TECNOLOGIA DOS MATERIAIS

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TECNOLOGIA DOS MATERIAIS 
ESTRUTURA ATÔMICA DOS ELEMENTOS
A unidade estrutural fundamental da matéria é o átono. Cada átomo está composto de um núcleo com carga positiva, rodeado por um número suficiente de elétrons com carga negativa de modo que as cargas fiquem balanceadas. 
Assim como existe diferenças entre os elementos, também existe semelhanças. Os elementos se agrupam em famílias e com relações que se estabelecem entre famílias e dentro delas por meio da tabela periódica. 
Os elementos metálicos ocupam a posição esquerda e central da tabela; os não metálicos ocupam a direita.
Entre eles há uma zona de transição que contém os elementos chamados de semi metais. Em princípio, cada elemento pode existir como sólido, líquido ou gás, dependendo da temperatura e da pressão. A temperatura e pressão atmosféricas ambientes, cada um dos elementos tem uma fase natural; por exemplo, o ferro (Fe) é um sólido, o mercúrio (Hg) é um líquido e o nitrogênio (N) é um gás. 
Os elementos da tabela estão dispostos em colunas verticais e filas horizontais de tal maneira que existem semelhanças entre os elementos que estão na mesma coluna. Na coluna da direita, por exemplo, estão os gases nobres (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) na qual todos apresentam grande estabilidade química e uma taxa de reação baixa. 
Os halogênios (F, Cl, Br, I, At) localizados na coluna VIIA compartem propriedades similares. Os metais nobres (Cu, Ag, Au) na coluna 1B tem propriedades semelhantes. No geral, há correlações entre as propriedades dos elementos em uma coluna dada, como também existem diferenças entre os elementos que estão em colunas distintas. 
Muitas das semelhanças e diferenças entre os elementos podem explicar-se por suas respectivas estruturas atômicas. O número de elétrons na camada mais externa, determina a grande parte de afinidade química de um átomo com os outros. Esses elétrons recebem o nome de elétrons de valência. 
Por exemplo, devido ao átomo de hidrogênio (H) ter só um elétron em sua órbita, se combina com facilidade com outro átomo de hidrogênio para formar a molécula de hidrogênio, . O átomo de hélio (He) tem dois elétrons na sua órbita e é o máximo possível (2=2= 2), por isso que o hélio é muito estável. O neônio (Ne) é estável pela mesma razão (n=2) tem 8 elétrons na sua última camada (o máximo permitido), por isso o neônio é um gás inerte (um gás que não é reativo em circunstâncias normais, um gás que não participa da reação como por exemplo os gases nobres). 
Em contraste com o neônio (Ne), o flúor (F) tem um elétron a menos em sua camada exterior, e é atraído com facilidade à outros elementos que podem compartilhar um elétron para formar um conjunto mais estável. 
O átomo de sódio (Na) tem um elétron na sua última camada, e reage com intensidade com o flúor formando o composto fluoreto de sódio (NaF). 
LIGAÇÕES ENTRE ÁTOMOS E MOLÉCULAS
Os átomos se mantém reunidos em forma de moléculas por meio de vários tipos de ligações que dependem dos elétrons de valência. Existem as ligações primárias, associadas com a formação de moléculas, e as ligações secundárias, que associam a atração de moléculas. 
LIGAÇÕES PRIMÁRIAS
As ligações primárias se caracterizam por atrações fortes de átomos com átomos que envolvem o intercâmbio de elétrons de valência. As ligações primárias incluem as formas de ligações iônicas, ligações covalentes e ligações metálicas. As ligações iônicas e covalentes se chamam intramoleculares devido a forças de atração entre os átomos da molécula.
LIGAÇÕES IÔNICAS 
Os átomos de um elemento entregam seus elétrons exteriores, por sua vez atraem átomos de algum outro elemento para incrementar e alcançar a regra do octeto (8 elétrons na camada de valência). A configuração de oito elétrons na camada de valência é geralmente a mais estável, e a natureza proporciona uma ligação
muito forte entre os átomos que adoptam essa configuração. As propriedades dos materiais sólidos com ligações iônicas são: 
baixa condutividade elétrica e térmica
deficiente ductilidade (propriedade que representa o grau de deformação que um material suporta até o momento de sua fratura, ou seja define a maleabilidade do sólido)
ponto de fusão alto
dureza e fragilidade
LIGAÇÕES COVALENTES
É aquele em que os átomos compartem elétrons em suas camadas de valência com o objetivo de conseguir um conjunto estável alcançando a regra do octeto. O flúor (F) e o diamante (C) são dois exemplos de ligações covalentes. O flúor, um elétron de cada um dos átomos compartem para formar o gás . No caso do diamante, que é composto de carbono, cada átomo tem quatro vizinhos que se comparte elétrons. Isso produz uma estrutura tridimensional muito rígida e que é responsável pela dureza extrema desse material. Outras formas de carbono, como o grafite não mostram essa estrutura atômica rígida, uma vez que são lâminas de carbono dispostas uma sobre a outra o que o torna mais ‘’mole’’. As propriedades dos materiais sólidos com ligações covalentes são: 
alta dureza 
baixa condutividade elétrica e térmica
não são quebradiços 
pontos de fusão e ebulição elevados 
LIGAÇÕES METÁLICAS
As ligações metálicas é o mecanismo de ligação atômica nos metais puros e suas ligas. No geral, os átomos dos elementos metálicos possuem muito poucos elétrons em suas órbitas externas para completar a camada de valência. As ligações metálicas envolvem compartir os elétrons da camada de valência por meio de todos os átomos formando uma nuvem de elétrons que abarque todo o conglomerado de metais que estão participando da ligação. Esta nuvem proporciona as forças de atração para manter juntos os átomos e formar uma estrutura rígida e forte. Devido ao modo em que se compartem os elétrons e a liberdade que tem para se mover dentro do material, as ligações metálicas apresentam uma boa condutividade elétrica. 
Todas as ligações primárias envolvem compartilhar localmente elétrons apenas entre átomos vizinhos, o que torna estes materiais com baixa condutividade elétrica. As propriedades dos materiais sólidos com ligações metálicas são: 
alta condutividade térmica e elétrica
alta ductilidade (material com maior resistência a fratura)
LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS
Enquanto que as ligações primárias envolvem forças de atração de átomo com átomo, as ligações secundárias implicam forças entre moléculas ou intermoleculares. Em uma ligação secundária não há transferência, nem se compartem elétrons, porque as ligações são mais fracas que as primárias. Há três formas de ligações secundárias 1. forças dipolares 2. forças de London 3. ligações de hidrogênio. As forças dipolares e forças de London recebem o nome de forças de Van der Waals. 
AS FORÇAS DIPOLARES 
Se apresentam em uma molécula formada por dois átomos com cargas elétricas iguais e opostas. Cada molécula forma um dipolo. Ainda que o material é eletricamente neutro em 
sua forma agregada, a escala molecular os dipolos individuais se atraem um ao outro, dando a orientação apropriada do extremo positivo e negativo dentro das moléculas. Essas forças dipolares proporcionam uma ligação intermolecular dentro do material. 
AS FORÇAS DE LONDON
Envolvem forças de atração entre moléculas não polares, (não tem diferença de polos) ou seja não formam dipolos. Quando ocorre de existir mais elétrons em um lado da molécula que de outro, se formam
dipolos temporários. Esses dipolos instantâneos proporcionam uma força de atração entre as moléculas do material. 
LIGAÇÕES DE HIDROGÊNIO 
Tipos de interação intermolecular que se dá entre átomos de hidrogênio de uma molécula com átomos de elementos altamente eletronegativos de forma que o hidrogênio sirva como um elo entre os átomos com os quais interage. É o tipo de força intermolecular mais intensa. Essa ligação é importante na formação de muitos polímeros.
ESTRUTURAS CRISTALINAS
Uma estrutura cristalina é aquela em que os átomos se localizam em posições regulares, muito ordenada e recorrentes em três dimensões. Esse padrão pode se repetir milhões de vezes dentrode um cristal dado. A estrutura pode ser observada a partir de uma célula unitária, que é o agrupamento geométrico básico dos átomos com estruturas cristalinas e que se repete. 
 
TIPOS DE ESTRUTURAS CRISTALINAS NOS METAIS 
CÚBICA CENTRADA EN EL CUERPO (BCC) 
CÚBICA CENTRADA EN LAS CARAS (FCC) 
HEXAGONAL DE EMPAQUETAMIENTO COMPACTO (HCP)
Esses são os três tipos de estruturas de rede cristalinas que são comuns nos metais. 
Por exemplo, à temperatura ambiente o ferro (Fe) é BCC, quando aumenta sua temperatura se transforma em FCC e retorna a BCC com temperaturas superiores a 1400 graus Celsius. 
A capacidade que alguns elementos químicos tem de formar uma ou mais substâncias químicas diferentes, variando o número de átomos ou sua estrutura cristalina, definimos este fenômeno como ALOTROPIA. 
IMPERFEIÇÕES EM CRISTAIS 
É frequente que possam surgir imperfeições de maneira natural devido a incapacidade do material que se solidifica de continuar, sem interrupção, a repetição de células unitárias cristalinas. 
As vezes é introduzido imperfeições de propósito durante o processo de fabricação do material, agregando ao metal uma liga para incrementar sua resistência. As distintas imperfeições em sólidos cristalinos se denominam defeitos. 
Ambas definições, imperfeições ou defeitos, se referem aos desvios no padrão regular de rede de estrutura cristalina. 
DEFEITOS PONTUAIS 
São imperfeições na estrutura cristalina que envolvem um só átomo ou vários átomos. Os defeitos podem adotar várias formas: 
VACANCIA (vaga) 
Defeito que ocorre pela falta de um átomo dentro da estrutura de rede. 
VACANCIA POR PAR DE ÍONES OU DEFEITO SCHOTTKY
Par faltante de íons de carga oposta em um composto que tem um balance de cargas contínuas.
INTERSTÍCIOS 
Distorção da rede produzida pela presença de um átomo adicional a estrutura. 
DESPLAZIAMENTO IÔNICO OU DEFEITO FRENKEL 
Ocorre quando se retira um íon de uma posição regular na estrutura de rede e se coloca em uma posição intersticial cuja ocupação não é normal por parte de ambos íons. 
DEFEITOS LINEAIS
Grupo de defeitos pontuais que formam uma linha na estrutura de rede. O defeito lineal mais importante é a deslocação que adota as formas:
DISLOCACIÓN DE BORDE 
É a borda de um plano adicional que existe na rede. 
 
 
DISLOCACIÓN DE TORNILLO 
É um espiral dentro da estrutura de rede em torno de uma linha de imperfeição.
Ambos tipos de deslocações surgem na estrutura cristalina durante a solidificação (por exemplo, fundição), ou se iniciam durante o processo de deformação (por exemplo, conformando metais) que se realize
sobre o material sólido. As deslocações são úteis para explicar certos aspectos do comportamento mecânico dos metais. 
DEFORMAÇÃO DE CRISTAIS METÁLICOS
Quando um metal se sujeita a forças mecânicas que se incrementam de forma gradual, sua resposta inicial é deformar de modo elástico. Isso se parece a um alargamento da estrutura de rede quem que haja mudanças na posição dos átomos na rede cristalina. 
Se essa força é eliminada, a estrutura volta a sua forma original. Se o esforço alcança um valor alto em relação com as forças eletrostáticas que mantém os átomos no seu lugar dentro da rede cristalina, ocorre uma mudança chamada de deformação plástica. 
O que aconteceu é que os átomos da rede cristalina se movimentaram de uma maneira permanente em relação a posição inicial que ocupavam. 
O deslizamento implica o movimento relativo dos átomos em lados opostos de um plano de rede, que se denomina plano de deslizamento. O plano deslizante deve estar aproximadamente alinhado com a estrutura de rede, há certas direções na qual é mais provável que ocorra um deslizamento. O número destas direções de deslizamento depende do tipo de rede. 
HCP = estrutura cristalina que menos sofre mudança de deslizamento em sua rede, os metais com estrutura HCP tem má ductilidade, ou seja são menos maleáveis dificultando a movimentação de seus átomos. São estruturas difíceis
de deformar a temperatura ambiente.
BCC = Esses metais são mais fortes que os demais. Requerem um esforço maior para o deslizamento. 
FCC = São os mais dúcteis, pois combinam um bom número de direções de deslizamento com uma resistência relativamente baixa ou moderada. 
A temperaturas elevadas, as três estruturas dos metais são mais dúcteis, ou seja apresentam uma maior dificuldade para deformar a estrutura cristalina, são menos frágeis.
Maior ductilidade = menos fragilidade do material
Menor ductilidade = mais fragilidade do material
Rede original de uma estrutura cristalina 
Deformação elástica, sem mudar permanentemente a posição dos átomos
Deformação plástica, quando os
átomos da rede cristalina são
forçados a mover-se a novos lugares
As deslocações tem um papel importante para facilitar o deslizamento dos metais. Quando uma estrutura de rede que contém deslocação de borde se sujeita a uma força constante, o material se deforma com muito mais facilidade em relação a uma estrutura perfeita. A deslocação entra em movimento dentro da rede cristalina em presença da força. 
Porque é mais fácil mover uma deslocação através da rede do que deformar a própria rede cristalina? 
Os átomos na deslocação de borde requerem um deslocamento menor dentro da estrutura de rede a fim de alcançar a nova posição de equilíbrio. 
Assim que, se necessita um nível de energia menor para alinhar os átomos em posições novas do que se a estrutura cristalina não tivesse a deslocação. Se requere então um nível menor de força para realizar a deformação quando se tem um deslizamento de borde. 
Devido que a posição nova manifesta uma rede similar distorcida, o movimento dos átomos na deslocação continua a um nível menor de força.
Devido as deslocações, o metal é mais dúctil e alcança com mais facilidade a deformação plástica durante a sua produção. O metal não seria tão forte como seria se não houvesse deslocações em suas redes cristalinas. 
O movimento da deslocação permite que haja deformação 
em condições de esforço menor que em 
uma rede perfeita.
Macla ou maclado é um mecanismo de deformação plástica em que os átomos de um lado do plano mudam para formar uma imagem de espelho no outro lado do plano. Esse mecanismo é importante nos metais HCP (magnésio, zinco) devido que não se deslizam com facilidade. 
ESTRUTUTAS AMORFAS
São estruturas que não tem ordenação espacial, arranjos atômicos aleatórios e sem simetria. Este tipo de estrutura pode ser encontrado em gases, em líquidos e em certos sólidos, representados basicamente pelos vidros. 
Muitos plásticos podem ser amorfos em vez de cristalinos, se a rapidez de esfriamento durante a transformação de líquido para sólido é suficientemente rápida para inibir que os átomos se acomodem em padrões regulares. 
O esfriamento mais rápido promove um tamanho de grão menor, enquanto que o esfriamento mais lento promove um tamanho de grão maior. 
O tamanho do grão é importante nos metais devido que afeta as propriedades mecânicas. É preferível um tamanho menor de grãos porque significa que a resistência e dureza são maiores. Significa uma superfície menor e uma maior ductilidade. 
A presença de limites de grãos de metal interrompe o movimento contínuo de deslocações. Ao interferir com o movimento de deslocação, os limites de grãos também contribuem para ser um metal mais forte a medida que se deforma. A propriedade é endurecimento por deformação. 
ESTRUTUTAS POLICRISTALINAS
Policristalinas são estruturas sólidas constituída de uma infinidade de cristais, denominado grãos. Quando o material se esfria a partir de um estado de fusão e começa a se solidificar, ocorre a formação de núcleos de cristais individuais em posições e orientações aleatórias através do líquido. Conforme os cristais crescem, acabam interferindo um nos outros e formam em suas interfaces defeitos superficiais. 
O tamanho dos grãos no bloco metálico é determinado, entre outros fatores, pelo númerode sítios de formação de núcleos do material fundido e pela rapidez do esfriamento da massa. O tamanho do grão tem uma relação inversa com a rapidez do esfriamento.
Em estruturas amorfas, quando o líquido se funde tem um maior volume e uma baixa densidade em comparação com estados cristalinos sólidos. 
O gráfico apresenta um líquido que se modifica a T ~ cte definida e a uma diminuição de volume gradativa. Agregando calor ao líquido se funde em um sólido com menor volume e uma estrutura 
ordenada, com átomos bastante definidos porque tiveram tempo suficiente durante o processo para organizar seus cristais. São sólidos que apresentam maior densidade, maior rigidez e resistência, são opacos, resistentes a temperaturas.
Quando um líquido é esfriado rapidamente não existe tempo suficiente para organizar sua estrutura química, perdem muito pouco volume e resulta em sólidos com estrutura amorfa, ou seja, sem ordenação espacial, transparentes e com alta deformação mecânica. 
A temperatura de transição vítrea (Tg) é a temperatura na qual se produz uma transição reversível na qual regiões cristalinas de um polímero mudam de um estado rígido e frágil a um estado visco elástico com perda de
rigidez. 
DIFERENÇAS ENTRE AMORFO E CRISTALINO 
CRISTALINOS: Ponto de fusão definido, ordem regular, gera sólidos opacos, alta densidade, baixo volume, maior rigidez, resistência a temperaturas.
AMORFOS: Ponto de fusão indefinido, não tem ordem regular, gera sólidos transparentes, alta deformação mecânica, frágeis, menor densidade, alto volume. 
Metais
No estado sólido, os metais tem estruturas cristalinas, quase sem exceção. As células unitárias das estruturas cristalinas são sempre, BCC, FCC ou HCP. Os átomos dos metais se mantém unidos por meio de uma ligação metálica, o que significa que seus elétrons de valência podem mover-se com liberdade relativa (em comparação com os outros tipos de ligação atômicas e moleculares). A estrutura do metal e a sua ligação atômica fazem com que o metal seja forte e duro. Muito dos metais são dúcteis (tem a capacidade de se deformar), em especial os metais de FCC. Apresentam condutividade térmica e elétrica elevadas, opacidade (impenetrável ao passar a luz), e refletividade (capacidade de refletir a luz). 
Cerâmicos
Os átomos dos cerâmicos se caracterizam por ter ligações iônicas ou covalentes, ou ambas. Os átomos metálicos liberam ou compartem seus elétrons exteriores com átomos não metálicos, e existe uma força de atração grande entre as moléculas. As propriedades desse tipo de ligação é: dureza e rigidez elevadas (ainda que em temperaturas elevadas), fragilidade (não são dúcteis), isolantes térmicos (não conduzem eletricidade), refratários (termicamente resistentes), e quimicamente inertes. Possuem estrutura cristalina ou amorfas. A maior parte tem estrutura cristalina, enquanto que os vidros com base em silício (Si) são amorfos. Na natureza é cristalino, quando se funde e esfria, se solidifica e tem estrutura não cristalina. 
Polímeros
Uma molécula de polímero consiste em muitos monômeros que formam moléculas muitos grande que se mantém unidas por meio de ligações covalentes. Os elementos de um polímero consistem em C, H, N, O e Cl. As forças de Van der Waals mantém juntas as moléculas dentro do material agregado. Polímeros termoplásticos, as moléculas consistem em cadeias largas de monômeros com estrutura lineal. Podem esquentar ou esfriar-se sem que altere sua estrutura lineal. Polímeros termoestáveis, as moléculas se transformam em uma estrutura rígida e tridimensional ao esfriar-se a partir da condição de plástico quente. Se voltem a se esquentar, se degradam quimicamente. Os elastômetros tem moléculas grandes com estruturas 
unidas, ao estirar e voltar a unir as moléculas quando sujeitas a forças elásticas, motiva que o material manifeste seu comportamento elástico. 
As estruturas moleculares e ligação moleculares dos polímeros tem as seguintes propriedades: baixa densidade, resistência elétrica (alguns polímeros são usados como isolantes), baixa condutividade térmica. A resistência e rigidez dos polímeros variam. Alguns são fortes e rígidos (ainda que não sejam igual a força e rigidez dos metais e cerâmicos) e outros tem comportamento elástico.