201753_231519_APOSTILA

Prévia do material em texto

CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
 2
CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
PROPRIEDADES DOS MATERIAIS
 X 
LIGAÇÕES QUÍMICAS
 3
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Polímeros
Cerâmicos
Metais
 4
COMPÓSITOS
Fibra de Carbono
Fibra Aramida
 5
AS PROPRIEDADES DOS 
MATERIAIS
Elétrica: Condutividade e constante dielétrica.
Mecânica: Resistência, elasticidade, resiliência, ductibilidade e tenacidade.
Térmica: Capacidade calorífica e condutividade térmica.
Magnética: Resposta a aplicação de campos magnéticos.
Óptica: Índice de refração e a refletividade.
Deterioração: Reatividade química dos materiais.
 6
LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS
VAN DER WAALS
LIGAÇÕES PRIMÁRIAS
IÔNICA COVALENTE METÁLICA
ENERGIAS DE LIGAÇÃO
INTERAÇÃO DIPOLAR
 7
LIGAÇÕES QUÍMICAS
Iônica
 Coulomb
 Metal + não metal
 600 a 1500 kJ/mol
Metálica
 Gás de elétrons
 Bons condutores de calor 
 e eletricidade.
 70 à 850 kJ/mol
Covalente
 Compartilhamento de elétrons
 Diamante (>3000°C)
 
ENERGIAS DE LIGAÇÃO
 8
LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS 
VAN DER WAALS
ENERGIAS DE LIGAÇÃO
DIPOLO FÍSICA
10 kJ/mol
 9
ENERGIAS DE LIGAÇÃO
F
A
 + F
R
 = 0
r
0
 = r
A 
+ r
B
 10
CONDUTORES
ORDEM DE GRANDEZA !
TEORIA DAS BANDAS
RESISTIVIDADE
X
CONDUTIVIDADE
 11
CONDUTORES
EQUAÇÕES
Um fio de alumínio com 4,0 mm de diâmetro, deve oferecer 
uma resistência inferior a 2,5 Ω . Dessa forma, calcule o 
comprimento máximo permitido ao fio.
Um fio de cobre com 100m de comprimento deve 
apresentar uma queda de tensão de menos de 1,5 V 
quando uma corrente de 2,5 A passar através dele. 
Desse modo, calcule o diâmetro mínimo do fio.
 12
CONDUTORES
 CONHEÇA AS UNIDADES DE MEDIDA !
 13
CONDUTORES
PARA QUE SERVEM?
OUTRAS QUESTÕES ...
 14
SEMICONDUTORES
SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS
LEDS
 15
SEMICONDUTORES
SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS
TIPO p
TIPO n
 16
SEMICONDUTORES
 17
DIELÉTRICOS
DIELÉTRICOS = ISOLANTES
CERÂMICAS
POLIMEROS
ORDEM DE GRANDEZA !
 18
DIELÉTRICOS
APLICAÇÕES PARA DIELÉTRICOS 
FÍSICA III ?
 19
PIEZOELETRICIDADE
TENSÃO DE COMPRESSÃO = CAMPO ELÉTRICO
 20
PROPRIEDADES TÉRMICAS
Capacidade Calorífica
Expansão Térmica
Condutividade Térmica
 21
PROPRIEDADES TÉRMICAS
 22
PROPRIEDADES TÉRMICAS
MECANISMOS DE CONDUÇÃO DE CALOR:
VIBRAÇÃO DA REDE(FÔNONS) + ELÉTRONS LIVRES
METAIS: elétrons livres, valores de k até 400 W/m.K
CERÂMICAS: fônons, valores de k até 50 W/m.K
POLIMEROS: fônons e rotação de moléculas valores de k até 0,3 W/m.K
 
POROS
+
IMPERFEIÇÕES
 23
PROPRIEDADES TÉRMICAS
Uma barra metálica de 0,1 m de comprimento alonga-se 0,2 mm ao ser aquecida de 20°C
Até 100°C. Desse modo, determine o coeficiente de expansão térmica do material que
constitui a barra
Calcule o fluxo de calor através de uma chapa de aço de 10 mm de espessura se a 
temperatura nas suas duas faces forem 100°C e 300°C. Qual é a perda de calor por 
hora se a área da chapa for de 0,25 m2 ?
 24
PROPRIEDADES MAGNÉTICAS
Os materiais podem ser classificados como:
Diamagnéticos
Paramagnéticos
Ferromagnéticos
DIPOLO
 25
PROPRIEDADES MAGNÉTICAS
DIAMAGNÉTICOS
PARAMAGNÉTICOS
CUIDADO, ESSES MATERIAIS NÃO SÃO MAGNÉTICOS!
 26
PROPRIEDADES MAGNÉTICAS
FERROMAGNETISMO
(ferro, cobalto, níquel, gadolínio)
 27
PROPRIEDADES MAGNÉTICAS
SUPERCONDUTORES
???
 28
PROPRIEDADES ÓPTICAS
Velocidade (c) Energia (E)
ONDAS TRANSPORTAM ENERGIA, SEM TRANSPORTAR MATÉRIA. MAS ...
 29
PROPRIEDADES ÓPTICAS
… A RADIAÇÃO INTERAGE COM A MATÉRIA !
 30
PROPRIEDADES ÓPTICAS
FENÔMENOS:
ABSORÇÃO
REFLEXÃO
REFRAÇÃO
 31
PROPRIEDADES ÓPTICAS
CLASSIFICAÇÃO:
TRANSPARENTE
TRANSLÚCIDO
OPACO
 32
PROPRIEDADES MECÂNICAS
Resistência: Tensão requerida para romper o material.
Ductibilidade: Indica a deformação relativa antes da fratura.
Resiliência: Energia absorvida na deformação elástica.
Tenacidade: Energia absorvida antes da fratura.
Dureza: Resistência a uma deformação plástica localizada.
ELASTICIDADE
 33
PROPRIEDADES MECÂNICAS
FORMULÁRIO
TIPOS DE ESFORÇOS
Que dor de cabeça!
 34
PROPRIEDADES MECÂNICAS
DUCTIBILIDADE
 
 35
PROPRIEDADES MECÂNICAS
ENSAIO BARATO!DUREZA
 36
LRT = 3,45 X HB
PROPRIEDADES 
MECÂNICAS
LRT = limite de resistência a tração
 37
PROPRIEDADES 
MECÂNICAS
1) Uma peça de cobre originalmente com 305 mm de comprimento é puxada em tração com 
uma tensão de 276 MPa. Sendo a deformação inteiramente elástica, qual será o alongamento 
resultante?
EXEMPLOS
2) Compare o limite de resistência a tração do aço (1020) fornecido na tabela com o índice de 
dureza Brinell, dado por LRT = 3,45 X HB
 38
PROPRIEDADES 
MECÂNICAS
3) A partir do comportamento 
tensãoxdeformação em tração para 
um corpo de provas de latão, 
mostrado no gráfico ao lado, 
determine:
a) O módulo de elasticidade;
b) A tensão limite de escoamento, 
para uma pré-deformação de 0,002;
c) A carga máxima que pode ser 
suportada por um corpo de provas 
cilíndrico com diâmetro original de 
12,8 mm;
d) A variação no comprimento de um 
corpo de provas originalmente com 
250 mm de comprimento e que foi 
submetido a tração de 345 MPa.
 39
ESTRUTURA DOS SÓLIDOS
Ordenação atômica de longo
alcance. Ocorre em todos os 
metais, muitas cerâmicas e 
alguns polímeros.
CRISTALINO AMORFO 
Ordenação atômica de 
curto alcance. Ocorre em
todos os polímeros e em 
algumas cerâmicas.
x
 40
SÓLIDOS CRISTALINOS
Difração de Bragg Como sabemos disso?
 41
SÓLIDOS CRISTALINOS
BCC = body-centered cubic
Átomos compartilhados entre as células:
• 1/8 dos átomos em cada canto;
• 1 átomo no centro do cubo.
Assim, em cada célula unitária temos: 
(1/8 * 8) + (1) = 2 átomos .
Parâmetro de rede:
Célula unitária
FEA = 0,68
Ex: cromo, molibdênio, nióbio, ferro.
a=
4 R√3
3
 42
SÓLIDOS CRISTALINOS
FCC = face-centered cubic
Átomos compartilhados entre as células:
• 1/8 dos átomos em cada canto;
• 1/2 dos átomos no centro de cada face.
Assim, em cada célula unitária temos: 
(1/8 * 8) + (1/2 * 6) = 4 átomos .
Parâmetro de rede:
a=2 R√2
Célula unitária
FEA = 0,74
Ex: alumínio, cobre, ouro, ferro.
 43
SISTEMAS CRISTALINOS
Nesse curso !
 44
SÓLIDOS CRISTALINOS
 
A tabela a seguir, apresenta diversas estruturas cristalinas e
os respectivos raios atômicos para uma variedade de metais.
 45
ÍNDICES DE MILLER
Algumas direções são particularmente importantes numa cela unitária. Por 
exemplo, os metais costumam deformar-se em certas direções ao 
longo das quais os átomos se tocam. Certas propriedades dos materiais 
podem depender da direção na qual ela é medida.
 46
PLANOS 
CRISTALOGRÁFICOS
✔ Os planos são definidos perpendicularmente a direção dos vetores.
✔ Usa-se a notação (hkl) para as direções cristalográficas.
✔ Há diversos planos que podem ser obtidos por translação dos vetores.
✔ Para uma família de planos usa-se {hkl}.
✔ Para coordenadas negativas, usa-se uma barra sobre o índice.
 47
ANISOTROPIA
Algumas direções são particularmente importantes numa cela unitária.
Por exemplo, os metais costumam deformar-se em certas direções ao 
longo das quais os átomos se tocam. Certas propriedades dos materiais 
podem depender da direção na qual ela é medida.
Nobel Prize, 1915
+
 48
DIFRAÇÃO DE RAIO 
X
Ainda não entendi...
 49
CRISTAIS
Em geral os sólidos cristalinos são policristalinos, ou seja, constituídos de 
várias regiões(domínios) cristalinas. Monocristais podem ser encontrado na 
natureza ou produzidos artificialmente sob condições controladas.
 50
MASSA ESPECÍFICA
Calculando a Massa específica (ρ): A massa específica de um sólido metálico através 
do conhecimento da sua estrutura cristalina é obtido pela relação:
n = Número de átomos associados a cada célula unitária;
A = massa atômico;
VC = Volume da célula unitária;
NA = Número de Avogadro (6,023x1023 átomos/mol).
O raio atômico do cobre é de 0,128 nm, para a sua forma FCC. Considerando 
a sua massa molar (63,5 g/mol), estime a sua densidadeutilizando a expressão 
acima e compare com a sua densidade real (8,94 g/cm3).
 51
ALOTROPIA OU POLIMORFISMO ?
Alguns materiais podem 
ter mais de uma estrutura 
cristalina dependendo da 
temperatura e pressão.
Alguns autores não fazem distinção
entre os dois termos. Outros 
empregam Alotropia aos elementos e,
Polimorfismo aos compostos.
O caso do carbono...
 52
ALOTROPIA OU POLIMORFISMO ?
O caso do estanho...
… e a famosa transformação do Ferro
 53
DEFEITOS PONTUAIS
Observe a reconstrução em torno do 
defeito de vacância ...
✔ Vacância
✔ Intersticial
✔ Substitucional
 54
Defeito de vacância no SiO2 obtido por imagem STM.
DEFEITOS 
PONTUAIS
 55
DEFEITOS PONTUAIS
Dopagem em Semicondutores ...
Sistemas ferro-carbono ...
 56
DEFEITOS PONTUAIS
O efeito de impurezas substitucionais
na resistência do cobre
 57
DEFEITOS LINEARES ou 
DISCORDÂNCIAS
✔ Cunha
✔ Hélice
✔ Mista
 A presença de defeitos lineares é a responsável pela
 deformação, falha e rompimento dos materiais ...
 58
DEFEITOS LINEARES ou 
DISCORDÂNCIAS
Todos os materiais cristalinos apresentam alguma discordância, introduzidas
durante a solidificação, ou durante a deformação plástica ou como consequência
de tensões térmicas originadas de um resfriamento rápido ...
Discordância em uma liga de titânio
 59
DEFEITOS DE SUPERFÍCIES
✔ Contorno de grão
✔ Macla
 60
DEFEITOS DE SUPERFÍCIES
Contorno de grão é o nome dado as fronteiras entre 
diferentes domínios cristalinos
Matriz ferrítica com impureza grafítica
 61
DEFEITOS DE SUPERFÍCIES
As maclas são um defeito de superfície, caracterizado pela 
criação de regiões especulares nos sólidos cristalinos.
Maclas de recozimento no aço inoxidável
 62
QUESTÕES
1 - Nos cristais cúbicos, à medida que os valores dos índices planares h, k e l aumentam,
a distância entre planos adjacentes e paralelos (isto é, o espaçamento interplanar)
aumenta ou diminui? Por quê?
2 - Os materiais não cristalinos exibem o fenômeno da alotropia (ou polimorfismo)?
Por que sim, ou por que não?
3 - Calcule o fator de empacotamento atômico (FEA) para os sistemas:
a) FCC
b) BCC
c) SC
 63
Fases da Matéria
Sistemas Binários
Sistemas Eutéticos
Sistemas Eutetóides
Diagrama Fe-C
Usos do Ferro
Tipos de Corrosão
Proteção contra corrosão
Problemas decorrentes da corrosão
CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
 64
DIAGRAMAS DE FASE
Ponto tríplice
 65
DIAGRAMAS DE FASE
Sistemas Isomorfos: completa solubilidade (ex: Cu-Ni)
 66
DIAGRAMAS DE FASE
Letras gregas para fases sólidas: 
Monel: resistente a salmoura, e meios 
fluorídricos, clorosos e sulfúricos.
 67
DIAGRAMAS DE FASE
a) Sistema Eutético: Um líquido se transforma
em dois sólidos.
b) Sistema Eutetóide: Um sólido se 
transforma em dois outros sólidos.
Sistemas Anisomorfos: a solubilidade total não é possível.
 68
DIAGRAMAS DE FASE
Eutética
Eutetóide
 69
DIAGRAMAS DE FASE
Ferrita Austenita Cementita
 70
DIAGRAMAS DE FASE
Aço Ferro fundido Intermetálica
ALTO FORNO
REAÇÃO BÁSICA
2 Fe
2
O
3
 + 3 C → 4 Fe + 3 CO
2
 71
O USO DO FERRO
Ferro fundido cinzento: contém segregações de grafita; é de dureza média, quebradiço, 
não amolece aos poucos, portanto não é possível transformá-lo por forjamento ou soldagem.
É usado em artigos baratos de pequenas dimensões (ferragens, guarnições, peças decorativas e
tudo produzido por moldagem simples).
Ferro fundido branco: contém cementita ; é bastante duro, não pode ser soldado ou forjado. 
É usado para artigos de massa de elevada performance mecânica (martelos, chaves, 
parafusos...)
Aço de ferramenta: contém 0,4 a 1,7% de C (para molas, ferramentas, facas, cabos de aço,
trilhos de trem,...) e é geralmente feito a partir do ferro fundido branco.
Aço doce: contém < 0,4% de C, usado na construção civil e para carrocerias de carros
(latas, chapas finas, pregos, fios de solda, tubos, vigas, aços de casco de navios, carrocerias...)
 72
Algumas ligas impotantes...
Níquel aumenta especialmente a tenacidade do aço. Uma peça com 25% de Ni pode ser esticada, 
sem romper, até o dobro do seu comprimento. Um aço com 36% de Ni mostra a particularidade de 
quase não dilatar-se no calor. Este "aço de invar" é, portanto, muito utilizado em instrumentos e 
ferramentas de precisão.
Cromo deixa o aço mais duro. Especialmente a combinação Fe - Ni - Cr se destaca por ser uma liga
extremamente dura e ao mesmo tempo tenaz. É utilizado para rodas da ferrovia, armas e tanques de 
guerra, eixos,...O aço "V2A", por exemplo, contém 71% Fe, 20% Cr e 8% Ni, além de Si, C e 
Mn (0,2% cada).
Tungstênio quando adicionado ao aço, não deixa o aço amolecer. Assim, servem como pontas de
ferramentas de torno rápido. O molibdênio e o vanádio têm um efeito semelhante ao do tungstênio.
Cobalto e Tungstênio, quando adicionados ao aço criam ligas com qualidades magnéticas excelentes,
então servem para ímãs(permanentes) usados em motores elétricos.
Exemplo: 50% Fe, 40% Co, 7% W, 2,5% Cr, 0,5% C. 
 73
CORROSÃO
Existe um grande interesse prático neste estudo uma vez que a corrosão causa um prejuízo 
estimado em torno de 3% do PIB nos países industrializados. 
Deterioração de um material, geralmente metálico, por ação química ou 
eletroquímica do meio ambiente associada ou não a esforços mecânicos.
 74
TIPOS DE CORROSÃO
Placas: Abrange os casos intermediários entre a corrosão uniforme e a 
corrosão localizada. Ocorre em algumas regiões da superfície.
Alveolar: É processada na superfície metálica produzindo sulcos ou
escavações semelhantes a alvéolos, apresentando fundo arredondado
e profundidade geralmente menor que seu diâmetro.
Uniforme: É a forma menos agressiva de corrosão. O ataque, neste caso,
se estende de forma homogênea sobre toda a superfície metálica, e sua 
penetração média é igual em todos os pontos. 
 75
TIPOS DE CORROSÃO
Frestas: Este tipo de corrosão é uma variação da corrosão puntiforme e 
se apresenta em uniões ou zonas em que a renovação do meio corrosivo
só pode ser obtida por difusão (movimento de íons causado por um 
gradiente de concentração). Esta condição de não renovação do meio 
corrosivo (estagnação) pode ser obtida também quando se tem 
sedimentação ou quando se utilizam juntas de material absorvente ou 
poroso. 
 
Intergranular: Este tipo de corrosão localiza-se entre os grãos da estrutura 
cristalina do material (contorno de grãos) metálico, o qual perde as suas 
propriedades mecânicas e pode fraturar quando submetido a esforços
mecânicos maiores que o esperado, como é o caso da corrosão sob tensão.
Pite: Este tipo de ataque, assim como a intergranular e intragranular, 
é uma das formas mais perigosas em que a corrosão pode-se apresentar.
Neste caso a quantidade de material afetado não guarda relação com a 
magnitude dos incovenientes. 
 76
TIPOS DE CORROSÃO
Filiforme: A corrosão filiforme se processa sob a forma de finos filamentos
que se propagam em diferentes direções e que não se cruzam. Ocorre 
geralmente em superfícies metálicas revestidas com filmes poliméricos,
tintas ou metais ocasionando o deslocamento do revestimento. 
Esfoliação: A corrosão por esfoliação ocorre em diferentes camadas e o
produto de corrosão, formado entre a estrutura de grãos alongados, separa
as camadas ocasionando um inchamento do material metálico
 77
PROTEÇÃO CONTRA CORROSÃO
Revestimento Anódico (anodo de sacrifício)
Zincagem: A proteção pelo uso de zinco consiste em combinar o zinco com o ferro, 
resultando no zinco como anodo e o ferro como cátodo, prevenindo assim a corrosão do 
ferro, uma vez que o zinco atua como uma barreira protetora evitando a entrada de água e 
ar atmosférico, além de sofrer corrosão antes do ferro.
Galvanização: A galvanização é o processo de zincagem por imersão a quente, que 
consiste na imersão da peça em um recipiente com zinco fundido a 460°C. O zinco adere 
à superfície do aço através da formação de uma camada de liga Fe-Zn, sobre a qual 
deposita-se uma camada de zinco purade espessura correspondente a agressividade do 
meio a qual a peça será submetida. Para garantir uma proteção ainda maior contra a 
corrosão costuma-se aplicar tintas sobre as superfícies zincadas.
 78
PROTEÇÃO CONTRA CORROSÃO
Revestimento Catódico
Aplicação de metais mais nobres que o metal base. Protegem o metal pela formação de 
uma camada contínua e não porosa, isolando-o do meio corrosivo, sendo esta camada 
imune ao ataque do meio. Qualquer porosidade ou ruptura desta camada provocará o 
aparecimento de uma célula galvânica onde o metal base é o ânodo e sofrerá uma corrosão 
localizada. Portanto, no revestimento catódico deve-se ter o cuidado para não deixar falhas 
no mesmo. Os revestimentos catódicos aplicados sobre o aço são o estanho, chumbo, 
níquel, cromo, cobre e os metais nobres como prata, ouro e platina.
 79
PROTEÇÃO CONTRA CORROSÃO
Pintura
Os revestimentos normalmente têm a finalidade de formar um filme contínuo, constituído de material 
isolante, sobre uma superfície metálica que se pretende isolar. Um revestimento será um meio efetivo 
de interrompimento de corrosão se:
O material de revestimento for um efetivo isolante elétrico;
Puder ser aplicado sem descontinuidades, e resistir ao transporte, instalação e operação;
Prover inicialmente um filme quase perfeito e assim permanecer ao longo do tempo.
 80
PROBLEMAS DECORRENTES DA 
CORROSÃO
a) Aparência: A aparência de um material pode ser importante, de forma que a corrosão do mesmo se 
torne indesejável. Dependendo da aplicação do material pode-se, a partir de uma análise de custo-
benefício, se eleger um material resistente à corrosão ou uma forma de proteção que pode ser um 
revestimento polimérico, cerâmico ou metálico ou ainda através de processos de proteção anódica ou 
catódica. Como exemplo da utilização de materiais resistentes à corrosão, por motivo de aparência, 
pode-se citar a utilização de aço inoxidável em esquadrias na construção civil. 
b) Manutenção: A manutenção de uma planta industrial pode ter seu custo sensivelmente reduzido pela 
utilização de materiais resistentes à corrosão. Neste caso, é necessário um estudo de custo benefício 
pois muitas vezes se torna economicamente mais viável a utilização de materiais resistentes à corrosão, 
mesmo que mais caros, que se ter que fazer uma manutenção periódica de pintura, por exemplo. 
c) Interrupção do processo: Frequentemente uma linha de produção ou parte de um processo para 
devido a falhas inesperadas provocadas por corrosão. 
d) Contaminação do produto: A contaminação do produto ocasionado por resíduos da corrosão de 
parte da planta de produção gera queda no preço final do produto sendo que em alguns casos, devido a 
um efeito catalítico do produto de corrosão, ocorre a decomposição do produto, causando perda total. 
e) Perda do material: A perda de material, causada por corrosão, ocorre principalmente por vazamentos 
nos dutos e tanques. 
f) Saúde e segurança: Quando a corrosão causa vazamento de materiais tóxicos, inflamáveis ou 
radioativos tem-se, consequentemente, problemas ambientais, de segurança e de saúde.