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MATERIAIS
Profa Juliana Feletto Silveira Costa Lopes
Faculdade Anhanguera de Sorocaba
02/08/2010 1Materiais
CRONOGRAMA DE AULAS
06/08/2010 – Estruturas cristalinas
13/08/2010 – Estruturas cristalinas
20/08/2010 – Imperfeições em sólidos
27/08/2010 – Propriedades mecânicas dos metais
03/09/2010 – Propriedades mecânicas dos metais
10/09/2010 – Dureza
17/09/2010 – Falha – fratura dúctil e fratura frágil
24/09/2010 – Falha – ensaio de impacto Charpy
01/10/2010 – Diagrama de fases – condições de equilíbrio
08/10/2010 – Primeira avaliação
02/08/2010 2Materiais
CRONOGRAMA DE AULAS
15/10/2010 – Diagrama de fases – sistema ferro-carbono
22/10/2010 – Processamento térmico de ligas metálicas
29/10/2010 – Fabricação dos metais – ferros fundidos
05/11/2010 – Ligas ferrosas – aços ferramenta e aços inoxidáveis
12/11/2010 – Ligas não-ferrosas – alumínio, cobre, latão e bronze
19/11/2010 – Estruturas e propriedades das cerâmicas
26/11/2010 – Estruturas poliméricas
03/12/2010 – Prova escrita oficial
10/12/2010 – Revisão de conteúdos
17/12/2010 – Prova substitutiva
02/08/2010 3Materiais
AVALIAÇÃO
1º bimestre
◦ Trabalhos – 2
◦ 1ª avaliação – 8
2º bimestre
◦ Trabalhos – 2
◦ Prova escrita oficial – 8
Nota final = (Nota 1º bim. x 0,4) + (Nota 2º bim.
x 0,6)
Aprovação
◦ Nota Final ≥ 5
02/08/2010 4Materiais
BIBLIOGRAFIA
CALLISTER JR., William D. Ciência e Engenharia de
Materiais. Uma Introdução. 7ª ed. Rio de Janeiro:
LTC, 2008.
CALLISTER JR., William D. Fundamentos da Ciência e
Engenharia de Materiais. 1ª ed. Rio de Janeiro: LTC,
2009.
02/08/2010 5Materiais
OBJETIVO
02/08/2010 6Materiais
Apresentação dos conceitos básicos sobre
materiais para engenharia
Conhecimento da estrutura interna dos materiais
POR QUE ESTUDAR ENGENHARIA
DE MATERIAIS?
Engenheiros irão uma vez ou outra se
deparar com um problema de projeto
envolvendo materiais
Exemplos:
◦ Engrenagem de transmissão
◦ Superestrutura para um edifício
◦ Chip de circuito integrado
02/08/2010 Materiais 8
POR QUE ESTUDAR ENGENHARIA
DE MATERIAIS?
O engenheiro deve estar familiarizado
com as características, as relações
estrutura-propriedade e as técnicas de
processamento dos materiais
02/08/2010 Materiais 9
MATERIAIS
Substâncias usadas para compor tudo o
que está a nossa volta
Materiais normalmente encontrados:
madeira, vidro, aço, plástico
02/08/2010 10Materiais
PERSPECTIVA HISTÓRICA
Início da pré-história – sílex lascado
Idade da Pedra
Descoberta do fogo – peças cerâmicas
Barro + vigas de madeira + palha – material
compósito para construção de casas
Idade dos Metais
02/08/2010 Materiais 11
PERSPECTIVA HISTÓRICA
Século XX – materiais poliméricos,
compósitos avançados, cerâmicas de
engenharia, aços inoxidáveis,
biomateriais, semicondutores
Ciência e Engenharia dos Materiais
◦ Importância na medicina, indústria eletrônica,
farmacêutica e mecânica
02/08/2010 Materiais 12
CLASSIFICAÇÃO DOS
MATERIAIS
Metálicos
Poliméricos
Cerâmicos
◦ Esquema baseado de acordo com a
composição química e estrutura atômica
02/08/2010 13Materiais
MATERIAS METÁLICOS
São compostos por um ou mais elementos
metálicos (Fe, Al, Cu, Ti) e, com
freqüência, também elementos não-
metálicos (C, N, O) em quantidades
relativamente pequenas
Os átomos são arranjados de maneira
muito ordenada (estrutura cristalina) e, em
comparação às cerâmicas e aos polímeros,
são relativamente densos
02/08/2010 Materiais 14
MATERIAIS METÁLICOS
São materiais rígidos, resistentes e, ainda
assim, dúcteis e são resistentes à fratura –
aplicações estruturais
Bons condutores de eletricidade e de
calor, não são transparentes e a superfície
polida possui aparência brilhosa
02/08/2010 Materiais 15
MATERIAIS METÁLICOS
Exemplos:
◦ Ligas de alumínio – aeronaves
◦ Ligas de titânio – materiais ortopédicos
02/08/2010 Materiais 16
MATERIAIS CERÂMICOS
São compostos formados entre elementos
metálicos e não-metálicos. Na maioria das
vezes, consistem em óxidos, nitretos e
carbetos
Materiais cerâmicos comuns:
◦ Alumina – Al2O3
◦ Sílica – SiO2
◦ Carbeto de silício - SiC
02/08/2010 Materiais 17
MATERIAIS CERÂMICOS
Cerâmicas tradicionais
◦ Porcelana, cimento e vidro
Apresentam elevada resistência mecânica,
alta fragilidade, alta dureza, grande
resistência ao calor e são isolantes
térmicos e elétricos02/08/2010 Materiais 18
MATERIAIS CERÂMICOS
Exemplos:
◦ Componentes de turbinas a gás
◦ Insertos de pistões de motores de combustão
interna
02/08/2010 Materiais 19
MATERIAIS POLIMÉRICOS
São compostos orgânicos quimicamente
baseados no carbono, no hidrogênio e
outros elementos não-metálicos (O, N)
Apresentam baixa densidade
Não são tão rígidos nem tão resistentes
como os metais e as cerâmicas
São extremamente dúcteis e flexíveis
02/08/2010 Materiais 20
MATERIAIS POLIMÉRICOS
Relativamente inertes quimicamente e
não-reativos
Tendência em amolecer e/ou se decompor
em temperaturas modestas
Possuem baixa condutividade elétrica
02/08/2010 Materiais 21
MATERIAIS POLIMÉRICOS
Exemplos:
◦ Polietileno – PE
◦ Cloreto de polivinila – PVC
◦ Policarbonato – PC
◦ Poliestileno – PS
◦ Borracha natural
02/08/2010 Materiais 22
MATERIAIS COMPÓSITOS
São compostos por dois ou mais materiais
individuais
Objetivo
◦ Atingir uma combinação de propriedades que
não é exibida por qualquer material isolado e
incorporar as melhores características de cada
um dos materiais componentes
02/08/2010 Materiais 23
MATERIAIS COMPÓSITOS
Fibras de vidro embutidas no interior de
um material polimérico (epóxi ou
poliéster)
◦ Fibras de vidro – resistentes e rígidas
◦ Polímero – dúctil
◦ Resulta em um material rígido, resistente,
flexível e dúctil
02/08/2010 Materiais 24
MATERIAIS AVANÇADOS
Dispositivos ou produtos que operam ou
funcionam utilizando princípios
sofisticados
Exemplos:
◦ Equipamentos eletrônicos
◦ Computadores
◦ Sistemas de fibras ópticas
◦ Espaçonaves, aeronaves e foguetes militares
02/08/2010 Materiais 25
MATERIAIS AVANÇADOS
Podem pertencer a todos os tipos de
materiais
Alto custo
Incluem os semicondutores, os
biomateriais e os “materiais do futuro”
(materiais inteligentes e
nanoengenheirados)
02/08/2010 Materiais 26
SELEÇÃO E SUBSTITUIÇÃO
DE MATERIAIS
Seleção de material
◦ Caracterizar as condições de serviço
◦ Considerar deteriorações das propriedades
mecânicas dos materiais que podem ocorrer
durante a operação
◦ Aspectos econômicos
02/08/2010 Materiais 27
SELEÇÃO E SUBSTITUIÇÃO
DE MATERIAIS
Substituição das ligas metálicas por
compósitos na fuselagem dos aviões
comerciais
◦ Minimizar gastos com combustível e melhorar
o desempenho – material mais leve
Blocos de motores de ferro fundido
◦ Substituição por ligas de alumínio – mais
leves e permitem melhor refrigeração
02/08/2010 Materiais 28
ESTRUTURA DOS MATERIAIS
Análise da estrutura dos materiais em
nível:
◦ Sub-atômico
◦ Atômico
◦ Microscópico
◦ Macroscópico
02/08/2010 Materiais 29
CaracterísticasPropriedades
Comportamento
Dependem da estrutura interna
PROPRIEDADES X
MICROESTRUTURA
O desempenho dos materiais está
associado a sua estrutura interna
O controle da estrutura interna permite o
controle das propriedades mecânicas –
desenvolvimento de novos produtos
02/08/2010 30Materiais
IMPORTÂNCIA DO ESTUDO DOS ÁTOMOS
E DAS LIGAÇÕES ATÔMICAS
O comportamento macroscópico do
material pode ser previsto a partir da
análise do mesmo junto aos níveis
subatômico, atômico e microscópico
Em alguns casos, o tipo de ligação
atômica permite explicar a propriedade
mecânica dos materiais
02/08/2010 Materiais 32
O ÁTOMO
O átomo consiste de um núcleo composto por
prótons e nêutrons que se encontra envolvido
por elétrons em movimento
Elétron e próton são eletricamente ativos:
◦ Carga do elétron: - 1,6 x 10-19 C
◦ Carga do próton: + 1,6 x 10-19 C
Nêutron é eletricamente neutro
02/08/2010 Materiais 33
O ÁTOMO
Massa do próton e do nêutron: 1,67 x 10-27 Kg
Massa do elétron: 9,11 x 10-31 Kg
Cada elemento químico é caracterizado por
um número de prótons = número atômico (Z)
Átomo neutro
◦ número de elétrons = número de prótons
◦ Exemplos:
Z = 1 (H)
Z = 94 (plutônio)
02/08/2010 Materiais 34
O ÁTOMO
Massa atômica (A) – soma das massas dos
prótons e dos nêutrons
Número de prótons é o mesmo para um
determinado átomo
Número de nêutrons (N) pode ser
diferente para um átomo
◦ Alguns átomos têm dois ou mais valores de A
– isótopos
02/08/2010 Materiais 35
O ÁTOMO
Peso atômico – massa atômica média dos
isótopos de um átomo
◦ Unidade – 1 uma (unidade de massa atômica)
1 uma = 1/12 da massa atômica do isótopo mais
comum do carbono
A = Z + N
02/08/2010 Materiais 36
O ÁTOMO
1 mol de uma substância = 6,023 x 1023
átomos ou moléculas – número de
Avogadro
1 uma/átomo (ou molécula) = 1 g/mol
Exemplo:
Peso atômico do Fe = 55,85 uma/átomo
ou 55,85 g/mol
02/08/2010 Materiais 37
MODELOS ATÔMICOS
Modelo atômico de Bohr
◦ Considerado precursor da mecânica quântica
◦ Elétrons circulam ao redor de um núcleo
estabelecidos em órbitas bem definidas
Posição de um dado elétron é estabelecida
◦ Energia dos elétrons é quantizada
O elétron tem um valor definido de energia
02/08/2010 Materiais 38
MODELOS ATÔMICOS
◦ O elétron pode mudar sua energia através de
saltos quânticos
◦ Os níveis estão associados às orbitas
eletrônicas:
Elétron passa para nível maior – absorve energia
Elétron passa para nível menor – emite energia
02/08/2010 Materiais 39
MODELOS ATÔMICOS
02/08/2010 Materiais 40
Diagrama de níveis de energia do átomo
de hidrogênio n=1 – estado fundamental (menor energia)
Setas – transições atômicas com emissão de fótons
Energia de um fóton: E = h x f
h – constante de Plank: 6,623 x 10-34 J.s
f – freqüência
MODELOS ATÔMICOS
Modelo mecânico-
ondulatório
◦ Elétron possui
características tanto de
onda quanto de
partícula
◦ A posição do elétron é
a probabilidade de o
elétron estar em vários
locais ao redor do
núcleo02/08/2010 Materiais 41
BohrMecânico-
ondulatório
NÚMEROS QUÂNTICOS
Usando a mecânica ondulatória, cada
elétron é caracterizado por quatro
parâmetros – números quânticos
◦ Número quântico principal n – camadas
Relacionado à distância de um elétron ao núcleo
◦ Segundo número quântico l – subcamada
Relacionado à forma da subcamada eletrônica
02/08/2010 Materiais 42
NÚMEROS QUÂNTICOS◦ Terceiro número quântico ml
Determina o número de estados energéticos de cada
subcamada
◦ Quarto número quântico ms
Relacionado ao momento de spin (rotação)
02/08/2010 Materiais 43
Designação da Camada
Número Quântico
Principal n SubcamadasNúmero de Estados
Número de Elétrons
Por Subcamada Por Camada
CONFIGURAÇÕES
ELETRÔNICAS
Princípio de exclusão de Pauli
Subcamadas:
s – acomodam 2 elétrons
p – acomodam 6 elétrons
d – acomodam 10 elétrons
f – acomodam 14 elétrons
02/08/2010 Materiais 45
CONFIGURAÇÕES
ELETRÔNICAS
Estado fundamental
◦ Todos os elétrons ocupam as menores energias
possíveis
Configuração eletrônica
◦ Maneira em que esses estados são ocupados
Elétrons de valência
◦ Ocupam a camada mais externa
◦ Importantes pois participam de ligação entre
os átomos
02/08/2010 Materiais 46
CONFIGURAÇÕES
ELETRÔNICAS
◦ H
Número atômico = 1
Configuração eletrônica = 1s1
◦ Na
Número atômico = 11
Configuração eletrônica =
1s22s22p63s1
02/08/2010 Materiais 47
LIGAÇÕES QUÍMICAS
Por que os átomos formam ligações?
◦ Átomos ligados são termodinamicamente mais
estáveis
Os elétrons mais externos são os que
participam das ligações
Átomos se ligam por:
◦ Perda de elétrons – eletropositivos
◦ Ganho de elétrons – eletronegativos
◦ Por compartilhamento de elétrons
02/08/2010 Materiais 48
LIGAÇÕES QUÍMICAS
Ligações primárias
◦ Iônica
◦ Covalente
◦ Metálica
Ligações secundárias
◦ Ligações de Dipolo Induzido Flutuantes
◦ Ligações entre Moléculas Polares e Dipolos
Induzidos
◦ Pontes de Hidrogênio
02/08/2010 Materiais 49
LIGAÇÃO IÔNICA
Encontrada em compostos cuja
composição envolve elementos metálicos
e não- metálicos
Um átomo perde e o outro ganha elétrons
Os átomos adquirem configurações
estáveis e uma carga elétrica
◦ Íons
02/08/2010 Materiais 50
LIGAÇÃO IÔNICA
É predominante nos materiais cerâmicos
As energias de ligação são relativamente
grandes – temperatura de fusão elevada
Materiais iônicos:
◦ São duros e frágeis
◦ Isolantes elétricos e térmicos
02/08/2010 Materiais 51
LIGAÇÃO COVALENTE
Moléculas elementares de ametais
◦ H2, Cl2, F2
Moléculas com átomos diferentes
◦ CH4, HF, H2O
Sólidos elementares
◦ Diamante (carbono), silício e o germânio
02/08/2010 Materiais 54
LIGAÇÃO COVALENTE
Podem ser muito fortes
◦ Diamante – é duro e possui elevada
temperatura de fusão
Podem ser muito fracas
◦ Bismuto – baixa temperatura de fusão
Materiais poliméricos
◦ Longas cadeias de átomos de carbono ligados
entre si por ligações covalentes
02/08/2010 Materiais 55
LIGAÇÃO METÁLICA
Encontrada nos metais e suas ligas
É resultado da ação entre elétrons livres e
íons positivos
Elétrons livres originários da última
camada de valência, fracamente presos
aos átomos, e que estão livres dentro da
estrutura metálica
◦ Nuvem de elétrons
02/08/2010 Materiais 56
LIGAÇÃO METÁLICA
A ligação pode ser forte ou fraca
Metais são bons condutores de calor e
eletricidade – elétrons livres
02/08/2010 Materiais 57
LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS
Ligações de Van Der Waals
Surgem a partir de dipolos atômicos ou
moleculares
◦ Dipolo elétrico surge quando há separação
entre partes negativa e positiva de um átomo
ou molécula
02/08/2010 Materiais 58
LIGAÇÕES DE DIPOLO
INDUZIDO FLUTUANTES
Ocorre em átomos em que a distribuição
espacial dos elétrons é simétrica em
relação ao núcleo
Movimentos constantes de vibração dos
átomos
◦ Distorções
◦ Dipolos elétricos
◦ Induzir a formação de mais dipolos elétricos
02/08/2010 Materiais 59
LIGAÇÕES DE DIPOLO
INDUZIDO FLUTUANTES
Forças temporárias
Flutuam ao longo do tempo
Temperaturas de fusão são extremamente
baixas
02/08/2010 Materiais 60
LIGAÇÕES ENTRE MOLÉCULAS
POLARES E DIPOLOS INDUZIDOS
Momentos dipolares permanentes
◦ Arranjo assimétrico de regiões carregadas
positiva e negativamente
Moléculas polares
Podem induzir dipolos em moléculas
apolares adjacentes
Exemplo: HCl
02/08/2010 Materiais 61
PONTES DE HIDROGÊNIO
Ligações entre moléculas polares
adjacentes
Tipo mais forte de ligação secundária
Ocorre entre moléculas em que um átomo
de hidrogênio está ligado covalentemente
ao flúor (HF), oxigênio (H20) e nitrogênio
(NH3)
02/08/2010 Materiais 62
PONTES DE HIDROGÊNIO
O elétron do hidrogênio é compartilhado
com outro átomo
H – próton
Força de atração sobre a extremidade
negativa de uma molécula adjacente
Exemplo: HF
02/08/2010 Materiais 63
EXERCÍCIO
1. O elétron de um átomo de hidrogênio
sofre uma transição, passando do estado
n=1 para n=3. Determine:
(a) A variação de energia do elétron.
(b) Ocorreu absorção ou emissão de energia?
02/08/2010 Materiais 64
ΔE = 12,09 eV
ABSORÇÃO DE ENERGIA
IMPORTÂNCIA DO ESTUDO DAS
ESTRUTURAS CRISTALINAS
As propriedades mecânicas dos materiais
estão diretamente relacionadas às suas
estruturas cristalinas
02/08/2010 Materiais 66
ESTRUTURAS Estruturas cristalinas
◦ Caracteriza-se por arranjos ordenados no
espaço
◦ Estrutura típica dos metais
Estruturas amorfas
◦ Apresentam arranjos atômicos desordenados e
aleatórios
Estrutura molecular
◦ Caracteriza-se pela existência de moléculas
como unidade estrutural
◦ Plásticos02/08/2010 Materiais 67
ESTRUTURA CRISTALINA
Algumas propriedades dos sólidos
dependem da estrutura cristalina do
material
◦ Maneira em que os átomos estão
espacialmente arranjados
Células unitárias
◦ Menor arranjo de átomos que pode representar
um sólido cristalino
◦ Menor porção do cristal que ainda conserva as
propriedades originais do mesmo
02/08/2010 Materiais 68
ESTRUTURA CRISTALINA
02/08/2010 Materiais 69
Estrutura cristalina
Agregado de átomos
Célula unitária
Esferas rígidas
Célula unitária
Esferas reduzidas
ESTRUTURA CRISTALINA
Três estruturas cristalinas são encontradas
na maioria dos metais mais comuns:
◦ Cúbica de faces centradas – CFC
◦ Cúbica de corpo centrado – CCC
◦ Hexagonal compacta – HC
02/08/2010 Materiais 70
ESTRUTURA CRISTALINA
CÚBICA DE FACES CENTRADAS – CFC
Átomos localizados em cada um dos
vértices e nos centros de todas as faces do
cubo
Exemplos: Cu, Al, Ag, Au
02/08/2010 Materiais 71
ESTRUTURA CRISTALINA
CÚBICA DE FACES CENTRADAS – CFC
a – comprimento de aresta do cubo
r – raio atômico
02/08/2010 Materiais 72
Cada átomo em um vértice é compartilhado por 8
células unitárias
Cada átomo localizado no centro de uma face
pertence a 2 células unitárias
1/8 átomo x 8 vértices = 1 átomo
½ átomo x 6 faces = 3 átomos
Número total de átomos = 4 átomos
02/08/2010 Materiais 73
ESTRUTURA CRISTALINA
CÚBICA DE FACES CENTRADAS – CFC
Número de coordenação
◦ Número de átomos vizinhos em contato
◦ CFC = 12
Fator de empacotamento atômico – FEA
◦ É a soma dos volumes das esferas de todos os
átomos no interior de uma célula unitária
dividido pelo volume da célula unitária
02/08/2010 Materiais 74
ESTRUTURA CRISTALINA
CÚBICA DE FACES CENTRADAS – CFC
FEA = volume dos átomos de uma célula unitária
volume total da célula unitária
Exercício
◦ Determine o fator de empacotamento da
estrutura CFC.
02/08/2010 Materiais 75
ESTRUTURA CRISTALINA
CÚBICA DE FACES CENTRADAS – CFC
FEA = 0,74
74% da célula unitária está preenchida por átomos
Átomos localizados em todos os vértices e
um átomo no centro do cubo
Exemplos: Cr, Fe
02/08/2010 Materiais 76
ESTRUTURA CRISTALINA
CÚBICA DE CORPO CENTRADO – CCC
02/08/2010 Materiais 77
ESTRUTURA CRISTALINA
CÚBICA DE CORPO CENTRADO – CCC
a – comprimento de aresta do cubo
r – raio atômico
Número de coordenação
◦ CCC = 8
Cada átomo em um vértice é compartilhado por 8
células unitárias
O átomo localizado no centro do cubo se encontra
totalmente contido no interior da célula unitária
1/8 átomo x 8 vértices = 1 átomo
1 átomo (centro do cubo) = 1 átomo
Número total de átomos = 2 átomos02/08/2010 Materiais 78
ESTRUTURA CRISTALINA
CÚBICA DE CORPO CENTRADO – CCC
Exercício
◦ Determine o fator de empacotamento da
estrutura CCC
02/08/2010 Materiais 79
ESTRUTURA CRISTALINA
CÚBICA DE CORPO CENTRADO – CCC
FEA = 0,68
68% da célula unitária está preenchida por átomos
Faces superior e inferior
◦ 6 átomos ao redor de um átomo central
Plano entre os planos superior e inferior
◦ 3 átomos
02/08/2010 Materiais 80
ESTRUTURA CRISTALINA
HEXAGONAL COMPACTA – HC
◦ 1/6 átomo x 12 vértices = 2 átomos
◦ ½ átomos x 2 centro das faces hexagonais = 1
átomo
◦ 3 átomos interiores = 3 átomos
◦ Número total de átomos = 6 átomos
02/08/2010 Materiais 81
ESTRUTURA CRISTALINA
HEXAGONAL COMPACTA – HC
02/08/2010 Materiais 82
ESTRUTURA CRISTALINA
HEXAGONAL COMPACTA – HC
Número de coordenação
◦ HC = 12
Fator de empacotamento atômico – FEA
◦ HC = 0,74
Exemplos: Cd, Mg, Ti, Zn
EXERCÍCIOS
1. O nióbio na temperatura ambiente tem estrutura CCC
e apresenta raio atômico de 0,147 nm. Calcule o valor
do parâmetro de rede “a” em nanometros.
2. O níquel é CFC com uma densidade de 8,9 Mg/m3 e
tem sua massa atômica igual a 58,71 g/mol.
(a) Qual é o volume por célula unitária baseado no valor da
densidade? (d = m/v)
(b) Calcule o raio atômico do níquel a partir da resposta (a).
02/08/2010 Materiais 83
a = 0,339 nm
V = 4,38 x 10-29 m3
R = 0,125 nm