Aula Introdução Aos Materiais 2015

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS

Cincias e Engenharia dos Materiais

Objetivos da unidade curricular:

1) Proporcionar ao aluno uma ideia inicial da importncia

dos materiais para o desenvolvimento da Cincia e

Tecnologia

2) Introduzir uma srie de conceitos bsicos relacionados

estrutura, propriedades e aplicao dos Materiais

3) Conhecer os principais Materiais, suas propriedades e

aplicaes visando a especificao de materiais

O que um material?

Um material nada mais que um amontoado de tomos

Requisitos bsicos

para ser um material

Exemplo de um

material

tomos

Fe

V

Ca

Mo

Ni

Au

Ag H

P

O

C Si

Al S

So os ingredientes dos materiais

tomos - Classificao

- Metais

- Semi-metais

- No metais

- Gases nobres tomos metlicos

Semi-metais

No metais Gases nobres

Como os tomos se unem?

Ligao qumica

Fora de atrao interatmica que faz com

que os tomos permaneam unidos

tomos unidos pela

fora de ligao

Sem ligao

Material

tomos individuais

Como os tomos se unem?

Ligao qumica

Ligao Forte Ligao Fraca

Ligao Inica (340-800 kJ/mol)

Ligao Covalente (270-610 kJ/mol)

Ligao Metlica (20-240 kJ/mol)

Van der Walls (



Cincia dos materiais: Envolve a investigao das relaes que existem entre as estruturas e as

propriedades dos materiais

Engenharia de Materiais: Consiste, na escolha e uso da estrutura de um material para produzir uma srie de

propriedades pr - determinadas.

A estrutura de um material est geralmente relacionada ao arranjo de seus componentes internos.



Devemos chamar a ateno para as relaes existentes entre as propriedades dos materiais e os elementos estruturais

Devem ser considerados vrios nveis de estudo:

A estrutura subatmica envolve eltrons no interior dos tomos individuais e a interao com seus ncleos. No nvel

atmico, a estrutura engloba a organizao dos tomos ou

molculas entre si

Ex : estrutura eletrnica; estrutura cristalina

Relao Estrutura x Propriedades

As propriedades cotidianas dos materiais dependem

da estrutura em escala atmica

da microestrutura (estrutura em escala intermediria)

Alumnio (estrutura cbica) Magnsio

(estrutura hexagonal) Fibras de vidro em

uma matriz de

polmero.

ESTRUTURA ESTRUTURA: geralmente relacionada ao arranjo de seus

componentes internos.

ESTRUTURA SUB-ATMICA: envolve eltrons no interior

dos tomos individuais e as interaes com seus ncleos;

ESTRUTURA ATMICA: engloba a organizao dos

tomos ou molculas em relao uns aos outros;

ESTRUTURA MICROSCPICA: contm grandes grupos

de tomos normalmente conglomerados;

ESTRUTURA MACROSCPICA: pode ser vista a olho

nu.



Nvel microscpico: grandes grupos de tomos ou molculas aglomerados (com a possibilidade de observao direta da

estrutura com um microscpio).

Ex : microestrutura



a) b)

6 mm



Nvel Macroscpico : so os elementos estruturais que

podem ser vistos a olho nu.

uma peculiaridade do material em termos do tipo e da

intensidade da resposta a um estmulo especfico que lhe

imposto.

Ex : Enquanto em uso, todos os materiais esto expostos a

estmulos externos que provocam algum tipo de resposta uma amostra sujeita a fora ir experimentar uma

deformao.

Virtualmente, todas as propriedades importantes dos materiais slidos podem ser agrupadas em seis

categorias diferentes: mecnica eltrica trmica magntica tica e deteriorativa.

PROPRIEDADES

Mecnicas relacionam deformaes com uma carga ou fora aplicada. Ex. mdulo de elasticidade e a resistncia.

Eltricas: O estmulo um campo eltrico. Ex.condutividade

eltrica e a constante dieltrica.

Trmica - O comportamento trmico de um slido pode ser

representado em termos da capacidade calorfica e da

condutividade trmica.

Magnticas demonstram a resposta de um material aplicao de um campo magntico. Fenmenos naturais

relacionados atrao ou repulso

ticas o estmulo a radiao eletromagntica ou luminosa. Ex. ndice de refrao e a refletividade

A reatividade consiste na tendncia que um

tomo possui para captar ou perder eltrons.

Deteriorativas - indicam a reatividade qumica dos materiais.

Alm da estrutura e propriedade, dois outros

componentes importantes esto envolvidos na cincia e

na engenharia dos materiais, quais sejam,

processamento e desempenho.

Com respeito s relaes destes quatro componentes, a estrutura de um material ir

depender da maneira como ele processado.

Alm disso, o desempenho de um material ser uma funo das suas propriedades.Assim, a inter-relao entre

processamento, estrutura, propriedades e desempenho

linear, conforme esquema abaixo.

Processamento Estrutura Propriedade Desempenho

Materiais Define-se material como sendo aquilo que empregamos na confeco de bens materiais tais como: habitaes, veculos, mquinas e equipamentos, utenslios, etc.


Como definir qual o melhor material para

um determinado fim?

Vidro

Cermica

Plstico

Madeira

Metal

Papel

Exemplo: Copo

Depende

Custo

Tempo de vida ou Durabilidade

Aparncia

Finalidade: Natureza do lquido (ex: copo de metal e papel no pode ser usado para caf.

Casa construda com materiais reciclados, conservando

os recursos da terra e energia, ao mesmo tempo em que

se preserva o meio ambiente.


A classificao tradicional dos materiais geralmente baseada na

estrutura atmica e qumica:

Metais

Cermicas

Polmeros

Compsitos (combinao de dois ou mais)

Semicondutores (caractersticas eltricas peculiares)

Biomateriais (Mat. Biocompatveis)

Classificao tradicional


Materiais metlicos: So normalmente

combinaes de elementos metlicos.

Os metais so condutores extremamente bons de eletricidade e calor.

No so transparentes luz visvel.

Uma superfcie metlica polida possui uma aparncia lustrosa.

Os metais so muito resistentes, e ainda assim deformveis.

METAIS

Ex; ao estrutural, molas, grampos

Os metais na tabela peridica

CERMICOS

So compostos formados entre os elementos metlicos e

no metlicos;

So freqentemente xidos, nitretos e carbetos.

A grande variedade de materiais que se enquadra nesta

classificao so compostos por minerais argilosos, cimento

e vidro.

So materiais tipicamente isolantes passagem de

eletricidade e calor e so mais resistentes a altas

temperaturas e ambientes abrasivos do que os metais e

polmeros.

Com relao ao comportamento mecnico, os cermicos

so duros, porm muito quebradios.

As cermicas na tabela peridica

Cermicas so formadas por combinao de metais

(quadrados mais claros) com os elementos C, N, O, P e S.

POLMEROS

Os polmeros compreendem os materiais comuns de

plsticos e borracha.

Muitos deles so compostos orgnicos que tm sua qumica

baseada no carbono, no hidrognio e em outros elementos

no-metlicos; alm disso, eles possuem estruturas

moleculares muito grandes.

Estes materiais possuem tipicamente baixas densidades e

podem ser extremamente flexveis.

POLMEROS

Os polmeros na tabela peridica

Compsitos Consiste em um ou mais tipo de material, trabalhando

juntos, sendo que, as propriedades do conjunto so

melhores do que a de um material individual.

Um compsito projetado para mostrar uma combinao

das melhores caractersticas de cada um dos materiais

que o compe.

Compsitos

Enfeite de resina (polmero, que a base

de petrleo) + fibra de madeira.


Semicondutores Apresentam propriedades eltricas que so intermedirias

entre metais e isolantes;

As caractersticas eltricas so extremamente sensveis

presena de pequenas quantidades de impurezas, cuja

concentrao pode ser controlada em pequenas regies do

material;

Os semicondutores tornaram possvel o advento do circuito

integrado que revolucionou as indstrias de eletrnica e

computadores.


Biomateriais So empregados em componentes para implantes de

partes em seres humanos;

Esses materiais no devem produzir substncias txicas

e devem ser compatveis com o tecido humano (isto ,

no deve causar rejeio);

Metais, cermicos, compsitos e polmeros podem ser

usados como biomateriais.

ESTRUTURA ATMICA DOS MATERIAIS

preciso conhecer:

- a sua estrutura atmica,

- propriedades e comportamento, quando

submetidos tenses , esforos ou tratamento

que modificam sua microestrutura.

LIGAES INTERATMICAS

O tipo de ligao interatmica geralmente explica a

propriedade do material.

Exemplo: o carbono pode existir na forma de grafite que

mole, escuro e gorduroso e na forma de diamante que

extremamente duro e brilhante. Essa diferena nas

propriedades diretamente atribuda ao tipo de ligao

qumica que encontrada no grafite e no no diamante.

LIGAES INTERATMICAS

Diamante Ligao covalente

Grafite Ligao covalente + Ligao de van der waals

LIGAES INTERATMICAS

Os elementos se ligam para formar os slidos para atingir

uma configurao mais estvel: oito eltrons na camada

mais externa.

A ligao qumica formada pela interao dos eltrons de

valncia atravs de um dos seguintes mecanismos:

- Ganho de eltrons

- Perda de eltrons

- Compartilhamento de eltrons

TIPOS DE LIGAES ATMICAS

- Ligao inica;

- Ligao covalente;

- Ligao metlica e

- Ligao Van der waals.


Ligao inica : Atrao mtua entre positivo e

negativo (propriedades encontradas : Materiais

isolantes, duros e quebradios. Ex: cermica,

Cimentos e sal de cozinha).


a ligao predominante nos materiais cermicos

as energias de ligao so relativamente altas

Temperatura de fuso elevada

os materiais so duros e quebradios

bons isolantes trmicos e eltricos


Ligao covalente : Compartilhamento de

eltrons de tomos adjacentes. (propriedades

encontradas : Tambm isolantes, menos

quebradios. Ex: Plsticos).


Diamante (Tf = 3550oC)

Bismuto (Tf = 270oC)

Normalmente as ligaes interatmicas so parcialmente

inicas e parcialmente covalentes, poucos compostos

exibem ligaes com carter que seja exclusivamente inico

ou covalente;

Quanto maior for a diferena entre as eletronegatividades

mais inica ser a ligao. De modo contrrio, quanto

menor for a diferena de eletronegatividade maior ser o

grau de covalncia.


Eletronegatividade a capacidade que um tomo

tem, de atrair eltrons de outro tomo quando os

dois formam uma ligao qumica.


Ligao metlica : Caracterizada pr uma

nvem de eltrons livres e ons positivos.

(propriedades encontradas : bons condutores de

eletricidade e calor. Ex: ferro, cobre e alumnio).


os ncleos e os eltrons restantes formam o

ncleo inico carregados positivamente

os eltrons livres protegem os ncleos inicos

das foras repulsivas (cola)

bons condutores eltricos e trmicos devido

aos eltrons livres

ruptura dctil na temperatura ambiente

CLASSIFICAO QUMICA DOS MATERIAIS

Ligao Menor partcula

Estrutura

Metais metlica tomo crsitalina

Semicondutores Covalente, inica

tomo Cristalina (raram. amorfa)

Cermicos Covalente, inica

molcula Cristalina

Vidros Covalente, inica

molcula Amorfa

Polmeros Covalente, lig. secundrias

Cadeia de molculas

Amorfa (raram. cristalina)


TIPOS DE ESTRUTURAS ( ARRANJOS ATMICOS)

As propriedades dos materiais dependem do arranjo

de seus tomos.

Estes arranjos podem ser classificados em:

Estruturas moleculares - agrupamentos de tomos.

Estruturas cristalinas - arranjo repetitivo de tomos.

- Estruturas amorfas


ESTRUTURAS MOLECULARES

Pode ser definida por um nmero limitado de

tomos, fortemente ligados entre si.

Os exemplos mais comuns de molculas

incluem os compostos como: H20, CO2, O2,

CCL4, N2 , CH4, etc...


MATERIAIS CRISTALINOS

compostos por tomos, molculas ou ons arranjados de uma forma peridica em 3

dimenses.

As posies que so ocupadas seguem uma ordenao que se repete ao longo de grandes

distncias

ordem de longo alcance


MODELO DE ESFERAS RGIDAS

os tomos so considerados com se fossem esferas slidas de dimetro fixo. Exemplo: modelo

bi-dimensional.

RETICULADO CRISTALINO

arranjo de pontos que representam a posio

mdia dos tomos Exemplo: modelo bi-

dimensional.

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