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Ciências dos materiais– 2020 AULA 4 Tipos de materiais Estudo da Força de atração atômica 1 - Materiais Define-se material como sendo aquilo que empregamos na confecção de bens materiais tais como: habitações, veículos, máquinas e equipamentos, utensílios, etc. 1-1. Classificações Os materiais são classificados tecnicamente em três classes principais independentes e uma composta (ver Figura 1-1), denominadas, respectivamente: polímeros, cerâmicas, metais e compósitos. Os materiais metálicos compõem o tema central da metalurgia. Figura 1-1: Classificação técnica dos materiais Dentro dessa ótica, J.W. Bullard (http://www.mse.uiuc.edu/info/mse182/t41.html), da Universidade de Illinois, EUA, apresenta as principais subclasses dessa classificação: Classe Subclasse Ciências dos materiais– 2020 Metais A. Ferro e aço; B. Ligas não-ferrosas e superligas (aplicações aeroespaciais) C. Compostos intermetálicos (materiais estruturais de alta temperatura) Cerâmicas A. Cerâmicas estruturais (materiais estruturais de alta temperatura) B. Refratários (materiais resistentes à corrosão, isolantes térmicos) C. Cerâmica branca (porcelanas) D. Vidros E. Cerâmicas para aplicações elétricas (capacitores, isolantes, transdutores, etc.) F. Cerâmicas ligadas quimicamente (cimento e concreto) Polímeros A. Plásticos B. Cristais líquidos C. Adesivos Compósitos A. Compósitos particulados (pequenas partículas dispersas em um material diferente) B. Compósitos laminados (tacos de golfe, raquetes de tênis) C. Compósitos reinforçados com fibras (fibra de vidro, fibra de carbono) Tabela 1-I: Principais subclasses de materiais (adaptado) A maioria das classificações dos materiais nasceu num tempo em que as propriedades mecânicas estavam em primeiro plano. Assim, a primeira associação de materiais é feita tendo-se em vista normalmente uma determinada propriedade mecânica ou estrutural: dureza, resistência, fragilidade, etc. Outras classificações podem ser feitas como, por exemplo, com base na Química (Tabela 1-II). Ligação Menor partícula Estrutura Metais metálica átomo cristalina Semicondutores covalente, (iônica) átomo cristalina (raram. amorfa) Cerâmicos covalente, iônica molécula cristalina Vidros covalente, iônica molécula amorfa Polímeros covalente, lig. secundárias cadeia de moléculas amorfa (raram. cristalina) Tabela 1-II: Classificação química dos materiais Uma classificação moderna e muito interessante dos materiais é aquela onde eles são divididos em apenas dois grandes grupos: materiais estruturais: que são todos os materiais para os quais as propriedades mecânicas têm um papel fundamental; e materiais funcionais: que servem para cumprir um grupo de funções como, por exemplo, materiais ‘semicondutores’, materiais magnéticos, materiais condutores de eletricidade, luz, etc. Ciências dos materiais– 2020 Lembre-se, contudo, que a natureza é refratária às classificações e que uma classificação totalmente isenta de exceções é virtualmente inexistente. 1-2. Propriedades Os materiais são usados por causa de suas boas propriedades. Usamos vidro nas vidraças porque é transparente à luz visível, aço nos automóveis por causa da sua boa resistência mecânica, cobre nos condutores elétricos por causa da sua boa condutividade elétrica. Naturalmente o valor de uma propriedade varia mesmo entre os materiais de uma mesma classe, contudo, é possível observar-se certo grau de correlação entre as classes de materiais e as propriedades. A magnitude de algumas propriedades (mecânicas) interessantes, para as quatro diferentes classes de materiais, pode ser vista na Tabela 1-III. Propriedade Unidade Metais Cerâmicas Polímeros Compósitos* Densidade Mg**/m3 2-10 1-5 1-2 1,5-2,0 Mód. de Young GPa 50-200 10-1000 0,01-10 10-200 Res. à tração MPa 50-2000 1-800 5-100 100-1000 * com matriz polimérica ** Mg = megagrama ou tonelada (métrica) Tabela 1-III: Faixas de algumas propriedades, por classe de material Fonte: Ashby e Jones, Eng. Mat.2, p.376 Duas propriedades mecânicas citadas acima estão relacionadas com o nível de tensão (que possui as unidades da pressão): o módulo de Young e a resistência mecânica à tração. Elas exemplificam a grande relevância que a tensão tem no estudo dos materiais. 1-3. Materiais metálicos: características e aplicações 1. Características básicas: ▪ átomos organizados numa estrutura repetitiva regular (cristal); ▪ relativamente resistente (propriedade mecânica); ▪ denso; ▪ maleável ou dúctil: alta plasticidade; ▪ resistente à fratura: alta tenacidade; ▪ excelente condutor de eletricidade e calor; ▪ opaco à luz visível; ▪ aparência com (o assim chamado) brilho metálico. Aplicações: Ciências dos materiais– 2020 • condução de eletricidade: fiação elétrica; • estruturas: construção civil, pontes, pavilhões industriais, etc.; • automóveis: corpo, chassis, molas, bloco do motor, etc.; • aeroplanos: componentes do motor, fuselagem, conjuntos de trem de pouso, etc.; • trens: trilhos, componentes do motor, corpo, rodas; • máquinas e ferramenta: brocas, martelos, chaves-de-fenda, lâminas de serra, etc.; • materiais com memória de forma: próteses dentárias corretoras de mau posicionamento; • magnetos; • catalisadores. Exemplos de metais e ligas empregados freqüentemente: • elementos metálicos ‘puros’: Cu, Zn, Al, etc.; • ligas: Cu-Sn (bronze), Cu-Zn (latão), Fe-C (aço), Pb-Sn (solda), NiTi (Nitinol); ƒ compostos intermetálicos: WC (‘widia’). 1-4. Principais razões para a aplicação dos materiais metálicos Natureza da propriedade Exemplos: Propriedades físicas Condutividade elétrica e térmica, refratariedade, cor, brilho, densidade; Propriedades mecânicas Resistência em alta e baixa temperatura, conformabilidade, tenacidade, ductilidade, dureza; Propriedades químicas Susceptibilidade à corrosão (aquosa e oxidação em alta temperatura); Formação de ligas com outros metais e soldagem; Conhecimento científico De como conformar, como tratar (dar propriedades interssantes), etc.; Fatores de produção Abundância e oferta confiável de matérias primas; suprimento garantido; métodos extrativos conhecidos; e, processos de produção não-poluentes; Mercado confiável para "produtos metálicos" Fatores Durabilidade; ambientais Reciclabilidade do material; Degradação rápida e sem perigos; Produtos da decomposição conhecidos. Fatores de custo De produção da mercadoria metálica; De manutenção Ciências dos materiais– 2020 De reposição 1-5. A competição entre os materiais e os casos mais difíceis Materiais de diferentes classes (ou, mesmo, da mesma classe) competem entre si nas diferentes aplicações que lhes podemos dar em utensílios, mecanismos, habitações, móveis, meios de transporte, etc. Fora dessa região de franca competição, há duas áreas, em campos opostos, onde existem dificuldades em se aplicar materiais; elas são: (i) a região das aplicações sem materiais sucedâneos e, (ii) a das aplicações ainda sem materiais ‘ideais’ ou eficientes. Um exemplo do primeiro é dado pelo tungstênio em filamentos de lâmpadas incandescentes e, do segundo, é dado pelo vidro em janelas blindadas! Tipos de materiais usados em metal mecânica Existe uma classificação geral de materiais no setor de metal mecânica que ajuda a identificar as propriedades de cada material. • • No ramo de engenharia, há milhares de materiaisdisponíveis para o uso nas mais diversas aplicações, processos e metodologias. A maioria dos tipos de materiais em metal mecânica é dividida em três classes que são baseadas nas forças atômicas da ligação de um material particular. Basicamente, são três classificações: materiais metálicos, cerâmicos e polímeros. Adicionalmente, alguns materiais diferentes podem ser combinados para criar um novo material composto. Dentro de cada uma destas classificações, os materiais são organizados em grupos com base em suas composições químicas ou de acordo com determinadas propriedades físicas ou mecânicas. Os materiais compostos são agrupados pelos tipos de combinações ou pela forma como eles estão organizados. Abaixo segue uma lista de alguns materiais classificados dentro destes quatro grupos gerais de materiais. Metais – Metais e ligas ferrosos (ferros, aços de carbono, ligas de aço, aços inoxidáveis, ferramenta e matrizes de aços) Ciências dos materiais– 2020 Metais não-ferrosos e ligas (alumínio, cobre, magnésio, níquel, titânio, metais preciosos, metais refratários e super ligas). Cerâmica – Vidros, cerâmica de vidro, grafite e diamante. Polímeros – Plásticos termoplásticos, plásticos termofixos, elastômeros e compostos. Compostos – Plásticos reforçados; Compostos de matriz de metal; Compostos de matriz de cerâmica; Estruturas de encaixe. Concreto – Os metais são responsáveis por cerca de dois terços de todos os elementos e cerca de 24% da massa do planeta. Eles têm propriedades úteis, incluindo força, ductilidade, alto ponto de fusão, condutividade térmica e elétrica e boa resistência. Da tabela periódica, pode-se ver que um grande número de elementos é classificado como sendo um metal. Alguns dos mais comuns metais e suas utilizações típicas são apresentados abaixo. Materiais metálicos comuns: Ferro / Aço – As ligas de aço são usadas para aplicações de força crítica; Alumínio – O alumínio e suas ligas são fáceis de dar forma, são baratos, recicláveis e facilmente encontrados no ambiente; Cobre – O cobre e as ligas de cobre têm muitas propriedades que os tornam úteis, incluindo a condutividade elétrica e térmica elevada, alta ductilidade e boa resistência à corrosão; Titânio – As ligas de titânio são usadas para aplicações que exijam a força em altas temperaturas (aproximadamente 537°C), quando o peso do componente é uma preocupação, ou quando a boa resistência à corrosão é necessária; Níquel – As ligas de níquel são usadas em temperaturas ainda mais elevadas (815 a 1093°C) ou quando a boa resistência à corrosão é necessária; Materiais refratários são utilizados para aplicações com temperatura mais alta (superiores a 1093°C). Ciências dos materiais– 2020 A principal característica que distingue os metais dos não metais é a sua ligação. Os materiais metálicos têm elétrons livres para se mover facilmente de um átomo para outro. A existência destes elétrons livres tem uma série de consequências profundas para as propriedades dos materiais metálicos. Por exemplo, esses materiais metálicos tendem a ser bons condutores elétricos, porque os elétrons livres podem se mover dentro do metal com facilidade. Cerâmica A cerâmica tem sido tradicionalmente definida como um sólido, inorgânico não metálico que é preparado a partir de materiais em pó; é fabricado através da aplicação de calor e exibe tais propriedades características como dureza, resistência, baixa condutividade elétrica e fragilidade. A palavra cerâmica vem da palavra grega “Keramikos”, o que significa que são materiais de natureza cristalina, compostos formados entre elementos metálicos e não metálicos como o alumínio e o oxigênio, cálcio e oxigênio, silicone e nitrogênio. Dependendo do seu método de formação, a cerâmica pode ser densa ou leve. Normalmente demonstra excelente resistência e dureza, no entanto, é muitas vezes frágil por natureza. A cerâmica também pode ser formada para servir como material eletricamente condutivo ou isolante. Algumas cerâmicas, como supercondutores, também apresentam propriedades magnéticas. Elas também são Ciências dos materiais– 2020 mais resistentes a altas temperaturas do que os metais e polímeros. Devido à vasta gama de propriedades dos materiais cerâmicos, eles são usados para uma infinidade de aplicações. As grandes categorias ou segmentos que compõem a indústria de cerâmica podem ser classificadas como: produtos cerâmicos estruturais (tijolos, tubulação de esgoto, coberturas e paredes de azulejo, forros de combustão, etc); louças brancas (louças, pisos, azulejos, porcelana elétrica, etc); refratários (tijolos e produtos monolíticos usados em metal, vidro, cimento, cerâmica, conversor de energia, petróleo e indústrias de produtos químicos); vidros (vidro plano [janelas], recipientes de vidro pressionado [garrafas], vidro soprado [louças], fibras de vidro [isolamento em casas] e vidro avançado /especialidade [fibras ópticas]); abrasivos (natural [como granadas, diamantes, etc] e sintéticos [carboneto de silício, diamante, alumina fundida, etc], abrasivos são usados para retificação, corte, polimento, lapidação, ou jateamento a pressão de materiais); cimentos (para estradas, pontes, edifícios, barragens e etc); cerâmica avançada; estrutural (peças de desgaste, biocerâmicas, ferramentas de corte e componentes de motor); elétrico (capacitores, isoladores, substratos, peças de circuito integrado, piezelétricos, ímãs e supercondutores); revestimentos (componentes de motor, ferramentas de corte, peças de desgaste, etc.); química e ambiental (filtros, membranas, catalisadores e sustentação do catalisador). Os átomos em materiais cerâmicos são mantidos juntos por uma ligação química. As duas ligações químicas mais comuns para materiais cerâmicos são chamadas de covalentes e iônicas. As ligações covalentes e iônicas são muito mais fortes do que as ligações metálicas e, em geral, é por isso que a cerâmica é frágil e os metais são dúcteis. Polímeros Um sólido polimérico pode ser considerado como um material que contém muitas partes quimicamente ligadas, ou unidades, que são unidas para formar um sólido. A palavra polímero significa, literalmente, “muitas partes”. Dois materiais importantes industrialmente são os polímeros plásticos e os elastômeros. Os plásticos são um grupo grande e variado de materiais sintéticos processados por formação ou moldagem. Assim como existem muitos tipos de metais como o alumínio e o cobre, existem muitos tipos de plásticos, como o polietileno e o nylon. Já os elastômeros Ciências dos materiais– 2020 ou borrachas podem ser deformados elasticamente em grande quantidade quando uma força é aplicada sobre eles, podendo retornar à sua forma original (ou quase), quando a força é liberada. Os polímeros têm muitas propriedades que os tornam essenciais para uso em determinadas condições. Muitos polímeros são menos densos do que os metais ou a cerâmica, resistem à corrosão, oferecem boa compatibilidade com o tecido humano e apresentam excelente resistência à condução de corrente elétrica.Os plásticos de polímeros podem ser divididos em duas classes: termoplásticos e plásticos termofixos, dependendo de como eles são estruturalmente e quimicamente ligados. Polímeros termoplásticos compreendem quatro tipos de materiais comuns mais importantes – polietileno, polipropileno, poliestireno e policloreto de vinila. Há também uma série de polímeros especiais. O termo “termoplástico” indica que estes materiais derretem com o aquecimento e podem ser processados com base em algumas técnicas de moldagem e extrusão. Alternadamente, os termofixos são polímeros que não podem ser derretidos ou refundidos. Os polímeros termofixos incluem resinas alquídicas, resinas amino e fenólicos,epóxis, poliuretanos e poliésteres insaturados. A borracha é um polímero que ocorre naturalmente na natureza. No entanto, a maioria dos polímeros é criada nos laboratórios de engenharia, com a combinação de átomos de hidrogênio e carbono e por meio do arranjo das cadeias que se formam. A molécula de polímero é uma longa cadeia de átomos covalentes ligados e entitulados como secundários, sugerindo grupos de cadeias de polímero formando o material polimérico. Os polímeros são produzidos principalmente a partir do petróleo ou do gás natural bruto, mas o uso de substâncias orgânicas é crescente. O super material conhecido como Kevlar é um polímero sintético. O Kevlar é usado em coletes à prova de bala, peças fortes, leves e cabos submarinos que são até 20 vezes mais fortes do que o aço. Compostos Um composto é comumente definido como uma combinação de dois ou mais materiais distintos, cada um dos quais mantém as suas propriedades distintas, para criar um novo material com propriedades que não podem ser alcançadas por qualquer um dos componentes isoladamente. Usando esta definição, pode-se determinar que uma ampla gama de materiais de engenharia se enquadra nesta categoria. Por exemplo, o concreto é um composto, pois é uma mistura de cimento e agregados. A Ciências dos materiais– 2020 folha de fibra de vidro é um composto, uma vez que é feita de fibras de vidro embutidas em um polímero. Os materiais compostos são conhecidos por terem duas fases. A fase de reforço abrange as fibras, folhas ou partículas que são incorporadas na fase matriz. O material de reforço e o material de matriz podem ser de metal, cerâmica ou polímeros. Normalmente, os materiais de reforço são fortes com baixas densidades, enquanto o material de matriz é geralmente dúctil e resistente. Algumas das classificações comuns de compósitos são: Plásticos reforçados – Compostos de metal matriz; Compostos de cerâmica matriz; Estruturas de encaixe Concreto Os materiais compostos assumem muitas formas, mas eles podem ser separados em três categorias baseadas no mecanismo de fortalecimento. Estas categorias são dispersão reforçada, partícula reforçada e fibra reforçada. Os compostos de dispersão reforçada têm uma distribuição fina de partículas secundárias na matriz do material. Estas partículas impedem que os mecanismos permitam que um material se deforme. Muitos compostos de matriz metálica entram na categoria de dispersão reforçada. Os compostos de partículas reforçadas têm uma fração grande de partículas dispersas na matriz e a carga é compartilhada pelas partículas e a matriz. Cerâmicas comerciais e muitos polímeros preenchidos são partículas reforçadas. Em compostos reforçados por fibras, a fibra é o componente de suporte de carga primário. A fibra de vidro e os compostos de fibra de carbono são exemplos de compostos reforçados por fibras. Se a composição é projetada e fabricada corretamente, ela combina a força do material composto de reforço com a dureza da matriz para alcançar uma combinação de propriedades desejáveis não disponíveis em qualquer material único convencional. Alguns compostos também oferecem a vantagem de ser feitos sob medida para que algumas propriedades, tais como resistência e rigidez, possam ser facilmente alteradas mudando as quantidades ou a orientação do material de reforço. A desvantagem é que tais compostos são muitas vezes mais caros do que os materiais convencionais. Ciências dos materiais– 2020 Estrutura de Átomos e Moléculas - Ligações Químicas: ligação covalente, ligação iônica e ligação metálica. Conhecendo os conceitos básicos da teoria quântica estamos aptos a responder a seguinte questão: Como os átomos são agrupados nas moléculas ? Por exemplo como é a organização atômica nos compostos NaCl e H2O ? Quando os átomos estão fortemente agrupados dizemos existe uma ligação química entre eles. Ligações químicas, então, são forças intensas que mantêm os átomos juntos. Dentro do nosso modelo de distribuição eletrônica nos átomos, verificamos que os elétrons localizados nas camadas ou níveis atômicos internos estão mais fortemente ligados ao átomo do que aqueles localizados nas camadas ou níveis mais externos. Devido a este fato, pode-se mostrar que as ligações químicas ocorrem sempre envolvendo os elétrons das camadas mais externas, as quais são denominadas de camadas de valências. Isto significa que os elétrons pertencentes às camadas mais internas não estão, em geral, envolvidos nas ligações químicas. Com base nisto, o química americano Gilbert Lewis introduziu uma simbologia muito conveniente para descrever este fenômeno, a qual foi denominada de símbolos de Lewis. Nesta simbologia, de acordo com Lewis, os elétrons da camada de valência em um átomo são indicados por pontos colocados em torno do símbolo atômico, como mostra a tabela 1. Símbolos e valências de alguns elementos Grupo 1 2 3 4 5 6 7 8 Número de elétrons de valência 1 2 3 4 5 6 7 8 Ciências dos materiais– 2020 Valência 1 2 3 4 3 2 1 0 Período 2 Período 3 Tab.1 - Símbolos e Valências de alguns elementos Sempre que dois átomos estão ligados usando o compartilhamento de pares de elétrons, dizemos que entre eles existe uma ligação covalente. A molécula de H2 também é um exemplo de ligação covalente mesmo formando um octeto. As ligações covalentes têm para cada par de átomo uma distância de equilíbrio Ro. Para a distância de equilíbrio a estrutura molecular está em sua conformação de menor energia. Para qualquer outra distância maior ou menor que Ro a energia de interação entre os átomos é muito alta. Veja figura 3. Fig. 3 Energia de ligação em função da distância entre os átomos Carga elétrica Ciências dos materiais– 2020 • Surgimento da carga elétrica: 600 a.C. Carga elétrica • Foi observado que existiam dois tipos de cargas. Carga elétrica O que podemos concluir com isso? • Existem dois tipos de cargas elétricas, uma positiva e outra negativa. • Cargas elétricas de mesmo sinal se repelem e cargas elétricas com sinais diferentes se atraem. Estrutura da matéria • Pode-se observar que a carga elétrica está relacionada a estrutura da matéria. Ciências dos materiais– 2020 Como objetos ficam carregados? • Os objetos podem ficar carregados perdendo ou ganhando elétrons. Condutores e isolantes • Alguns materiais permitem a passagem de cargas elétricas e outros as impedem de passar. • Condutores: São materiais que permitem a passagem de cargas elétricas. • Ex.: Cobre, alumínio, ouro e etc. • Isolantes: São materiais que impedem a passagem de cargas elétricas. • Ex.: Borracha, plástico, madeira e etc. Transferência de cargas • Com um bastão de plástico carregado, é possível transferir algumas cargas para a esfera metálica. Transferência de cargas • Será que com um bastão carregado e um fio de cobre podemos carregar a esfera com carga oposta a do bastão? Ciências dos materiais– 2020 Carga por indução Força elétrica sobre objetos neutros • Mesmo objetos eletricamente neutros podem sofrer a atração da força elétrica. Lei de Coulomb • O módulo da força elétrica entre duas cargas puntiformes é diretamente proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas. Raio atômico X raio iônico Ciências dos materiais– 2020 Ciências dos materiais– 2020 EXMEMPLO A: Os pontos de fusão dos compostos HCl,HBr e HI aumentam com o aumento da massa molar enquanto um comportamento inverso é observado para os compostos NaCl, NaBr e NaI. Explique. HCl, HBr e HI – Moléculas covalentes polares onde estão presentes forças intermoleculares dipolo – dipolo e forças de London. O aumento da massa molar (presença de mais elétrons) implica em aumento da força intermolecular provocando um aumento do ponto de fusão com o aumento da massa molar. NaCl, NaBr e NaI- Compostos Iônicos. Força de atração eletrostática. O ponto de fusão está relacionado com a energia de rede (H R q + q - /d): Quanto maior a energia de rede, maior o ponto de fusão. Com o aumento da massa molar existe um aumento da distância entre os íons e consequentemente um decréscimo da energia de rede provocando uma diminuição do ponto de fusão. Exemplo 1:Calcule a força de atração entre um cátion Mg+2 e seu vizinho cloreto(Cl-1) no composto cloreto de magnésio. Assumir que os íons são carga puntiformes. Dados: RMg+2= 0,078nm e RCl-1= 0,181nm. K= constante de Boltzan = 9x109 Fa= (K.Z1.Z2.q.q)/r2 Ciências dos materiais– 2020 Exemplo 2: Calcule qual dos seguintes compostos: MgO e BaO, possui maior força de atração (Fa) para suas distâncias de equilíbrio (ao). Considere os raios iônicos listados a seguir para o cálculo das distâncias de equilíbrio ao RMg 2+ = 0,072 nm, RBa2+ =0,136 nm e RO2- = 0,14 nm. As valências (Z1) dos cátions é +2, enquanto a valência de oxigênio (Z2) é -2. As constantes, K e q, têm valores de 9 x 109 V.m/C e 1.6 x 10-19C, respectivamente. Use o valor calculado da força de atração para a distância de equilíbrio (Fa) para determinar qual dos dois compostos terá temperatura de fusão mais alta. MgO: R=0,072nm + 0,14nm r=0,212nm. BaO: r=0,136nm + 0,14nm r=0.276nm. Exemplo3: Ligações químicas são conjunções estabelecidas entre átomos para formarem moléculas ou, no caso de ligações iônicas ou metálicas, agregados atômicos (superátomos) organizados de forma a constituírem a estrutura básica de uma substância ou composto. Na natureza existem por volta de uma centena de elementos químicos. Calcule o valor da Força de atração para as ligações interatômicas em cada um dos seguintes compostos: MgO, GaP, CsF, CdS e FeO. Indique o exemplo que apresenta maior TF e TE.
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