Curso Técnico em MecânicaDisciplina: Tecnologia dos Materiais Módulo IProf. Polyana

Bibliografia:- Van Vlack, Lawrence H. Princípios de Ciência dos Materiais. Ed. Campus, 1988.- Livro do Telecurso 2000 Profissionalizante – Fundação Roberto Marinho.

Capítulo 1 – Introdução

1.1 – Importância Científica e Tecnológica dos Materiais

Nas últimas décadas, sensíveis mudanças ocorreram na Tecnologia dosMateriais. Essas mudanças forçaram a introdução de novos materiais adaptados ascondições de melhor desempenho e economia energética dos sistemas. Com isso osautomóveis tornaram-se mais econômicos, as turbinas de aviões mais eficientes, asplataformas de petróleo mais resistentes e as embalagens mais leves.

A competição internacional pelo mercado de produtos com alta tecnologiaembutida, onde se obtém comparativamente os maiores lucros, tornou-se extremamentedependente dos novos materiais, quer sejam eles componentes de circuitos eletrônicos,partes estruturais de veículos, produtos químicos ou até implantes biológicos.

As fases de evolução da humanidade são divididas em função dos tipos demateriais utilizados: idade da pedra, do bronze, do ferro, etc.

As necessidades tecnológicas do mundo moderno têm levado os cientistas aestudar e a compreender o comportamento dos materiais de um modo mais científico.Assim, hoje, é de extrema importância procurar através das inter-relações entre estruturae propriedade, entender os materiais do ponto de vista do seu desempenho, bem sejaeste mecânico, químico, elétrico, etc.

Para que um profissional possa utilizar a potencialidade dos novos materiais nossistemas de alta tecnologia é necessário ter um razoável conhecimento dos fundamentosteóricos e práticos aplicáveis a qualquer material. Isto implica em conhecer desde aestrutura atômica da matéria até as maneiras de fabricação e de modificação daspropriedades. Torna-se, portanto, essencial para o técnico de manutenção entender ainter-relação entre os seguintes três aspectos: a Estrutura dos Materiais, as suas diversasPropriedades e as respectivas Tecnologias de Processamento. Conhecimentos esses quesão de importância fundamental no desenvolvimento de novas tecnologias, escolha deum projeto, seleção de materiais, indicação de custo-benefício, etc.

1.2 – Classificação dos Materiais Metálicos e Não Metálicos

Os materiais utilizados na construção mecânica preenchem dois grandes grupos:

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- Materiais Metálicos

São os materiais que essencialmente apresentam ligações metálicas entre seusátomos. Correspondem a todos os elementos conhecidos como metais na tabelaperiódica bem como suas respectivas ligas, isto é, soluções sólidas com outroselementos metálicos ou não metálicos.

São extraídos dos minérios que os contém por processos metalúrgicos. Amaioria dos metais, à temperatura ambiente, se apresenta em estado sólido.

Os metais podem ser ferrosos ou não ferrosos. O metais ferrosos podem aindaser divididos entre metais preciosos (ouro, paládio, platina e prata), metais básicos (sãoa maioria: alumínio, cobre, estanho, zinco, etc.), metais estratégicos (tório, silício,urânio) e metais refratários (tungstênio, vanádio, tântalo e nióbio).

Materiais refratários são materiais que resistem bem ao calor e por isso sãomuito usados em revestimento de fornos. Normalmente são cerâmicos. Já os metaisrefratários são metais que possuem alta temperatura de fusão.

Dos 40 metais empregados comercialmente, somente 8 são aproveitados naEngenharia. O cobre, o ferro, o chumbo e o estanho vêm sendo usados através dosséculos seja sob a forma metálica seja na forma de ligas. Os demais, o alumínio, omagnésio, o níquel e o zinco são relativamente recentes.

Em adição aos metais da engenharia, existem 13 elementos metálicos de grandeimportância na indústria metalúrgica, que são: antimônio, berílio, cádmio, cromo,cobalto, colômbio, manganês, mercúrio, molibidênio, titânio, tungstênio, vanádio ezircônio.

As ligas industrialmente comercializadas estão limitadas aquelas que apresentammelhor desempenho. As mais importantes ligas de ferro para a indústria contêmcarbono. A quantidade de elemento de liga que se mistura com o metal principalnormalmente não deve ultrapassar certos limites. No exemplo do carbono adicionado aoferro, a quantidade máxima é de 2% para ainda se ter uma liga denominada Aço. Alémdeste limite de 2% de carbono forma-se um outro tipo de liga chamada Ferro Fundido,com utilização mais restrita que o aço. Acima de 6,7% de carbono não existe interesseindustrial nas ligas Fe-C.

Outras ligas conhecidas: o zinco adicionado ao cobre forma uma ligagenericamente conhecida como latão. O cobre adicionado ao estanho forma a ligachamada de bronze.

- Materiais Não Metálicos

Como o próprio nome diz, são todos aqueles que não pertencem ao grupo dosmetais. São constituídos de um só tipo de elemento. Sua utilização vem aumentandomuito nos últimos anos. As principais vantagens buscadas são, baixo peso, resistência acorrosão, resistência a alta temperatura, resistência dielétrica e relativa facilidade defabricação.

Podem ser gasosos a temperatura ambiente (oxigênio, nitrogênio, flúor, cloro) ousólidos (boro, carbono, silício, fósforo).

Os principais materiais não metálicos são a madeira, a borracha, o algodão, oplástico, o couro, o vidro, as tintas, entre outros.

O custo destes materiais pode variar muito comparado aos metais. Existembasicamente três categorias gerais de materiais não-metálicos de interesse geral:

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• Polímeros,• Cerâmicas,• Compósitos.

A palavra polímero significa “muitas partes”. Os polímeros são moléculas orgânicasde cadeias muito longas baseadas em moléculas de carbono.

Podemos citar o exemplo do PVC. Suas macromoléculas são formadas pelarepetição do mero:

Essa repetição feita dezenas de milhares de vezes forma as cadeias:

Nestas condições tem-se um material polimérico rígido com empregos bemconhecidos, como em tubulações. No entanto, se o mero dessa configuração atômicafosse repetido só 3 vezes, o material formado seria gasoso e sem interesse prático.

Os polímeros podem ser naturais ou artificiais (sintetizados).

- Polímeros naturais: são os polímeros encontrados na natureza, não havendo aintervenção do homem na sua síntese. Exemplos: madeira, material orgânico compostobasicamente por celulose e lignina; cera; borracha natural.

Fig. 1 - Lignina

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- Polímeros artificiais: grande parte dos polímeros utilizados hoje nos projetos ésintetizada pelo homem. Suas propriedades podem ser feitas sob medida em uma largafaixa por copolimerização com outros compostos ou pela formação de ligas com dois oumais polímeros. Exemplos: polietileno, teflon.

Fig. 2 – Teflon

Os polímeros podem ser classificados em duas classes:• Termoplásticos: São mais flexíveis e podem ser repetidamente fundidos e

solidificados. Ex.: celulósicos, etilênicos, poliamidas, poliacetatos,policarbonatos.

• Termofixos (ou Termorígidos): Devido a ocorrência de ligações cruzadas, sãomais resistentes e mais rígidos. Ex.: aminas, elastômeros, epóxis, fenólicos,poliésteres, silicones, uretanos.

Os cerâmicos são materiais que estão cada vez mais sendo utilizados na área deengenharia. As cerâmicas de engenharia são tipicamente, compostas de elementosmetálicos e não metálicos. Podem ser óxidos simples de um metal, misturas de óxidosmetálicos, carbetos, boretos, nitretos entre outros.

As principais propriedades destes materiais são: alta resistência à compressão,dureza elevada, resistência química e à altas temperaturas entre outras. Normalmentesão formados por compactação de pó e então queimados, ou sinterizados para formarligações. Em geral são bons isolantes elétricos e térmicos.

Os cerâmicos podem ser naturais (pedra, areia, quartzo, argila, talco, mármore,mica, etc.) ou industrializados (vidro, tijolos, cimento, refratários, porcelana, abrasivos,etc.).

Os compósitos são aqueles fabricados pela união de dois ou mais tipos diversosde materiais formando uma estrutura com propriedades comparativamente maisvantajosa para determinados usos tecnológicos. Ex: concreto (pedra + areia + cimento +água), fibra de vidro (lã + resina polimérica).

São constituídos por uma fase dispersa, chamada de reforçador, com maiorresistência mecânica, embutida numa fase continua, chamada matriz, que confereductilidade ao compósito.

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Capítulo 2 – Propriedades dos Materiais

Considere-se a variedade de materiais usados na manufatura de um automóvel:ferro, aço, vidro, plásticos, borracha, apenas para citar alguns. E, somente para o aço, hácerca de 3000 tipos ou modificações. Com que critério é feita a escolha do materialadequado para uma determinada peça? Ao fazer a escolha, devem-se levar em contapropriedades tais como resistência mecânica, condutividade elétrica e/ou térmica,densidade e outras. Além disso, deve considerar o comportamento do material durante oprocessamento e o uso, onde plasticidade, usinabilidade, estabilidade elétrica,durabilidade química, deve ser utilizada. Muitos projetos avançados em engenhariadependem do desenvolvimento de materiais completamente novos. Por exemplo, otransistor nunca poderia ter sido construído com os materiais disponíveis há 40 anos; odesenvolvimento da bateria solar requereu um novo tipo de semicondutor; e, embora osprojetos de turbinas à gás estejam muito avançados, ainda se necessita de um materialbarato e que resista a altas temperaturas, para as pás da turbina. Desde que, obviamente,é impossível ter um conhecimento detalhado dos milhares de materiais agoradisponíveis, assim como manter-se a par dos novos desenvolvimentos, deve-se ter umconhecimento adequado dos princípios gerais que governam as propriedades de todos osmateriais. Dentre estas propriedades, podem-se destacar as propriedades: mecânicas;físicas; químicas; tecnológicas; térmicas; elétricas; eletromagnéticas e ópticas.

2.1 – Propriedades MecânicasSão aquelas relacionadas a habilidade dos materiais resistirem a forças

mecânicas. Exemplos: resistência mecânica, elasticidade, ductilidade, fluência, dureza etenacidade.

2.1.1 – TensãoTensão é definida como a força por unidade de área, e é calculada simplesmente

dividindo-se a força pela área na qual atua.

σ=PA

= tensão

A unidade de tensão no SI é o Pascal (Pa), que corresponde a carga de 1 N atuandosobre uma superfície de 1 m2. Utiliza-se com freqüência os múltiplos do Pascal:- MPa (Mega Pascal) = 106 Pa- kPa (Quilo Pascal) = 103 Pa

Outras unidades também são comuns, como kgf/mm2.

Ex: Qual a peça é solicitada por maior tensão: (a) uma barra de alumínio, de seção reta0,97 mm x 1,21 mm solicitada por uma carga de 16,75 kgf, ou (b) uma barra de aço deseção circular de diâmetro 0,505 mm sob uma carga de 10,8 kgf?

Resposta:

a) σ a=PA

=16 ,750,97∗1, 21

=14 ,3 kgf/mm2

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b) σb=PA

=10 ,8

(π /4)∗(0, 505)2=54 kgf/mm2

Podemos afirmar que uma peça está submetida a esforços de tração quando umacarga normal P atuar sobre a área de seção transversal da peça, na direção do eixolongitudinal. Quando a carga atuar com o sentido dirigido para o exterior da peça, amesma estará tracionada. Quando o sentido da carga estiver dirigido para o interior dapeça, a barra estará comprimida.

2.1.2 – Deformação

Como efeito da tensão, tem-se a deformação. Expressa como o comprimentodeformado como uma porcentagem do comprimento original. Pode ser elástica ouplástica.

ε ( )=ΔLL0

Ex: Em uma haste de cobre são marcados dois traços que distam entre si 50 mm. Ahaste é tensionada de forma que a distância entre os traços passa a ser de 56,7 mm.Calcular a deformação.Resposta:

ε=56 ,7−5050

=0,135 mm /mm ou 13,5%

A deformação elástica é reversível: desaparece quando a tensão é removida. Épraticamente proporcional à tensão aplicada.

Define-se Módulo de Elasticidade (E) como sendo o quociente entre a tensãoaplicada e a deformação elástica resultante. Ele está relacionado à rigidez do material.

E=σε

Esta fórmula representa a relação linear entre tensão e deformação na região deelasticidade. Foi descoberta por Robert Hooke em 1676, e por isso é chamada de Lei deHooke.

Quanto maior o módulo, maior a rigidez do material, e menor será a deformaçãoelástica resultante.

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A liga A é mais rígida que a liga B.

Deformação plástica é a deformação permanente provocada por tensões queultrapassam o limite de elasticidade do material.

Ductilidade é a deformação plástica total até o ponto de ruptura. Uma segundamedida da ductilidade é a estricção, que é a redução na área da seção reta do corpo,imediatamente antes da ruptura. Materiais altamente dúcteis sofrem grande redução naárea da seção reta antes da ruptura.

2.1.3 - Diagrama Tensão x Deformação

- Propriedades analisadas:

- Limite elástico: Nessa fase os metais obedecem a Lei de Hooke (deformações diretamente

proporcionais as tensões). Se o ensaio for interrompido antes do ponto A, o CP volta asua forma original.

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- Limite de proporcionalidade:Representado pelo ponto A’, a partir do qual a deformação deixa de ser

proporcional a carga aplicada. Na prática, coincide com o limite de elasticidade. É oponto onde começa a deformação permanente. Difícil de detectar, convenciona-se 0,2%para metais e ligas em geral.

- Escoamento:Ocorre no início da fase plástica. A carga oscila entre valores muito próximos

uns dos outros.

- Limite de resistência:Valor máximo de tensão alcançada (ponto B).

- Limite de ruptura:Tensão no ponto onde o material se rompe (ponto C). É menor que o limite de

resistência, pois há diminuição de área no CP após a tensão máxima.

- Estricção (ou formação do pescoço):Redução percentual de área da seção transversal do corpo, na região onde vai

ocorrer a ruptura. Quanto maior for a estricção, mais dúctil será o material.

O limite de resistência à tração de um material é calculado dividindo-se a cargamáxima suportada por ele pela área da seção reta inicial.

A dureza é a resistência da superfície do material à penetração. A escala dedureza Brinell é um índice de medida de dureza, calculado a partir da área de penetraçãode uma bilha (esfera de aço dura) no material. Outras escalas também são utilizadas,como a Rockwell e a Vickers.

Tenacidade é a medida da energia necessária para romper o material. Estáintimamente ligada a área sob a curva tensão x deformação. Um material dúctil com amesma resistência de um material frágil irá requerer maior energia para ser rompido eportanto é mais tenaz.

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2.3.1 - Coeficiente de Segurança

Membros estruturais ou de máquinas devem ser dimensionados de modo atrabalharem com tensões que não ultrapassem a tensão admissível do material paraaquela determinada aplicação.

O profissional recém formado encontra muita dificuldade na escolha doCoeficiente de Segurança a ser utilizado nas diversas aplicações práticas. Se utilizar umCS alto, estará fora de mercado pelo alto custo do seu projeto e, se utilizar um CS muitobaixo, poderá estar colocando em risco a segurança do seu projeto. Como orientação,sugerimos que estes se baseiem em projetos semelhantes que tenham obtido sucesso enas Normas Técnicas específicas para aquela aplicação.

O mais importante é ter bom senso nesta escolha.

2.2 – Propriedades TérmicasPropriedades térmicas estão vinculadas às características dos materiais quando

submetidos á variações de temperatura. É extremamente importante a distinção entrecalor e temperatura. Temperatura é um nível de atividade térmica, enquanto que calor éa energia térmica.

Dentre as principais propriedades térmicas destacam-se:

Condutividade térmica: São propriedades que possuem certos corpos de transmitirmais ou menos calor. Neste caso, materiais bons condutores de calor, na ordemdecrescente de condutibilidade: Ag, Cu, Al, latão, Zn, Aço e Pb. Corpos mauscondutores de calor, na ordem decrescente de condutibilidade: pedra, vidro, madeira,papel, etc.Dilatação: Propriedade pela qual um corpo aumenta quando submetido à ação do calor.A capacidade de dilatação de um material está relacionada ao chamado coeficiente dedilatação térmica, que pode ser: linear, superficial e volumétrico. Esta característica dosmateriais deve ser considerada quando o mesmo é submetido a variações consideráveisde temperatura.

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Ponto de fusão e de ebulição: Para qualquer componente químico de um material, oponto de fusão e o ponto de ebulição são temperaturas importantes, pois correspondema transição entre diferentes arranjos estruturais dos átomos no material.Capacidade térmica: é a energia requerida para aumentar de 1ºF a temperatura de 1libra de água. Calor específico: é o quociente entre a capacidade térmica do material e o da água.Calor latente de fusão e calor latente de vaporização: são os calores requeridos,respectivamente, para a fusão e a vaporização. Cada um destes processos envolve umamudança interna no material que passa de um arranjo atômico para outro.Difusividade térmica (h): depende da condutividade térmica (k), da capacidade térmica(cp) e da densidade (ρ):

h = k / cp . ρ

2.3 – Propriedades ElétricasA mais conhecida propriedade elétrica de um material é a condutividade

elétrica. A condutividade elétrica é a propriedade que possuem certos materiais depermitir maior ou menor capacidade de transporte de cargas elétricas. Os corpos quepermitem a eletricidade passar são chamados condutores, sendo uma característica dosmateriais metálicos. Já os que não permitem tal fenômeno são os chamados materiaisisolantes. O cobre e suas ligas e o alumínio conduzem bem a eletricidade, sendoempregados na fabricação de linhas elétricas e aparelhagens; as ligas Cr-Ni, Fe-Niconduzem mal, servido para construção de resistências elétricas, como reostatos.

A resistividade elétrica é o inverso da condutividade. É uma medida daoposição de um material ao fluxo de corrente elétrica. Quanto mais baixa for aresistividade mais facilmente o material permite a passagem de uma carga elétrica.

Em contraste com os condutores elétricos, que transferem cargas elétricas,muitos materiais são usados como dielétricos ou não condutores. Um dielétrico é umasubstância que possui alta resistência ao fluxo da corrente elétrica. Nesses materiais oselétrons estão fortemente ligados ao núcleo dos átomos, ou seja, as substânciasdielétricas não possuem elétrons livres. Dessa forma, não há possibilidade de passagemde corrente elétrica através dos dielétricos, os quais podem ser: borracha, porcelana,vidro, plástico, madeira e muitos outros.

2.4 – Propriedades Químicas

Resistência à corrosão: Quase todos os materiais são suscetíveis de corrosão porataque químico. Para alguns materiais, a solubilização é importante. Em outros casos, oefeito da oxidação direta de um metal ou de um material orgânico como a borracha é omais importante. Além disso, a resistência do material à corrosão química, devido aomeio ambiente, é da maior importância. Desde que freqüentemente, o ataque pelacorrosão é irregular, é muito difícil medi-la. A unidade mais comum para a corrosão épolegadas de superfície perdida por ano.

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2.5 – Propriedades Óticas

Quando a luz incide em uma superfície, uma fração r do total incidente érefletida. Outra fração a é absorvida dentro do material configurando-se em um ganhode energia e finalmente uma última parcela t pode ser transmitida no caso de superfíciestransparentes ou translúcidas.

É importante notar que novos tipos de vidros tem sido estudados de forma aaumentar a transmissão de luz natural bem como potencializar o efeito de reflexão daradiação térmica.

Índice de Refração (n): é a razão entre a velocidade da luz no vácuo c e a velocidadeda luz no material, Vm.

n = c / Vm

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Capítulo 3 – Estrutura dos Materiais

3.1 – Átomos e Ligações AtômicasTodos os materiais utilizados para fins industriais são formados de elementos

cuja menor parte estruturada que ainda mantém características próprias do tipoindividual da matéria é o átomo. Recentes descobertas da Física Moderna revelaramuma complexa participação de partículas na construção da matéria. Essas partículas sedividem em três grupos:- Leptons: partículas que podem se mover por conta própria como os elétrons;- Quarks: partículas que constituem as outras maiores e pesadas como os prótons enêutrons dentro do núcleo atômico;- Bósons: partículas fundamentais que transmitem as forças da natureza como os gluonsresponsáveis pela forte interação entre os quarks.

Além disto, cada partícula elementar possui uma correspondente antimatériacomo o pósitron em relação ao elétron.

O comportamento dos materiais pode ser compreendido através de um modeloatômico simples que consiste na existência de:

1) Um núcleo composto de prótons e nêutronsOs prótons e nêutron são partículas com massa que somadas constituirão praticamentetoda a massa do átomo, ou seja, a massa atômica. O próton possui carga elétrica que seconvenciona positiva, enquanto o nêutron é eletricamente neutro.

2) Camadas de elétrons orbitando em torno do núcleoOs elétrons podem ser considerados como um estado de transição entre a matéria e aradiação eletromagnética, pois se comportam tanto como massa quanto como uma ondaeletromagnética. A massa do elétron é relativamente muito pequena, e por esta razãopode ser considerada desprezível no cálculo da massa atômica. A carga elétrica doelétron é numericamente igual a do próton, mas com sinal oposto, logo, convenciona-secomo sendo negativa. A força que mantém os elétrons orbitando em torno do núcleo é aatração elétrica ou Coulombiana em relação aos prótons.

3.1.1 – Ligações AtômicasOs átomos podem se reunir em estruturas mais complexas formando a matéria

ou outras estruturas ainda mais complexas, como as galáxias. A união entre átomos sedá pelo fato deles não possuírem orbitais eletrônicos preenchidos, como acontece comtodos os elementos, exceto os gases nobres. Eles se tornam mais estáveis se puderemficar com configurações de menor energia, seja recebendo elétrons, perdendo elétrons,compartilhando elétrons com outro átomo vizinho ou consorciando os mesmos comtodos os outros átomos. Estes quatro processos produzem fortes ligações entre osátomos, conhecidas como ligação iônica, ligação covalente e ligação metálica. Outrotipo de ligação, mais fraca, é a ligação de Van der Waals. A estabilidade das ligaçõesatômicas deve-se à existência de um valor mínimo de energia, correspondente a umacerta distância interatômica, onde ocorre um balanço entre as forças de atração e derepulsão. A natureza das forças de atração entre os átomos depende do tipo de ligaçãoatômica. As forças de repulsão crescem à medida que os átomos aproximam suascamadas de elétrons mais externas, que se repelem por serem ambas de carga negativa.

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A figura 3.1 ilustra este tipo de interação considerando-se a temperatura igual a0oK. Diminuindo-se a distância entre átomos inicialmente afastados tem-se a princípiouma força resultante de atração, uma situação de equilíbrio e, em seguida, o predomíniodas forças de repulsão.

Figura 3.1 – Relação entre a força (a) ou a energia de ligação (b) com a distância entreos centros de dois átomos.

As ligações resultantes desses processos são conhecidas como:

- Ligação IônicaNesse caso um átomo cede elétron para outro que recebe resultando

configurações atômicas mais estáveis. Exemplo: cloreto de sódio (NaCl): o sódio cede oúltimo elétron de seu último nível para o cloro, que completará sua última camada deelétrons ficando mais estável.

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Figura 3.2 – Ligação Iônica

- Ligação CovalenteNeste tipo de ligação os átomos compartilham de elétrons aos pares, ou seja, um

átomo coloca um ou mais elétrons a disposição de outro, que procede da mesmamaneira. Os pares de elétrons de ambos os átomos circulam simultaneamente na camadaexterna eletrônica propiciando uma configuração eletrônica estável para os dois átomos.Exemplo: molécula do oxigênio, formada por dois átomos, cada um cede 2 elétronsformando dois pares com um total de 4 elétrons que circulam pela camada eletrônicaexterna, passando de um átomo para outro.

Figura 3.3 – Ligação Covalente

- Forças de Van Der WaalsSão forças de ligação com intensidade relativamente baixa decorrentes da

formação de dipolos (conjuntos nos quais uma extremidade é negativa e a outra épositiva). Embora fracas, essas forças permitem a união entre as grandes moléculas demateriais poliméricos.

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- Ligação MetálicaNos metais, os elétrons da banda de valência da última camada ficam livres

quando muitos átomos estão em contato. Isto permite que os elétrons de valência semovimentem a vontade entre eles constituindo uma nuvem eletrônica. A relativaliberdade dos elétrons de valência na ligação metálica é responsável por importantespropriedades dos metais, como a condução elétrica.

- Combinação de LigaçõesEm muitos materiais as ligações atômicas se processam por uma combinação das

acima mencionadas. Assim, certos compostos, como o ácido clorídrico, dependendo doestado em que se encontram (líquido ou gasoso), apresentam predominância de ligaçõescovalentes ou iônicas.

3.2 – Estados e Arranjos Atômicos da MatériaA matéria pode existir em 4 estados:

- sólido- líquido- gasoso- plasmático

Os dois últimos constituem condições de matéria não condensada, ou seja, nãoexistem estruturas envolvendo grande número de átomos ou moléculas. Nos plasmas aliberação de elétrons em situações especiais, como elevadíssimas temperaturas, produzíons cuja excitação não permite nenhum tipo de ligação. Nos gases, mesmo a baixastemperaturas, cada átomo ou molécula está suficientemente afastado para serconsiderada independente, a não ser por eventuais colisões.

Os gases podem ter grande interesse prático, como o ar comprimido noacionamento de máquinas. Os plasmas também são utilizados cada vez mais, como, porexemplo, em soldas especiais.

Os líquidos têm grande fluidez por não apresentarem resistência aocisalhamento, mas, fora isto, são muito parecidos com os sólidos, sendo considerado umestado condensado da matéria, que apresenta inclusive coordenação e estrutura atômica.Essa estrutura, entretanto, é de curto alcance e não caracteriza periodicidade oucristalinidade de longa distância. Por isto os líquidos são considerados materiaisamorfos. Os sólidos também podem ser amorfos, sendo chamados genericamente devidros, comportando-se como líquidos super resfriados.

A maioria dos sólidos apresenta estrutura com repetição sistemática dos átomospor distâncias relativamente longas, sendo denominados cristais. Sua estrutura tambémpode se apresentar como uma estrutura intermediária entre cristalina e amorfa. Esse é ocaso das macromoléculas, onde existe posicionamento atômico repetitivo em uma sódireção no espaço causado por ligações covalentes.

É importante saber que os tipos de ligações e arranjos atômicos guardam umaassociação com as classes de materiais utilizadas tecnicamente. Assim, os plásticos sãocompostos orgânicos a base de carbono e constituído de macromoléculas, possuemligações predominantemente covalentes. Os metais são formados por ligações metálicas.Os cerâmicos que são compostos formados por átomos metálicos e não metálicos, temligações iônicas ou covalentes. Os materiais não metálicos (grafite, enxofre) apresentamligações covalentes.

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3.3 – Principais Sistemas Cristalinos dos MateriaisCristais são estruturas com arranjos atômicos de uma unidade básica (que são

repetições) nas três dimensões.No caso dos metais, existem 3 tipos principais de cristais, que com sua repetição

no espaço tridimensional dão origem as principais estruturas de cristalização dos metais.A maior parte dos cristais que serão vistos cai dentro do sistema cúbico, como a maioriados metais comuns. A exceção são o magnésio e o zinco, que são hexagonais.

3.3.1 – Sistema Cúbico Simples (CS)Esta estrutura é hipotética para metais puros. Nela, as três dimensões axiais (a)

são iguais, e os três eixos são mutuamente perpendiculares.

Figura 3.4 – Célula Unitária Cúbica Simples

A estrutura contém um átomo metálico por célula unitária. Apenas um oitavo decada um dos átomos cai dentro da célula. Esta é a razão pela qual os metais não secristalizam na estrutura cúbica simples.

Se dividirmos o volume dos átomos pelo volume da célula unitária, temos ochamado “fator de empacotamento”. Na célula cúbica simples, será de:

F. E. = (4πr3/3) / (2r)3 = 0,52

3.3.2 – Sistema Cúbico de Corpo Centrado (CCC)Um exemplo típico de metal que se cristaliza nesse sistema é o ferro na

temperatura ambiente. Sua célula unitária tem um átomo em cada vértice do cubo e umoutro átomo no centro do cubo.

Figura 3.5 – Célula Unitária Cúbica de Corpo Centrado

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Há dois átomos por célula unitária, um está no centro do cubo e oito oitavos nosvértices. Seu fator de empacotamento é de 0,68.

A distância entre os átomos (a) é denominado parâmetro. O parâmetro aumentacom o aumento da temperatura.

Além do ferro na temperatura ambiente, outros exemplos de metais que secristalizam no sistema CCC são o cromo e o tungstênio.

3.3.3 – Sistema Cúbico de Face Centrada (CFC)Nesse sistema, além de um átomo em cada vértice da célula unitária, há um no

centro de cada face, e nenhum no centro do cubo.

Figura 3.6 - Célula Unitária Cúbica de Face Centrada

Estruturas CFC nos metais são mais comuns que a CCC. Alguns exemplos sãoalumínio, cobre, chumbo, prata e níquel.

Cada célula unitária dessa estrutura possui 4 átomos, oito oitavos dos vértices(somando 1 átomo) e seis metades nos centros das faces (somando 3). Seu fator deempacotamento é de 0,74. Porém, quando mais de um tipo de átomo está presente,como no caso do NaCl, o fator de empacotamento é afetado.

3.3.4 – Sistema Hexagonal CompactoA figura 3.6 apresenta a célula unitária da estrutura cristalina hexagonal

compacta, que possui um átomo em cada vértice do prisma hexagonal, um átomo no centro das bases e três átomos no centro do prisma.O número de átomos na célula unitária é igual a:2 x 1/2 = 1 (átomos dos centros das bases)12 x 1/3 x 1/2 = 2 (átomos dos vértices do prisma)3 (átomos no centro do prisma)Total de átomos na célula unitária = 1 + 2 + 3 = 6

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Figura 3.7 - Célula Unitária Hexagonal Compacta

3.3.5 – Alotropia e PolimorfismoAlotropia é o fenômeno que consiste no fato de um elemento apresentar duas ou

mais formas cristalinas, obedecendo tanto para aquecimento quanto para resfriamento amesma mudança da forma cristalina.

Polimorfismo é o fenômeno que consiste no fato de um elemento apresentar 2 oumais formas cristalinas, não obedecendo para o resfriamento a mesma mudançacristalina do aquecimento.

As mudanças de forma cristalina se dão sempre no estado sólido. É umfenômeno isotérmico (a temperatura constante).

3.3.6 – Estrutura AmorfaSão materiais que não apresentam regularidade interna dos cristais. Incluem os

gases, os líquidos e o vidro.

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AL

3.3.6.1 – GasesNão há qualquer estrutura dentro de um gás a não ser a estrutura inerente as

moléculas individuais. Cada átomo ou molécula está a uma distância suficiente dosoutros átomos ou moléculas, para que possa ser considerado independentemente.

Como os átomos podem se mover independentemente, um gás, que preenche umdeterminado espaço, exerce uma pressão sobre as suas vizinhanças. A pressão Pdepende do volume V, da temperatura T e do número de mols n que estão presentes,através da expressão:

PV = nRT

Onde R é a constante dos gases (0,082 atm.l/K).É, portanto, possível calcular a densidade de um gás em uma dada temperatura e

em pressões relativamente baixas. É possível também calcular o fator deempacotamento para um gás. Esse valor é extremamente baixo para pressões até 10 atm.

3.3.6.2 – LíquidosAssim como os gases, os líquidos são fluidos que não apresentam a ordem

encontrada em grandes distâncias nos cristais. Mas a similaridade com os gases é sóessa. A estrutura dos líquidos tem muito em comum com a dos cristais. Suas densidadese, portanto, seus fatores de empacotamento, diferem de apenas alguns porcentos.

Um cristal tem, usualmente, um empacotamento atômico mais eficiente que umlíquido, pois há uma redução de energia durante a solidificação e ocorre uma contração.

3.3.6.3 – VidrosOs vidros são considerados, muitas vezes, como sendo líquidos super resfriados.

Na prática, apenas poucos líquidos podem ser realmente super resfriados, formandovidros.

Em temperaturas elevadas, os vidros formam líquidos verdadeiros. Os átomosmovem-se livremente e não há resistência para tensões de cisalhamento. Quando umvidro comercial, na sua temperatura de líquido, é super resfriado, há contração térmicacausada pelo rearranjo atômico, para produzir um empacotamento mais eficiente dosátomos.

Abaixo de uma certa temperatura denominada de temperatura de transformação,cessam os rearranjos atômicos e a contração que persiste é resultado de vibraçõestérmicas mais fracas.

Os vidros são materiais que apresentam uma curva de dilatação térmica como afigura abaixo:

Figura 3.8 – Curva de dilatação térmica do vidro

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3.3.7 – Fases Cristalinas e AmorfasUma fase pode ser definida como uma parte estruturalmente homogênea de um

sistema material. Cada fase de um material possui seu próprio arranjo atômico.Uma fase cristalina tem um arranjo atômico definido, com uma estrutura

repetitiva que se estende por muitas distâncias atômicas.Uma fase amorfa tem apenas ordem em pequenas distâncias. A figura abaixo

mostra a diferença de uma estrutura amorfa (a) e outra cristalina (b). Como as fasesamorfas não tem ordem em grandes distâncias, seus arranjos atômicos são menosdefinidos e permitem maiores diferenças na composição que as fases cristalinas.

Figura 3.9 – Estrutura Amorfa (a) e Cristalina (b)

3.4 – Defeitos Subestruturais

3.4.1. Formação da Estrutura Cristalina Quando um metal, ou liga no estado líquido é resfriado até seu ponto de fusão,

inicia-se a solidificação, através da formação de cristais em pontos da massa líquida. Acristalização irá formar estruturas cristalinas que são dependentes do metal ou dacomposição da liga conforme será visto mais adiante.

Conforme exemplificado na figura 3.10, ao se considerar o resfriamento dometal no estado líquido dentro de um molde, surgem, em vários locais, núcleos para asolidificação. Os cristais crescem a partir destes núcleos até que começam a se encontraruns com os outros na fase final da solidificação, produzindo interfaces como a indicadana figura 3.11.

Denomina-se grão cada cristal individual do material. No caso do materialpolicristalino, cada grão encontra-se cercado por vários outros. A superfície de encontrode dois grãos é denominada contorno de grão.

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Figura 3. 10 – Solidificação dos grãos e formação do material policristalino

Figura 3.11 - Contorno de grão. A região de transição que acomoda a diferença deorientação na estrutura cristalina de grãos adjacentes é estreita, bastando poucos espaços

atômicos para tal

3.4.2. Classificação dos Defeitos na Estrutura Cristalina A estrutura cristalina real apresenta defeitos que podem ser observados a olho nu

(defeitos macroscópicos) ou que requerem para a sua observação um microscópio ótico(defeitos microscópicos) ou um microscópio eletrônico (defeitos submicroscópicos).Como ilustração destas classes de defeito tem-se alguns exemplos, a seguir.

a) Defeitos macroscópicos- Porosidades (bolhas - gás retido: vazios - vácuo);- Trincas;- Inclusões;- Segregações.

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b) Defeitos microscópicos- Contornos de grão; - Outros contornos.

c) Defeitos submicroscópicos ou subestruturais- Defeitos térmicos:- Lacunas;- Discordâncias;- Outros átomos em solução sólida.

Esta classificação possui a desvantagem de que o mesmo defeito pode ser de umtipo ou de outro, dependendo do seu tamanho. Por exemplo, uma trinca ou um contornode grão poderiam ser visíveis a olho nu ou não.

Os defeitos na estrutura cristalina mais importantes são os submicroscópicos,que serão a seguir estudados na escala atômica, dentro da classificação abaixo, propostapor Huntington em 1942.

a) Defeito de pontoSão correspondentes a variações na estrutura cristalina que envolvem poucas posiçõesatômicas englobadas num pequeno volume aproximadamente esférico.

b) Defeitos de linha As irregularidades se estendem por um volume aproximadamente cilíndrico, ao longode uma linha reta ou curva.

c) Defeitos de superfície Correspondem a irregularidades ao longo de uma superfície, contendo os átomos quelhe são vizinhos.

Além dos defeitos inerentes ao próprio reticulado cristalino, existem asimperfeições devidas à presença de átomos de outros elementos na estrutura. Estesátomos são denominados impurezas quando sua presença é conseqüência do processode fabricação, e elementos de liga quando são adicionados com o propósito de se obterpropriedades desejadas.

3.4.3. Imperfeições Associadas à Composição Química Os átomos de outros elementos, sejam impurezas ou elementos de liga, podem

acomodar-se na estrutura cristalina de um dado metal formando uma solução sólida.Chama-se matriz à estrutura cristalina do metal considerado, que é denominadosolvente. Os outros elementos, cujos átomos estão na solução sólida, são denominadossolutos.

Os átomos solutos podem estar em solução sólida substitucional, quandoocupam posições dos átomos da matriz na estrutura cristalina, ou em solução sólidaintersticial, quando ocupam interstícios na estrutura cristalina. As figuras 3.12 e 3.13ilustram estes casos.

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Figura 3.12 - Solução sólida substitucional (a) Átomos maiores; (b) Átomosmenores que os da matriz

Figura 3.13 - Solução Sólida Intersticial

A distorção na estrutura cristalina, provocada pelos átomos em solução, significaum afastamento dos átomos da sua posição de equilíbrio.

Os átomos que se encontram nesta região de distorção possuem, portanto, umnível energético mais elevado que os átomos que constituem as porções perfeitas darede cristalina. Assim como nas soluções em fase liquida, as soluções sólidas tambémapresentam um limite de solubilidade, isto é, valores máximos para o teor de soluto namatriz.

Nas soluções substitucionais o limite de solubilidade é função da relação entreos tamanhos atômicos, número de elétrons no último nível, estrutura cristalina de cadaelemento e eletronegatividade. Se a diferença entre os tamanhos atômicos de doiselementos for inferior a cerca de 15% pode-se esperar que haja grande solubilidadeentre eles.

Na solução sólida intersticial, os átomos do soluto ocupam posições na estruturacristalina onde há um maior espaço para sua acomodação.

Por exemplo, considerando-se a estrutura CFC do ferro, os vazios octaédrico etetraédrico possuem raio interno de 0,52 e 0,28 angstroms respectivamente. Os átomosde carbono ou de nitrogênio que ocupem estas posições estarão provocando distorção narede cristalina, porque seus raios atômicos são maiores 0,8 e 0,7 angstroms,respectivamente que o espaço dos interstícios.

Na estrutura CCC do ferro, o interstício tetraédrico (r = 0,36 A) é maior que ooctaédrico (r = 0,19 Â), porém menor que o octaédrico na estrutura CFC (r = 0,52 Â).Portanto, como conseqüência, tem-se que a estrutura CFC tem maior possibilidade que aCCC de dissolver átomos de carbono ou nitrogênio em solução intersticial, mesmosendo uma estrutura mais compacta.

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3.4.4 - Defeitos de Ponto Podem ser dos seguintes tipos:

a) Átomos SolutosCorrespondem a existência de átomos diferentes daqueles que caracterizam a

matriz. Estes átomos podem ser considerados impurezas (decorrentes do processo defabricação) ou elementos de liga (adicionados para melhorar propriedades).

Os átomos solutos podem não alterar a cristalografia da matriz, ficandodispersos aleatoriamente em posições que podem ser:

- Substitucionais: o átomo soluto toma a posição de um átomo da matriz;

- Intersticiais: o átomo soluto ocupa vazios correspondentes a estrutura cristalina damatriz.

As figuras 3.12 e 3.13 vistas anteriormente ilustram estes defeitos.

b) LacunasLacunas são espaços vazios na estrutura cristalina que poderiam estar

preenchidos por um átomo. São também chamados de vazios ou vacâncias e constituemdefeitos de ponto importantes, dada a sua relação com o fenômeno da difusão, comoserá estudado mais adiante.

Caso essa ausência de átomos ocorra em um material iônico, ela será chamadade “Defeito de Schottky”.

Com o aumento da temperatura, a quantidade de lacunas aumentaexponencialmente, sendo geradas a partir de outros defeitos na estrutura cristalina,como por exemplo, os contornos de grão. As vibrações atômicas decorrentes doaumento da temperatura permitem a troca de posição de um átomo com uma lacuna,como ilustra a figura 3.14. As lacunas podem também ocorrer associadas, aos pares ouem grupos maiores.

Figura 3.14 – Movimento de Lacuna na Malha

c) InterstíciosCorrespondem a átomos da própria matriz deslocado para posições vazias

(intersticiais). Para isto é necessário um processo envolvendo grandes energias como,por exemplo, intensa radiação atômica. Por isso este tipo de defeito é pouco provável etende a aniquilar-se com o tempo.

d) Pares de DefeitosOs mais comuns são: bi-lacunas, lacuna-átomo intersticial, átomo intersticial-

átomo intersticial e condensação de lacunas em uma pequena região. Qualquer dessesdefeitos acarreta sempre um estado predominantemente normal de tensão na malha.

A figura 3.15 ilustra alguns tipos de defeito de ponto.

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Figura 3.15 - Defeitos de ponto. (a) Lacuna; (b) Bilacuna; (c) Defeito de Schottky; (d)Átomo em interstício; (e) Defeito de Frenkel

3.4.5. Defeitos LinearesOs defeitos lineares são denominados discordâncias ou deslocações e possuem

fundamental importância na deformação plástica dos metais, em função da sua atuaçãono deslizamento entre porções do cristal.

As discordâncias podem ser de 2 tipos:

a) Discordânica ArestaPode ser visualizada pelas distorções atômicas ao longo de uma linha (cilindro)

como se existisse um semi-plano atômico extra (figura 3.16).

Figura 3.16 – Discordância aresta. A linha da discordância é a perpendicular ao planodo papel, correspondente à aresta do semiplano adicional.

b) Discordância EspiralPode ser visualizada pelas distorções atômicas ao longo de uma linha como se os

planos cristalinos se desenvolvessem em uma hélice perpendicularmente a linha. Omodelo de blocos da figura 3.17 ilustra a ocorrência de uma discordância espiral namalha cristalina.

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Figura 3.17 – Modelo de blocos de uma discordância espiral

O deslocamento de uma discordância da sua posição para a próxima posiçãoequivalente é denominado vetor de Burgers da discordância, representado pela letra "b".Conforme o semiplano esteja acima ou abaixo do plano de deslizamento, a discordânciaaresta é dita positiva ou negativa. A discordância simbolizada na figura 3.18 é, porexemplo, uma discordância aresta positiva.

Figura 3.18 - O esforço de cisalhamento F produz pequenos movimentos atômicos etroca das ligações entre os átomos. A discordância se movimenta produzindo um degrau

correspondente a uma distância atômica (para o sistema cúbico simples).

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3.4.6. Defeitos Planares As irregularidades na estrutura cristalina associadas à superfícies são os defeitos

planares, que serão a seguir abordados e que incluem as superfícies livres do metal oscontornos de grão, outros contornos (maclas, interfaces com outras fases presentes) e asfalhas de empilhamento.

a) Superfícies livres Os átomos do metal que constituem superfícies livres do metal, como a

superfície de bolhas ou porosidades, ou a superfície em contacto com a atmosfera,encontram-se num nível energético mais elevado do que os átomos que se encontram nointerior do cristal.

Isto se dá porque os átomos superficiais têm vizinhos apenas de um lado,causando um desbalanceamento das camadas de elétrons e originando um efeito detensão superficial e de energia de superfície.

Ao se considerar um processo de fratura num metal, tem-se que uma parcela daenergia necessária para a fratura será empregada como energia superficial associada àcriação das superfícies da fratura.

A figura 3.19 apresenta um esquema dos átomos superficiais de um metal.

Figura 3.19 - Os átomos na superfície livre encontram-se num nível energético maiselevado que os átomos do interior, porque não estão completamente circundados por

outros átomos.

b) Contornos de grão As diferentes orientações entre os cristais desenvolvidos a partir de núcleos

distintos, formam, como ilustrado pelas figuras 3.10 e 3.11, superfícies constituídas porátomos que acomodam estas diferenças.

A figura 3.20 apresenta contornos de grão vistos ao microscópio ótico e ummodelo atômico indicando a desordem na superfície de fronteira entre os grãosvizinhos.

Figura 3.20 - (a) contornos de grão de molibdênio vistos no microscópio ótico (b)modelo atômico indicando a variação nas distâncias entre os átomos dos contornos de

grão.

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Os contornos de grão possuem outros defeitos subestruturais ousubmicroscópios, como lacunas e discordâncias.

Como as distâncias interatômicas nos contornos de grão diferem da posição deequilíbrio já vista na figura 3.1, tem-se que os átomos pertencentes aos contornos degrão possuem nível energético superior ao dos átomos no interior dos grãos. Isto ostorna mais suscetíveis de sofrer modificações, como participar de reações químicas(correndo-se) ou metalúrgicas (nucleando uma segunda fase).

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