Aula - Ciência dos Materiais

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Disciplina: 
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
Professor: Valmir Batista
Graduação em Engenharia de Materiais - UFCG
Mestrado em Ciência e Eng. de Materiais – UFCG
Doutorado em Ciência e Eng. de Materiais – UFCG
Aulas 
Quarta feira: 20:30 as 22:00
Apresentação
Plano de ensino
Ementa:
	 Introdução aos materiais. Estrutura dos materiais. Imperfeições da rede cristalina; Classificação dos Materiais. Relação estrutura/microestrutura-propriedade de materiais. Diagramas de fase. Propriedades mecânicas, térmicas, elétricas, magnéticas e óticas dos materiais. Seleção de materiais. Materiais avançados. Considerações ambientais e sociais. 
Apresentação
COMPETÊNCIAS ESPECÍFICAS 
Compreender as novas direções, tendências e perspectivas no desenvolvimento da área de materiais e a importância dessa área no progresso da sociedade moderna. 
Descrever a diferença nas estruturas atômicas/moleculares de materiais cristalinos e não-cristalinos. 
Reconhecer os tipos de imperfeições e os efeitos que elas provocam nas propriedades dos materiais. 
Destacar a importância do diagrama de fases no projeto e no controle dos procedimentos utilizados em tratamentos térmicos. 
COMPETÊNCIAS ESPECÍFICAS 
Compreender as relações entre os principais componentes que estão envolvidos no projeto, produção e utilização de materiais. 
Entender os principais fatores sobre os quais um(a) engenheiro(a) tem controle e que afetam o custo de um produto. 
Reconhecer e valorizar a importância da reciclagem/descarte de materiais, tais como metais, vidros, plásticos, borrachas e compósitos. 
I UNIDADE: 	
DEFINIÇÃO E TIPOS DE MATERIAIS 
(Introdução. Objetivo. Os materiais na engenharia.); 	
ESTRUTURA DOS MATERIAIS 
(Cristalinidade. Estrutura cristalina. Sistemas cristalinos.); 	
DESORDEM ATÔMICA DOS MATERIAIS 
(Cristais perfeitos, imperfeitos e materiais amorfos. Defeitos na rede cristalina: pontuais, lineares, superficiais e volumétricos.); 	
DIAGRAMAS DE FASE 
(Definição de fase. Diagramas de fase de substâncias puras ou elementos. Diagrama isomorfo. Regra da alavanca. Diagrama eutético. Diagrama ferro-carbono.); 	
CONTEUDO PROGRAMÁTICO: 
II UNIDADE: 	
MATERIAIS METÁLICOS 
(Fabricação dos metais. Ligas ferrosas. Ferros fundidos. Ligas não-ferrosas. Propriedades mecânicas, elétricas, magnéticas, ópticas.); 	
MATERIAIS CERÂMICOS 
(Estrutura cristalina/fases amorfas. Propriedades mecânicas, elétricas.); 	
MATERIAIS POLIMÉRICOS 
(Estrutura. Reações de polimerização. Termoplásticos e termofixos. Aditivos. Propriedades mecânicas, elétricas, magnéticas, ópticas.); 	
MATERIAIS COMPÓSITOS 
(Classificação. Propriedades mecânicas. Regra das misturas.); 	
CONSIDERAÇÕES AMBIENTAIS E SOCIAIS 
(Seleção de materiais. Materiais avançados. Questões econômicas, ambientais e sociais na ciência e engenharia de materiais.). 	
CONTEUDO PROGRAMÁTICO: 
Formas de avaliação: 
1ª Unidade: - Prova valendo 10,0;
		
2ª Unidade: - Prova valendo 7,0;
 - Seminários em grupo valendo 3,0
Questões discursivas e objetivas
Limite de faltas
Disciplina: 40hs
Limite de 10 faltas
Se a falta for justificada por atestado, entregar atestado na coordenação, 
Regras durante as aulas e prova: 
Evite atrasos: 
Evite atrasos: 
Faz-se necessário que o professor seja um facilitador do conhecimento
Claro que muitas vezes, os alunos, gostam daquele professor que passa a mão na cabeça, que os trata com piedade, etc.
Mas, o que os alunos precisam? 
De piedade ou de aprendizagem?
Livro: 
Ciência e Engenharia de Materiais - Callister
Estudar pelo menos os capítulos:
1- Introdução
3-A estrutura de sólidos cristalinos
4- Imperfeições em sólidos
9- Diagramas de fases
12- Ligas metálicas
13- Estruturas e propriedades das cerâmicas
15- Estruturas poliméricas
16 – Características , aplicações e o processamento dos polímeros
17- Compósitos
19- Propriedades elétricas
21- propriedades magnéticas
22- Propriedades óticas
23 – Seleção de materiais e considerações de projetos
24 – Questões econômicas, ambientais e sociais
Bibliografia
Livro na Biblioteca
Bibliografia
Livro: 
 Ciência e Engenharia dos Materiais
-Askeland, D. R
- Wright, W. J.
Livro na Biblioteca
Bibliografia
Livro: 
Princípios de Ciência e Tecnologia dos Materiais 
-Van Vlack
EXCELENTE SEMESTRE A TODOS.
INTRODUÇÃO
A Ciência dos materiais investiga as relações entre a estrutura e propriedades dos materiais.
A Engenharia de Materiais, utiliza as correlações entre estrutura e propriedades dos materiais para projetar estruturas com propriedades desejadas.
É o elo de ligação entre as ciências básicas e a engenharia de materiais.
É a área da atividade humana associada com a geração e com a aplicação de conhecimentos que relacionem composição, estrutura e processamento ás suas propriedades e usos.
Ciência e entendimento básico
Necessidades e experiências sociais
Conhecimento científico
Conhecimento empírico
CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS (CEM)
O termo estrutura é muito amplo e merece explicações. Em geral está associada ao arranjo dos componentes internos do material. 
A estrutura sub-atômica trata das interações entre os elétrons e os núcleos dos átomos;
A estrutura atômica trata da organização dos átomos;
A estrutura microscópica trata de agrupamentos de átomos visíveis através de microscópio;
A estrutura macroscópica trata de elementos estruturais visíveis a olho nú.
INTRODUÇÃO
GRAFENO
LATÃO 30%Zn
SOLDA
INTRODUÇÃO
A noção de propriedade também merece ser expandida. 
Quando em serviço os materiais são expostos a estímulos externos que provocam uma dada resposta. Ex.: Se sujeitos a uma força, se deformam; 
Propriedade é característica de um material em função do tipo e intensidade da resposta a um determinado estímulo. 
Normalmente as propriedade são definidas independente da forma e tamanho do material.
Praticamente todas as propriedades importantes de materiais sólidos podem ser agrupadas nas seguintes categorias: 
Mecänicas; Elétricas; Térmicas; Magnéticas; Óticas e Degradativas
INTRODUÇÃO
Outros dois componentes muito importantes envolvidos na ciência e engenharia de materiais, são processamento e desempenho.
O desempenho de um material é função de suas propriedades e estas, por sua vez, dependem de como o material foi processado.
Ex: dureza X estrutura do aço
 • Propriedades dependem da estrutura 
OBS.:
As figuras não têm o mesmo aumento.
 
 
 
 
 
Ex: estrutura X taxa de resfriamento do aço
 • Processamento pode alterar a estrutura 
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Estrutura, Processamento e Propriedades
Hardness (BHN)
(a)
(c)
Ferrita
Perlita
Bainita
Martensita
(d)
Bainita
O Processo de Seleção dos Materiais
Aplicação (Uso) Requisitos (Propriedades)
Propriedades: mecânicas, térmicas, elétricas, magnéticas, óticas ou 			degradativas
Propriedades Materiais Adequados
Materiais Processamento Necessário
Materiais: Estrutura, composição
Processamento: altera a estrutura e forma do material
• Resistividade elétrica do cobre:
• Adding “impurity” atoms to Cu increases resistivity.
• Deforming Cu increases resistivity.
4
Adapted from Fig. 18.8, Callister 6e.
(Fig. 18.8 adapted from: J.O. Linde,
Ann Physik 5, 219 (1932); and
C.A. Wert and R.M. Thomson,
Physics of Solids, 2nd edition,
McGraw-Hill Company, New York,
1970.)
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
• Isolamento de ônubus espaciais:
 -O isolamento de fibra de silica oferece baixa condução de calor.
• Condutividade térmica do cobre:
 
5
90%
 fibra de sílica.
Adapted from Fig. 19.4, Callister 6e.
(Fig. 19.4 is adapted from Metals Handbook: Properties and Selection: Nonferrous alloys and Pure Metals, Vol. 2, 9th ed., H. Baker, (Managing Editor), American Society for Metals, 1979, p. 315.)
PROPRIEDADES TÉRMICAS
• Permeabilidade Magnética
 vs. Composition:
--Adicionando 3 % Si faz do Fe um meio de gravação melhor!
6
• Armazenamento Magnético:
 -O meio de gravação é magnetizado pela cabeça de gravação
PROPRIEDADES MAGNÉTICAS
• Transmitância: 
 -- Dependendo da estrutura do material, o óxido de alumínio 
pode ser transparente, translúcido, ou opaco. 
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Diferentes técnicas de processamento.
Monocristal
Policristal:
Policristal:
5% porisidade
PROPRIEDADES ÓTICAS
Contornos de grão espalham a luz, assim como os poros.
• Tensão e água 
salgada causa trincas
• Tratamento térmico: retarda a velocidade de crack em água salgada!
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Adapted from Fig. 17.0, Callister 6e.
(Fig. 17.0 is from Marine Corrosion, Causes, and Prevention, John Wiley and Sons, Inc., 1975.)
PROPRIEDADES DEGRADATIVAS
Corrosão sob tensão
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
A maioria dos materiais sólidos, baseado em sua composição química e estrutura atômica, se enquadra em três grupos principais: Metais, Cerâmicas e Polímeros.
Há três outros grupos de materiais de engenharia muito importantes: compósitos, semi-condutores e biomateriais.
Compósitos consistem da combinação de dois ou mais materiais distintos.
Semicondutores exibem propriedades elétricas características e incomuns.
Biomateriais são implantados 
no corpo humano.
Classificação dos Materiais
Metais normalmente consistem da combinação de elementos metálicos. Possuem um grande número de elétrons deslocalizados e muitas das propriedades dos metais são atribuídas a estes elétrons. Metais são excelentes condutores de calor e de eletricidade, são opacos, superfícies polidas são brilhantes. Metais, ainda que deformáveis, são muito fortes e por isto são muito utilizados em aplicações estruturais.
Classificação dos Materiais
Cerâmicas são compostos formados pela associação de elementos metálicos e não metálicos. Normalmente são óxidos, nitretos ou carbetos. A grande variedade de materiais que integram esta classificação inclui as cerâmicas – compostas por argilominerais, cimento e vidros. Estes materiais são isolantes ao calor e à eletricidade. São bem mais resistentes ao calor e a ambientes agressivos do que os metais ou polímeros. Cerâmicas são extremamente duras e resistentes à compressão mas são muito quebradiças (frágeis) e por isto não são testadas em tração.
Classificação dos Materiais
Polímeros incluem os materiais plásticos e as borrachas. A grande maioria é de natureza orgânica – baseado em carbono, hidrogênio e oxigênio – e outros elementos não metálicos. Possuem estruturas moleculares “gigantes”. Normalmente apresentam densidades muitos baixas e podem ser muito flexíveis.
Etileno 
Polietileno 
Classificação dos Materiais
Compósitos- são combinações de dois ou mais materiais que mantém as suas propriedades individuais e que combinam as melhores propriedades dos seus constituintes. Exemplos incluem os artefatos em “fibra” que consistem de fibra de vidro/carbono embebidas em um polímero. Neste material compósito aliam-se a resistência das fibras e a flexibilidade do polímero.
Fibras de carbono
Polímero
Classificação dos Materiais
Biomateriais – são empregados em componentes implantados no corpo humano para substituir partes doentes ou danificadas. Estes materiais não podem ser tóxicos nem liberar substâncias tóxicas quando em contato com fluidos corporais e precisam ser compatíveis com os tecidos do corpo (não podem ser trombogênicos). Polímeros, cerâmicas metais, compósitos e semicondutores podem ser utilizados como biomateriais utilizados, por exemplo, como substitutos desde tecidos ósseos (cabeça de fêmur, queixo) a tecidos moles (implantes de seios e escroto), etc...
Classificação dos Materiais
Materiais avançados – São materiais tradicionais cujas propriedades foram incrementadas ou novos materiais de elevado desempenho. Via de regra são caros e utilizados em aplicações de alta tecnologia como equipamentos eletrônicos (VCR, tocadores de CD), computadores, sistemas de fibras óticas, naves espaciais, aviões, lasers, circuitos integrados, cristais líquidos, etc... Todos os tipos de materiais podem ser utilizados em aplicações avançadas.
Materiais do Futuro
Materiais inteligentes – são materiais capazes de perceber mudanças (sensores) no seu ambiente e responder (atuadores) a estas mudanças (temperatura, campos elétricos e/ou magnéticos) de maneira pré-determinada, tal como observado em organismos vivos. Exemplos incluem:
 ligas com memória de forma - que após deformados revertem à sua forma original quando a temperatura é alterada;
 cerâmicas piezoelétricas – expandem e contraem em resposta à aplicação de um campo elétrico (ou voltagem);
materiais magneto sensíveis – tem comportamento análogo aos piezoelétricos em resposta a um campo magnético;
fluidos magneto ou eletro reológicos – são líquidos que sofrem alterações dramáticas na sua viscosidade quando sujeitos a campos elétricos e magnéticos, respectivamente.
Materiais/artefatos empregados como sensores incluem fibras óticas, materiais piezoelétricos (incluindo alguns polímeros) e artefatos microeletromecânicos.
Materiais do Futuro
Ligas com memória de forma 
 Cerâmicas piezoelétricas 
Fluidos magneto reológicos 
Necessidades atuais
Apesar de todo o desenvolvimento na área de materiais ainda há vários desafios como o desenvolvimento de materiais ainda mais especializados e sofisticados bem como considerações sobre o impacto ambiental da produção, uso e descarte destes materiais. Exemplos incluem:
A energia nuclear – desde fluidos a estruturas que facilitem o descarte de rejeitos radioativos;
Transportes –necessidade de materiais com elevada resistência e baixa densidade (veículos) bem como de materiais para uso em altas temperaturas (motores);
Energia – novos materiais para conversão de energia solar em elétrica a custos mais baixos;
Controle de poluição do ar e da água – materiais de controle ou que degradem e poluam menos – processamento e descarte de materiais tóxicos;
Fontes renováveis – melhor utilização de materiais oriundos de fontes renováveis que apresentem propriedades e custos comparáveis às dos atualmente empregados, esforços em reciclagem, etc ...
2- ESTRUTURA DOS MATERIAIS 
(Cristalinidade. Estrutura cristalina. Sistemas cristalinos.) 
2- ESTRUTURA DOS MATERIAIS 
Desordem no material.
Em cada monocristal é possível prever a posição de um átomo a partir do outro. 
MOTIVO  é uma unidade estrutural que se repete regularmente no espaço.
REDE  é um arranjo de pontos no espaço a qual define a relação geométrica entre os motivos numa estrutura. 
DESCRIÇÃO DA REDE  Numa rede plana escolhemos arbitrariamente um ponto “O” como origem, e dois vetores de direções quaisquer, ligando a origem a dois pontos vizinhos: a e b na figura. Os vetores a e b dão origem à célula da rede.
Os vetores a e b são vetores fundamentais da rede, os quais definem um paralelograma que é a célula fundamental da rede.
r = pa + qb
O par (p, q) define o ponto A.
Ponto A: r = 3a + 4b
Qualquer ponto da rede pode ser definido em termos de a e b e um par de inteiros. Ou frações de inteiros: 
 
Rede Espacial
CRISTAIS  São estrutura em que os átomos se arrajam num modelo tridimensional, ordenado e repetido, ou seja, um sólido fisicamente uniforme em três dimensões, com uma ordem repetitiva a longa distância.
CÉLULA UNITÁRIA  São pequenos volumes, cada um tendo todas as características encontradas no cristal inteiro. 
Posições atômicas que se repete.
As redes espaciais são definidas então por três vetores cristalográficos, a, b e c e pelos ângulos ,  e .
As redes espaciais são definidas então por três vetores cristalográficos, a, b e c e pelos ângulos ,  e .
As redes espaciais são definidas então por três vetores cristalográficos, a, b e c e pelos ângulos ,  e .
O ponto na rede é definido por:
 r= pa + qb + rc
A classificação de células unitárias por simetria axial e dimensional, determina os sistemas
cristalinos.
CCC
CFC
CCC
4R
Ou
 A razão c/a de uma estrutura hc ideal é 1,633.
h= a . sen60°
 Porção de um plano de empacotamento de átomos; A, B e C.
 Seqüência de empilhamento AB para o plano atômico de empacotamento. 
 Ambas estruturas CFC e HC possuem FEA = 0,74.
Isto leva a duas questões. (1) De que maneira as estruturas CFC e HC são semelhantes; (2) De que forma elas se diferem? 
CFC
HC
 Ambas estruturas estão empilhadas regularmente por planos compactos.
 No caso dos metais CFC, os planos (111) estão formando um empacotamento fechado (compacto). Este são idênticos para os planos (0002) da estrutura HC.
CFC
HC
 A diferença entre as estruturas CFC e HC se dá em relação a seqüência de empilhamento.
No cfc o empilhamento é ABCABC.....
No hc o empilhamento é ABAB.....
 Estas tão marcantes diferenças conduz a diferenças significantes nas propriedades dos materiais.
CFC
HC
Posições atômicas
Eixos cristalográficos: x, y, z
 Posições de Rede – são expressas como frações (ou múltiplos) das dimensões da célula unitária.
CCC
Pontos Equivalentes  são conectados por translação da rede.
Direções Cristalinas
Importância  Muitas propriedades dos materiais são direcionais. Por exemplo:
Módulo de elasticidade  Fe CCC possui um maior módulo de elasticidade na direção da diagonal do cubo do que na direção da aresta.
Permeabilidade magnética.
Índice de refração.
Podemos definir como sendo um raio partindo da origem e passando por posições particulares, que estão localizadas a uma certa dimensão, igual à da célula unitária, distante da origem.
Simbologia  É representada por [h, k, l]
 , 1, 
 0, 1, 0
(010) 
 1, 1, 
 1, 1, 0
(110) 
 , ½, 
 0, 2, 0
(020) 
 1, 1, 1
 1, 1, 1
(111) 
 Quando as intersecções com os eixos não são óbvias, deve-se deslocar o plano até obter as intersecções corretas.
 1, -1, 
1, -1, 0
(110) 
 1, -1, 1
1, -1, 1
(111) 
OBSERVAÇÕES:
Planos paralelos têm os mesmos índices
Intersecção negativa usa-se barra superior (111)
Os índices são reduzidos aos menores números inteiros, isto é; (222)  (111)
Exemplos: 
O plano (010) é o plano que corta o eixo y em 1 e o eixo x e z no , 
ou seja;1/, 1/1, 1/  (010)
O plano (110) é o plano que corta o eixo de x e y em 1 e z no , 
ou seja; 1/1, 1/1, 1/  (110).
O plano (111) é o plano que corta o eixo x, y e z em 1, 
ou seja; 1/1, 1/1, 1/1  (111)
O plano (100) é o plano que corta o eixo x em 1, y e z no , 
ou seja; 1/1, 1/, 1/  (100)
DENSIDADE ATÔMICA VOLUMÉTRICA
 Usando-se o modelo atômico de esferas rígidas para a célula unitária da estrutura cristalina de um material (metal) e um valor para o raio atômico do metal, determinado por difração de raios-X, pode obter a densidade volumétrica de um material usando-se a equação.
Densidade volumétrica = v = massa/célula unitária
 Volume/célula unitária
POLIMORFISMO OU ALOTROPIA
Muitos elementos e compostos existem em mais de uma forma cristalina, em diferentes condições de temperatura e pressão. Este fenômeno é conhecido por:
 Polimorfismo ou alotropia
Á pressão atmosférica, muitos materiais com importância industrial, tais como o ferro, o titânio, cobalto , quartzo (SiO2) e alumina (Al2O3), sofrem transformações alotrópicas a temperaturas elevadas.
Polimorfismo ou alotropia
Polimorfismo ou alotropia
DESORDEM ATÔMICA DOS MATERIAIS 
(Cristais perfeitos, imperfeitos e materiais amorfos. Defeitos na rede cristalina: pontuais, lineares, superficiais e volumétricos.)
 O comportamento dos semicondutores
 A ductilidade dos metais
 A resistência mecânica das ligas, etc.
Imperfeições em Sólidos
“Perfeição nunca existe”. Nos itens anteriores deu-se ênfase a regularidade dos arranjos atômicos dos materiais.
 Neste item iremos discutir sobre alguma desordem ou pequena fração que não é perfeita na maioria dos materiais.
Importância do estudo Os defeitos afetam:
Desejáveis
Indesejáveis
Impurezas nos Sólidos
 As impurezas nos sólidos podem ser:
Desejáveis  Por exemplo, no caso das ligas e materiais compósitos.
Ex: latão (cu + Zn) – Possui custo mais baixo.
 É mais duro e menos dúctil que o cobre puro.
 Possui condutividade elétrica baixa (daí o fato de usar o cobre puro de maior custo em cabos elétricos).
Indesejáveis  Cobre para condutor elétrico, com impurezas de zinco 
 ou níquel (baixa a sua condução)
  Al2O3 para refratários com contaminações de SiO2 
 (baixa refratariedade).
SOLUÇÕES SÓLIDAS 
Soluções  São combinações de dois ou mais metais num material e que formam uma fase simples (A + B). Dizemos que o material forma solução sólida, quando o elemento estranho adicionado passa a fazer parte integral da fase sólida (solvente). 
Se uma ou mais das regras de Hume-Rothery são violadas, somente uma solução sólida parcial é possível se formar.
As soluções sólidas se formam mais facilmente quando os átomos do solvente e soluto têm tamanhos próximos e estruturas eletrônicas comparáveis.
Ex. Latão (cu + Zn)
  Rcu = 1,278 oA, 29 elétrons, NC = 12, arranjo CFC
  RZn = 1,332 oA, 30 elétrons, NC =12, arranjo HC
O Zn substitui o Cu até 40% aproximadamente, sem superar o seu limite de solubilidade.
SOLUÇÕES SÓLIDAS 
As soluções sólidas podem ser:
Soluções sólidas substitucionais
Soluções sólidas ordenadas
3. Soluções sólidas intersticiais. 
SOLUÇÕES SÓLIDAS 
Soluções sólidas substitucionais  ocorre quando os átomos do soluto substituem os átomos do solvente na estrutura cristalina aleatoriamente, não modificando o modelo (arranjo) cristalino.
Exemplo: No Monel (Cu + Ni) – os átomos de Ni substituem os átomos de Cu na rede cfc de 0% - 100%. Ni age como soluto dissolvendo-se no solvente que é o cobre.
No caso do latão (Cu + Zn), o limite de solubilidade é definido, o átomo substituinte mantém a estrutura cristalina. Se a diferença entre os raios for de pelo menos 15%, raramente ocorrem soluções substitucionais extensas.
2. Soluções Sólidas Ordenadas  è uma solução sólida substitucional, com uma localização preferencial no reticulado para cada um dos componentes.
A ordenação é mais comum em baixas temperaturas, visto que em temperaturas elevadas as vibrações térmicas são maiores tendendo a destruir o arranjo ordenado.
 Exemplo: Liga de AuCu3
DISTRIBUIÇÃO ALEATÓRIA 
DISTRIBUIÇÃO ORDENADA 
Em altas temperaturas (acima de 390oC) a agitação térmica conduz a uma distribuição aleatória de átomos de Au e Cu nas posições da rede cfc. Abaixo de 390oC, os átomos de Cu ocupam preferencialmente as posições de face centrada e os átomos de Au ocupam as posições dos vértices da rede.
101
Quando os átomos diferem grandemente em tamanho, substituições de átomos pequenos no cristal é energeticamente instável. Neste caso a forma mais estável é através dos interstícios na estrutura cristalina.
SOLUÇÕES SÓLIDAS 
3. Soluções Sólidas Intersticiais  Um átomo pequeno pode se localizar nos interstícios entre os átomos maiores.
 Exemplo: carbono dissolvido intersticialmente no -Fe. Menos de 0,1% de C é solúvel no -Fe.
Abaixo de 912oC, o Fe puro tem estrutura CCC. Acima de 912oC, há uma faixa de temperatura na qual o Fe assume uma estrutura CFC.
No reticulado da estrutura CFC, existe no centro da célula unitária um interstício (buraco) relativamente grande. O átomo de C, sendo extremamente pequeno, pode mover-se para o interior deste interstício produzindo uma solução sólida de Fe-C.
CFC
CCC
4. Soluções Sólidas em compostos Iônicos  Nas fases iônicas podem ocorrer soluções sólidas substitucionais igualmente como nos metais.
Exemplos: Solução sólida aleatória de NiO em MgO.
A substituição ocorre entre Ni2+ e Mg2+.
 O arranjo do O2- não é afetado.
Defeitos pontuais
Defeitos de linha
Defeitos de fronteira
. IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS
 Existem imperfeições do reticulado na maioria dos cristais. Tais imperfeições influenciam nas propriedades.
Por exemplo: 
Na resistência mecânica
Nas propriedades elétricas
Propriedades químicas, etc.
Tipos de imperfeições 
Pode surgir, devido: um empacotamento imperfeito durante a cristalização, ou de vibrações térmicas dos átomos em temperaturas elevadas. O vazio (vacância) pode ser simples ou duplo.
Defeitos Pontuais 
Vacância  envolve a falta de um átomo na estrutura cristalina.
 Origem: 
Defeito de Schottky  são vacâncias encontradas em compostos envolvendo a falta de um par de íons de cargas opostas, onde o balanço de cargas é mantido.
Defeito de Frenkel  ocorre quando um íon é deslocado de sua posição no reticulado para um interstício.
Defeito Intersticiais  ocorre quando um átomo extra se aloja numa estrutura cristalina (principalmente em estruturas de baixo fator de empacotamento), isto provoca uma distorção atômica, salvo se o átomo intersticial for menor que os interstícios do cristal.
. Defeitos Lineares ou Deslocações  é o tipo de defeito mais comum no interior de um cristal (discordância).
 As deslocações são originadas:
Durante a solidificação dos sólidos cristalinos
Por deformação plástica ou permanente
Por condensação de lacunas
Por desajustamento atômicos em soluções sólidas
 Discordânicas mistas
 O defeito linear é simbolizado por um T invertido ( ┴ ), o qual representa a aresta de meio plano extra de átomos.
 Quantitativamente é designado pelo vetor de Burgers  é o vetor deslocamento necessário para fechar o escalonamento em torno do defeito. 
As deslocações são responsáveis pela deformação plástica (permanente) nos sólidos cristalinos.
  O escorregamento é mais fácil em planos e direções de alta densidade atômica.
A combinação de famílias de planos e direções cristalográficas responsáveis pelo movimento das deslocações é conhecido por SISTEMA DE DESLIZAMENTO.
Alumínio (Al)  CFC – Al e suas ligas são dúcteis (deformáveis) devido ao grande número de combinações de direções e planos de alta densidade (12)
Magnésio (Mg)  HCP – Mg e suas ligas são tipicamente frágeis (fratura com pouca deformação) devido ao pequeno número de combinações de direções e planos de alta densidade (3)
 Características entre o alumínio e o magnésio baseia-se nos planos de escorregamento ou deslizamento.
Defeitos Planar ou de Superfície
Superfície  é a fronteira mais óbvia. Os átomos na superfície não são completamente comparáveis aos do interior do cristal, pois os átomos superficiais possuem vizinhos apenas de um lado, portanto, apresentam energia mais alta que os átomos do interior.
Defeitos Planar ou de Superfície
Contorno de Grão  são defeitos interfaciais, em materiais policristalino, que separam grãos (cristais) com diferentes orientações. A forma do contorno de grão é determinada pelas restrições impostas pelo crescimento dos grãos vizinhos.
Defeitos Planar ou de Superfície
Defeitos Planar ou de Superfície
O limite do grão propriamente dito é uma região de desajustamento atômico entre grãos adjacentes, com uma largura de dois a cinco diâmetros atômicos. 
 
Os contornos de grãos têm também alguns átomos em posições distorcidas, o que faz aumentar a energia no contorno de grão.
Tamanho de grão  é importante, já que a área de contorno de grão tem um efeito importante em muitas propriedades. 
Defeitos Planar ou de Superfície
Defeitos Planar ou de Superfície
Macla
Fronteira de baixo ângulo (θ<15°)
PRODUÇÃO TÉRMICA DE DEFEITOS DE PONTOS
Observações:
Defeitos pontuais ocorrem como resultado direto da oscilação periódica ou vibração térmica dos átomos na estrutura cristalina.
Com o aumento da temperatura, a intensidade das vibrações aumenta e, desta forma, a probabilidade da destruição da estrutura e o desenvolvimento dos defeitos pontuais aumentam.
Para uma dada T, a energia térmica do material é fixada. Mas, este é um valor médio.
Para uma dada T, uma certa fração de átomos num sólido possui energia térmica suficiente para produzir defeitos pontuais.
Defeitos Volumétricos
Existem outros defeitos em todos os materiais sólidos que são muito maiores do que aqueles discutidos até aqui. Estes incluem poros, trincas, inclusões estranhas e outras fases. Elas são normalmente introduzidas durante as etapas de processamento e de fabricação. Abaixo , óxido de alumínio fabricado por sinterização apresentando alto teor de porosidade.
INCLUSÕES DE (Cu2O) EM COBRE DE ALTA PUREZA
TRINCA EM CORDÃO DE SOLDA
DIAGRAMAS DE FASE 
(Definição de fase. Diagramas de fase de substâncias puras ou elementos. Diagrama isomorfo. Regra da alavanca. Diagrama eutético. Diagrama ferro-carbono.);
Importância  
 Auxilia a determinação da composição da liga ou sistemas cerâmicos.
 Permite correlacionar a microestrutura dos materiais com suas respectivas propriedades.
 Fornece informações valiosas sobre os fenômenos da fusão, fundição (sinterização para cerâmicas) e cristalização (crescimento de grão).
DIAGRAMAS DE FASE 
A partir dos diagramas de fases, podem obter-se informações, tais como:
Mostrar, em condições de resfriamento lento (equilíbrio), quais as fases presentes para diferentes composições e temperaturas.
Indicar, em condições de equilíbrio, a solubilidade no estado sólido de um elemento (ou composto) no outro.
Indicar a temperatura à qual uma liga ou sistema cerâmico, resfriada (a) em condições de equilíbrio, começa a solidificar, assim como o intervalo de temperaturas em que a solidificação ocorre.
Indicar a temperatura à qual as diferentes fases começam a fundir.
Limite de solubilidade a ≈20°C
 Regra das Fases
 A partir de considerações termodinâmicas, J. W. Gibbs estabeleceu uma equação que permite determinar o número de fase que podem coexistir, em equilíbrio, em um determinado sistema.
 Esta equação é designada por REGRA DAS FASES DE GIBBS
F + N = C + 2
Em que:
F = número de fases que coexistem num determinado sistema.
C = número de componentes do sistema.
N = número de graus de liberdade.
Um elemento, um composto ou uma solução sólida presente no sistema.
É o número de variáveis (pressão, temperatura e composição) que podem ser alteradas de modo independente, sem que ocorra no sistema qualquer alteração da fase ou fases em equilíbrio.
COMPONENTE- C  é definido, como sendo: 
NÚMERO DE GRAUS DE LIBERDADE – N
F + N = C + 2
F + N = C + 2
3 + N = 1 + 2
N = 0  (zero grau de liberdade)
 Aplicação da regra das fases ao diagrama PT da água pura.
No ponto triplo: 
3 fases
Significa que para manter as três fases em equilíbrio, nenhuma das variáveis (temperatura ou pressão) pode ser alterarada. O ponto triplo é designado por ponto invariante.
.
 Aplicação da regra das fases ao diagrama PT da água pura.
Sobre a linha de solidificação: 
2 fases
Este resultado indica que uma das variáveis (T ou P) pode ser alterada independentemente da outra, mantendo-se a coexistência das duas fases do sistema.
F + N = C + 2
2 + N = 1 + 2
N = 1  (um grau de liberdade)
 Aplicação da regra das fases ao diagrama PT da água pura.
Um ponto do diagrama PT, no interior de uma região monofásica: 
1 fases
Este resultado indica-nos que mesmo alterando, de modo independente, duas variáveis (temperatura e pressão), o sistema continua a ser constituído pela mesma fase.
F + N = C + 2
1 + N = 1 + 2
N = 2  (dois graus de liberdade)
OBSERVAÇÃO: Como a maioria dos diagramas binários, usados em ciência de materiais, são diagramas temperatura – composição nos quais a pressão é mantida constante, geralmente 1 atm. Neste caso,
temos a REGRA DAS FASES “CONDENSADA”, que é dada por:
F + N = C + 1
Sistemas de um componente
Exemplo: H2O  pode existir no estado sólido, líquido ou vapor, de acordo com as condições de pressão e temperatura às quais se encontra.
Sistemas de um componente
 
Exemplo: Ferro puro  existem três fases sólidas separadas e distintas: o Fe- (alfa), o Fe- (gama) e o Fe- (delta). 
Fe-
CFC
Fe- e o Fe-
CCC
Sistemas de Dois Componentes – Diagrama binário
Exemplo: sistema binário cobre-níquel – se aplica a condições da pressão atmosférica e arrefecimento lento, ou seja, condições de equilíbrio.
Diagrama Isomorfo – quando a solubilidade é completa tanto na fase líquida quanto na sólida.
L
a
L+a
L1
L2
L3
A
B
Ligas:
- Hipoeutética
- Eutética
- Hipereutética
Hipoeutética
β primária
x
- β Eutética
0,022%
2,14%
1538°C
Callister 8° Edição
Diagrama de Fases Ferro-Carboneto de Ferro
160
+l
l+Fe3C
+l
PERITÉTICA
 +l 
EUTÉTICA
l +Fe3C
EUTETÓIDE
 +Fe3C
AÇO
FOFO
REAÇÕES INVARIANTES NO DIAGRAMA Fe-C
160
Aços HIPOEUTETÓIDES (%C < 0,76%)
Ferrita 
proeutetóide
Perlita 
0,76
162
LIGA EUTETÓIDE (C= 0,76%)
PERLITA
0,76
163
LIGA HIPEREUTETÓIDE (0,76%C2,14%)
Fe3C
proeutetóide
Perlite 
1) Determinar a constituição estrutural de um aço carbono
 com 0,3% de carbono
REGRA DA ALAVANCA
Ferrita 
Perlita 
0,02%
0,3%
0,8%C
Ferrita = (0,8% – 0,3%) 100 = 64,1%
 (0,8% - 0,02%)
Perlita = (0,3% - 0,02%) 100 = 35,9%
 (0,8% - 0,02%) 
164
MATERIAIS METÁLICOS 
(Fabricação dos metais. Ligas ferrosas. Ferros fundidos. Ligas não-ferrosas. Propriedades mecânicas, elétricas, magnéticas, ópticas.); 
MATERIAIS METÁLICOS 
Fabricação dos metais. Ligas ferrosas. Ferros fundidos. Ligas não-ferrosas. Propriedades mecânicas, elétricas, magnéticas, ópticas
LAMINAÇÃO
FORJAMENTO
ESTAMPAGEM
USINAGEM
FUNDIÇÃO
SOLDAGEM
https://www.youtube.com/watch?v=rcZe9RBPERM
Funcionamento de um Alto forno
Combustível (Carbono – redutor)
Fundente .
Formador de escória.
O2
Menos que 0,25% de carbono
Ruim para tratamento térmico
“mole” e “fraco” -Boa usinabilidade
Ductil e tenaz - Baratos
Entre 0,25% e 0,6% de carbono
Bom para tratamento térmico
Mais resistentes
Menos Ductil e tenaz
Melhor resistência à abrasão
Cr, Ni e Mo
Entre 0,60% e 1,40% de carbono
Elevada Dureza
Menos Ductil e tenaz
Elevada resistência à abrasão
-
Ferro Fundido Maleável
Rosetas
FOFO Nodular Perlítico
FOFO Nodular Ferrítico
Microestrutura dos FOFOS
Ferro Fundido Cinzento
A grafita apresenta-se na forma de veios, esses veios são chamados também de lamelas
Dentre os fofos, é o mais usado
É a liga ferrosa mais barata
Fácil fundição e usinagem
Excelente absorção de vibrações
Ferro Fundido Nodular 
A grafita apresenta-se na forma de nódulos (esferas) devido a adição de inoculantes (Ce e/ou Mg).
Boa ductilidade em comparação a outros fofos
Custo maior do que o fofo cinzento
Muito usado
Microestrutura dos FOFOS
Ferrita
Grafita
Ferro Fundido Maleável
A obtenção é feita a partir do ferro fundido branco e um tratamento térmico chamado maleabilização, a peça do fofo branco fica submetido a uma temperatura de 900° a 1000° durante 30horas.
Grafita aparece em rosetas
Microestrutura dos FOFOS
Ferro Fundido Branco
O C apresenta-se na forma de cementita (Fe3C) devido ao baixo teor de Si 
São adicionados elementos de liga (Ni, Cr e Mo) para aumentar a resistência ao desgate
Elevada dureza 
Baixa tenacidade 
Baixa usinabilidade 
Microestrutura dos FOFOS
Cementita
Perlita
 Ligas não ferrosas
Ligas Metálicas
Não ferrosas
Aço 
Ferro Fundido
Ferrosas
Cinzento
Nodular
Branco
Maleável
Ao carbono
Baixa liga
Alta liga
Liga
Alumínio
Cobre
Estanho
Chumbo
Zinco e etc...
Alumínio
Características básicas do alumínio puro:
Temperatura de fusão 660oC
CFC 
Não é magnético
Forte tendência a oxidação
Densidade: 2,70g/cm3 (aço: 7,9 g/cm3)
Alta condutividade térmica
Elevado coeficiente de dilatação
Qual é a principal limitação do alumínio?
A principal limitação do alumínio é a sua baixa temperatura de fusão (660 °C)
Propriedades mecânicas para o Al puro
L.R. Al recozido 48 N/mm2
Lim. de escoamento 12,7N/mm2
É o segundo* metal mais maleável. Forma lâminas delgadas!
Baixa dureza (23 - 32 HB)
“A adição de elementos de liga, trabalho a frio, e tratamentos térmico aumentam a resistência à tração” 
*O 1º é o ouro.
Aplicações das ligas de alumínio de acordo com suas propriedades
Elevada Plasticidade: laminados de pouca espessura (resguardos de bombons, etc...)
Elevada condutividade elétrica (65% do Cu): emprego no setor elétrico (cabos, fios, etc...)
Ligas Metálicas
Não ferrosas
Aço 
Ferro Fundido
Ferrosas
Cinzento
Nodular
Branco
Maleável
Ao carbono
Baixa liga
Alta liga
Liga
Alumínio
Cobre
Estanho
Chumbo
Zinco e etc...
Cobre
Características básicas do cobre puro
Temperatura de fusão 1038oC
CFC
Densidade: 8,92 g/cm3 (aço: 7,9 g/cm3)
Alta condutividade elétrica
Propriedades mecânicas para o cobre puro recozido
L.R. cobre 50 - 80 N/mm2
Alongamento 35 - 48%
Baixa dureza (45 – 90 HB)
Cobre e suas ligas
Principais elementos de liga
Estanho, níquel, alumínio, zinco.
 O cobre é normalmente usado em sua forma pura, mas também pode ser combinado com outros metais para produzir uma enorme variedade de ligas. 
 Cada elemento adicionado ao cobre permite obter ligas com diferentes características tais como: maior dureza, resistência a corrosão, resistência mecânica, usinabilidade e etc...
Cobre e suas ligas
Classificação das ligas de cobre
Cobre + Zinco = Latão
O conteúdo de zinco varia de 5% a 45%. 
Esta liga é utilizada em moedas, medalhas, bijuterias, radiadores de automóvel, ferragens, cartuchos, diversos componentes estampados, conformados e etc.
CCC ou CFC
Resfriador de óleo para radiadores de automóveis
Classificação das ligas de cobre
Cobre + Estanho = Bronze
O conteúdo de estanho pode chegar a 20%. 
É utilizado em tubos flexíveis, torneiras, varetas de soldagem, válvulas, buchas, engrenagens, sinos etc.
Classificação das ligas de cobre
Cobre + Alumínio = Cobre alumínio 
Esta liga normalmente contém mais de 10% de alumínio.
É utilizada em peças para embarcações, trocadores de calor, evaporadores, soluções ácidas ou salinas etc. 
Classificação das ligas de cobre
Cobre + Níquel = Cuproníquel
O conteúdo de níquel pode variar de 10% a 30%. 
É utilizada em cultivos marinhos, moedas, bijuterias, armações de lentes etc.
 
Classificação das ligas de cobre
Cobre + Níquel + Zinco = Alpacas
Contém entre 45% a 70% de Cu, e de 10% a 18% de Ni e o restante constituído por Zn.
Por sua coloração, estas ligas são facilmente confundidas com a prata. São utilizadas em chaves, equipamentos de telecomunicações, decoração, relojoaria, componentes de aparelhos óticos e fotográficos etc. 
Ligas Metálicas
Não ferrosas
Aço 
Ferro Fundido
Ferrosas
Cinzento
Nodular
Branco
Maleável
Ao carbono
Baixa liga
Alta liga
Liga
Alumínio
Cobre
Estanho
Chumbo
Zinco e etc...
Estanho
Características básicas do estanho puro
Resiste à corrosão quando exposto à água do mar e água potável, porém pode ser atacado por ácidos fortes, bases e sais ácidos
Temperatura de fusão 232oC
Tetragonal
Densidade: 7,31g/cm3 (aço: 7,9 g/cm3)
Cassiterita ou cassiterite (óxido de estanho, SnO2) é um mineral de estanho.
Propriedades mecânicas para o estanho puro
L.R. 11 N/mm2
Alongamento 57%
Baixa dureza
Principais aplicações do estanho
Cloreto de estanho é usado como fixador para pintura de tecidos.
Componente de várias importantes ligas como soldas para eletrônica, ligas para fusíveis, bronzes, etc.
São comumente usadas
soldas nas proporções 70/30, 60/40, 50/50 e 40/60.
Sn Pb
Solda de estanho, também conhecida como solda de estanho-chumbo, solda macia ou solda branca, é uma solda comum à base de estanho e chumbo em diversas proporções, às quais podem ser adicionadas pequenas quantidades de outros elementos como o antimônio, a prata e o bismuto para modificar suas propriedades, como dureza. Dizer que a solda é 70/30, significa dizer que há nela 70% de estanho e 30% de chumbo. São comumente usadas soldas nas proporções 70/30, 60/40, 50/50 e 40/60. Apresentam baixo ponto de fusão e podem ser empregadas com ferros de soldar de baixa potência ou maçaricos de GLP.
Podem ser usadas para soldagem de cobre e suas ligas, como latão (cobre e zinco) e bronze (cobre e estanho), mas não servem para soldar outros metais, como o alumínio e o ferro. As soldas de estanho são largamente utilizadas para soldagem principalmente na eletro-eletrônica e na hidráulica.
Na eletro-eletrônica, são mais usadas as soldas em forma de fios com a liga 60/40 ou a 63/37, que é a mistura eutética, com ponto de fusão de 183°C. As aplicações são a soldagem de componentes em placas de circuito impresso, soldagem de terminais e conectores em cabos elétricos, etc.
Para instalações hidráulicas é normalmente usada a liga 50/50, sob forma de fios, fitas ou barras, para a soldagem de tubulações de Cu.
218
Ligas Metálicas
Não ferrosas
Aço 
Ferro Fundido
Ferrosas
Cinzento
Nodular
Branco
Maleável
Ao carbono
Baixa liga
Alta liga
Liga
Alumínio
Cobre
Estanho
Chumbo
Zinco e etc...
Chumbo
Características básicas do chumbo puro
É um metal tóxico, macio, maleável e mau condutor de eletricidade e altamente resistente à corrosão. 
Temperatura de fusão 327oC
CFC
Densidade: 13,4 g/cm3 (aço: 7,9 g/cm3)
Propriedades mecânicas para o chumbo puro
L.R. 16 à 19 N/mm2
Lim. de escoamento 6 à 8 N/mm2
Alongamento 30 à 60%
Principais aplicações do chumbo
 • Baterias para automóveis e outros fins (o principal uso, cerca de 71% da produção mundial).
• Pigmentos (inclusive para tatuagens) e outros compostos (12%).
Solda de estanho, também conhecida como solda de estanho-chumbo, solda macia ou solda branca, é uma solda comum à base de estanho e chumbo em diversas proporções, às quais podem ser adicionadas pequenas quantidades de outros elementos como o antimônio, a prata e o bismuto para modificar suas propriedades, como dureza. Dizer que a solda é 70/30, significa dizer que há nela 70% de estanho e 30% de chumbo. São comumente usadas soldas nas proporções 70/30, 60/40, 50/50 e 40/60. Apresentam baixo ponto de fusão e podem ser empregadas com ferros de soldar de baixa potência ou maçaricos de GLP.
Podem ser usadas para soldagem de cobre e suas ligas, como latão (cobre e zinco) e bronze (cobre e estanho), mas não servem para soldar outros metais, como o alumínio e o ferro. As soldas de estanho são largamente utilizadas para soldagem principalmente na eletro-eletrônica e na hidráulica.
Na eletro-eletrônica, são mais usadas as soldas em forma de fios com a liga 60/40 ou a 63/37, que é a mistura eutética, com ponto de fusão de 183°C. As aplicações são a soldagem de componentes em placas de circuito impresso, soldagem de terminais e conectores em cabos elétricos, etc.
Para instalações hidráulicas é normalmente usada a liga 50/50, sob forma de fios, fitas ou barras, para a soldagem de tubulações de Cu.
223
Principais aplicações do chumbo
• Laminados diversos para, por exemplo, proteções contra radiações (raios-X e gama), peças decorativas e outros (7%)
• Munições (6%)
• Ligas diversas (1%)
224
MATERIAIS CERÂMICOS 
(Estrutura cristalina/fases amorfas. Propriedades mecânicas, elétricas.); 
Cerâmicas - Características Básicas, Continuação
Os materiais cerâmicos apresentam alto ponto de fusão. 
São geralmente isolantes elétricos, embora possam existir materiais cerâmicos semicondutoras, condutores e até mesmo supercondutores (estes dois últimos, em faixas específicas de temperatura). 
 São comumente estáveis sob condições ambientais severas. 
 Os materiais cerâmicos são geralmente duros e frágeis.
Estruturas Cristalinas
A magnitude da carga elétrica
 Tamanho relativo dos cátions e ânions
 Duas características dos íons componentes em materiais cerâmicos influenciaram a estrutura do cristal:
A magnitude da carga elétrica
Estruturas Cristalinas
O cristal deve ser eletricamente neutro – todas as cargas positivas dos cátions devem ser equilibradas por igual número de cargas negativas dos ânions.
Tem duas vezes mais ânion de F- do que cátions Ca2+
Estruturas Cristalinas
Tamanho relativo dos cátions e ânions
Ânion Cátion
Linear
Triangulo
Tetraedro
Octaedro
Cubo
Para um nº de coordenação específico existe uma razão RC/RA crítica ou mínima para a qual esse contato cátion-ânion é estabelecido.
ESTRUTURAS CRISTALINAS DO TIPO AX  são características em materiais cerâmicos formados por números iguais de cátions e ânions.
 
A  cátion e X  ânion
CFC: NaCl, MgO, MnS, LiF e FeO
CS: CsCl
ZnS, ZnTe e SiC
NaCl, MgO, MnS, LiF e FeO
 Estrutura do cloreto de sódio (NaCl) ou sal-gema.
 O NC tanto para os cátions como para os ânions é 6.
 
A estrutura é gerada a partir de uma configuração dos ânions do tipo cfc, com um cátion situado no centro do cubo e outro localizado no centro de cada uma das 12 arestas do cubo.
Resulta num arranjo de cátions cfc.
Então, o NaCl  é formado por duas redes cristalinas cfc que se interpenetram.
2. Estrutura do cloreto de césio (CsCl)
O NC tanto para o cátion como para ânion é 8.
Os ânions estão localizados em cada um dos vértices.
 
O centro do cubo contém um único átomo.
Então, o CsCl  é formado por duas redes CS que se interpenetram.
3. Estrutura da blenda de zinco (ZnS) ou esfalerita
 Todos os átomos estão tetraedricamente coordenados – NC= 4.
 Todos os vértices e posições faciais da célula cúbica CFC estão ocupados por átomos de S. Enquanto os átomos de Zn preenchem posições tetraédricas interiores.
Ocorre uma estrutura equivalente se as posições dos átomos de Zn e S forem invertida.
Na maioria dos compostos que exibem esta estrutura a ligação é altamente covalente.
ZnS, ZnTe e SiC
+
-
ESTRUTURAS CRISTALINAS DO TIPO AmXp 
 Forma-se quando as cargas dos cátions e dos ânions não são iguais. m e/ou p  1
Exemplo: AX2  Estrutura da Fluorita (CaF2)
NC do ânion = 4 e 
NC do cátion = 8
UO2, PuO2 e ThO2
Os íons de Ca2+ estão posicionados nos centros dos cubos, com os íons de F- localizados nos vértices.
Para cada um determinado número de íons de F- existe apenas metade deste número de íons de Ca2+.
Estrutura semelhante a do CsCl (AX  NC=8), exceto pelo fato de que apenas metade das posições centrais no cubo estariam ocupadas por íons de Ca2+.
ESTRUTURAS CRISTALINAS DO TIPO AmBnXp  formada por compostos cerâmicos com mais do que um tipo de cátion. 
Exemplo: BaTiO3 – titanato de bário (estrutura cristalina da perovskita)
Perovskita – cfc - NC do cátion(A) é 12 e NC do ânion(X) é 6
 Propriedades eletromagnéticas.
Acima de 120oC  a estrutura cristalina é cúbica.
Os íons de Ba2+ nessa estrutura estão localizados em todos os oito vértices do cubo, enquanto um único Ti4+ encontra-se posicionado no centro do cubo, com íons de oxigênio localizados no centro de cada uma das seis faces.
BaTiO3, SrZrO3, SrSnO3
1. SÍLICA  é o material mais simples à base de silicato (óxido de silício- SiO2).
 Consiste em uma rede 3D, gerada quando os átomos de oxigênio localizados nos vértices, em cada tetraedro, são compartilhados por tetraedros adjacentes. Si:O é 1:2.
Quando os tetraedros estão arranjados de uma forma regular  forma-se uma estrutura cristalina. 
Possue três formas cristalinas polimórficas: Quartzo, Cristobalita e Tridimita.
SILICATOS
 Nos minerais à base de silicato, um, dois ou três dos átomos de
oxigênio nos vértices dos tetraedros de são compartilhados por outros tetraedros vizinhos formando estruturas complexas 
.
Silicatos em camadas  A unidade que se repete pode ser representada por . A neutralidade é estabelecida por uma segunda estrutura laminar planar que possui excesso de cátions. 
Estes minerais são conhecidos como silicatos em lâminas ou em camadas – estrutura básica característica das argilas.
3 íons de oxigênio compartilhados
CARBONO – O diamante apresenta estrutura semelhante a blenda de zinco (ZnS)
Diamante
 
 
Grafita
Fullerenos C60
Pentágono
Hexágono
wan der Waals
Covalentes
Baixa condutiv. elétrica
Manta – fibra cerâmica
Industria Metalúrgica, Ótica, Eletrônica e Tratamento Térmico.
(Propriedade química)
(Diodos, transistores, células fotovoltaicas...) 
MATERIAIS POLIMÉRICOS 
(Estrutura. Reações de polimerização. Termoplásticos e termofixos. Aditivos. Propriedades mecânicas, elétricas, magnéticas, ópticas.); 
POLÍMEROS
CONCEITO
Macromoléculas constituídas de unidades repetitivas, ligadas através de ligações covalentes.
Moléculas são eletricamente neutras com ligações secundárias.
Polímero  origem orgânica  (compostos por C e H, podendo conter O, N, S, P ou Si)
Polímeros são moléculas muito grandes (com no mínimo uma centena de átomos) de origem natural ou sintética.
A maioria dos polímeros tem origem orgânica.
Os polímeros naturais (macromoleculas) são derivados de plantas e animais como, por exemplo: borrachas, madeira, algodão, lã, seda, couro, celulose, amido, proteínas e enzimas. 
Polímeros sintéticos são manufaturados pelo homem, a partir de moléculas menores e incluem um grande número de produtos. 
ALGUMAS DEFINIÇÕES
MEROS são estruturas (molécula de baixo peso molecular) que se repetem ao longo da cadeia. 
MONÔMERO  é a molécula de baixo peso molecular que dá origem ao polímero.
POLÍMEROS  macromolécula constituída pela união de muitos meros. 
Monômero
ALGUMAS DEFINIÇÕES
HOMOPOLÍMEROS  constituídos de um único mero.
COPOLÍMEROS são constituídos de dois ou mais diferentes meros.
POLIMERIZAÇÃO é a reação química que gera o polímero
GRAU DE POLIMERIZAÇÃO (DP- índice n)  representa o número médio de meros presentes na cadeia polímérica
CLASSIFICAÇÃO DOS POLÍMEROS
Quanto ao tipo de estrutura química
Quanto às características de fusibilidade
Quanto ao comportamento Mecânico
Quanto à escala de produção
Quanto ao tipo de aplicação
Quanto ao mecanismo de síntese	(por incrível que pareça o menos ambíguo!)
Estrutura Química
Número de meros
Homopolímero – só um tipo de mero
Copolímero – dois ou mais meros
Aleatórios - 
alternados, 
em bloco, 
enxertados
Estrutura química dos meros
Grupo funcional a que pertencem	
Olefinas, ésteres, amidas, éteres, uretanas...
Forma da cadeia polimérica
Linear		 	ramificada 		reticulada
Fusibilidade
Os polímeros podem ser classificados em: TERMOPLÁSTICOS e TERMOFIXOS.
Os TERMOPLÁSTICOS amolecem quando são aquecidos (e por fim se liquefazem) e endurecem quando são resfriados.Possuem cadeias flexíveis e entrelaçadas ou emaranhadas. 
Os TERMOFIXOS se tornam permanentemente duros quando submetidos a aplicação de calor e não amolecem com o aquecimento subseqüente.
Em uma escala molecular ...
TERMOPLÁSTICOS
 A medida que a temperatura aumenta as forças de ligação secundárias são diminuídas, de modo que o movimento relativo de cadeias adjacentes é facilitado.
 Degradação – ocorre quando vibrações moleculares se tornam violentas o suficiente para quebrar as ligações covalentes principais.
TERMOFIXOS
Mesmo com o aumento da temperatura, as ligações cruzadas covalentes entre as cadeias adjacentes resistem aos movimentos vibracionais e rotacionais da cadeia.
Degradação - somente em temperaturas excessivas essas ligações serão rompidas.
Características ...
TERMOPLÁSTICOS
 Relativamente moles e dúcteis.
 A maioria dos polímeros lineares e aqueles que possuem algumas estruturas ramificadas com cadeias flexíveis.
TERMOFIXOS
Geralmente mais duros, mais fortes e mais frágeis do que os termoplásticos.
Possuem melhor estabilidade dimensional.
A maioria dos polímeros com ligações cruzadas e em rede.
Exemplos
TERMOPLÁSTICOS
 Polietileno (PE)
 Poliestireno (PS)
 Polipropileno (PP)
Nylon
 Teflon
 PET
PVC
TERMOFIXOS
Epóxis
Fenólicos
Poliésteres
Poliuretanas
Fenol-formaldeído
Uréia-formaldeído
Comportamento Mecânico
Plásticos
Do grego - adequado à moldagem
São materiais em que algum estágio da fabricação são fluídos, podendo ser moldados por aquecimento, pressão, ou ambos.
Fibras
Possuem L>>d e cadeias lineares orientadas longitudinalmente, de modo que são fortes e frágeis.
Elastômeros ou Borrachas
São materiais de origem natural ou sintética que, frouxamente reticulados e capazes de sofrer grandes deformações sob a ação de uma força, retornando à sua forma original quando esta força é removida. 
Escala de Produção e Aplicações
Larga escala	 comodidade ou commodities
São os plásticos mais produzidos no mundo como PP, PE, PS, PVC
Pequena escala		especialidade ou specialties
Plásticos com um conjunto incomum de propriedades como o POM, borrachas de silicone, PPS.
Plásticos de uso geral 		para usos diversos
Plásticos de Engenharia		para substituir materiais 						clássicos de engenharia
Mecanismo de Síntese
Os polímeros são formados através de um processo químico chamado de POLIMERIZAÇÃO.
Nos processos de polimerização, uma grande quantidade de moléculas pequenas (monômeros) ligam-se covalentemente, formando cadeias moleculares muito grandes.
POLIMERIZAÇÃO
por adição
por condensação
Polimerização por adição
1. INICIAÇÃO
R + 
R 
Iniciador
R 
+
2. PROPAGAÇÃO
Crescimento linear da molécula à medida que unidades do monômero se fixam umas às outras em sucessão para produzir a molécula da cadeia.
3. TERMINAÇÃO
3.1 – As extremidades ativas de duas cadeias se ligam.
3.2 - Uma extremidade reativa reage com um iniciador.
POLIETILENO - PE
Três mecanismos simultâneos e independentes. Polímero e monômero convivem logo no início da polimerização. Só carbono e hidrogênio na cadeia principal.
Polimerização por condensação
 Reações químicas intermoleculares que normalmente envolvem mais de um tipo de monômero e um só mecanismo de polimerização.
 Geralmente, existe um subproduto de pequeno peso molecular, como a água, que é eliminado. Reação de equilíbrio.
Monômero desaparece no início e Polímero só é formado no final da reação. Em fases intermediárias tem-se os oligômeros (4-10 unidades repetidas). Tem-se heteroátomos (O, N, ..) na cadeia principal.
POLIÉSTER
Polimerização por condensação
 Reações químicas intermoleculares que normalmente envolvem mais de um tipo de monômero e um só mecanismo de polimerização.
 Subproduto de pequeno peso molecular, H2O, HCl, NH3...
Monômero desaparece no início e Polímero só é formado no final da reação. Tem-se heteroátomos (O, N, ..) na cadeia principal.
Estados Físicos – Cristalino e amorfo
A morfologia dos polímeros sólidos é diferente da apresentada por substâncias de baixo peso molecular. 
Polímeros apresentam simultaneamente características de sólidos cristalinos e de líquidos de elevada viscosidade.
Padrões de difração de raios-X e de difração eletrônica apresentam picos bem definidos típicos de materiais cristalinos e bandas difusas características de líquidos.
Os termos cristalino e amorfo são utilizados para indicar regiões ordenadas e desordenadas do sólido polimérico. 
Alguns polímeros apresentam elevada cristalinidade, outros são completamente amorfos e alguns podem ser amorfos ou altamente cristalinos, dependendo das condições de cristalização.
Por estes motivos, polímeros são ditos semicristalinos.
A exata natureza da cristalinidade em polímeros
é sujeita a debates. As teorias mais aceitas são a da micela franjada (1930) onde pequenas regiões cristalinas (cristalitos) estariam embebidas em uma matriz amorfa e a teoria da lamela de cadeia dobrada (1950) em que a cadeia se dobra sobre si mesma em padrão repetitivo gerando esferulitos.
Cristalinidade em Polímeros
O estado cristalino pode existir nos materiais poliméricos. Porém, os arranjos atômicos são muito mais complexos pois nos polímeros tem-se moléculas em vez de apenas átomos ou íons, como nos metais e cerâmicos. Polímeros, com freqüência são semicristalinos.
Algumas considerações importantes quanto à cristalinidade dos polímeros
 Polímeros cristalinos são mais densos que polímeros amorfos.
 O grau de cristalinidade depende da taxa de resfriamento durante o processo de solidificação, bem como da configuração da cadeia.
 Polímeros lineares  fácil cristalização.
 Polímeros ramificados  nunca apresentam elevado grau de cristalinidade.
 Polímeros em rede  quase totalmente amorfos.
 Polímeros cristalinos são mais fortes e mais resistentes à dissolução e ao amolecimento pelo calor.
Transições Térmicas
Polímeros são caracterizados por duas temperaturas de transiçao: Tm e Tg.
Tm é a temperatura de fusão cristalina, uma transição de primeira ordem (salto em Cv), com mudança de fase sólido-líquido.
Tg é a temperatura de transição vítrea, uma transição de segunda ordem, com variação no volume específico ou capacidade térmica, e passagem de sólido rígido-sólido flexível.
Tg é associada ao início (no aquecimento) ou a sua supressão (no resfriamento) do movimento segmental, isto é, a rotações ao redor das ligações da cadeia principal.
Polímeros completamente amorfos exibem só uma transição (Tg); um polímero 100% cristalino só apresenta Tm e os semicristalinos apresentam Tg e Tm.
Polímeros com baixa Tg, em geral, tem baixa Tm e vice-versa.
Ambas transições são afetadas de maneira similar por simetria molecular, rigidez de cadeia e ligações secundárias. Em geral, quanto maior a simetria, rigidez e ligações secundárias, mais cristalinos, menos móveis e mais elevadas Tm e Tg, porém estas não são afetadas com a mesma intensidade.
RESISTÊNCIA ÁO ATAQUE QUÍMICOS DOS PRINCIPAIS POLÍMEROS
RESISTÊNCIA AO ATAQUE QUÍMICOS DOS PRINCIPAIS ELASTÔMEROS
Aditivos para polímeros
Cargas
Plastificantes
Retardantes de chama
Corantes
Estabilizantes
Polímero + serragem
Comportamento tensão x deformação
Comportamento tensão-deformação para polímeros frágeis (A), plásticos (B) e altamente elásticos (C).
Deformação de polímeros semicristalinos
Deformação elástica
Deformação plástica
Curva tensão-deformação em tração esquemática para um polímero semicristalino.
Estágios na deformação de um polímero semicristalino.
Influência da temperatura sobre o comportamento tensão x deformação
Fratura dos polímeros
Polímeros termofixos  fratura FRÁGIL.
Polímeros termoplásticos  fratura FRÁGIL e DÚCTIL.
Fratura em termoplásticos.
Fadiga
Quando os polímeros são submetidos a cargas cíclicas com alta freqüência e/ou tensões relativamente elevadas, pode ocorrer um aquecimento localizado. 
As falhas são conseqüência do amolecimento do material e não resultado de processos típicos de fadiga. 
Resistência à ruptura e dureza
A habilidade de resistir à ruptura é uma propriedade importante. 
Exemplo: finas películas usadas em embalagens. 
Assim como nos metais, a dureza representa a resistência de um material ao risco, à penetração, etc.
Os polímeros são mais moles do que os metais e as cerâmicas.
Os ensaios são conduzidos de forma semelhante àquelas descritas para os metais.
Características mecânicas de alguns polímeros à temperatura ambiente
Material
LRT (MPa)
Limite de escoamento (MPa)
Alongamento na fratura (%)
PEBD
8,3 – 31,4
9,0 – 14,5
100 – 650
PVC
40,7 – 51,7
40,7 – 44,8
40 – 80
PS
35,9 – 51,7
---
1,2 – 2,5
PET
48,3 – 72,4
59,3
30 - 300
Fonte: Callister, 2002.
Influência do comprimento da fibra
Influência da orientação das fibras
Influência da interação entre fibra e matriz
Propriedades mecânicas
+ resistente
+ frágil
- resistente
+ dúctil