A Simetria Da Natureza e Os Materiais

Paulo Emílio Valadão de Miranda | Professor Titular UFRJ

EET – 310 Princípio de Ciência dos Materiais

Prof. Paulo Emílio Valadão de Miranda ([email protected])

Monitores: André Mendes ([email protected])Mariana Lima ([email protected])

Ementa e Bibliografia Recomendada:

I. Propriedades dos Materiais II. Estrutura dos MateriaisIII. Diagramas de fasesIV. Aços, ligas não-ferrosas, cerâmicos e polímerosV. Tratamentos Térmicos, Corrosão, Soldagem

Bibliografia recomendada:

• William D. Callister Jr. “Fundamentos da Ciência e Engenharia de Materiais”, LTC-LivrosTécnicos e Científicos Editora S.A., 2ª ed., Rio de Janeiro, 2006.

• S. M. Allen, E. L. Thomas, “The Structure of Materials”. John Wiley & Sons, Inc., New York, 1999.

• Rupen Adamian, “Novos Materiais – Tecnologia e Aspectos Econômicos”. Coppe/UFRJ, Rio de Janeiro, 2009.

mailto:[email protected]




Conceito das Avaliações para cada Atividade Desenvolvida

I. Provas Parciais:

Prova Parcial 1 –Prova Parcial 2 –Média das Provas = 65%

II. Relatórios de Aulas Práticas:

Média das Aulas Práticas = 15%

III. Listas de exercícios:

Exercícios indicados –Média das Listas = 12%

IV. Conceito = 8%

Média Parcial = 100%.


Conceito das Avaliações para cada Atividade Desenvolvida

Média parcial

Aluno com MP ≥ 7,0 - Aprovado

Aluno com 3,0 ≤ MP < 7,0 - Prova Final

Aluno com MP < 3,0 - Reprovado

Prova Final – PF

Média Final = (média parcial + PF)/2

Aluno com MF ≥ 5,0 - Aprovado

Aluno com MF < 5,0 - Reprovado

0,7MP

A Simetria da Natureza

Nosso objetivo é entender os materiais a partir de correlações em todas as escalas possíveis e conhecidas das configurações naturais, abstraindo-nos da dimensão cartesiana que normalmente limita a nossa visão de mundo


Ciência dos Materiais

A Ciência dos Materiais fundamenta a Engenharia dos Materiais, permitindo a realização das atividades práticas de:

• fabricação

• conformação

• funcionalização

• preparação estética

• manutenção

de todos os utensílios, dispositivos e equipamentos utilizados.

Seu estudo baseia-se na compreensão da simetria a Natureza.


Ciência dos Materiais

A Ciência dos Materiais baseia-se nas:

• quebras de simetria

• demonstrações naturais ou induzidas de perda de:

• Continuidade

• Forma

• Estrutura

• Comportamento


Os materiais são compreendidos a partir de correlações em todas as escalas possíveis e conhecidas das configurações naturais.

Para isso, é necessário desprender-se das amarras que impedem correlacionar entre si temas aparentemente muito distintos, tais como astronomia com estrutura atômica ou constituição genética com plasticidade.

Como entender a Ciência dos Materiais


O Universo

O Universo é composto por galáxias, de dimensão infinita, com demonstrações incontestáveis

de arranjos simétricos e organizados, mesmo quando a quantidade e o tamanho envolvidos

são tão fenomenais que escapam à nossa sistematização intuitiva.

A Natureza mostra-se macroscópica e microscopicamente

simétrica, organizada, com repetições sucessivas de

posicionamento, de movimento e de tipologia.

www.nasa.gov/multimedia/imagegallery


O UniversoNo Sistema Solar, vemos que há um número

limitado de planetas que transladam-se há bilhões de anos de forma harmônica e repetitiva.

Os planetas rotacionam em

torno de um eixo imaginário e

podem ser quase esféricos, como a

própria Terra. Aí observamos

simetrias de movimento e de

forma.



A Terra



Marcas de praia


Marcas de praia

As ondas do mar deixam marcas na

areia da praia, sob a forma de faixas ou

linhas sinuosas repetitivas, como se estabelecessem um traçado idêntico ao de curvas de nível,

de isopotencial, que serpenteiam uma

montanha para facilitar a retenção

de água. Sand_waves by umi himeDeviantart.com


Marcas de praia

Liga de Al-Cu-Mn tipo D16T

G. F. Miscow; J. C. R. Plácido; P. E. V. de Miranda; T. A.Netto. “Aluminum Drill Pipe Fatigue Analysis”. Proceedings of the 23rd

International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, Vancouver – Canada, 20-25 June 2004.

É o nome que se dá às formações

encontradas na morfologia de fratura de um

metal submetido à fadiga.


Trincas de LamaA lama no fundo de um lago ressecado, quebra-se em

desenho repetitivo e característico, sempre de forma

análoga, num mesmo padrão de trincamento

interconectado.

www.sxc.hu


Trincas de hidrogênio em aço






Estrela do mar

Starfish by foto grafik www.deviantart.com


Estrela do mar

A estrela do mar possui uma simetria pentagonal característica, configurando-se como um ser vivo simétrico.

www.deviantart.com


DNANós, seres humanos, possuímos como nossa constituição mais

fundamental a simetria helicoidal do DNA, que se repete periodicamente

com “defeitos” de interligação do arranjo helicoidal simétrico.

www.molecularstation.com/molecular-biology-images/502-dna-pictures


Estrutura cristalinaOs cristais naturais, de rocha, do diamante ou do quartzo,

assim como os metálicos, do alumínio, do ferro ou do ouro,

caracterizam-se por possuir uma estrutura cristalina,

fabulosamente organizada em nível atômico.

http://commons.wikipedia.org


Estruturas de Bravais

São milhões de átomos, dispondo-se nas mesmas

posições relativas, ao longo de grandes dimensões

microscópicas ou mesmo macroscópicas, repetindo,

organizadamente, o mesmo arranjo fundamental de uma

célula unitária, que estabelece a base do

posicionamento espacial atômico.

http://wikis.lawrence.edu


Redes de Bravais

Fonte: http://www.chem.ox.ac.uk/icl/heyes/structure_of_solids/Lecture1/Bravais.gif

Fonte: http://www.chem.ox.ac.uk/icl/heyes/structure_of_solids/Lecture1/Bravais.gif

Grau de compaticidade éo volume ocupado pelosátomos numa célulaunitária divido pelovolume da célulaunitária:CCC: 0,68CFC: 0,74HC: 0,74


Planos e Direções Cristalinos: Índices de Miller

• Definem planos e direções cristalinas;

• Os índices de um plano são definidos como oconjunto dos menores números inteiros do recíprocodos interceptos dos planos com os eixos principais;

• Os índices de uma direção são a distância percorridaem cada eixo, também representada como oconjunto de menores números inteiros que acompõe.

Fonte: http://www.chem.qmw.ac.uk/surfaces/scc/scat1_1b.htm

)100(

Planos Cristalinos

Paulo Emílio Valadão de Miranda | Professor Titular UFRJFonte: http://www.chem.qmw.ac.uk/surfaces/scc/scat1_1b.htm

) 110( ) 210(

Planos Cristalinos

) 111(

)1(11 );11(1 );111( (111); } 111{___


Paulo Emílio Valadão de Miranda | Professor Titular UFRJFonte: http://www.resmat.com/Course/chapter1/Miller.html

Direções Cristalinas

]221[__

122


Estrutura cristalina Estrutura cúbica de faces centradas

O alumínio, o ouro, o cobre e o níquel possuem estrutura cristalina cfc. Sua

célula unitária se repete infinitamente, sempre da mesma forma, não importa onde e como

tenham sido obtidos ou fabricados.

http://jwc.njxzc.edu


Estrutura cristalina Estrutura cúbica de corpo centrado

O ferro, o tungstênio e o molibdênio têm

estrutura cristalina ccc.http://wikis.lawrence.edu


Estrutura Hexagonal Compacta


Defeitos Cristalinos• Os cristais reais, seja os de formação natural e

encontrados com abundância no nosso planetaou aqueles fabricados por processos tecnológicosjá bem estabelecidos, são defeituosos.

• Interrupções na periodicidade de uma redecristalina;

• São caracterizados quanto à sua dimensão;

• Sempre há associado a um defeito umcampo de tensões de distorção elásticada rede cristalina.

• Defeitos Deformação


Defeitos cristalinos

• Defeitos de dimensão zero: as lacunas denominados defeitos

pontuais.

• Defeitos de dimensão um: lineares, como as discordâncias

• Defeitos de dimensão dois: planares, como os contornos entre

cristais e entre fases diferentes

• Defeitos de dimensão três: volumétricos, como um poro

interno ou uma partícula de uma segunda fase imersa no

interior do cristal


Defeitos Cristalinos

Fonte: W. D. Callister, Jr. “Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução”. LTC Editora, Rio de Janeiro, 2002.

• Dimensão Zero (pontuais)

– Lacunas e átomos intersticiais (intrínsecos);

– Impurezas intersticiais ou substitucionais (extrinsecos).



Sítios intersticiais em cristais

Laboratório de Hidrogênio – COPPE/UFRJ

ccc octa ri = 0,115R

cfc tetra ri = 0,225R

cfc octa ri = 0,414R

ccc tetra ri =0,219RR = raio atômico



• Dimensão Um (lineares)– Discordância aresta;

– Discordância espiral;

– Discordância mista.Tensão Cisalhante

Tensão Cisalhante Tensão Cisalhante

Plano de

Deslizamento

Linha da

discordância

aresta

Degrau de

Deslizamento


Fonte: W. D. Callister, Jr. “Ciência e Engenharia de

Materiais: Uma Introdução”. LTC Editora, Rio de

Janeiro, 2002.



• Dimensão Dois (planares)– Contornos (de grão, de macla, entre fases);

– Casca esférica de um poro;

– Discordância prismática;

– Falha de empilhamento;

– Superfície livre do material.

• Dimensão Três (volumétricos)– Poros internos;

– Inclusões;

– Precipitados;

– Impurezas.


Distorção Elástica

Energia

Distância interatômica0

A maior parte da energia associada ao trabalho mecânico aplicado ao metal é perdida sob a forma de

calor.

Cerca de 5% trabalho mecânico aplicado ao metal é transformada em energia de

deformação elástica da rede cristalina e armazenada no cristal sob a forma de defeitos

cristalinos.



• Pode ser isotrópica ou anisotrópica;

• Traciona ou comprime a rede cristalina;

• Há interação entre campos de distorção elástica;

• Pode ser de longo alcance ou curto alcance;

• Pode exceder o limite de escoamento local;

• Aumenta a energia interna do material.



• Lacuna– Isotrópica;

– Trativa;

– Curto alcance.

• Átomo intersticial– Isótrópica ou anisotrópica;

– Compressiva;

– Curto alcance (N, O e H podem causar distorção de longo alcance,anisotrópica).

• Átomo substitucional– Isotrópica;

– Trativa (pequeno);

– Compressiva (grande);

– Curto alcance.



• Discordância aresta positiva

– Anisotrópica;

– Compressiva acima da linha da discordância;

– Trativa abaixo da linha da discordância;

– Curto alcance.




• Contornos– Resultado da soma dos defeitos que os compõe;

– Curto alcance.

• Precipitados– Coerentes pequenos, distorção de curto alcance trativa;

– Coerentes grandes, distorção de médio alcance compressiva;

– De coerentes para semi-coerentes, distorção compressiva máxima de longo alcance;

– Incoerentes, distorção de curto alcance.


Exame Microscópico

Liga de Fe-Cr polida e atacada quimicamente


Estrutura cristalina Dendritas


Estrutura cristalina Dendritas

www.snowcrystals.com


Estrutura cristalina Grãos Cristalinos

http://www.mb.hs-mittweida.de

Maclagem

Mecanismo de deformação plástica que ocorre por um cisalhamento darede cristalina, limitado a um grão, criando uma região espelhada dentrodo mesmo.


Maclagem

• Ocorre num plano cristalográfico definido, segundouma direção específica, logo, dependem da estruturacristalina;

• A fronteira entre a região maclada e o resto do grão échamada contorno de macla;

• Maclas podem ocorrer por tensionamento mecânicoou por efeitos térmicos, sendo chamadas maclasmecânicas (ou de deformação) e de maclas derecozimento, respectivamente.


Maclagem

• A maclagem mecânica ocorre principalmente em metais CCCe HC quando estes estão sujeitos à baixas temperaturas e aelevadas taxas de carregamento (deslizamento dediscordâncias inibido);

• As maclas de recozimento são mais comuns em materiais CFCe aparecem durante o processamento do material;

• Metalograficamente, as maclas de recozimento possuemcontornos paralelos e bem definidos enquanto as maclasmecânicas têm contornos com um aspecto lenticular;

• As maclas mecânicas tendem a terminar em outra macla ouno contorno de grão enquanto as maclas de recozimentopodem ser interrompidas no interior do grão.

Maclagem

A deformação produzida pela maclagem podecorresponder à mesma deformação produzida por umconjunto de discordâncias.


A contribuição da maclagem em relação ao volume dematerial deformado é pequena em relação àmovimentação de discordâncias.

Maclagem

Aonde está a grande contribuição damaclagem na deformação plástica?

Nas reorientações cristalográficas resultantes,podendo colocar regiões macladas em orientaçõescristalinas agora favoráveis ao deslizamento dediscordâncias.


Maclagem

Bandas de deslizamento

produzidas por fadiga

evidenciando maclas de

recozimento.

Micrografia óptica utilizando

Contraste por Interferência

Diferencial (DIC).

Amostra de aço inoxidável

austenítico AISI 304L, sem

ataque químico.

Aumento original: 500X.

Contornosde macla

Macla


Tensionamento mecânico

• A ação do trabalho mecânico de forma permanente caracteriza a deformação plástica.

• A energia associada ao tensionamento mecânico aplicada em um metal é transformada em outras formas de energia que resultam na conformação do metal (criação de defeitos cristalinos)


Tensionamento mecânico

• Os defeitos cristalinos aumentam a magnitude da energia elástica de deformação e quando é associada à energia vibracional atômica devido ao aquecimento do material, possibilita transformações como o surgimento de novos cristais, chamados grãos cristalinos (Recristalização).

• O acúmulo excessivo dessa energia de deformação elástica da rede cristalina sob a forma de defeitos cristalinos pode ser indesejável como a sua conversão em energia de superfície, criando superfícies livres ao fraturar o material.


Perdularismo energético: Desafio da Engenharia do Século XXI

• A maior parte da energia associada ao trabalho mecânico aplicado ao metal é perdida sob a forma de calor.

• Cerca de 5% trabalho mecânico aplicado ao metal é transformada em energia de deformação elástica da rede cristalina e armazenada no cristal sob a forma de defeitos cristalinos.

• A Transmissão de energia elétrica das usinas geradoras até as nossas residências desperdiça 30% da energia original;

• A transformação da energia química do combustível automotivo em energia cinética aproveita apenas 20% para movimentar o veículo.


Material amorfo

• Possui tantos defeitos que seus empilhamentos atômicos não caracterizam uma estrutura organizada como a cristalina, mas um material amorfo, metálico ou não.

• Material não possui arranjo atômico organizado ao longo de muitas distâncias interatômicas

• Porém, é caracterizado pela existência de organização, simetria atômica, restrita a uma dimensão de poucas distâncias interatômicas


Metal líquido e vidros metálicos

METAL LÍQUIDO:• Não possui organização atômica da simetria cristalina generalizada • Átomos não apresentam arranjos característicos • Átomos movimentam-se• Ocorrem arranjos simétricos locais com pequeno tempo de vida

VIDROS METÁLICOS:• Quando um metal líquido é resfriado muito rapidamente, o que

equivaleria a decrescer a sua temperatura a uma taxa de milhões de graus Celsius por segundo, de forma a não permitir a ocorrência da acomodação atômica organizada, através da difusão, pode-se formar um metal amorfo, denominado vidro metálico.

• Propriedades eletromagnéticas excepcionais • São usados em dispositivos eletroeletrônicos


Cristalino x Amorfo


Estrutura de vidros metálicos

Icosaedro com estrutura básica com intersticiais formando um dodecaedro


Orbitais moleculares• A Natureza é simétrica e pode ser entendida pela

quebra dessa simetria. Esse arranjo é análogo ao que Bohr idealizou para a configuração espacial com que as espécies subatômicas constituem os átomos.

• Uma característica marcante, que difere o ferro, um metal de transição, do ouro, é que o primeiro tem a sua banda eletrônica d incompleta, com menos elétrons do que seria esperado para completá-la.

• Mesmo dentro da banda eletrônica, a forma (e o direcionamento) como o elétron rotaciona, caracteriza spins diferentes e influencia as propriedades elétricas e magnéticas do material.


Nanotubos

• Os Nanotubos caracterizam uma nova forma de apresentação de um material sólido composto somente por átomos de carbono.

• Como podem ser usados: – administração de remédios em doses muito pequenas

apenas nos tecidos humanos afetados por uma doença.

– Uso energético, pelo seu potencial para armazenar hidrogênio

– Aumentar a velocidade de processamento de computadores ao nível quântico


Fullereno

http://commons.wikimedia.org/wikiFile/Fullerene.png

http://www.photon.t.u-tokyo.ac.jp/~maruyama/

fticr/ft-icr.html


Nanotubo

http://commons.wikimedia.org/wiki/file:types_of_carbon_nanotubes.png, 2002.


Nanotubos de Carbono Obtidos no LabH2


Conclusão

• A matéria condensada, sólida ou líquida, tem suas propriedades macroscópicas definidas pela simetria, ou quebra desta simetria, apresentada pelos seus átomos e suas partículas subatômicas.

• O conhecimento e a compreensão desses arranjos simétricos e de seus defeitos é o que permite-nos produzir materiais de uso social. Isso abre um campo riquíssimo de possibilidades para que novos materiais sejam descobertos ou criados.

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A Simetria Da Natureza e Os Materiais