Revisão Prova 1 Ciência e Engenharia de Materiais

Prévia do material em texto

REVISÃO PROVA 1 - CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS 
 
 
Capítulo 1 – Introdução 
 
Ciência dos Materiais: relação entre estrutura e propriedades. 
 
Engenharia de Materiais: projeto ou desenvolvimento da estrutura de um material para 
produzir um conjunto predeterminado de propriedades (baseado nas correlações estrutura-
propriedades). 
 
Cientista de Materiais: desenvolver ou sintetizar novos materiais. 
 
Engenheiro de Materiais: criar novos produtos ou sistemas utilizando materiais existentes 
e/ou desenvolver técnicas de processamento de materiais. 
 
Amostra de Óxido de Alumínio: material monocristalino (transparente), material 
policristalino (completamente denso, não poroso, translúcido), material policristalino 
(contém aproximadamente 5% de porosidade, opaco). 
 
 
Capítulo 2 – Estrutura Atômica e Ligação Interatômica 
 
Número Atômico (Z): número de prótons do núcleo = número de elétrons (átomo neutro). 
 
Massa Atômica (A): soma das massas dos prótons e nêutrons do núcleo. 
 
Isótopo: átomos do mesmo elemento que possuem massas atômicas diferentes. O peso 
atômico de um elemento corresponde à média ponderada das massas atômicas dos 
isótopos do átomo que ocorrem naturalmente. 
 
1 mol – 6,023x1023 átomos ou moléculas 
 
 
 
 
 
A teoria da Mecânica Quântica postula que o elétron não 
pode ser considerado como uma partícula que possui uma 
órbita com um raio definido. Existe a probabilidade de que 
o elétron seja encontrado em algumas posições. A 
localização do elétron é, então, melhor descrita como uma 
distribuição de densidade de probabilidade, que é também 
chamada de nuvem eletrônica. 
 
 
 
 
 
 
Elétrons de Valência: são aqueles que ocupam a camada preenchida mais externa. 
 
 
Forças e Energias de Ligação: a força resultante ou total FT entre os dois átomos é 
exatamente a soma das componentes de atração e de repulsão, ou seja, FT = FA + FR que 
também é uma função da separação interatômica. Quando FA e FR se equilibram, ou se 
tornam iguais, não existe qualquer força resultante, isto é, FA + FR = 0. Nessa situação 
existe um estado de equilíbrio. Os centros dos dois átomos irão permanecer separados pela 
distância de equilíbrio ro. 
 
 
 
 
Dependência das 
forças atrativas, 
repulsivas e líquida 
sobre a separação 
interatômica para 
dois átomos isolados. 
 
 
 
 
 
 
Quanto mais próximo um átomo do outro, maior a força de atração. A tendência é que os 
átomos se encontrem em uma posição de equilíbrio uns em relação aos outros. 
 
 
 
A energia para separar dois átomos, é dita energia de ligação. 
 
Ligações Primárias: ligações fortes, são criadas quando há interação direta entre dois ou 
mais átomos. Quanto maior o número de elétrons por átomos que participam do processo, 
mais forte a conexão entre os átomos. 
 
a) Ligação Iônica: ela é encontrada sempre nos compostos cuja composição envolve tanto 
elementos metálicos como elementos não-metálicos. A ligação iônica é denominada não-
direcional, isto é, a magnitude da ligação é igual em todas as direções ao redor de um íon. 
 
b) Ligação Covalente: a ligação covalente é direcional. Muitas moléculas elementares de 
ametais (H2, Cl2, F2, etc), assim como moléculas que contêm átomos diferentes, tais como 
CH4, H2O, HNO3 e HF, são ligadas covalentemente. Esse tipo de ligação é encontrado em 
sólidos elementares, tais como o diamante (carbono), o silício e o germânio. 
 
c) Ligação Metálica: a ligação metálica, o último tipo de ligação primária, é encontrada nos 
metais e nas suas ligas. A ligação metálica exibe uma natureza não-direcional. 
 
Ligações Secundárias: as ligações secundárias, de Van Der Waals, ou físicas são ligações 
fracas em comparação às ligações primárias, ocorrem devido a interação indireta de 
elétrons em átomos adjacentes ou moléculas. As forças de ligação secundárias surgem a 
partir de dipolos atômicos ou moleculares. Essencialmente, um dipolo elétrico existe 
sempre que há alguma separação entre as partes positiva e negativa de um átomo ou 
molécula. A ligação de hidrogênio, um tipo especial de ligação secundária, existe entre 
algumas moléculas que possuem hidrogênio como um dos seus constituintes. 
 
a) Dipolo: existe quando há uma separação das porções negativas e positivas de um átomo 
ou molécula. Ligação ocorre pela atração Coulombiana. 
 
b) Ligação de Hidrogênio: ligação secundária, encontrada em moléculas que possuem o H 
como um de seus constituintes. 
 
c) Dipolo Induzido Flutuante: distribuição espacial dos elétrons simétrica em relação ao 
núcleo. Tipo mais fraco de ligação secundária. 
Movimentos vibracionais → Distorções instantâneas → Formação de dipolos 
Induz átomos ou moléculas adjacentes a se tornarem dipolos → Atraídas pelo primeiro 
 
d) Moléculas Polares e Dipolos Induzidos: podem induzir dipolos em moléculas apolares 
adjacentes. 
Moléculas polares → Dipolos permanentes 
Energia de ligação → Dipolos induzido flutuante 
 
e) Dipolos Permanentes: moléculas polares adjacentes, energia de ligação 
significativamente maiores que dipolos induzido flutuante, ligação de H (HF, H2O, HN3). 
Tipo mais forte de ligação secundária. 
 
 
Capítulo 3 – Estrutura dos Sólidos Cristalinos 
 
Material Cristalino: é aquele em que os átomos estão posicionados em um arranjo repetitivo 
ou periódico ao longo de grandes distâncias atômicas; isto é, existe uma ordem de longo 
alcance. 
 
Material Não-cristalino ou Amorfo: naqueles materiais que não se cristalizam, essa ordem 
atômica de longo alcance está ausente. 
 
Estrutura Cristalina: algumas das propriedades dos sólidos cristalinos dependem da 
estrutura cristalina do material, ou seja, da maneira segundo a qual os átomos, íons ou 
moléculas estão espacialmente arranjados. 
 
Rede Cristalina: significa um arranjo tridimensional de pontos que coincidem com as 
posições dos átomos (ou os centros das esferas). 
Células Unitárias: a ordenação dos átomos nos sólidos cristalinos indica que pequenos 
grupos de átomos formam um padrão repetitivo. Ao descrever as estruturas cristalinas, com 
frequência torna-se conveniente subdividir a estrutura em pequenas entidades que se 
repetem, chamadas de células unitárias. 
 
Cúbica de Faces Centradas (CFC): na estrutura cristalina CFC, cada átomo em um vértice 
é compartilhado por oito células unitárias, enquanto um átomo localizado no centro de uma 
face pertence a apenas duas células unitárias. 
 
𝑎 = 2𝑅√2 
Número de Coordenação: 12 
Fator de Empacotamento Atômico (FEA): 0,74 
 
Cúbica de Corpo Centrado (CCC): dois átomos estão associados a cada célula unitária 
CCC: o equivalente a um átomo devido aos oito vértices do cubo, onde cada átomo é 
compartilhado por oito células unitárias, e ao átomo no centro do cubo, que se encontra 
totalmente contido no interior de sua célula unitária. 
 
𝑎 =
4𝑅
√3
 
Número de Coordenação: 8 
Fator de Empacotamento Atômico (FEA): 0,68 
 
Hexagonal Compacta (HC): os átomos nesse plano intermediário possuem como vizinhos 
mais próximos átomos nos dois planos adjacentes. O equivalente a seis átomos está 
contido em cada célula unitária: um sexto de cada um dos 12 átomos localizados nos 
vértices das faces superior e inferior, metade de cada um dos dois átomos no centro das 
faces superior e inferior e todos os três átomos interiores do plano intermediário. Se a e c 
representam as dimensões menor e maior da célula unitária, a razão c/a deve ser de 1,633. 
 
Número de Coordenação: 12 
Fator de Empacotamento Atômico (FEA): 0,74 
 
Massa Específica Teórica: 
𝜌 =
𝑛𝐴
𝑉𝐶𝑁𝐴
 
 
Polimorfismo e Alotropia: alguns metais, assim como alguns ametais, podem ter mais do 
que uma estrutura cristalina, um fenômeno conhecido como polimorfismo. Um exemplo 
familiar é encontrado no carbono: a grafita é o polimorfo estável sob condições ambientes, 
enquanto o diamanteé formado sob pressões extremamente elevadas. 
Polimorfismo: mesmo metal pode ter mais de uma estrutura cristalina; 
Alotropia: condição em sólidos elementares. 
 
Direções Cristalinas: 
 
Cúbico: 
1. Usando um sistema de coordenadas, determine as coordenadas de dois pontos que 
estejam sobre uma linha na direção de interesse. 
2. Subtraia as coordenadas do primeiro ponto, das coordenadas do segundo ponto para 
determinar o número de parâmetros da rede percorridos na direção de cada eixo. 
3. Elimine as frações e reduza os resultados para o inteiro mais próximo. 
4. Coloque os números entre colchetes com uma linha acima de números negativos [uvw]. 
 
Hexagonal: isso é resolvido com a utilização de um sistema de coordenadas com quatro 
eixos, ou de Miller-Bravais. Os três eixos a1, a2 e a3 estão todos contidos em um único plano 
(chamado de plano basal) e formam ângulos de 120° entre si. O eixo z é perpendicular a 
esse plano basal. 
[𝑢′𝑣′𝑤′] → [𝑢𝑣𝑡𝑤] 
𝑢 =
1
3
(2𝑢′ − 𝑣′) 
𝑣 =
1
3
(2𝑣′ − 𝑢′) 
𝑢 = −(𝑢 + 𝑣) 
𝑤 = 𝑤′ 
 
Família de Direções < >: conjunto de direções, direções equivalentes (espaçamento entre 
os átomos ao longo de cada direção é o mesmo). 
 
Planos Cristalinas: 
 
Cúbico: 
1. Se o plano passa pela origem selecionada, um outro plano paralelo deve ser construído 
no interior da célula unitária mediante uma translação apropriada ou uma nova origem 
deve ser estabelecida no vértice de uma outra célula unitária. 
2. O plano cristalográfico ou interceptará cada um dos três eixos ou será paralelo a algum 
dos eixos; o comprimento da interseção do plano com cada eixo é determinado em 
termos dos parâmetros da rede cristalina a, b e c. 
3. Os valores inversos desses números são calculados. Um plano que é paralelo a um 
eixo pode ser considerado como tendo uma interseção no infinito e, portanto, um índice 
igual a zero. 
4. Esses três números são modificados para o conjunto de menores números inteiros pela 
multiplicação ou divisão por um fator comum. 
5. Os índices inteiros, são colocados entre parênteses , obtendo-se (hkl). 
 
Hexagonal: equivalente ao que ocorre com as direções, esquema com quatro índices (hkil). 
𝑖 = −(ℎ + 𝑘) 
 
Família de Planos { }: contém todos aqueles planos que são cristalograficamente 
equivalentes; possuem mesmo empacotamento atômico. 
 
Densidade Linear e Planar: a equivalência direcional está relacionada à densidade linear 
no sentido de que, para um material específico, direções equivalentes possuem densidades 
lineares idênticas. O parâmetro correspondente para planos cristalográficos é a densidade 
planar e planos com mesmos valores para a densidade planar também são equivalentes. 
 
A densidade linear (DL) é definida como o número de átomos por unidade de comprimento 
cujos centros estão sobre o vetor direção para uma direção cristalográfica específica, 
unidade é o inverso do comprimento (ex.: nm-1, m1). 
𝐷𝐿 =
𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 á𝑡𝑜𝑚𝑜𝑠 𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑛𝑜 𝑣𝑒𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑖𝑟𝑒çã𝑜 
𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑜 𝑣𝑒𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑖𝑟𝑒çã𝑜
 
 
 
A densidade planar (DP) é definida como o número de átomos por unidade de área que 
estão contidos em um plano cristalográfico específico, unidade é o inverso da área (ex.: nm-
2, m-2). 
𝐷𝑃 =
𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 á𝑡𝑜𝑚𝑜𝑠 𝑛𝑜 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑜 
á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑜 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑜
 
 
Monocristal: para um sólido cristalino, quando o arranjo periódico e repetido dos átomos é 
perfeito ou se estende ao longo da totalidade da amostra, sem interrupções, o resultado é 
um monocristal. 
 
Policristalino: a maioria dos sólidos cristalinos é composta por um conjunto de muitos 
cristais pequenos ou grãos; tais materiais são chamados de policristalinos. 
 
Contorno de Grão: existe algum desalinhamento dos átomos na região onde dois grãos se 
encontram; essa área, é chamada de contorno de grão. 
 
Anisotropia: as propriedades físicas dos monocristais de algumas substâncias dependem 
da direção cristalográfica na qual as medições são feitas. Essa direcionalidade das 
propriedades é denominada anisotropia e está associada à variação do espaçamento 
atômico ou iônico em função da direção cristalográfica. 
 
Sólidos Não-cristalinos: foi mencionado que os sólidos não-cristalinos são carentes de um 
arranjo atômico regular e sistemático ao longo de distâncias atômicas relativamente 
grandes. Algumas vezes, esses materiais também são chamados de amorfos (significando, 
literalmente, sem forma) ou de líquidos super-resfriados. 
 
 
Capítulo 4 – Imperfeições nos Sólidos 
 
Defeito Cristalino: designamos uma irregularidade na rede tendo uma ou mais de suas 
dimensões da ordem de um diâmetro atômico. 
 
Motivos para Formação dos Defeitos: Devido à agitação térmica, os átomos de um cristal 
estão sempre vibrando; Quanto maior a energia térmica (temperatura), maior será a chance 
de átomos saírem de suas posições, deixando um vazio em seu lugar; Na rede cristalina 
existem inúmeros interstícios, nos quais é possível alojar outros átomos; Praticamente 
impossível de se obter um metal puro. Sempre haverá impurezas na rede cristalina. 
 
Lacuna: o mais simples dos defeitos é a lacuna, ou um sítio vago na rede cristalina, o qual 
normalmente deveria estar ocupado e que apresenta a falta de um átomo. Todos os sólidos 
cristalinos contêm lacunas e, na realidade, não é possível criar um material que seja isento 
desse tipo de defeito. 
 
Auto-Intersticial: consiste em um átomo do cristal que se encontra comprimido em um 
sítio intersticial, que é um pequeno espaço vazio que, sob circunstâncias normais, não é 
ocupado. 
 
Impurezas nos Sólidos: um metal puro que consiste em apenas um tipo de átomo é 
simplesmente impossível; impurezas ou átomos diferentes estarão sempre presentes e 
alguns irão existir como defeitos pontuais no cristal. 
Ligas – onde átomos de impureza foram adicionados intencionalmente para conferir 
características específicas ao material. A formação de ligas é utilizada nos metais para 
melhorar a resistência mecânica e a resistência à corrosão. 
Solução Sólida – a adição de átomos de impurezas a um metal irá resultar na formação de 
uma solução sólida e/ou de uma nova segunda fase. 
Soluto, Solvente – os termos soluto e solvente são termos comumente empregados. 
“Solvente” representa o elemento ou composto que está presente em maior quantidade. Os 
átomos de solvente também são chamados de átomos hospedeiros. “Soluto” é usado para 
indicar um elemento ou composto que está presente em menor concentração. 
 
Solução Sólida: uma solução sólida se forma quando, à medida que os átomos de soluto 
são adicionados ao material hospedeiro, a estrutura cristalina é mantida e nenhuma nova 
estrutura é formada. Uma solução sólida também é homogênea em termos de composição; 
os átomos de impurezas estão distribuídos aleatória e uniformemente no interior do sólido. 
Nas soluções sólidas são encontrados defeitos pontuais devido à presença de impurezas. 
Esses defeitos podem ser de dois tipos: substitucional e intersticial. No caso dos defeitos 
substitucionais, os átomos de soluto ou átomos de impureza repõem ou substituem átomos 
hospedeiros. 
Solução Sólida Substitucional – esses dois elementos são completamente solúveis um no 
outro, em todas as proporções. 
Solução Sólida Intersticial – os átomos de impureza preenchem os espaços vazios ou 
interstícios que existem entre os átomos hospedeiros. 
 
Especificação da Composição: com frequência, torna-se necessário expressar a 
composição (ou concentração) de uma liga em termos dos seus elementos constituintes. A 
base para a porcentagem em peso (%p) é o peso de um elemento específico em relação 
ao peso total da liga. 
𝐶1 =
𝑚1
𝑚1 + 𝑚2
. 100 
 
A base para os cálculos da porcentagem atômica (%a) é o número de moles de um 
elemento em relação ao número total de moles dos elementosna liga. 
𝑛𝑚1 =
𝑚1
′
𝐴1
 
𝐶1
′ =
𝑛𝑚1
𝑛𝑚1 + 𝑛𝑚2
. 100 
 
Discordâncias: uma discordância é um defeito linear ou unidimensional entorno do qual 
alguns dos átomos estão desalinhados. 
 
a) Discordância Aresta: é um tipo de defeito linear centralizado ao redor da linha que é 
definida ao longo da extremidade do semiplano extra de átomos. Uma discordância 
aresta também pode ser formada por um semiplano extra de átomos que esteja 
posicionado na parte debaixo do cristal. 
 
b) Discordância Espiral: existe um outro tipo de discordância, conhecida como 
discordância espiral, que pode ser entendida como aquela gerada por uma tensão 
cisalhante que é aplicada para produzir a distorção. A região anterior superior do cristal 
é deslocada uma distância atômica para a direita em relação à porção inferior. 
 
c) Discordância Mista: a maioria das discordâncias encontradas nos materiais cristalinos 
não é provavelmente nem uma discordância puramente aresta nem uma discordância 
puramente espiral, mas exibe componentes de ambos os tipos; essas são denominadas 
discordâncias mistas. 
 
Defeitos Interfaciais: os defeitos interfaciais são contornos que possuem duas dimensões 
e que normalmente separam regiões dos materiais que possuem diferentes estruturas 
cristalinas e/ou orientações cristalográficas. Essas imperfeições incluem as superfícies 
externas, os contornos de grãos, os contornos de maclas, as falhas de empilhamento e os 
contornos de fase. 
 
a) Superfícies Externas: um dos contornos mais óbvios é a superfície externa, ao longo 
da qual termina a estrutura do cristal. Os átomos da superfície não estão ligados ao 
número máximo de vizinhos mais próximos, e estão, portanto, em um estado de energia 
maior do que os átomos nas posições inferiores. As ligações desses átomos na 
superfície que não estão completas dão origem a uma energia de superfície. 
 
b) Contornos de Grão: um outro defeito interfacial, o contorno de grão, como o contorno 
que separa dois pequenos grãos ou cristais que possuem diferentes orientações 
cristalográficas em materiais policristalinos. Na região do contorno, que possui 
provavelmente uma largura de apenas alguns poucos átomos, existe algum 
desalinhamento dos átomos na transição da orientação cristalina de um grão para a 
orientação de um grão adjacente. Os átomos estão ligados de uma maneira menos 
regular ao longo de um contorno de grão, existe uma energia interfacial, ou de contorno 
de grão, semelhante à energia de superfície. Apesar desse arranjo desordenado dos 
átomos e da falta de uma ligação regular ao longo dos contornos de grãos, um material 
policristalino ainda é muito resistente, pois estão presentes forças de coesão no interior 
e através dos contornos. 
 
c) Contornos de Macla: um contorno de macla é um tipo especial de contorno de grão 
através do qual existe uma simetria espelhada específica da rede cristalina, os átomos 
em um dos lados do contorno estão localizados em posições de imagem em espelho 
em relação aos átomos no outro lado do contorno. A região de material entre esses 
contornos é chamada apropriadamente de macla. As maclas resultam de 
deslocamentos atômicos que são produzidos a partir de forças mecânicas de 
cisalhamento e, também, durante tratamentos térmicos de recozimento realizados após 
deformações (maclas de recozimento). 
 
d) Defeitos Interfaciais Diversos: outros defeitos interfaciais possíveis incluem as falhas 
de empilhamento, os contornos de fase e as paredes de domínio ferromagnético. 
Falhas de Empilhamento – quando existe uma interrupção na sequência de 
empilhamento. 
Contornos de Fase – há uma mudança repentina nas características físicas e/ou 
químicas. 
Materiais Ferromagnéticos – o contorno que separa regiões que possuem diferentes 
direções de magnetização é denominado parede de domínio. 
 
Defeitos Volumétricos ou de Massa: existem outros tipos de defeitos em todos os materiais 
sólidos, que são muito maiores do que aqueles que foram discutidos. Esses incluem trinca, 
inclusões exógenas e outras fases. Eles são introduzidos normalmente durante as etapas 
de processamento e de fabricação. 
 
Determinação do Tamanho do Grão: o tamanho do grão é frequentemente determinado 
quando as propriedades de um material policristalino estão sendo consideradas.