A1 e A2 - Prof. Dr. Sara Dereste - CME - Eng. Eletrônica - IFSP

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Ciência dos materiais - CME
Curso de Engenharia Eletrônica
Fev/2015
Profa Sara Dereste
sdereste@gmail.com
INSTITUTO FEDERAL DE SÃO PAULO -
IFSP
A ciência dos materiais - Introdução
INSTITUTO FEDERAL DE SÃO PAULO -
IFSP
Fev/2015
A ciência e a engenharia dos materiaisa
Ciência: conjunto de conhecimentos sistematizados que, adquiridos 
via observação, identificação, pesquisa e explicação de determinadas 
categorias de fenômenos e fatos, são formulados de forma racional 
(Houaiss, 2004).
Engenharia: atividade em que se realiza a aplicação de métodos 
científicos. Está embasada na tecnologia, porque busca responder às 
necessidades concretas da sociedade.
Ciência e Engenharia dos Materiais (CEM)
Área da atividade humana associada com a geração e aplicação de 
conhecimento que relaciona composição, estrutura e processamento 
dos materiais às suas propriedades e usos. 
(Cohen, 1987)
Processamento Estrutura Propriedades Desempenho
O ciclo global dos materiais
Ciência e engenharia do 
meio ambiente
Ciência e engenharia dos 
materiais
(Cohen, 1987)
Influência da escala
Estudo dos materiais
Efeito de escala
Ciência dos materiais
Nível microestrutural
10-7 – 10-3 mm
Exemplos: moléculas de 
celulose, silicato de 
cálcio
Engenharia dos materiais
Nível macroestrutural
> 1mm
Exemplos: Madeira, 
concreto
Nível mesoestrutural
10-3 a 1 mm
Estudo das fases, grãos
A importância do estudo e da escolha de materiais
Conjunto de decisões: 
Características técnico-científicas
Fator econômico
Projeto 
Domínio dos cálculos sobre resistência dos materiais
+ 
Conhecimento das propriedades mecânicas dos mesmos
Diagrama de escolha de materiais
R
es
is
tê
nc
ia
 
Densidade
Classificação dos materiais
• Metais;
• Cerâmicas;
• Polímeros;
• Compósitos;
• Semicondutores;
• Biomateriais.
Classificação técnico-científica
Materiais avançados: aplicados em alta tecnologia (aeroespacial, 
nanotecnologia). Ex. ligas quaternárias,
Materiais não convencionais: fibras vegetais (coco, bambu)
Além disso...
Importância da evolução dos materiais
Importância na manutenção da sustentabilidade
Sustentabilidade é prover o melhor para as pessoas e para o ambiente 
tanto agora quanto para o futuro indefinido.
Crescimento exponencial 
da população 
• Maior consumo de recursos
• Maior geração de resíduos
• Maior poluição ambiental
Princípio de Pareto
20-80%
Pequeno número de causas (~20%) é responsável pela 
maioria dos problemas (geralmente 80%)
Válido em todos os setores da economia
• Indústria da construção é a maior consumidora dos recursos naturais
Ciclo aberto Ciclo fechado
Descarte tradicional Descarte tende a zero
Importância da formação profissional
Lei 5.194 (BRASIL, 1966): essas profissões são caracterizadas pelas 
realizações de interesse social e humano que importem na realização, 
entre outros tópicos, do aproveitamento e da utilização de recursos 
naturais, dos meios de locomoção e comunicação e das edificações, 
serviços e equipamentos urbanos, rurais e regionais nos seus aspectos 
técnicos e artísticos.
Formação profissional integrada: idéias, coisas e pessoas
Bons profissionais geram projetos de excelência
Dados da Finep (2013): Brasil forma 44 mil engenheiros (~1/2 para a eng. 
Civil), 6 engenheiros para cada mil trabalhadores.
Estrutura Atômica e Ligação 
Interatômica
INSTITUTO FEDERAL DE SÃO PAULO -
IFSP
Fev/2015
Tipos de ligações
Ligações Primárias ou Fortes 
•Iônica 
•Covalente 
•Metálica 
Ligações Secundárias ou Fracas 
•van der Waals
Ligações entre íons positivos (cátions) e negativos (ânions) motivados pela 
atração coulombiana. Essa ligação é a única em que a transferência de elétrons 
é definitiva. Uma ligação iônica envolve forças eletrostáticas que atraem íons de 
cargas opostas.
Ligação não direcional: A força de ligação é igual em todas as direções.
Tipos de ligações
Ligação Iônica 
Ex. cloreto de sódio
Ligações entre íons positivos (cátions) e negativos (ânions) motivados 
pela atração coulombiana. Essa ligação é a única em que a 
transferência de elétrons é definitiva. Uma ligação iônica envolve forças 
eletrostáticas que atraem íons de cargas opostas.
Ligação não direcional: A força de ligação é igual em todas as 
direções.
Tipos de ligações
Ligação Iônica 
• Quando submetidos à esforços mecânicos que ultrapassam sua 
capacidade de resistência, os materiais iônicos são frágeis, ou seja, 
pouco dúcteis (cristal de NaCl). 
• Força aplicada perturba o balanço elétrico que mantém os 
átomos ligados o que favorece a ruptura. 
• Também são maus condutores elétricos. 
Neste tipo de ligação, os dois elementos possuem eletronegatividades
semelhantes; os dois são ametais. Desse modo, eles preferem então 
compartilhar elétrons, criando ligações covalentes;
•Ligação direcional
•Materiais pouco dúcteis e de baixa condutividade elétrica.
• Não se consegue alterar facilmente a posição entre os átomos
• Não promove o transporte de carga elétrica via movimento dos 
elétrons sem a ruptura da ligação covalente.
Tipos de ligações
Ligação Covalente
Exemplos: materiais cerâmicos, 
semicondutores e polímeros!Gás oxigênio
• Nos metais, existe uma grande quantidade de elétrons quase 
livres, os elétrons de condução, que não estão presos a 
nenhum átomo em particular. 
Tipos de ligações
Ligação Metálica
• Estes elétrons são compartilhados 
pelos átomos, formando uma 
nuvem eletrônica, responsável 
pela alta condutividade elétrica e 
térmica destes materiais.
• Na ligação metálica há
compartilhamento de elétrons, 
semelhante à ligação covalente, 
mas o compartilhamento envolve 
todos os átomos. 
• Nos metais, existe uma grande quantidade de elétrons quase 
livres, os elétrons de condução, que não estão presos a 
nenhum átomo em particular. 
Tipos de ligações
Ligação Metálica
• Ligações não direcionais: átomos 
“presos” na nuvem eletrônica não 
são fixados numa única posição.
• Boa ductilidade
• Bons condutores elétricos: diante 
de um campo elétrico, há o 
movimento dos elétrons da nuvem.
• As ligações de van der Waals juntam moléculas ou grupos de 
átomos por meio de atrações eletrostáticas fracas.
• Princípio das ligações secundárias é similar ao da ligação 
iônica, ou seja, atração de cargas opostas, porém, não há
transferência de elétrons. 
• A atração depende das distribuições assimétricas de cargas 
positiva e negativa dentro de cada átomo ou de uma unidade 
molecular que está sendo ligada. A essa assimetria dá-se o 
nome de dipolo. 
Tipos de ligações
Ligações secundárias – van der Waals
Espaço interatômico e energia de ligação
Espaço interatômico é a distância de equilíbrio entre os átomos, sendo 
determinado por um balanço entre forças de atração e de repulsão. 
Metal: diâmetro do átomo ou 2x o raio do átomo
Materiais ligados ionicamente: soma de dois diferentes raios 
iônicos
Átomos com distâncias inferiores à distância de equilíbrio sofrem 
efeitos repulsivos dos seus núcleos, enquanto que átomos 
separados por distâncias superiores à distância de equilíbrio vão 
perdendo a força que os mantém unidos. 
Espaço interatômico e energia de ligação
Energia de ligação é a energia mínima requerida para criar ou para 
quebrar a ligação.
A força que une dois ou mais átomos (ou moléculas) depende do tipo de 
ligação e dos elementos envolvidos e está relacionada com o espaço 
interatômico. 
Ligação Energia de ligação 
(KJ/mol)
Iônica 625-1550
Covalente 520-1250
Metálica 100-800
Van der Waals <40
Módulo de elasticidade: representa a capacidade de deformação, em regime 
elástico, quandouma força ou tensão é aplicada. 
Módulos altos significam grande dificuldade de alterar a posição 
original entre os átomos o que está associado à alta energia de ligação. 
Propriedades dos materiais afetadas por essas relações:
Espaço interatômico e energia de ligação
Energia de ligação é a energia mínima requerida para criar ou para 
quebrar a ligação.
A força que une dois ou mais átomos (ou moléculas) depende do tipo de 
ligação e dos elementos envolvidos e está relacionada com o espaço 
interatômico. 
Ligação Energia de ligação 
(KJ/mol)
Iônica 625-1550
Covalente 520-1250
Metálica 100-800
Van der Waals <40
Propriedades dos materiais afetadas por essas relações:
Coeficiente de variação térmica: representa quanto um material se expandirá ou se 
contrairá sob efeito da temperatura.
Quando um material é aquecido, a energia fornecida provoca separação 
atômica. Se a energia de ligação for alta, a energia oriunda do aquecimento não 
provocará a separação atômica, ou seja, esse material apresentará baixo coeficiente de 
variação térmica.
Ligações atômicas características dos 
principais materiais
Arranjos atômicos
Estruturas Estruturas Estruturas
Moleculares Cristalinas Amorfas
Agrupamento de 
átomos
Ex. gases em geral (O2, 
N2), líquidos (H2O),
materiais betuminosos.
Organização na 
disposição 
espacial dos 
átomos. Cristais.
Ex. alguns 
polímeros
Sílica (quartzo)
Não há organização 
entre os átomos do 
material.
Ex. vidro, baquelite
Estrutura cristalina
Muitos materiais - metais, algumas cerâmicas, alguns polímeros - ao se
solidificarem, se organizam numa rede geométrica 3D - a rede 
cristalina. 
Estes materiais cristalinos, têm uma estrutura altamente 
organizada, em contraposição aos materiais amorfos, nos quais não 
há ordem de longo alcance. 
Cristais de TiO2 Carbono amorfo
Estrutura cristalina
Diamante
O mais duro material natural!
Célula Unitária 
Como a rede cristalina tem uma estrutura repetitiva, é possível descrevê-
la a partir de uma estrutura básica, como um “tijolo”, que é repetida por 
todo o espaço. 
Estrutura cristalina
Estrutura cristalina
Estrutura cristalina dos metais
Os 7 sistemas cristalinos
http://www.materials.ac.uk/elearning/matter/Crystallography/3dCr
ystallography/7crystalsystems.html
Estrutura cristalina
As 14 redes de Bravais
Estrutura cristalina
Fator de empacotamento atômico
onde N = número de átomos que ocupam efetivamente a célula, VA = volume do átomo 
(esfera rígida de raio definido) = 4..r3/3, r = raio do átomo, e VC = volume da célula 
unitária. 
A forma de classificar o nível de ocupação efetiva de uma 
célula unitária por átomos é o fator de empacotamento atômico 
(FE).
Número de coordenação: número de átomos vizinhos mais próximos
Número de átomos por célula unitária
Fator de empacotamento atômico: Estrutura cúbica simples 
(CS)
Nesta estrutura, cada átomo apresenta seis vizinhos mais próximos; logo, 
o seu número de coordenação (NC) é igual a 6. 
O parâmetro da rede (a) é dado pelo tamanho da aresta do cubo, neste caso: 
a=2r r= raio atômico
Número de átomos por célula unitária
Fator de empacotamento atômico: Estrutura cúbica simples 
(CS)
onde N = número de átomos que ocupam efetivamente a célula, VA = volume 
do átomo (esfera rígida de raio definido) = 4..r3/3, r = raio do átomo, e VC = 
volume da célula unitária. 
Ou seja, apenas 52% da célula 
cúbica simples está preenchida 
por átomos. Índice de ocupação 
baixo o que faz da estrutura CS 
ter baixa estabilidade. Ex.: Po
Número de átomos por célula unitária
Fator de empacotamento atômico: Estrutura cúbica corpo 
centrado (CCC)
Cada átomo possui oito vizinhos mais próximos e, desta forma, o seu 
número de coordenação (NC) é igual a 8. 
O parâmetro da rede (a), nesse caso, é calculado a partir do valor da 
diagonal principal do cubo (valor conhecido) e da diagonal de uma de suas
faces. Assim tem-se: 
Número de átomos por célula unitária
Fator de empacotamento atômico: Estrutura cúbica corpo 
centrado (CCC)
68% da célula unitária está ocupada 
por átomos. 
Vários metais cristalizam nesta 
fase: lítio, vanádio, cromo, 
tungstênio.
Número de átomos por célula unitária
Fator de empacotamento atômico: Estrutura cúbica de face 
centrada (CFC)
Número de coordenação (NC) dessa estrutura é igual a 12. 
O parâmetro da rede (a), neste caso, é calculado a partir do valor da 
diagonal de uma de suas faces, que é o valor conhecido: 
Número de átomos por célula unitária
Fator de empacotamento atômico: Estrutura cúbica de face 
centrada (CFC)
Ou seja, 74% desta célula unitária são efetivamente preenchidos por átomos, que é
o valor máximo do índice de ocupação que pode ser conseguido quando se 
considera o átomo como uma esfera rígida de raio definido. Desta forma, o 
empacotamento da célula unitária CFC é o mais eficiente possível. O níquel (Ni), o 
cobre (Cu), o alumínio (Al), o ouro (Au), a prata (Ag), a platina (Pt) e o chumbo (Pb), 
são exemplos de metais que apresentam a estrutura CFC.
Cristais Hexagonais
Estruturas hexagonais simples (HS)
Número de coordenação (NC) é igual a 8.
Os parâmetros da rede (a, c) são dados 
por: 
a= c = 2r
Cristais Hexagonais
Estruturas hexagonais simples (HS)
O fator de empacotamento atômico (FEA) é dado por:
60% da célula é ocupada por átomos. Valor 
baixo! Cristais normalmente não formam esta 
fase.
Cristais Hexagonais
Estruturas hexagonais compacta (HC)
Formada por dois hexágonos sobrepostos que apresentam um 
átomo em cada vértice e um átomo nos seus centros, e também por 
um plano intermediário de três átomos.
Cada átomo apresenta doze vizinhos mais próximos; logo, o seu número 
de coordenação (NC) é igual a 12. 
Os parâmetros da rede (a, c) são dados por:
Cristais Hexagonais
Estruturas hexagonais compacta (HC)
O fator de empacotamento atômico (FE) é dado por:
74% da célula está ocupada por átomos. 
Ex. magnésio (Mg), zinco (Zn), cádmio (Cd), 
cobalto (Co), titânio (Ti) e berílio (Be). 
Posições, direções e planos cristalinos
Densidades atômicas do cristal
Densidade volumétrica
Também é interessante definir a densidade volumétrica ou simplesmente densidade 
da célula unitária. Considerando o material com uma estrutura perfeita, a densidade 
da célula unitária (densidade teórica ou calculada) representa a densidade 
volumétrica do material; portanto, densidade é definida como a massa por unidade de 
volume do material, ou seja: 
n= número de átomos da célula unitária; A=peso atômico; VC=vol. da célula unitária e 
NA=Número de Avogadro (6,023 x 1023 at/mol).
O cobre, por exemplo, possui estrutura CFC, massa atômica igual a 
63,54g/mol e raio atômico igual 1,278Å, sua densidade será igual a 
8,93 g/cm3.
= n*A/ VC*NA (g/cm3)
Número de átomos por célula unitária
• Calcule o volume de uma célula unitária CFC em termos de raio 
atômico R.
• Para o raio atômico do chumbo (0,175 nm-CFC) calcule o 
volume de sua célula unitária.
a2+ a2 = (4R)2
a = 2R√2 
VC= a3 = 16R3√2 
VC= a3 = 16R3√2
VC=16*(0,175x10-9)3√2
=0,121269x10-27 m 
Obs: equações racionalizadas!