dos pontos Pode-se localizar os pontos das posições atômicas da célula unitária cristalina construindo-se um sistema de eixos coordenados. ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS DIREÇÕES E PLANOS NO CRISTAL Para descrever uma estrutura cristalina é necessário escolher uma notação para posições, direções e planos: Direções São definidas a partir da origem; As coordenadas são dadas pelos pontos que cruzam o cubo unitário; Se os números forem fracionais, estes podem ser multiplicados por facilidade de visualização no gráfico xyz. ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS ÍNDICES DE MILLER PARA DIREÇÕES: Definir dois pontos por onde passa a direção Definir o ponto alvo e origem, fazendo-se: ALVO-ORIGEM Eliminar as frações e reduzir ao m.m.c. Escrever entre colchetes, e se houver n° negativo o sinal é colocado sobre o n°. ou [uvw] (Literatura) ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Direções da célula unitária Exemplo 8: Determine os Índices de Miller das direções A, B e , da figura abaixo. Direção A: 1. alvo= 1, 0, 0; origem= 0, 0, 0 alvo - origem = 1, 0, 0 sem frações 4. [1 0 0] Direção C: Direção B: 1. alvo= 1,1,1; origem= 0, 0, 0 alvo - origem = 1, 1, 1 sem frações 4. [1 1 1] 1. alvo= 0, 0, 1; origem= 1/2, 1, 0 2. alvo - origem = -1/2, -1, 1 3. 2 (-1/2, -1, 1) = -1, -2, 2 - - 4. [1 2 2] ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Direções da célula unitária Algumas observações: direção e suas múltiplas são idênticas índices de Miller simétricos não são da mesma direção (direções e suas negativas não são idênticas) FAMÍLIA DE DIREÇÕES: conjunto de Índices de Miller onde todos tem mesma simetria. Exemplo para simetria cúbica: Direções da célula unitária - Para o sistema cúbico: A simetria da estrutura permite que as direções equivalentes sejam agrupadas: ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Família de direções: <100> para as faces <110> para as diagonais das faces <111> para a diagonal do cubo CFC - direções <111> empacotamento atômico fechado CCC - direções <110> Empacotamento atômico fechado ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Direções da célula unitária Como já vimos, as redes CFC e HC, são as mais densas do ponto de vista volumétrico; Em cada rede, existe um certo número de planos e direções compactos: As direções compactas estão contidas em planos compactos; As direções e os planos serão fundamentais para a compreensão da deformação plástica; A deformação plástica se dá, comumente, através dos deslizamentos entre os planos. - - Direções da célula unitária Outra maneira de caracterizar as direções é através da distância de repetição, fator de empacotamento e densidade linear. DENSIDADE LINEAR: É o número de átomos por unidades de comprimento. número de átomos unidade de comprimento r l = ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS número de átomos r l = unidade de comprimentoExemplo 9: Calcular a densidade linear na direção [1 0 0] para o potássio. . repete o centro de um átomo. É o inverso da densidade linear DE REPETIÇÃO: em quanto se De quanto DISTÂNCIA FATOR DE EMPACOTAMENTO LINEAR: É quanto da direção está definitivamente coberta por átomos.ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Exemplo 10: Calcule a distância de repetição, densidade linear e o fator de empacotamento para a direção [1 1 1] do Cu CFC. (ao=3,6151 A) ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Planos Um cristal possui planos de átomos que influenciam as propriedades e o comportamento de um material. Os Índices de Miller também são determinados para planos.ÍNDICES DE MILLER PARA PLANOS: Definir três pontos onde o plano corta x, y e z. Calcular os recíprocos dos valores obtidos. Eliminar as frações sem reduzir ao m.m.c. Escrever entre parênteses, e se houver n° negativo o sinal é colocado sobre este n°. OBS.: Se o plano passar pela origem, desloque-a. ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Planos figura abaixo.Exemplo 11: Determine os Índices de Miller para os planos A, B e C da ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Planos Exemplo 12: Esboce dentro de uma célula unitária cúbica os seguintes planos. A-)(011) B-)(112) C-)(131) Planos Observações importantes: Iguais Índices de Miller para direção e plano, significa que estes apresentam perpendicularidade. Exemplo: (1 0 0) Ⱶ [1 0 0] Índices de Miller simétricos são o mesmo plano, depende apenas do referencial (planos e seus negativos são idênticos). Exemplo: (0 2 0) ≡ (0 2 0) Planos e seus múltiplos não são idênticos (densidade planar diferente). ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Planos DENSIDADE PLANAR: É o número de átomos por unidades de área. FATOR DE EMPACOTAMENTO PLANAR: É quanto da área está efetivamente coberta por átomos. Planos - DENSIDADE PLANAR O deslizamento é mais provável em planos e direções compactas, porque nestes casos a distância que a rede precisa se deslocar é mínima; Dependendo da simetria da estrutura, outros sistemas de deslizamento podem estar presentes. ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Planos DISTÂNCIA INTERPLANAR: É a distância de dois planos com mesmos índices de Miller. Para o sistema cúbico ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Exemplo 13: Calcule a densidade planar e o fator de empacotamento planar para os planos (0 1 0) e (0 2 0), para o sistema cúbico simples do polônio, o qual tem a˳= 3,34 10̄⁸cm. ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Exemplo 14: Calcule a distância interplanar entre dois planos adjacentes (1 1 1) no ouro, que tem a ˳ = 4,0786 Å. Família de planos: em cada célula unitária os planos formam um grupo equivalente que tem índices particulares devido a orientação de suas coordenadas. ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS FAMÍLIA DE PLANOS {110} é paralelo a um eixo FAMÍLIA DE PLANOS {111} ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Planos A simetria do sistema cúbico faz com que a família de planos tenha o mesmo arranjo e densidade Deformação em metais envolve deslizamento de planos atômicos Deslizamento ocorre mais facilmente nos planos e direções de maior densidade atômica Estrutura hexagonal simples Metais normalmente não cristalizam no sistema hexagonal simples (o fator de empacotamento é muito baixo) Cristais com mais de um tipo de átomo podem cristalizar neste sistema ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Estrutura hexagonal compacta O sistema Hexagonal Compacta é mais comum nos metais (ex: Mg, Zn) Neste sistema cada átomo em seu nível está localizado acima ou abaixo do interstício de 3 átomos de níveis adjacentes. Estrutura hexagonal compacta O número de coordenação deste sistema é 12, pois cada átomo toca 3 átomos no seu nível inferior, seis no seu próprio plano e mais três no nível superior ao seu, resultando em um. A razão c/a ideal é 1,633, mas a maioria dos metais tem essa razão modificada devido a presença de ligações não metálicas. ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Chamados índices de Miller Bravais, devido a modificação em relação ao sistema cristalino Estabelece-se 4 eixos, 3 coplanares Tem-se 4 interseções e 4 índices de Miller Índices de Miller Bravais: h k i l onde: h + k = - i Similar aos índices de Miller para plano da estrutura cristalina cúbica, determina-se os Índices de Miller Bravais. ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Índices de Miller para a Célula Hexagonal Direções na célula unitária hexagonal Eixos: a₁, a₂, a₃ e c Obs.: Na maioria das literaturas [uvtw] e a₁, a₂, a₃ e z ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Índices de Miller direcional para a Célula Hexagonal Analogamente [h’k’l’] -> [hkil] h= 1/3(2h’- k’) k= 1/3(2k’- h’) t= -(h+k) l= l’ ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Exemplo 15: Determine os índices de Miller para os planos A e B e para as direções C e D ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Características de cristais metálicos comuns ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS CRISTAIS IÔNICOS Muitos materiais cerâmicos possuem ligações PREDOMINANTEMENTE iônicas entre ânions e cátions. possuem estruturas cristalinas que asseguram a neutralidade elétrica. Relação de raios: ânion (geralmente maior) e cátion determina o tipo de arranjo cristalino. Considera-se que o ânion vai formar a rede cristalina e o cátion preencherá os vazios da rede. ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS Sítios intersticiais ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS CRISTAIS COVALENTES Estruturas do Diamante Ocupação de interstícios Totalmente covalente Forma metaestável ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS POLÍMEROS Tipicamente: amorfos (ordem a curto alcance) Sob condições especiais: estrutura cristalina. Ex.: polietileno ->estrutura ortorrômbica Defeitos Puntiformes e Soluções Sólidas Defeitos de Linha (Discordâncias) Defeitos Bidimensionais e de Planos Encruamento e Deformação Interstícios Octaédricos e Tetraédricos DEFEITOS NA ESTRUTURA CRISTALINA Os chamados “cristais reais”, ou seja, não perfeitos, possuem inúmeros defeitos, que são classificados por sua dimensionalidade: Defeitos Pontuais (Nenhuma Dimensão) Vacâncias; Impurezas intersticiais e substitucionais. Defeitos Lineares (Uma Dimensão) Discordâncias. Defeitos Planares (Duas Dimensões) Interfaces e fronteiras de grãos. Defeitos Volumétricos (Três Dimensões) Vazios, fraturas, inclusões e outras fases. DEFEITOS NA ESTRUTURA CRISTALINA Todos os materiais apresentam imperfeições no arranjo de seus átomos, que reflete no comportamento do mesmo. Controlar as imperfeições, significa obter materiais com diferentes propriedades e para novas aplicações. Podem existir diferentes tipos de imperfeições na rede: vibrações da rede: quantizadas por fônons defeitos pontuais: vacâncias, átomos intersticiais, átomos substitucionais, defeito Frenkel e Schottky; defeitos lineares: discordâncias; defeitos planares: superfícies interna e externa e interfaces (falhas de empilhamento, contorno de fases, superfícies livres); defeitos volumétricos: estruturas amorfas ou não-cristalinas DEFEITOS NA ESTRUTURA CRISTALINA Defeitos pontuais Podem ser classificados segundo: - vacância DEFEITOS NA ESTRUTURA CRISTALINA FORMA átomo intruso ou intersticial schottky frenkel ORIGEM DO DEFEITO ESTEQUIOMETRIA intrínseco extrínseco não estequiométrico sub rede de cátions sub rede de ânions Defeitos Pontuais VACÂNCIAS: Também denominado de lacuna É a falta de um átomo na rede cristalina Pode resultar do empacotamento imperfeito na solidificação inicial, ou decorrer de vibrações térmicas dos átomos em temperaturas elevadas DEFEITOS NA ESTRUTURA CRISTALINA Vacância O número de vacâncias varia com a temperatura onde: nv: n° de vacâncias/cm³ n: n° de pontos na rede/cm³ Q: energia necessária para produzir a vacância (J/mol) R: cte dos gases (8,31 J/molK) T: temperatura em K Exemplo 16: Calcule o n° de vacâncias por centímetro cúbico e o percentual de vacâncias por átomo de cobre (Cu), quando o cobre está (a) a temperatura ambiente, (b) 1084°C. Aproximadamente 83600 J/mol são requeridos para produzir uma vacância no cobre. Dados: a0= 3,6151 x 10⁻⁸cm Q = 83600 J/mol R = 8,31J/mol K DEFEITOS NA ESTRUTURA CRISTALINA Exemplo 16: Solução Exemplo 17: Calcule o n° de vacâncias por metro cúbico de cobre (Cu),quando está a 1000°C. A energia de formacao de vacância equivale a 0.9 eV/atom; O peso atomico e a densidade (a 1000°C) para o cobre sao 63.5 g/mol e 8.4 g/cm³, respectivamente. DEFEITOS NA ESTRUTURA CRISTALINA Exemplo 18: O ferro tem a densidade medida de 7,87 mg/m3. O parâmetro de rede do Fe CCC é 2,866 A. Calcule a percentagem de vacâncias no ferro puro. Dados: a0= 2,866 Å MFe= 55,85g/gmol R = 8,31J/mol K DEFEITOS NA ESTRUTURA CRISTALINA Defeitos Pontuais DEFEITO INTERSTICIAL Quando um átomo é abrigado por uma estrutura cristalina, principalmente se esta tiver um baixo fator de empacotamento Consequência, distorção da rede. Defeitos Pontuais DEFEITO INTERSTICIAL Quando um átomo é deslocado de sua posição original por outro, e conforme o tamanho, pode (a) (b) aproximar os átomos da rede separar os átomos da rede. Defeitos Pontuais DEFEITO SUBSTITUCIONAL Os átomos do soluto ou átomos de impurezas tomam lugar dos átomos hospedeiros ou os substituem. Gera distorção na rede. DEFEITOS NA ESTRUTURA CRISTALINA Solubilidade e regras de Hume Rothery Para que haja total miscibilidade entre dois metais: Fator do tamanho atômico: Os raios atômicos dos dois elementos não devem diferir em mais de 15%; Estrutura cristalina: A estrutura cristalina dos dois elementos deve ser a mesma; Eletronegatividade: Não deve existir diferença significativa entre as eletronegatividades dos dois elementos, para que não haja a formação de compostos; Valências: Os dois elementos devem ter a mesma valência. DEFEITOS NA ESTRUTURA CRISTALINA A presença de impurezas substitucionais gera uma mistura entre os átomos das impurezas e os do material, gerando uma solução sólida. DEFEITOS NA ESTRUTURA DEFEITOS NA ESTRUTURA CRISTALINA Defeitos Pontuais DEFEITO FRENKEL Quando um íon desloca-se de sua posição no reticulado (formando uma lacuna) para uma posição intersticial Ocorre em compostos iônicos. Defeitos Pontuais DEFEITO SCHOTTKY Quando ocorre lacuna de um par de íons Ocorre para compostos que devem manter o equilíbrio de cargas opostas Ocorre somente em compostos iônicos. CRISTALINA DEFEITOS NA ESTRUTURA CRISTALINA Defeitos lineares Discordâncias: associadas a cristalização e a deformação Tipo de defeito responsável por Quantidade e movimento das discordâncias podem ser controlados origem: térmica, mecânica e supersaturação de defeitos pontuais deformação falha rompimento dos materiais pelo grau de deformação (conformação mecânica) e/ou por tratamentos térmicos DEFEITOS NA ESTRUTURA DEFEITOS NA ESTRUTURA CRISTALINA As discordâncias podem ser: Cunha ou aresta Hélice ou Espiral Mista DEFEITOS NA ESTRUTURA CRISTALINA As discordâncias: O tamanho e a direção da distorção do retículo cristalino, causada pela discordância é dada pelo vetor de Burgers (b). Discordância em aresta: formada por um semi-plano extra de átomos. O vetor de Burgers é perpendicular a linha de discordância (slide anterior) Discordância helicoidal: é paralela a direção na qual o cristal se desloca (vetor de Burgers paralelo a linha de discordância. DEFEITOS NA ESTRUTURA CRISTALINA Contorno de Grão Microestrutura de metais e outros materiais sólidos consistem de muitos grãos; Grão: porção de material onde o arranjo cristalino é idêntico, variando sua orientação; Contorno de grão: fronteira entre os grãos DEFEITOS NA ESTRUTURA CRISTALINA Contorno de Grão Contorno de Macla DEFEITOS NA ESTRUTURA CRISTALINA DEFEITOS NA ESTRUTURA CRISTALINA DEFEITOS NA ESTRUTURA CRISTALINA Encruamento Aumento da dureza e redução da ductilidade quando o material é submetido à deformação plástica através do trabalho a frio. Um metal cristalino contém em média 106 a 108 cm de discordâncias por cm3, enquanto que um metal severamente encruado apresenta cerca de 1012 cm de discordâncias por cm3. Limite de escoamento: é a tensão máxima que o material suporta ainda no regime elástico de deformação Y: Limite de escoamento Sr: Limite de resistência Ef: Ductilidade Aplicações da difusão Difusão atômica Difusão e processamento de materiais DIFUSÃO NO ESTADO SÓLIDO Taxa de difusão (lei de Vibrações atômicas Fick) É o fenômeno de transporte de material através do movimento dos átomos. Está associada ao transporte de massa que ocorre em um sistema quando nele existe um gradiente de concentração química. DIFUSÃO NO ESTADO SÓLIDO Difusão em Metais Puros e Soluções Sólidas “À primeira vista poderia parecer que a mudança de posição de um átomo no reticulado cristalino de um metal sólido devesse ser um fenômeno relativamente pouco freqüente, uma vez que a um corpo sólido se associa geralmente a idéia de rigidez e de ausência de movimento das partículas elementares de que é composto”. Corrêa da Silva DIFUSÃO NO ESTADO SÓLIDO De uma perspectiva atômica, a difusão é tão somente a migração em etapas dos átomos em um sítio para outro sítio do retículo cristalino. O fenômeno de difusão pode ser demonstrado mediante o uso de um par de difusão. DIFUSÃO NO ESTADO SÓLIDO Processos termicamente ativados Arrhenius– Equação de A difusão no estado sólido é um exemplo típico de fenômeno termicamente ativado. 213 DIFUSÃO NO ESTADO SÓLIDO Autodifusão DIFUSÃO NO ESTADO SÓLIDO Difusão substitucional Difusão intersticial DIFUSÃO NO ESTADO SÓLIDO Difusão ao longo de defeitos cristalinos – Superfície externa, contornos de grãos e defeitos lineares. DIFUSÃO NO ESTADO SÓLIDO Modelos para difusão em metais: Difusão por Lacunas Difusão Intersticial DIFUSÃO NO ESTADO SÓLIDO A difusão é um processo que depende do tempo; Para quantificar a rapidez com que o fenômeno da difusão se processa no tempo usamos o FLUXO DE DIFUSÃO (J). Se o Fluxo difusivo não variar ao longo do tempo, existe uma condição de estado estacionário. DIFUSÃO NO ESTADO SÓLIDO DIFUSÃO NO ESTADO SÓLIDO Para processos de difusão em estado estacionário, a equação que correlaciona o fluxo de difusão J com o gradiente de concentração dC/dx é chamada de PRIMEIRA LEI DE FICK. DIFUSÃO NO ESTADO SÓLIDO A maioria das situações práticas envolvendo difusão ocorre em condições de ESTADO NÃO-ESTACIONÁRIO; Figura: Perfil de concentração para um processo de difusão não estacionário, tomando em três diferentes instantes de tempo, t1, t2 e t3 Segunda Lei de Fick Para descrever a difusão em estado não-estacionário, é utilizada a equação diferencial parcial DIFUSÃO NO ESTADO SÓLIDO DIFUSÃO NO ESTADO SÓLIDO Segunda Lei de Fick DIFUSÃO NO ESTADO SÓLIDO Aplicações Industriais de Processos de Difusão – Cementação do Aço com Carbono Cementação do Aço com Carbono DIFUSÃO NO ESTADO SÓLIDO DIFUSÃO NO ESTADO SÓLIDO • Cementação do Aço com Carbono Aplicações Industriais de Processos de Difusão – Difusão de impurezas em bolachas de silício para circuitos integrados DIFUSÃO NO ESTADO SÓLIDO DIFUSÃO NO ESTADO SÓLIDO Difusão de impurezas em bolachas de silício para circuitos integrados Difusão de impurezas em bolachas de silício para circuitos integrados DIFUSÃO NO ESTADO SÓLIDO Temperatura Apresenta uma influência das mais profundas sobre os coeficientes e taxas de difusão. A dependência dos coeficientes de difusão em relação à temperatura se dá de acordo com a expressão. onde: Do, uma constante (m2/s); DGd, energia de ativação para difusão (J/mol); R, constante universal dos gases (8,31 J/mol.K); e T, temperaturaabsoluta (K). DIFUSÃO NO ESTADO SÓLIDO DIFUSÃO NO ESTADO SÓLIDO Coeficiente de Difusão Variáveis que afetam os valores do coeficiente de difusão: Tipo de mecanismo de difusão (subst. ou interst.); Temperatura; Tipo de estrutura cristalina do solvente; Tipo de defeitos cristalinos presentes; Concentração da espécie a difundir. DIFUSÃO NO ESTADO SÓLIDO Efeito Kirkendall DIFUSÃO NO ESTADO SÓLIDO Par de Difusão Difusão em não metais Compostos iônicos Apresenta algumas complicações adicionais Para a neutralidade ser mantida, dois tipos de defeitos de sinais opostos devem ser criados (lacuna aniônica e lacuna catiônica) Polímeros Somente moléculas da cadeia longa ou macromolécula (cristalização, recozimento e trefilação de fibras) Pequena molécula em um polímero (difusão penetrante) DIFUSÃO NO ESTADO SÓLIDO DIFUSÃO NO ESTADO SÓLIDO DIFUSÃO NO ESTADO SÓLIDO SOLIDIFICAÇÃO E CRISTALIZAÇÃO Endurecimento por solução sólida Estruturas de Solidificação: Metais puros e ligas Noções sobre a teoria de solidificação Nucleação homogênea e heterogênea Processos de nucleação e crescimento PROPRIEDADES Mecânicas: Conceitos de tensão e deformação Deformações elástica e plástica Ductilidade, tenacidade, fragilidade e resiliência Dureza dos materiais Ensaios de tração, compressão e flexão PROPRIEDADES Objetivo PROPRIEDADES Resistencia à tração PROPRIEDADES PROPRIEDADES Resistencia à tração Resistencia à tração PROPRIEDADES Conceitos de tensão e deformação PROPRIEDADES PROPRIEDADES PROPRIEDADES PROPRIEDADES PROPRIEDADES PROPRIEDADES PROPRIEDADES PROPRIEDADES PROPRIEDADES PROPRIEDADES PROPRIEDADES PROPRIEDADES 6.11 Tensão de projeto: Fator de segurança X tensão calculada Tensão admissível: Limite de escoamento Fator de segurança Segurança de Projeto )Um arame de 80m de comprimento e diâmetro de 5mm é feito de um aço com E=200GPa e tensão última de 400MPa. Se o coeficiente de segurança de 3,2 é desejado, qual é: (a) a maior tração admissível no arame; (b) o correspondente alongamento do arame? )Um corpo de prova de alumínio (isotrópico) tem diâmetro de 25mm e comprimento de referência 250mm. Se uma força de 165kN provocar um alongamento de 1,2mm no comprimento de referência, determine o módulo de elasticidade. Questão )1. 2. ) PROPRIEDADES PROPRIEDADES PROPRIEDADES PROPRIEDADES PROPRIEDADES PROPRIEDADES PROPRIEDADES PROPRIEDADES PROPRIEDADES PROPRIEDADES PROPRIEDADES PROPRIEDADES PROPRIEDADES PROPRIEDADES PROPRIEDADES Mecânicas: Conceitos de tensão e deformação Deformações elástica e plástica Ductilidade, tenacidade, fragilidade e resiliência Dureza dos materiais Ensaios de tração, compressão e flexão PROPRIEDADES Conceitos de tensão e deformação: Definições e conceitos básicos Desenvolvimento de microestruturas em ligas ferro-carbono Sistemas eutéticos binários Sistemas isomorfos binários DIAGRAMAS DE FASES Diagramas de fases são mapas que permitem prever a microestrutura de um material em função da temperatura e composição de cada componente Fase é uma porção homogênea do material que tem propriedades físicas ou químicas uniformes Diagrama de fase para o Magnésio: DIAGRAMAS DE FASES Os diagramas de fase podem representar sistemas: Solubilidade total Solubilidade parcial Insolubilidade DIAGRAMAS DE FASES DIAGRAMAS DE FASES Interpretação: Fases presentes- localiza-se a temperatura e composição desejada e verifica-se o número de fases presentes Composições dessas fases Porcentagem das fases- quantidades relativas das fases (regra da alavanca) Diagrama de fases para Titânio: DIAGRAMAS DE FASES Definir a Composição das fases: Constrói-se uma linha de amarração através da região bifásica à temperatura da liga; Anotam-se as intersecções da linha de amarração com as fronteiras entre as fases em ambos os lados; Traçam-se linhas perpendiculares à linha de amarração a partir dessas intersecções até o eixo horizontal das composições, onde a composição em cada uma das respectivas fases pode ser lida. DIAGRAMAS DE FASES Linha de amarração é construída através da região bifásica na temperatura da liga A composição global da liga é localizada sobre a linha de amarração A fração de uma fase é calculada tomando-se o comprimento da liga de amarração desde a composição global até a fronteira entre fases com a outra fase e então dividindo-se esse valor pelo comprimento total A fração da outra fase é determinada de maneira semelhante DIAGRAMAS DE FASES DIAGRAMAS DE FASES DIAGRAMAS DE FASES DIAGRAMAS DE FASES - Reações eutética peritética monotética eutétóide peritetóide DIAGRAMAS DE FASES Identificando as reações DIAGRAMAS DE FASES DIAGRAMAS DE FASES DIAGRAMAS DE FASES DIAGRAMAS DE FASES Ferro - Carbono DIAGRAMAS DE FASES Concentração Eutetóide DIAGRAMAS DE FASES Concentração Hipoeutetóide DIAGRAMAS DE FASES Concentração hipereutetóide DIAGRAMAS DE FASES Determine as fases presentes, a composição e a quantidade de cada fase em porcentagem de peso para a liga Ni-50% Cu a 1150oC, 1270oC e 1400oC. DIAGRAMAS DE FASES Determine as fases presentes, a composição e a quantidade de cada fase em porcentagem de peso para a liga Ni-40% Cu a 1200oC, 1250oC e 1300oC. Determine as fases presentes, a composição e a quantidade de cada fase em porcentagem de peso para a liga Ni-70% Cu a 1300oC, 1360oC e 1370oC. DIAGRAMAS DE FASES Para uma liga 30%Pb-Sn, determine quais as fases presentes, sua proporção e composição a 300, 200, 184 e 0oC. DIAGRAMAS DE FASES Para uma liga 80%Pb-Sn, determine quais as fases presentes, sua proporção e composição a 300, 200, 184 e 0oC. Calcule a proporção e a composição de cada microconstituinte em uma liga de Fe-0,25% C a 700oC DIAGRAMAS DE FASES Defina as seguintes reações: eutética; eutetóide; peritética; peritetóide; monotética. Defina ferrita, cementita, perlita e austenita. DIAGRAMAS DE FASES TRATAMENTOS TÉRMICOS E TERMOQUÍCOS Aquecimento e Resfriamento em Condições Controladas Tipos de Tratamento Térmico Tratamento Térmico: Definição Tratamentos termoquímicos mais comuns: cementação e nitretação TRATAMENTOS TÉRMICOS Operações de aquecimento e resfriamento controlados, que visam afetar características de aços e ligas especiais, são denominados tratamentos térmicos. TRATAMENTOS TÉRMICOS E TERMOQUÍCOS Recozimento O recozimento visa reduzir a dureza do aço, aumentar a usinabilidade, facilitar o tratamento a frio. Existem, basicamente, dois tipos principais de recozimento: Recozimento pleno /Usinabilidade Recozimento subcrítico/alívio de tensões Normalização Consiste na austenitização aço, seguida de resfriamento ao ar. É indicada para homogeneização da estrutura após forjamento e antes da têmpera. A normalização pode ser usada para melhorar a usinabilidade e o trabalho a quente. TRATAMENTOS TÉRMICOS E TERMOQUÍCOS Têmpera Consiste em resfriar o aço, após austenização, a uma velocidade suficientemente rápida para evitar as transformações perlíticas e bainíticas na peça. Dessemodo, obtém-se estruturas metaestável martensítica. Microestrutura da Martensita mostrando estrutura de agulhas TRATAMENTOS TÉRMICOS Revenimento No estado como temperado, martensita, além de ser muito dura, é tão frágil que ela não pode ser usada para a maioria das aplicações; também, quaisquer tensões internas que possam ter sido introduzidas durante a têmpera tem um efeito enfraquecedor. Para se atingir valores adequados de resistência mecânica e tenacidade deve-se, logo após a têmpera, proceder ao revenimento. TRATAMENTOS TÉRMICOS E TERMOQUÍCOS Martêmpera (Ligas) Visando diminuir parcialmente o problema das tensões de resfriamento na têmpera, desenvolveu-se o tratamento de martêmpera. Na martêmpera, o resfriamento é interrompido por alguns instantes a uma temperatura superior a de início de transformação martensítica, de modo a eliminar ou diminuir os gradientes térmicos, prosseguindo em seguida para a formação de martensita ETRATAMENTOS TÉRMICOS TERMOQUÍCOS Austêmpera É uma transformação isotérmica para produção de estrutura bainítica. O processo consiste em: bainítica. O processo consiste em: Austenitizar o aço Resfriamento rápido em banho de sal, óleo ou chumbo. Transformação da austenita em bainita. Resfriamento ao ar até a temperatura ambiente Microestrutura da Bainita contendo finíssimas agulhas das fases do Fe TRATAMENTOS TERMOQUÍCOS Cementação Consiste na introdução de carbono na superfície de aço, de modo que este, depois de tratado apresente uma depois de tratado apresente uma superfície mais dura. Deve-se partir de um aço com baixo carbono e aquecê-lo, geralmente, entre 815 a 950ºC. Podendo ser: Sólida Líquida Gasosa TRATAMENTOS TÉRMICOS E TERMOQUÍCOS Nitretação É o processo de introdução superficial de nitrogênio no aço, pelo aquecimento do mesmo entre 500 a aquecimento do mesmo entre 500 a 570ºC, para formar uma camada dura . Peças de constante atrito Aumenta a resistência ao desgaste, fadiga e corrosão. Usa gás Amônia ou Sais fundidos. Elétricas: As propriedades elétricas e aplicações Bandas de energia nos sólidos Isolantes Resistividade e condutividade elétrica PROPRIEDADES Ópticas, Térmicas e Magnéticas : Dispositivos óticos, térmicos e magnéticos Propriedades magnéticas de materiais: radiação eletromagnética, campos magnéticos, magnetização Propriedades óticas de materiais: refração, transmissão, reflexão, absorção Propriedades térmicas de materiais: capacidade calorífica, calor específico e condutividade térmica Outras: Degradação e fotodegradação Durabilidade e Reações químicas Mecanismos de oxidação Revisão Determine as fases presentes, a composição e a quantidade de cada fase em porcentagem de peso para a liga: Ni-70% Cu a 1150oC, 1220oC e 1280oC. Ni-30% Cu a 1300oC, 1360oC e 1370oC. Para uma liga 30%Pb-Sn, determine quais as fases presentes, sua proporção e composição a 300, 200, 184 e 0oC. Para uma liga 55%Pb-Sn, determine quais as fases presentes, sua proporção e composição a 300, 200, 184 e 50oC. Calcule a proporção e a composição de cada microconstituinte em uma liga de: Fe-0,25% C a 700oC; Fe-0,77% C a 700oC; Fe-0,4% C a 850oC; Fe-3% C a 900oC e 1200oC
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