apostila ciência dos materiais

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Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul – PUCRS 
Faculdade de Engenharia - FENG 
Núcleo de Engenharia de Materiais Metálicos – NUCLEMAT 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CCIIÊÊNNCCIIAA DDOOSS MMAATTEERRIIAAIISS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Prof. Carlos Alexandre dos Santos 
 
Agosto / 2010 
 
 
Apostila – Ciência dos Materiais – Prof. Carlos Alexandre dos Santos 
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ÍNDICE 
Capítulo 1. Introdução aos Materiais 
1.1. Importância dos Materiais 
1.2. Classificação dos Materiais 
1.3. Ligação Atômica nos Sólidos 
1.4. Energias e Forças de Ligações 
1.5. Ligações Interatômicas Primárias 
1.6. Ligação de Var Der Waals 
Exercícios Propostos 
Referências Bibliográficas 
Capítulo 2. Materiais Cristalinos 
2.1. Estrutura Cristalina: Conceitos Fundamentais, Célula Unitária 
2.2. Sistemas Cristalinos 
2.3. Alotropia ou Polimorfismo 
2.4. Direções e Planos Cristalinos 
2.5. Anisotropia 
2.6. Determinação de Estruturas Cristalinas por Difração de Raios-X 
Exercícios Propostos 
Referências Bibliográficas 
Capítulo 3. Imperfeições Cristalinas 
3.1. Defeitos Pontuais 
3.2. Defeitos de Linha 
3.3. Defeitos de Interface 
3.4. Defeitos Volumétricos 
3.5. Observação da Macro e Microestrutura 
3.6. Macroestrutras da Solidificação 
3.7. Microestruturas de Materiais Metálicos 
Exercícios Propostos 
Referências Bibliográficas 
Capítulo 4. Difusão Atômica 
4.1. Mecanismos de Difusão 
4.2. Fatores que Influem na Difusão 
4.3. Difusão no Estado Estacionário 
4.4. Difusão no Estado Não-Estacionário 
Exercícios Propostos 
Referências Bibliográficas 
 
Apostila – Ciência dos Materiais – Prof. Carlos Alexandre dos Santos 
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INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS 
 
 
 
O material disponibilizado nesta apostila do curso de Ciência dos Materiais objetiva 
apresentar os fundamentos e a interrelação entre os diferentes níveis de estrutura que constituem 
os materiais de engenharia e as principais propriedades apresentadas pelos mesmos, o que 
implicará em suas seleções para diversas aplicações. 
 
1.1. IMPORTÂNCIA DOS MATERIAIS 
 
 Os materiais apresentam importância fundamental para o ser humano desde o início da 
civilização, desempenhando papel principal durante a evolução do homem, onde os primeiros 
primitivos utilizavam ferramentas de pedra e argila moldada, passando pela descoberta do ouro, 
cobre, bronze e ferro, e seus processos de obtenção e fabricação. O conhecimento dos materiais 
definiu as diversas idades da história da humanidade, podendo-se citar: Idade da Pedra, Idade do 
Bronze, Idade do Ferro. A Figura 1.1 apresenta uma ilustração esquemática da evolução humana 
durante as diferentes etapas da evolução dos metais. 
 
Figura 1.1 – Representação esquemática da evolução dos materiais metálicos. 
 
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1.2. CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS 
 
 Os materiais de engenharia podem ser classificados em três categorias principais: 
metálicos, cerâmicos e poliméricos. No entanto, atualmente se utiliza uma classificação mais 
ampla, incluindo os materiais compósitos, os materiais biocompatíveis e os materiais 
semicondutores. A Figura 1.2 mostra a classificação dos materiais de engenharia, apresentado 
exemplos de alguns na Figura 1.3. 
 
Figura 1.2 – Classificação dos principais materiais de engenharia. 
 
 
Figura 1.3 – Exemplos dos principais materiais de engenharia. 
 
 Além das classificações citadas anteriormente, os materiais podem ser classificados pela 
sua aplicação, pelo seu grau de evolução tecnológica, morfologia estrutural e comportamento. 
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Os engenheiros devem conhecer a estrutura interna dos materiais e suas propriedades 
para optar pelos mais adequados para cada aplicação ou criar melhores processos de fabricação 
(Figura 1.4). As principais áreas do conhecimento que abordam o tema são: 
- Ciência dos Materiais: conhecimento básico da estrutura interna dos materiais, suas 
propriedades e processos de fabricação, 
- Engenharia de Materiais: interesse no emprego do conhecimento dos materiais para 
processá-los em produtos. 
 
Figura 1.4 – Informações sobre estruturas atômicas. 
 
Os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material devem 
compreender: 1.) condições de serviço e propriedades requeridas para tal aplicação, 2.) fatores de 
degradação de propriedades, como temperatura, agentes corrosivos, radiações, 3.) propriedades 
de interesse e qual o desempenho e limitações no uso, 4.) disponibilidade de matéria-prima e 
viabilidade técnica de processamento, 5.) impacto ambiental e reciclabilidade após uso; 6.) custo 
total. Raramente um material reúne uma combinação ideal de propriedades, ou seja, muitas vezes 
é necessário reduzir uma em benefício da outra, como por exemplo: resistência e ductilidade, 
onde geralmente um material de alta resistência apresenta ductilidade limitada, exigindo que se 
estabeleça um compromisso (comprometimento) razoável entre duas ou mais propriedades. 
 
1.3. LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS 
 
O tipo de ligação interatômica influencia nas propriedades dos materiais. Os elementos se 
ligam para formar os sólidos com uma configuração mais estável: geralmente oito elétrons na 
camada de valência (= gases nobres He , Ne , Ar , Kr , Xe , Rn) (Figura 1.5). A ligação química é 
formada pela interação dos elétrons de valência através de: - Ganho de elétrons, - Perda de 
elétrons, - Compartilhando elétrons (parcial ou total). 
 
Figura 1.5 – Informações básicas sobre estruturas atômicas. 
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Figura 1.6 – Tabela periódica dos materiais [Callister, 1994]. 
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 1.3.1. ENERGIAS E FORÇAS DE LIGAÇÕES 
 
A distância entre dois átomos é determinada pelo balanço das forças atrativas e 
repulsivas. Quanto mais próximos os átomos, maior a força atrativa entre eles, mas maior ainda 
são as forças repulsivas devido à sobreposição das camadas mais internas. Quando a soma das 
forças atrativas e repulsivas é zero, os átomos estão na chamada distância de equilíbrio (E), 
conforme ilustra a Figura 1.7. 
 
Figura 1.7 – Relação entre distância atômica e forças envolvidas. 
 
 A Tabela 1.1 apresenta alguns valores para as energias de ligação atômica e as 
temperaturas de fusão de alguns materiais. 
 
Tabela 1.1 – Energias de ligação e temperaturas de fusão de algumas ligações [Callister, 1994]. 
 
 
 
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 1.3.2. LIGAÇÕES INTERATÔMICAS PRIMÁRIAS 
 
 As ligações principais são classificadas em função da interação dos elétrons de valência, 
que podem ser doados/recebidos, podem ser compartilhados (parcial ou total), ou podem ser 
livres e comuns. A seguir apresentam-se as principais características para as ligações primárias. 
 
Iônica: 
Átomos perdem ou ganham elétrons na camada de valência; 
Ocorre entre elementos metálicos (1e-, 2e-, 3e-) e não-metálicos (5e-, 6e-, 7e-) (diferentes 
eletronegatividade e opostos horizontalmente na Tabela Periódica); 
Metálicos perdem elétrons (+) e os não-metálicos ganham elétrons (-); 
Todos os átomos ficam com a camada de valência completa; 
Forças atrativas são Forças de Coulomb (fracas). Não direcional; 
Formação de íons positivos (+ cátions) e íons negativos (- ânions); 
Sólidos iônicos apresentam altas Temperaturas de Fusão (TF); 
Ligação forte. Estrutura organizada. Materiais duros e quebradiços; 
Bons isolantes térmicose elétricos. Predominante nos cerâmicos. 
 
 
Figura 1.8 – Exemplos de estruturas em sólidos iônicos. 
 
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Covalente: 
Estabilidade é conseguida pelo compartilhamento de elétrons; 
Os dois átomos contribuem com elétrons (alta eletronegatividade); 
Máximo número de elétrons compartilhados é 4 (C, Si, Ge, etc); 
Comuns entre elementos não metálicos e semi-metais, e inorgânicos; 
Ligações muito fortes, o que confere alta dureza, porém elevada fragilidade; 
Materiais apresentam altas Temperaturas de Fusão (TF); 
Materiais são bons isolantes térmicos e elétricos; 
Ligação direcional, com ângulos definidos (orbitais); 
Ligação bastante comum também nos polímeros e cerâmicos. 
 
 
 
Figura 1.9 – Exemplos de estruturas em sólidos covalentes. 
 
Alguns materiais podem apresentar tanto ligação iônica como covalente. Pode-se 
determinar o caráter iônico entre os elementos A e B empregando a Equação (1.1): 
 
100 x } ] ) XB -(XA x (0,25) [- exp - 1 { iônico caráter % 2= (1.1) 
 
onde XA e XB são as eletronegatividades dos elementos A e B (tabelado). 
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Metálica: 
Formação de uma “nuvem de elétrons” ao redor dos núcleos; 
Combinação de elementos metálicos com baixa eletronegatividade (máx. 3 e-); 
Nuvem se forma pelos elétrons de valência (última camada); 
Elétrons (-) movimentam-se livremente ao redor dos núcleos (+); 
Metais são bons condutores de calor e eletricidade (pelos e-); 
São materiais não transparentes; 
Apresentam boa capacidade de deformação e tratamentos térmicos; 
Comportam-se com boa ductilidade (plasticidade); 
Ligação não-direcional, geralmente forte. 
 
Figura 1.10 – Exemplos de estruturas em sólidos metálicos. 
 
 1.3.3. LIGAÇÃO DE Van Der Waals 
 
Forças de ligação surgem de dipolos atômicos; 
Ligações fracas. Não-direcional; 
Ligação resulta de uma atração Coulombiana; 
Também chamadas de Ponte de Hidrogênio; 
Dipolos podem ser induzidos ou permanentes. 
 
Figura 1.11 – Exemplos de estruturas em sólidos com ligações de Van Der Waals. 
 
A molécula de água apresenta polarização de carga (formação de dipolos): positiva 
próxima aos átomos de H e negativa onde os elétrons de valência do O estão localizados. Isto 
produz forças de Van der Waals entre as moléculas, fazendo com que as mesmas tendam a 
alinhar os pólos negativos com positivos. Como o ângulo de ligação é 109,5o, as moléculas 
formam uma estrutura quase hexagonal. O gelo tem estrutura hexagonal devido a este tipo de 
ligação. Ë menos denso por isso flutua sobre a água. 
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EXERCÍCIOS PROPOSTOS 
 
1.) Qual a massa, em gramas, de um átomo de Cu ? Quantos átomos de Cu há em 1 g de Cu ? 
Dados: massa atômica Cu = 63,54 g/mol 
 
 
 
 
2.) Em uma liga 75% em peso de Cu e 25% em peso de Ni, qual é a proporção atômica de Cu e 
Ni ? Dados: massa atômica Cu = 63,54 g/mol , massa atômica Ni = 58,69 g/mol 
 
 
 
 
 
 
 
3.) Cite as principais características apresentadas pelas seguintes classes de materiais, dando um 
exemplo para cada uma delas: 
 Metais Cerâmicos 
 Polímeros Compósitos 
 Semicondutores Biomateriais 
 
4.) Cite de forma resumida as principais diferenças entre ligação iônica, covalente e metálica. 
 
5.) Qual o tipo de ligação química é usualmente presente nos seguintes materiais? 
 Metais Cerâmicos 
 Polímeros Compósitos 
 Semicondutores Biomateriais (Mat. Biocompatíveis)) 
 
6.) Qual o tipo de ligação você esperaria que se formasse para os seguintes compostos: Bronze 
(liga de Cu e Sn), GaSb, Al2O3 e nylon. 
 
7.) Dê a sua opinião sobre a seguinte afirmação : Quanto maior a diferença nas 
eletronegatividades mais covalente é a ligação. 
8.) Por que em geral os metais apresentam alta condutividade térmica e elétrica? 
 
9.) Explique porque geralmente materiais covalentes são menos densos que metálicos e iônicos. 
 
10.) Com base nas ligações químicas, explique porque a água se expande quando solidifica. 
g10.05,1x
átomo1
Cugx
mol/átomos10.02,6
Cumol/g54,63
22
23
−=
=
átomos10.47,9x
Cug1
Cuátomosx
Cumol/g54,63
mol/átomos10.02,6
21
23
=
=
mol6063,1TotalmolGrama
mol4260,0
mol/g69,58
g25Nimoles.Núm
mol1803,1
mol/g54,63
g75Cumoles.Núm
=−
==
==
%5,26100.
mol6063,1
mol4260,0Niatômica%
%5,73100.
mol6063,1
mol1803,1Cuatômica%
=⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛=
=⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛=
%5,26100.
mol6063,1
mol4260,0Niatômica%
%5,73100.
mol6063,1
mol1803,1Cuatômica%
=⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛=
=⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛=
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11.) Explique porque os metais geralmente se expandem ao serem aquecidos. 
 
12.) Considerando a seguinte afirmação correta “quantos mais próximos os átomos maior a força 
de atração entre eles“, explique então porque estes não se chocam. 
 
13.) O que determina a distância de equilíbrio entre dois átomos? 
 
14.) O que você entende por força de ligação? 
 
15.) Como a energia e força de ligações estão relacionadas? 
 
16.) Uma solda contêm 52% em peso de estanho e 48% em peso de chumbo. Quais são as 
porcentagens atômicas de Sn e Pb na solda? 
 R: Sn = 65,4 % atômica e Pb = 36,4 % atômica 
 
17.) Um composto intermetálico tem a fórmula química geral NixAly , aonde x e y são números 
inteiros simples, e é formado por 42,04% em peso de Ni e 57,96 % em peso de Al. Qual a 
fórmula mais simples desse composto. 
 Dados: massa atômica Ni = 58,761 g/mol 
 massa atômica Al = 26,98 g/mol 
 R: x = 0,25 e y = 0,73 ou NiAl3 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
1. CALLISTER, Willian D., Materials Science and Engineering: An Introduction. 3ª Edição, 
New York, John Wiley & Sons, 1994. 
2. VAN VLACK, Lawrence H., Princípio de Ciências e Tecnologia dos Materiais. 4ª Edição, Rio 
de Janeiro, Campus, 1984. 
3. ASKELAND, Donald R., The Science and Engineering of Materials. 2ª Edição, London, 
Chapman and Hall, 1991. 
4. SMITHS, W.; Hashemi, J. Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais, Editora 
McGrall-Hill, 1998. 
5. SMITH, William F., Materials Science and Engineering. New York, McGraw-Hill Publ. Co., 2ª 
Ed. 1989. 
6. MEYERS, Marc A.; Chawla, Krishan K., Princípios de Metalurgia Mecânica. São Paulo, Edgar 
Blücher, 1982. 
7. SHACKELDFORD, James F., Introduction to Materials Science for Engineers. New Jersey, 
Prentice-Hall, Inc., 4ª Ed. 1996. 
8. REED-HILL, W., Physical Metallurgy. McGraw- Hill, 1998.