Cm Apostila Cm 2012 01 Parte 1

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul – PUCRS Faculdade de Engenharia - FENG

Cursos de Engenharia Mecânica e de Controle e Automação

CCIIÊÊNNCCIIAA DDOOSS MMAATTEERRIIAAIISS

Prof. Carlos Alexandre dos Santos

Março / 2012

Apostila – Ciência dos Materiais – Prof. Carlos Alexandre dos Santos

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ÍNDICE

Capítulo 1. Introdução aos Materiais 1.1. Importância dos Materiais 1.2. Classificação dos Materiais 1.3. Ligações Atômicas nos Sólidos 1.4. Forças e Energias de Ligações 1.5. Ligações Interatômicas Primárias 1.6. Ligação de Var Der Waals Exercícios Propostos Referências Bibliográficas

Capítulo 2. Materiais Cristalinos 2.1. Estrutura Cristalina: Conceitos Fundamentais, Célula Unitária 2.2. Sistemas Cristalinos 2.3. Alotropia ou Polimorfismo 2.4. Direções e Planos Cristalinos 2.5. Anisotropia 2.6. Determinação de Estruturas Cristalinas por Difração de Raios-X Exercícios Propostos Referências Bibliográficas

Capítulo 3. Imperfeições Cristalinas 3.1. Defeitos Pontuais 3.2. Defeitos de Linha 3.3. Defeitos de Interface 3.4. Defeitos Volumétricos 3.5. Observação da Macro e Microestrutura 3.6. Macroestrutras da Solidificação 3.7. Microestruturas de Materiais Metálicos Exercícios Propostos Referências Bibliográficas

Capítulo 4. Difusão Atômica 4.1. Mecanismos de Difusão 4.2. Fatores que Influem na Difusão 4.3. Difusão no Estado Estacionário 4.4. Difusão no Estado Não-Estacionário Exercícios Propostos Referências Bibliográficas


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CCAAPPÍÍTTUULLOO 0011

INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS

O material disponibilizado nesta apostila do curso de Ciência dos Materiais objetiva

apresentar os fundamentos e a interrelação entre os diferentes níveis de estrutura que constituem

os materiais de engenharia e as principais propriedades apresentadas pelos mesmos em função

dos processos de fabricação, o que implicará em suas seleções para diversas aplicações.

1.1. IMPORTÂNCIA DOS MATERIAIS

Os materiais apresentam importância fundamental para o ser humano desde o início da

civilização, desempenhando papel principal durante a evolução do homem, onde os primeiros

primitivos utilizavam ferramentas de pedra e argila moldada, passando pela descoberta do ouro,

cobre, bronze e ferro, e seus processos de obtenção e fabricação. O conhecimento dos materiais

definiu as diversas idades da história da humanidade, podendo-se citar: Idade da Pedra, Idade do

Bronze, Idade do Ferro. A Figura 1.1 apresenta uma ilustração esquemática da evolução humana

durante as diferentes etapas da evolução dos metais.

Figura 1.1 – Representação esquemática da evolução dos materiais metálicos.


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1.2. CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS

Os materiais de engenharia podem ser classificados em três categorias principais:

metálicos, cerâmicos e poliméricos. No entanto, atualmente se utiliza uma classificação mais

ampla, incluindo os materiais compósitos, os materiais biocompatíveis e os materiais semicondutores. A Figura 1.2 mostra a classificação dos materiais de engenharia, apresentando

exemplos de alguns na Figura 1.3.

Figura 1.2 – Classificação dos principais materiais de engenharia.

Figura 1.3 – Exemplos dos principais materiais de engenharia.

Além das classificações citadas anteriormente, os materiais podem ser classificados pela

sua aplicação, pelo seu grau de evolução tecnológica, morfologia estrutural e comportamento.


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Os engenheiros devem conhecer a estrutura interna dos materiais e suas propriedades

para optar pelos mais adequados para cada aplicação ou criar melhores processos de fabricação

(Figura 1.4). As principais áreas do conhecimento que abordam o tema são:

- Ciência dos Materiais: conhecimento básico da estrutura interna dos materiais, suas

propriedades e processos de fabricação,

- Engenharia de Materiais: interesse no emprego do conhecimento dos materiais para

processá-los em produtos.

Figura 1.4 – Informações sobre estruturas atômicas.

Os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material devem

compreender: 1.) condições de serviço e propriedades requeridas para tal aplicação, 2.) fatores de

degradação de propriedades, como temperatura, agentes corrosivos, radiações, 3.) propriedades

de interesse e qual o desempenho e limitações no uso, 4.) disponibilidade de matéria-prima e

viabilidade técnica de processamento, 5.) impacto ambiental e reciclabilidade após uso; 6.) custo

total. Raramente um material reúne uma combinação ideal de propriedades, ou seja, muitas vezes

é necessário reduzir uma em benefício da outra, como por exemplo: resistência e ductilidade,

onde geralmente um material de alta resistência apresenta ductilidade limitada, exigindo que se

estabeleça um compromisso (comprometimento) razoável entre duas ou mais propriedades.

1.3. LIGAÇÕES ATÔMICAS NOS SÓLIDOS

O tipo de ligação interatômica influencia nas propriedades dos materiais. Os elementos se

ligam para formar os sólidos com uma configuração mais estável: geralmente oito elétrons na

camada de valência (= gases nobres He , Ne , Ar , Kr , Xe , Rn) (Figura 1.5). A ligação atômica é

formada pela interação dos elétrons de valência através de: - Ganho e Perda de elétrons, -

Compartilhamento de elétrons (parcial ou total), - Livre movimentação dos elétrons.

Figura 1.5 – Informações básicas sobre estruturas atômicas.


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Figura 1.6 – Tabela periódica dos materiais [Callister, 1994].


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1.3.1. FORÇAS E ENERGIAS DE LIGAÇÕES

A distância entre dois átomos é determinada pelo balanço das forças atrativas e

repulsivas. Quanto mais próximos os átomos, maior a força atrativa entre eles, mas maior ainda

são as forças repulsivas devido à sobreposição das camadas mais internas. Quando a soma das

forças atrativas e repulsivas é zero, os átomos estão na chamada distância de equilíbrio (E),

conforme ilustra a Figura 1.7.

Figura 1.7 – Relação entre distância atômica e forças envolvidas.

A Tabela 1.1 apresenta alguns valores para as energias de ligação atômica e as

temperaturas de fusão de alguns materiais.

Tabela 1.1 – Energias de ligação e temperaturas de fusão de algumas ligações [Callister, 1994].


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1.3.2. LIGAÇÕES INTERATÔMICAS PRIMÁRIAS

As ligações atômicas principais são classificadas em função da interação dos elétrons de

valência, que podem ser doados/recebidos, podem ser compartilhados (parcial ou total), ou

podem ser livres e comuns. A seguir apresentam-se as principais características para as ligações

primárias.

Iônica: Átomos perdem ou ganham elétrons na camada de valência;

Ocorre entre elementos metálicos (1e-, 2e-, 3e-) e não-metálicos (5e-, 6e-, 7e-) (diferentes

eletronegatividade e opostos horizontalmente na Tabela Periódica);

Metálicos perdem elétrons (+) e os não-metálicos ganham elétrons (-);

Todos os átomos ficam com a camada de valência completa;

Forças atrativas são Forças de Coulomb (fracas). Não direcional;

Formação de íons positivos (+ cátions) e íons negativos (- ânions);

Sólidos iônicos apresentam altas Temperaturas de Fusão (TF);

Ligação forte. Estrutura organizada. Materiais duros e quebradiços;

Bons isolantes térmicos e elétricos. Predominante nos cerâmicos.

Figura 1.8 – Exemplos de estruturas em sólidos iônicos.


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Covalente: Estabilidade é conseguida pelo compartilhamento de elétrons;

Os dois átomos contribuem com elétrons (alta eletronegatividade);

Máximo número de elétrons compartilhados é 4 (C, Si, Ge, etc);

Comuns entre elementos não metálicos e semi-metais, e inorgânicos;

Ligações muito fortes, o que confere alta dureza, porém elevada fragilidade;

Materiais apresentam altas Temperaturas de Fusão (TF);

Materiais são bons isolantes térmicos e elétricos;

Ligação direcional, com ângulos definidos (orbitais);

Ligação bastante comum também nos polímeros e cerâmicos.

Figura 1.9 – Exemplos de estruturas em sólidos covalentes.

Alguns materiais podem apresentar tanto ligação iônica como covalente. Pode-se

determinar o caráter iônico entre os elementos A e B empregando a Equação (1.1):

100 } ] ) XB -(XA (0,25) [- exp - 1 { iônico caráter % 2 ⋅⋅= (1.1)

onde XA e XB são as eletronegatividades dos elementos A e B (tabelado).


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Metálica: Formação de uma “nuvem de elétrons” ao redor dos núcleos;

Combinação de elementos metálicos com baixa eletronegatividade (máx. 3 e-);

Nuvem se forma pelos elétrons de valência (última camada);

Elétrons (-) movimentam-se livremente ao redor dos núcleos (+);

Metais são bons condutores de calor e eletricidade (pelos e-);

São materiais não transparentes;

Apresentam boa capacidade de deformação e tratamentos térmicos;

Comportam-se com boa ductilidade (plasticidade);

Ligação não-direcional, geralmente forte.

Figura 1.10 – Exemplos de estruturas em sólidos metálicos.

1.3.3. LIGAÇÃO DE Van Der Waals

Forças de ligação surgem de dipolos atômicos;

Ligações fracas. Não-direcional;

Ligação resulta de uma atração Coulombiana;

Também chamadas de Ponte de Hidrogênio;

Dipolos podem ser induzidos ou permanentes.

Figura 1.11 – Exemplos de estruturas em sólidos com ligações de Van Der Waals.

A molécula de água apresenta polarização de carga (formação de dipolos): positiva

próxima aos átomos de H e negativa onde os elétrons de valência do O estão localizados. Isto

produz forças de Van der Waals entre as moléculas, fazendo com que as mesmas tendam a

alinhar os pólos negativos com positivos. Como o ângulo de ligação é 109,5o, as moléculas

formam uma estrutura quase hexagonal. O gelo tem estrutura hexagonal devido a este tipo de

ligação. É menos denso, por isso flutua sobre a água.


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EXERCÍCIOS PROPOSTOS

1.) Qual a massa, em gramas, de um átomo de Cu ? Quantos átomos de Cu há em 1 g de Cu ?

Dados: massa atômica Cu = 63,54 g/mol

2.) Em uma liga 75% em peso de Cu e 25% em peso de Ni, qual é a proporção atômica de Cu e

Ni ? Dados: massa atômica Cu = 63,54 g/mol , massa atômica Ni = 58,69 g/mol

3.) Cite as principais características apresentadas pelas seguintes classes de materiais, dando um

exemplo para cada uma delas:

Metais Cerâmicos Polímeros Compósitos Semicondutores Biomateriais

4.) Cite de forma resumida as principais diferenças entre ligação iônica, covalente e metálica.

5.) Qual o tipo de ligação química é usualmente presente nos seguintes materiais?

Metais Cerâmicos Polímeros Compósitos Semicondutores Biomateriais (Mat. Biocompatíveis))

6.) Qual o tipo de ligação você esperaria que se formasse para os seguintes compostos: Bronze

(liga de Cu e Sn), GaSb, Al2O3 e nylon.

7.) Dê a sua opinião sobre a seguinte afirmação : Quanto maior a diferença nas

eletronegatividades mais covalente é a ligação.

8.) Por que em geral os metais apresentam alta condutividade térmica e elétrica?

9.) Explique porque geralmente materiais covalentes são menos densos que metálicos e iônicos.

10.) Com base nas ligações químicas, explique porque a água se expande quando solidifica.

11.) Explique porque os metais geralmente se expandem ao serem aquecidos.

12.) Considerando a seguinte afirmação correta “quantos mais próximos os átomos maior a força

de atração entre eles“, explique então porque estes não se chocam.

13.) O que determina a distância de equilíbrio entre dois átomos?


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14.) O que você entende por força de ligação?

15.) Como a energia e força de ligações estão relacionadas?

16.) Uma solda contêm 52% em peso de estanho e 48% em peso de chumbo. Quais são as

porcentagens atômicas de Sn e Pb na solda?

17.) Um composto intermetálico tem a fórmula química geral NixAly , aonde x e y são números

inteiros simples, e é formado por 42,04% em peso de Ni e 57,96 % em peso de Al. Qual a

fórmula mais simples desse composto.

Dados: massa atômica Ni = 58,761 g/mol

massa atômica Al = 26,98 g/mol


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RESOLUÇÃO 1.) a) b) 2.) a) b) 3.) Metais: aços, ferros fundidos, alumínio, bronzes, latão Cerâmicos: óxidos, alumina, areia, argila Polímeros: plásticos, borrachas, elastômeros, poliuretano, PET, PVC Compósitos: matriz polimérica/metálica/cerâmica e reforço cerâmico/metálico/polimérico Semicondutores: metais silício, germânio, cerâmicas avançadas Biomateriais: titânio, polímeros, cerâmicas 4.) Item 1.3.2 5.) Metais: ligação metálica Cerâmicos: ligação iônica/covalente

Polímeros: ligação covalente Compósitos: ligação covalente/iônica Semicondutores: ligação metálica, covalente, iônica Biomateriais (Mat. Biocompatíveis): ligação metálica, covalente

6.) Bronze (liga de Cu e Sn) : ligação metálica

GaSb : ligação metálica Al2O3 : ligação covalente Nylon : ligação covalente

7.) Maior é a tendência em atrair e compartilhar de elétrons 8.) Devido a formação de nuvem de elétrons 9.) Devido às ligações direcionais 10.) Porque forma uma ligação direcional no sólido 11.) Devido a vibração entre os átomos na estrutura sólida ordenada 12.) Devido a força de repulsão entre as camadas de elétrons que se sobrepõem 13.) O equilíbrio entre as forças de atração e repulsão 14.) Influência que um átomo exerce sobre seu vizinho 15.) Balanço de energia entre os átomos 16.) Sn = 65,4 % atômica e Pb = 36,4 % atômica 17.) x = 0,25 e y = 0,73 ou NiAl3

g10.05,1x

átomo1Cugx

mol/átomos10.02,6Cumol/g54,63

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23

−=

=

átomos10.47,9x

Cug1Cuátomosx

Cumol/g54,63mol/átomos10.02,6

21

23

=

=

mol6063,1TotalmolGrama

mol4260,0mol/g69,58

g25Nimoles.Núm

mol1803,1mol/g54,63

g75Cumoles.Núm

=−

==

==

%5,26100.mol6063,1mol4260,0Niatômica%

%5,73100.mol6063,1mol1803,1Cuatômica%

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

%5,26100.mol6063,1mol4260,0Niatômica%

%5,73100.mol6063,1mol1803,1Cuatômica%

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=


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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. CALLISTER, Willian D., Materials Science and Engineering: An Introduction. 3ª Edição,

New York, John Wiley & Sons, 1994.

2. VAN VLACK, Lawrence H., Princípio de Ciências e Tecnologia dos Materiais. 4ª Edição, Rio

de Janeiro, Campus, 1984.

3. ASKELAND, Donald R., The Science and Engineering of Materials. 2ª Edição, London,

Chapman and Hall, 1991.

4. SMITHS, W.; Hashemi, J. Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais, Editora

McGrall-Hill, 1998.

5. SMITH, William F., Materials Science and Engineering. New York, McGraw-Hill Publ. Co., 2ª

Ed. 1989.

6. MEYERS, Marc A.; Chawla, Krishan K., Princípios de Metalurgia Mecânica. São Paulo, Edgar

Blücher, 1982.

7. SHACKELDFORD, James F., Introduction to Materials Science for Engineers. New Jersey,

Prentice-Hall, Inc., 4ª Ed. 1996.

8. REED-HILL, W., Physical Metallurgy. McGraw- Hill, 1998.

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