Ciência dos materiais - resumo para prova

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A microestrutura dos materiais 
Objetivo de se estudar a microestrutura: 
 Melhor compreensão; 
 Base científica; 
 Avaliação das propriedades; 
 Desenvolvimento; 
Para isso, a microestrutura explica os seguintes aspectos: 
 Forma como os componentes internos dos materiais se arranjam. 
 Várias formas/níveis de estudo da estrutura do material em função do que se pretende analisar. 
 Objetivos: entender e obter propriedades desejadas. 
Microestrutura X propriedades: Para relacioná-los é necessário ter o conhecimento de: 
 Arranjo: É a organização interna do material, por isso, só faz sentido falar de arranjo quando nos referimos à 
um material cristalino. 
 Empacotamento: Significa organizar em pacotes de átomos, ou seja, a quantidade de átomos que é possível 
colocar em uma célula. 
 Fases cristalinas: São fases mais organizadas e apresentam repetição de células. 
 Fases amorfas: São fases mais desorganizadas e reativas. 
 Composição química: É o conjunto de moléculas dos elementos químicos constituintes de uma certa 
substância. A composição química afeta a reatividade. 
 Ligações: Sempre quando um elemento ou material se une a outro. 
 Energia de ligação: Está envolvida com a quebra ou formação de uma ou mais ligações entre átomos de uma 
molécula. Pode ser alta (dificuldade em romper as ligações) ou baixa (facilidade em romper as ligações). 
 Defeitos: É toda alteração do material, tanto induzida, acidental, artificial ou natural. Elas podem melhorar 
ou piorar as propriedades dos materiais. As vezes, um defeito é induzido para melhorar uma propriedade. 
Propriedades X Nível de estudo: 
 Sub-atômico: Condutividade elétrica e propriedades térmicas; 
 Atômico: Ligações interatômicas e estado de agregação da matéria; 
 Microscópico: Característica do material em função do arranjo; 
 Macroscópico: Medida de propriedades médias do material. 
Átomo X Esforços mecânicos: 
A eletrosfera é uma parte deformável do átomo. Ao ser comprimida, seus núcleos acabam sendo aproximados, já 
quando exposta à uma força de tração, seus núcleos são afastados. Isso mostra a capacidade elástica dessa 
eletrosfera, isso acontece conforme as ligações do material. Uma ligação se dá pela somatória de sua atração e sua 
repulsão, quando a atração é maior, existe uma ligação entre os átomos. 
Entretanto essa ligação não é eficaz a todos os esforços implicados. Quando o esforço é maior que a força de ligação, 
acontece a ruptura das ligações e a consequente ruptura do material em questão. 
Tipos de ligações: 
1. Iônica: É a ligação mais forte que gera a perda ou o ganho de elétrons e, por isso, é uma ligação não 
direcional. Os materiais iônicos quando submetidos a esforços mecânicos que ultrapassam sua capacidade 
resistente normalmente se comportam de maneira frágil, ou seja, apresentando pouca ductilidade e, 
Basicamente a microestrutura auxilia na maior 
compreensão das propriedades dos materiais. 
Pois o comportamento do material depende 
da sua microestrutura. 
consequentemente, se rompendo sem antes apresentar grandes deformações. Além disso, a ligação iônica 
apresenta baixa condutibilidade elétrica e térmica. Um exemplo são os materiais cerâmicos e vidros. 
2. Covalente: É mais fraca que a ligação iônica, porém é mais forte que a ligação metálica. Nesse caso existe o 
compartilhamento de elétrons, o que faz com que a ligação seja direcional. Materiais ligados dessa maneira 
são pouco dúcteis e possuem baixa condutividade elétrica. Isso se deve ao fato de não se possível alterar a 
posição relativa entre átomos o que, consequentemente, não propicia a ductilidade e nem o transporte de 
carga elétrica via movimentação de elétrons. Exemplos desse tipo de material são os polímeros. 
3. Metálica: Existe a formação de uma nuvem eletrônica (elétrons livres), que não são direcionais, pois estão de 
certa forma “presa” nessa nuvem, mas não estão fixados em uma única posição. Materiais que possuem 
esse tipo de ligação geralmente possuem uma boa ductilidade, uma vez que, sob tensão, a direção da ligação 
é alterada ao invés de haver a quebra/ruptura da ligação. Além disso, são bons condutores elétricos graça ao 
movimento dos elétrons nas nuvens que provoca o fluxo de corrente elétrica se o circuito for fechado. 
Exemplos desse tipo de material, são os metais. 
4. Ligações secundárias (Forças de Van der Waals): São elas que servem para aglutinar as moléculas por meio 
de atrações eletrostáticas relativamente fracas. 
Efeito dipolo: Moléculas polarizadas por indução ou permanentes. 
Efeito de dispersão: Oxilação de pares de elétrons. 
IÔNICA > COVALENTE > METÁLICA > VAN DER WAALS 
 
 
 
Arranjos atômicos – estrutura dos materiais 
1. Moleculares: É um agrupamento de átomos. Apresenta forças de atração intramoleculares fortes e ligações 
intermoleculares fracas. Por isso as moléculas deslizam entre si gerando as deformações. Exemplos desse 
material têm: betumes e alguns polímeros (algumas resinas). Eles podem se cristalinos ou amorfos/vítreos. 
 
2. Cristalinos: 
 Ordem na disposição dos átomos (regularidade) 
 Simetria 
 Repetição de uma célula unitária 
 Estáveis: Possuem uma maior organização, ou seja, menor entropia. 
 Planos de clivagem: Possui partes direcionadas, são planos que geram a ruptura preferencial. 
 Anisotrópicos: Apresentam propriedades/características diferentes ao longo do material. 
 Alotropia ou polimorfismo: Formas cristalinas que um sólido pode assumir mantendo a mesma composição 
química, o que implica em diferentes propriedades e diferentes usos. Exemplo muito comum é a diferença 
do diamante e do grafite. 
 Iônicos ou covalentes 
 Alto ponto de fusão 
 Resistentes 
 Duros 
 Metais 
 Exemplo: Ferro, aço, compostos do cimento e da pasta, areia, granito. 
 
3. Amorfos/Vítreos: 
 Possuem ausência de ordem, simetria e ponto de fusão; 
 São isotrópicos, ou seja, possuem as mesmas propriedades em todas as direções; 
 São pouco estáveis; 
 Exemplo: Pozolanas, escoria, vidros de baixa qualidade. 
 OBS.: Quando um material sofre um resfriamento de forma brusca, as ligações acabam se 
rompendo, assim, o material se torna amorfo. Um exemplo disso é a diferença entre a escória para 
adição (resfriada e moída) e a escória usada como agregado (resfriada naturalmente). 
 
 
 
 
Estrutura dos sólidos X nível de energia: 
 
O material vítreo apresenta maior energia que o material cristalino. Isso porque o material cristalino, quando faz seu 
processo de cristalização, acaba gastando energia para se cristalizar. 
Propriedades X Cristalinidade: 
Material mais cristalino: 
 Maior dureza 
 Maior resistência 
 Maior rigidez (polímeros) 
 Menor reatividade (até certo ponto) 
 Maior durabilidade 
 
Fases X Soluções X Dispersões 
Fase: 
 Parte homogênea 
 Superfícies definidas 
 Sistema heterogêneo 
 Exemplo: Clínquer Portland 
 
Materiais estruturais polifásicos: São todos aqueles que possuem mais de uma fase visível à olho nu. 
 Agregados 
 Argamassas: Pasta de cimento + areia 
 Concreto: Pasta de cimento + areia + brita 
 Alguns compósitos: Geralmente possuem fibras em sua composição 
 Metais: No caso de ligas metálicas 
 
 
Material mais amorfo: 
 Maior flexibilidade 
 Maior reatividade 
 Maior rigidez (alumínio) 
 Maior resistência (ligas metálicas) 
 Menor durabilidade 
Solução: 
 Sistema homogêneo 
 Soluto (dissolvido) 
 Solvente (o que dissolve) 
Dispersão: 
 Solução de 2 fases 
 Gel (solução coloidal) 
 Pasta 
 Emulsão 
 Substâncias imiscíveis 
 Espumas 
Importãncia dos defeitos: 
 Porosidade 
 Relação água/cimento ou relação água/gesso 
 Fissuras 
 Falhas cristalinas 
 Interfaces 
 Movimentação iônica x defeitos 
 Naturais = f (resfriamento) 
 Induzidos  ligas metálicas (Ex.: Al) 
 Reatividade = f(nível de cristalização) 
 Resistência = f(nível de cristalização) 
Classificaçãodos materiais: 
 Metais (ferrosos e não ferrosos); 
 Cerâmica (vidro, concreto e cerâmica); 
 Condutores e supercondutores; 
 Polímeros (madeira, betumes, resinas, plásticos, borrachas); 
 Compósitos (fibra+polímero, fibra+matriz cimentícias); 
 Biomateriais; 
 Materiais especiais (alto desempenho). 
 
Microestrutura dos materiais cerâmicos: 
Características e propriedades dos materiais cerâmicos: 
 Dificuldade de cristalização (estruturas cristalinas mais complexas); 
 Alta dureza; 
 Resistência mecânica (maior resistência à compressão do que à tração); 
 Ruptura frágil; 
 Estabilidade química e térmica (alto ponto de fusão) 
 Baixa condutibilidade elétrica e térmica. 
 
 
 
(Comparação dos mecanismos de escorregamento entre metais monoatômicos e materiais 
cerâmicos biatômicos). 
Cerâmica avançada (técnica ou fina), engloba uma classe de “novas” cerâmicas, em que as matérias-primas são 
artificiais, há um grande controle do processo e, principalmente, um forte controle da microestrutura. Suas 
características principais são: 
 Alta resistência mecânica; 
 Alta dureza e resistência à abrasão; 
 Alta durabilidade (resistência química e à corrosão); 
 Alta resistência à temperatura (são materiais refratários); 
 Alto ponto de fusão (alguns chegam até cerca de 2500°C a 3000°C); 
 Baixa dilatação térmica; 
 Elevada tenacidade; 
 Baixo peso. 
Microestrutura dos materiais metálicos: 
Ligas não ferrosas: 
 Cobre: Não sofrem corrosão; 
Não suporta tratamento térmico; 
Exemplo: Latão (zinco com impureza). 
 
 Alumínio: Baixa densidade, alta contudibilidade elétrica e térmica; 
Não sofrem corrosão; 
Baixa temperatura de fusão; 
Tratamento a frio melhora a resistência e piora a resistência a ataques químicos. 
Microestrutura dos materiais poliméricos: 
 Polímeros são materiais compostos por macromoléculas. Essas são cadeias compostas pela repetição 
de uma unidade básica, chamada de mero; 
 Chama-se monômetro a unidade isolada que deu origem ao mero; 
 Podem existir centenas, milhares ou centenas de milhares de moléculas encadeadas numa molécula 
polimérica; 
 Grau de polimerização, geralmente simbolizado pela sigla DP ou n, é o número de meros presentes 
na cadeia polimérica. 
 
Cristalinidade dos polímeros: 
 Compostos de macromoléculas o que restringe a cristalização; 
 É preciso que a estrutura das cadeias seja regular; 
 Muito difícil em meros complexos ou ramificados. 
 
Estrutura das macromoléculas: 
 Homopolímeros: O polímero que é constituído apenas de um tipo de mero, é denominado homopolímero. 
Exemplo: PVC. 
 Compolímeros: Quando há mais de um tip de mero na composição do polímero, este é designado 
copolímero, e os monômeros que lhes dão origem, comonômeros. 
Exemplo: SBR (Butadiento estireno). 
Dispersões poliméricas (soluções de duas fases): 
 Butatilacriato e estireno: Modificações de ligantes hidráulidos e adesivos; 
 Acrílico-estireno: Fabricação de tintas látex, fibras, massas de recobrimento e recobrimento de tecidos; 
 Acrilato-estireno: Modificações de ligantes hidráulicos e preparação de recobrimentos flexíveis; 
 Termopolímero acrílico-estireno-butadieno: Fabricação de massas de recobrimento. 
 
Estrutura das cadeias poliméricas 
 
Características de fusibilidade: 
 Os polímeros lineares ou ramificados, que permitem fusão por aquecimento e solidificação por 
resfriamento, constituem os chamados termoplásticos. 
 Os polímeros que, por aquecimento ou outra forma de tratamento, assumem a estrutura tridimensional, 
reticulada, tornando-se insolúveis e infusíveis, são chamados termorrígidos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Elastômeros: propriedades e aplicações 
 
Plásticos 
 
Tipos de fibras: 
 Prolipropileno; 
 Náilon; 
 Poliéster; 
 Poliamida; 
 Polietileno; 
 Celulose; 
 Kevlar.