Ciência e Propriedade dos Materiais - Aula 2

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Ciência e Propriedade dos Materiais.
Continuidade auto atividade Tópico 2. 
Auto atividade tópico 3. 
Auto atividade tópico 4.
Auto atividade tópico 5.
Auto atividade tópico 6.
2º Encontro – 13/04/2020
Auto atividade tópico 2
Descreva a origem da energia de ligação entre os átomos. 
R: Ao aproximarmos dois átomos, surgem duas forças concorrentes: atração e repulsão. Os átomos se atraem mutuamente ao serem aproximados a partir de uma longa distância comparado às suas dimensões, e essa atração depende das características de ligação de cada tipo de átomo. No entanto, a sobreposição das camadas eletrônicas acontece a uma determinada distância interatômica, o que faz com que, a partir desse ponto, haja uma crescente força de repulsão. O equilíbrio entre essas forças exprime a força de ligação. Para separarmos os átomos ligados, precisamos impor uma energia externa, equivalente à energia de ligação.
Forças de atração e força de repulsão.
Ao aproximarmos dois átomos, surgem dois tipos de força: uma atrativa e uma repulsiva, cuja, suas magnitudes vão variar de acordo com as características de ligação entre estes átomos. Ao aproximarmos dois átomos a ponto de suas camadas de elétrons se sobreporem, ocorre um aumento na força de repulsão. A força liquida (FL) entre dois átomos é a soma entre a força de repulsão e a força de atração.
FL = Fa + Fr
Fa= Força de atração.
Fr= Força de repulsão.
Ao aproximarmos dois átomos existem duas forças concorrentes (atração e repulsão), podemos supor que, a uma determinada distancia entre estes átomos, a força resultante entre eles será nula. 
Fa + Fr = 0
Auto atividade tópico 2
Descreva a quais os tipos de ligação entre átomos. 
R: As ligações entre os átomos podem ser primárias ou secundárias. 
As ligações primárias compreendem: as ligações iônicas, onde os elétrons são doados e recebidos para ambos atingirem a configuração de gás inerte; as ligações covalentes, onde os átomos são compartilhados para se obter uma configuração estável de gás inerte; as ligações metálicas, onde alguns elétrons não pertencem a átomos específicos, formando uma nuvem de elétrons livres. 
As ligações secundárias são mais fracas que as primárias, e são resultantes de forças de atração entre partes positivas e negativas de átomos ou moléculas. 
Ligações Primárias e Ligações Secundárias 
As ligações primárias estão distribuídas entre ligações iônicas, ligações covalentes e ligações metálicas. 
Ligações Iônicas: as ligações iônicas, sempre envolvem átomos metálicos e não metálicos, sendo que neste tipo de ligação o metal perde seu elétron de valência, e ao átomo não metálico recebe. Esta troca tem como consequência a geração de uma carga elétrica, tornando-os íons, o que por sua vez define a ligação como ligação iônica. 
Ligações Covalentes: as ligações covalentes, diferente da ligação iônica, um ou mais elétrons são compartilhados, entre os átomos, ou seja, os elétrons compartilhados não pertencem a um átomo especifico. 
Ligações Metálicas: as ligações metálicas apresentam uma característica, bem atípica das ligações de caráter iônica e covalente. Os átomos de um metal apresentam geralmente de um a três elétrons na camada de valência. Neste caso, os elétrons não ficam pertencentes e nenhum átomo, formando assim uma nuvem de elétrons, o que chamamos de elétrons livre. 
Ligações Primárias e Ligações Secundárias 
As ligações secundárias surgem quando existem uma separação entre a parte positiva e negativa das moléculas ou átomos, gerando assim um atração entre as partes de carga contrária. Normalmente esses tipos de ligações, apresentam energia de ligação bem inferior ao das ligações primárias. 
Auto atividade tópico 2
Descreva a quais os tipos de ligação predominantes em cada classe de materiais. 
R: As cerâmicas oxidas são normalmente compostas por ligações iônicas. 
Os metais apresentam predominantemente ligações metálicas. 
Os polímeros apresentam ligações iônicas e covalentes, correspondentes às ligações dentro da cadeia polimérica ou ligações cruzadas, e ligações secundárias, que são forças que existem entre as cadeias poliméricas, que as mantêm unidas, além de serem responsáveis por uma grande parcela das propriedades dos polímeros.
Auto atividade tópico 2
Qual a relação entre o ponto de fusão e a magnitude da energia de ligação? 
R: Para que ocorra a fusão de um determinado material é necessário romper a energia de ligação entre os seus átomos. Portanto, materiais com maior energia de ligação tendem a apresentar maior temperatura de fusão.
Ponto de Fusão e Energia de ligação. 
Se compararmos a energia de ligação destes átomos, com o ponto de fusão destes materiais, constataremos que existe uma relação direta muito interessante:
Quanto maior a energia de ligação, mais elevado será o ponto de fusão. 
Um exemplo pratico são as aplicações de cerâmicas que normalmente apresentam elevado ponto de fusão , utilizadas para revestir fornos onde são fundidas ligações metálicas, cuja temperatura de fusão é menor. 
Tópico 3 – Tipos de Estruturas Cristalinas
Estruturas Típicas dos Metais
Os metais como já sabemos, são caracterizados pelas suas ligações metálicas, que na maioria dos casos apresentam estruturas de arranjo atômico relativamente simples e de elevada simetria. 
Um material metálico apresentam inúmeros átomos ligados entre si. Podemos assim constatar que sua estrutura metálica consiste em um arranjo de átomo que se repete indefinidamente pelo material. Essa pequena proporção ou agrupamento de átomos, que representa o arranjo atômico do material, dá-se o nome de célula unitária. 
Desta forma, os metais apresentam 3 tipos de células unitárias mais comuns, sendo elas:
Cúbica de face centrada;
Cúbica de corpo centrado;
Hexagonal Compacta. 
Cúbica de Faces Centradas
A estrutura cúbica de faces centradas (CFC) é típica de muitos materiais comerciais, como por exemplo do alumínio, chumbo e o ouro.
As estruturas cúbicas, contêm arestas de igual comprimento. No caso da estrutura CFC, quatro átomos ocupam as arestas, e seis átomos ficam localizados em cada face do cubo. 
Cúbica de Faces Centradas – Cálculo de arestas (a)
Para calcularmos o comprimento de uma aresta (a), temos como exemplo a célula unitária do chumbo (Pb), que apresenta um raio atômico de 0,175 x 10^-9 m. 
Pontos de atenção: 
observe na face frontal da célula unitária do tipo CFC (figura 14, abaixo). Podemos traçar um triângulo retângulo que compreende duas arestas. 
podemos constatar que a hipotenusa desse triangulo tem o comprimento de 4 raios iônicos (r), (hipotenusa – h² = a² + a²). onde a corresponde a aresta do cubo. 
se h= 4r, temos: 
 
Cúbica de Faces Centradas – Cálculo do volume da célula unitária.
Pontos de atenção: 
observe na face frontal da célula unitária do tipo CFC (figura 14, abaixo). Podemos traçar um triângulo retângulo que compreende duas arestas. 
podemos constatar que a hipotenusa desse triangulo tem o comprimento de 4 raios iônicos (r), (hipotenusa – h² = a² + a²). onde a corresponde a aresta do cubo. 
se h= 4r, temos: 
 
Cúbica de Faces Centradas – Cálculo de massa da célula unitária
Para calcularmos a massa de uma célula unitária, faremos uso da seguinte fórmula:
Onde:
Mc = é a massa dos átomos por célula unitária (g).
A = Massa atômica (g/mol)
n = número de átomos no interior da célula unitária.
A = número Avogadro (6,023x10²³ átomos/mol)
 
cada célula unitária contém quatro átomos (8 dos vértices, que estão compartilhados com mais 7 outras células + 6 átomos das faces, que estão compartilhados, cada qual, com outra célula 8 x 1/8 + 6 x ½ = 4). Número de coordenação é o número de vizinhos mais próximos de um átomo.
Valor Padrão.
massa atômica, fatoração disponível na tabela periódica, relativa ao elemento químico Chumbo (Pb). 
número Avogadro, padronizado.Cúbica de Faces Centradas – Cálculo de densidade da célula unitária
Para calcularmos a densidade de uma célula unitária, faremos uso da seguinte fórmula:
Onde:
ρ = densidade da célula unitária (g/m³). 
Mc = Massa da célula unitária (g).
V = volume da célula unitária (cm³). 
A densidade comercial do chumbo é de 11,34 g/cm³, logo, podemos assim ter uma boa aproximação da densidade do material a partir dos dados de sua estrutura cristalina e das características de seus átomos. 
 
Cúbica de Faces Centradas – Cálculo do Fator de Empacotamento
O fator de empacotamento atômico (FEA) é calculado pela razão entre o volume dos átomos que ocupam a célula unitária e o volume da célula, neste caso para as CFC, temos: 
 volume do átomo (esfera de raio R) x número de átomos
FEA= ______________________________________________
volume da célula unitária
 4/3 π R³ x 4
FEA = __________________ 
 16 R³ √2
 4/3 (3,14159...) (0,175 x 10^-9)³ x 4
FEA = ______________________________________ 
 16 (0,175 x 10^-9)³ √2 
FEA = 0,74
Isso significa que a célula unitária é preenchida ou ocupada 74% por átomos e 26% são vazios.
Cúbica de Corpo Centradas
A estrutura do tipo cúbica de corpo centrado (CCC) é típica dos materiais ferrosos (aços, Ferros fundidos) em temperatura ambiente. O que difere da estrutura CFC, é que os átomos das faces do cubo são substituídos por um átomo do centro do cubo. Desta forma, em cada célula unitária temos dois átomos, um no centro, e ¼ de átomo em cada aresta 
Cúbica de Corpo Centradas
O número de coordenação para a estrutura CCC é 8, inferior ao da CFC, todavia, o fator de empacotamento é menor: 0,68. 
A aresta da célula CCC é Obtida a partir do raio atômico pela equação. 
É aplicável também aos tipos de estruturas cristalinas a estrutura hexagonal compacta (Zinco, Magnésio, cádmio e titânio) 
Estruturas Cristalinas de Materiais Cerâmicos.
Estruturas Moleculares de Polímeros. 
Auto atividade tópico 3
Defina Célula unitária. 
R: Célula unitária é a menor unidade de repetição da estrutura cristalina de um material. Em outras palavras, são análogas aos tijolos utilizados na construção de uma parede.
Determine o parâmetro de rede a de uma célula unitária do tipo CCC em função do raio atômico.
R: Na célula CCC, um triangulo retângulo representa a hipotenusa, onde a hipotenusa é uma das diagonais internas do cubo. Ela representa comprimento igual a 4R, ou seja: 
(4R)² = a² + d ²
Já a diagonal da face do cubo, pode ser expressa em função da aresta da face do cubo, ou seja: 
d = √ a ² + a²
d = a √2
Onde a representa a aresta do cubo e d representa a diagonal de uma das faces do cubo. Assim, se substituirmos d na primeira equação, temos:
(4R)² = a² + (a . √2)²
(4R)² = a² + 2.a²
√(4R)² = √3.a²
4R = a . √3
a = 4R/ √3
Tópico 4 – Cristalinidade dos Materiais. 
A cristalinidade dos materiais estão relacionadas as aspectos das células, ou seja, como as células unitárias ou moléculas são organizadas, e como esse nível de organização pode afetar as propriedades de um determinado material. 
Os materiais são divididos em 4 classificações: 
Materiais Monocristalinos.
Materiais Policristalinos,
Materiais Amorfos.
Materiais Semicristalinos; 
Auto atividade tópico 4 
O que é um monocristal ? Qual a utilidade de materiais monocristalinos ? 
R: Um monocristal consiste em um material que apresenta apenas um grão. Os monocristais apresentam aplicações bastante específicas. Estes materiais apresentam propriedades geométricas fortemente dependentes da geometria de sua célula unitária, ou seja: podemos ter propriedades bastante diferentes em função da orientação do monocristal. Essas propriedades distintas são usadas no campo da eletrônica, como no desenvolvimento de monocristais de silício.
Diferencie uma material monocristalino de um material policristalino.
R: Diferentemente dos materiais monocristalinos, os materiais policristalinos, que correspondem à grande maioria dos materiais cristalinos, são compostos por diversos grãos. Esses grãos são nucleados já no processo de solidificação, e crescem a partir da ordenação dos átomos nesses pequenos núcleos. Como o crescimento de cada grão se orienta de forma diferenciada, no encontro de dois grãos em crescimento forma-se uma interface imperfeita, a qual chamamos de contorno de grão.
Defina material amorfo.
R: Os materiais amorfos não apresentam ordenação de seus átomos, ou apresentam ordenação, porém não é de longo alcance no material. 
Tópico 5 – Defeitos da Estrutura Cristalina
Os defeitos da estrutura cristalina, estão diretamente ligados aos movimentos vibracionais das partículas de determinados materiais sólidos, quando encontram-se em temperatura ambiente. Este movimento vibracional são responsáveis pelo aumento de temperatura. No caso de temperaturas de fusão, estas vibrações causam o rompimento das ligações, criando lacunas moleculares. 
Desta forma dispomos de 5 principais tipos de defeitos:
Defeitos Pontuais.
Impurezas.
Discordâncias.
Sistema de Escorregamento.
Contorno dos Grãos. 
Auto atividade tópico 5 
O que são Lacunas? Qual a sua dependência com a temperatura ? 
R: Lacunas são sítios vazios dentro de uma estrutura cristalina de determinado material. A quantidade de lacunas aumenta exponencialmente com o aumento da temperatura.
O que são discordâncias ? 
R: Discordâncias são defeitos lineares. Esses defeitos são gerados no próprio processo de solidificação dos materiais ou nos processos de fabricação, como na conformação mecânica dos aços.
Qual a influência do contorno do grão na resistência mecânica?
R: Os contornos de grão consistem em regiões onde as ligações químicas entre os átomos do material não são completas, consistindo em um ponto de maior fragilidade no material.
Unidade 2 – Caracterização e propriedades dos materiais.
 Tópico 1 – Propriedades Mecânicas.
Os metais são analisados em termos de suas propriedades mecânicas através de um gráfico de tensão versus deformação. 
A tensão de escoamento é caracterizada pela tensão onde se inicia a deformação plástica. Quando não há uma distinção clara do ponto do gráfico, este é convencionado para um valor de deformação padrão (0,002). 
A tensão de resistência, compreende a maior tensão aplicável ao material, e antecede a deformação localizada. 
Unidade 2 – Caracterização e propriedades dos materiais.
 Tópico 1 – Propriedades Mecânicas.
Um material pode ser dúctil, quando apresenta deformação plástica antes da ruptura, ou frágil, quando a deformação plástica do componente antes da ruptura é pequena ou inexistente. 
Módulo de Elasticidade.
O modelo de elasticidade, ou módulo de Young, é uma constante do material, e está relacionada com a sua rigidez. 
O módulo de elasticidade (E) consiste na razão entre a tensão e a deformação na região elástica de determinado material. 
Onde σ é a tensão, em MPa, e ξ é a deformação (adimensional).
O módulo de elasticidade apresenta unidade de medida em GPa.
Auto atividade tópico 1 – Unidade 2 
Descreve e defina os tipos de tensão que podem ser determinados no gráfico de tensão vs. deformação? 
R: No gráfico de tensão vs. deformação podemos identificar a tensão limite de escoamento, tensão de resistência e tensão de ruptura. Em muitos casos, a tensão de escoamento não é facilmente identificável. Nesses casos se utiliza uma deformação padrão, traçando-se uma linha paralela à curva de carregamento no campo elástico. A tensão de escoamento caracteriza a transição do regime elástico para o regime plástico. A partir desse estágio, verificamos a influência do movimento nas discordâncias (nos metais) gerando deformação permanente. A tensão de resistência compreende o maior valor de resistência apresentado no gráfico. A partir desse ponto, um “pescoço” ou estricção é formado, e a deformação plástica passa a se concentrar em uma região restrita. A tensão de ruptura compreendeo valor de tensão registrado no momento da falha catastrófica do material (ruptura).
O que diferencia um material dúctil de um material frágil ? 
R: Um material é chamado de dúctil quando apresenta a capacidade de se deformar plasticamente. Já um material frágil apresenta pouca ou nenhuma deformação plástica. Os materiais cerâmicos, de uma forma geral, são considerados frágeis.
Auto atividade tópico 1 – Unidade 2 
Quais as variáveis envolvidas no processo de falha por fluência ? 
R: A falha por fluência depende da presença de uma tensão mecânica, aliada a uma temperatura de trabalho suficientemente elevada (tipicamente da ordem de 40% da temperatura de fusão do material). Tubulações contendo gases aquecidos e pressurizados podem ser suscetíveis a esse tipo de falha.
Quais características devem ser consideradas para aumentar a vida em fadiga de um componente ? 
R: A vida em fadiga do componente depende das características do material e também das características de projeto do componente, bem como da presença de defeitos. Os esforços para melhorar o componente devem ser direcionados para evitar a nucleação de trincas e inibir a sua propagação. Um acabamento superficial ruim pode gerar concentração de tensão, assim como cantos vivos, consistindo em pontos preferenciais para o surgimento de defeitos.