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

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