Tecnologia dos Materiais 1

Escola Técnica Senai Cabo - PE

Instrutor : Luciano Santos

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Tecnologia e Resistência dos Materiais

Aula 1: Um Pouco de Química;

Estrutura Cristalina.

Matéria

Tudo que possui massa e ocupa um lugar no espaço recebe o nome de matéria.

No Universo, a matéria não pode ser criada nem destruída, mas apenas transformada.

Energia

Existe outro componente do Universo que não é matéria, embora esteja intimamente ligado a ela: é a energia. Formas de energia, como a luz, o som e o calor, não são considerados matéria, pois não possuem massa nem ocupam um lugar no espaço.

Substância, corpo e objeto

A matéria pode aparecer no Universo de diversas maneiras. Pode aparecer diferenças em sua composição ou em seu tamanho. Isto quer dizer que a matéria varia em substância e se apresenta em diferentes corpos.


Cada substância é um determinado tipo de matéria. Corpo é uma porção limitada de matéria.

A substância plástico, por exemplo, pode aparecer em vários corpos: brinquedos, embalagens, vasilhas, películas, etc.


Todos os corpos produzidos pelo homem e que possuem alguma utilidade recebem o nome de objeto.

Na maioria dos casos, os corpos são constituídos de uma mistura de substâncias. Na madeira, por exemplo, encontramos substâncias como a celulose, a lignina, a água, etc.

No interior da matéria

A matéria forma corpos. Mas existiria algo menor que forma a matéria?


Se por exemplo, pudéssemos dividir uma porção de água em porções cada vez menores, em escala microscópica, iríamos encontrar a menor estrutura possível da substância água. Encontraríamos a molécula de água.


Molécula é a menor parte de uma substância e que ainda conserva a mesma composição dessa substância.


Continuando a dividir a matéria, o que viria depois da molécula?


Átomos são partículas que formam as moléculas. O átomo determina se o material é aço, plástico, madeira ou ar. Estabelece a maneira como cada material se comporta na natureza e também como ele “funciona” diante dos processos de fabricação e da utilização do dia-a-dia.


A idéia original de átomo foi apresentada por Demócrito, sábio grego que viveu no século V a.C.

Demócrito afirmava que deveria existir a menor porção de matéria, aquela “que não se pode dividir”, e chamou-a de átomo.


O primeiro modelo de átomo foi proposto em 1803 pelo cientista inglês John Dalton (1766-1844), que definia o átomo como uma esfera maciça e indivisível.


No século XX, experiências científicas demonstraram que o átomo é formado por partículas ainda menores: os prótons, os nêutrons e os elétrons. Atualmente, sabe-se que existem outras partículas além dessas três.


O modelo atômico que usamos hoje para nossos estudos foi proposto em 1911 pelo cientista Ernest Rutherford. Seu modelo baseava-se nos estudos de Niels Bohr; por esse motivo, o modelo atômico ficou conhecido como modelo Rutherford-Bohr.


Segundo o modelo atômico de Rutherford-Bohr:

• Os prótons(p) e os nêutrons(n) formam a parte central do átomo – essa parte denomina-se núcleo;

• Ao redor do núcleo giram os elétrons – constituindo a eletrosfera.


Na eletrosfera, os elétrons distribuiem-se em camadas eletrônicas ou níveis eletrônicos. O número máximo de camadas é sete; cada uma delas, por convenção, é designada por uma das seguintes letras:

Camada Letra

1ª K

2ª L

3ª M

4ª N

5ª O

6ª P

7ª Q

No interior da matériaExiste um número máximo de elétrons que

cada camada pode abrigar.

Camadas Eletrônicas Nº. Máximo de elétrons

K 2

L 8

M 18

N 32

O 32

P 18

Q 2


A maioria dos átomos não possui todas as camadas eletrônicas. Por exemplo, o hidrogênio tem apenas uma camada; o oxigênio tem duas; o alumínio, três; o manganês, quatro; a prata, cinco; o ouro, seis; o urânio, sete camadas eletrônicas.


Seja qual for a última camada eletrônica de um átomo, ela nunca possui mais de oito elétrons. Normalmente, ela tem menos de oito elétrons.


Para que um átomo seja estável, ele deve ter oito elétrons na última camada.

Acontece que somente poucos átomos, os dos chamados gases nobres (hélio, neônio, argônio, criptônio, xenônio e radônio), são estáveis.

Os átomos dos outros elementos químicos são instáveis. Isso que dizer que sua última camada não tem o número máximo de elétrons.


Os átomos instáveis não podem existir livres e isolados. Precisam se ligar a outros elementos para completar sua última camada eletrônica e, assim, conquistar a estabilidade.


Os átomos instáveis tendem, portanto, a associar-se a outros para ganhar, perder ou compartilhar elétrons. Efetuam desse modo uma ligação química.


O número de elétrons que um átomo pode perder, ganhar ou compartilhar é chamado valência.

Ao perder ou ganhar elétrons numa ligação química, o átomo se transforma em íon.


Os íons positivos ou cátions – átomos que perdem elétrons – têm valência positiva. Os íons negativos ou ânions – átomos que ganham elétrons – têm valência negativa.


A valência que dá origem a íons chama-se eletrovalência. A ligação química proporcionada pela eletrovalência chama-se ligação iônica ou eletrovalente.


Os átomos que apenas compartilham elétrons não dão origem a íons. Cada par de elétrons compartilhado representa uma valência.

A valência dos átomos que compartilham elétrons recebe o nome de covalência. A ligação química proporcionada pela covalência recebe o nome de ligação covalente ou molecular.


Ligação Iônica

De modo geral, os átomos com menos de quatro elétrons na última camada tendem a perder elétrons, ao participar de uma ligação. Com isso, transformam-se em cátions. É o caso dos metais.


Ligação Iônica

Por outro lado, os átomos com mais de quatro elétrons na periferia tendem a ganhar elétrons no processo da formação da ligação, tornando-se ânions. Trata-se dos não-metais.


Ligação Iônica

O que podemos concluir?

Que a ligação iônica ocorre entre um metal e um não-metal. É o que acontece, por exemplo, na formação do cloreto de sódio, ou seja, o sal que a gente usa na cozinha, composto por um átomo de sódio (metal) e um átomo de cloro (não-metal).

Na Cl

Cl-Na+


Ligação Covalente

As ligações químicas nem sempre acontecem entre um átomo que precisa ceder e outro que precisa ganhar elétrons. Pode ocorrer também um encontro entre dois átomos que precisam ganhar elétrons.


Ligação Covalente

Os átomos que possuem cinco, seis ou sete elétrons na última camada tendem a receber elétrons. Os não-metais possuem essa estrutura eletrônica.

Assim, a ligação covalente ocorre entre não-metal e não-metal ou entre hidrogênio e não-metal.


Existe ainda um terceiro tipo de ligação: é a ligação metálica, responsável, entre outras propriedades, pela elevada condutividade térmica e elétrica que todos os metais possuem, causada pela mobilidade dos elétrons de valência.


E como a ligação metálica acontece? Para explicar isso, precisamos saber inicialmente que os átomos dos metais apresentam poucos elétrons na camada de valência. Esse elétrons podem ser removidos facilmente, enquanto que os demais ficam firmemente ligados ao núcleo.


Isso origina uma estrutura formada pelos elétrons livres e por íons positivos constituídos pelo núcleo do átomo e pelos elétrons que não pertencem à camada de valência.

Como os elétrons de valência podem se mover livremente dentro da estrutura metálica, eles formam o que é chamado de “nuvem eletrônica”. Os íons positivos e a nuvem eletrônica negativa originam forças de atração que ligam os átomos de um metal entre si.

Estrutura Cristalina

Se você pudesse ampliar a maioria dos materiais sólidos a ponto de ver as partículas que o compõem, observaria que essas partículas se arrumam de uma forma muito organizada.


Essa organização parece uma rede em três dimensões que se repete em todo o material. Ela é chamada estrutura cristalina. Materiais metálicos, como o ferro, o aço, o cobre e materiais não-metálicos, como a cerâmica, apresentam esse tipo de estrutura.


Rede CristalinaÉ a estrutura cristalina que se forma

segundo um reticulado espacial de forma geométrica definida e simétrica dos átomos no espaço.


Parâmetro de Rede

É a distancia entre as posições médias dos átomos.

OBS: A estrutura cristalina é determinada pelo tipo e pelo parâmetro da rede.


Parâmetro de Rede


Látice ou célula unitáriaÉ o menor elemento espacial que

pode representar a simetria da rede cristalina.


Dependendo da forma geométrica que essas estruturas cristalinas apresentam, elas recebem um nome. Assim, se você tiver metais como berílio, zinco e cádmio, a estrutura formada será um prisma hexagonal, com três átomos dentro dela. Essa estrutura se chama hexagonal compacta, ou HC.


Estrutura hexagonal compacta



Se os metais a sua disposição forem alumínio, níquel, cobre, prata, ouro, platina, chumbo, por exemplo, a estrutura terá a forma de um cubo com um átomo em cada uma de suas faces. Essa estrutura recebe o nome de estrutura cúbica de face centrada, ou CFC.


Estrutura Cúbica de Face Centrada


Metais como ferro, cromo, tungstênio, molibdênio apresentam a estrutura em forma de cubo com um átomo extra em seu centro. Essa estrutura recebe o nome de estrutura cúbica de corpo centrado, ou CCC.


Estrutura Cúbica de Corpo Centrado


Alotropia

É a propriedade que possui um material de apresenta-se em dois ou mais estados cristalinos diferentes, seja pela simetria seja pela estrutura reticular de acordo com a mudança de temperatura.

Estrutura CristalinaAlotropia

Exemplos:1. O ferro acima de 723°C apresenta uma estrutura

cúbica de corpo centrado (CCC);2. O ferro entre uma temperatura de 910°C a 1400°C

apresenta uma estrutura cúbica de face centrada (CFC);

3. O ferro com a temperatura acima 1400° no estado sólido apresenta uma estrutura cúbica de corpo centrado (CCC) com parâmetro de rede aumentado;

4. O alumínio à temperatura ambiente apresenta uma estrutura hexagonal compacta.

Propriedades dos Materiais

Por que o plástico é “plástico”? Por que o alumínio é mais leve que o ferro? Por que a borracha depois de esticada volta a sua forma primitiva? Por que o cobre conduz eletricidade e o plástico, não?


Para responder a essas perguntas devemos conhecer as propriedades dos materiais.

Se não soubermos bem como cada material se comporta em relação ao processo de fabricação e ao modo como a peça é usada, corremos o risco de usar um material inadequado.


A escolha do material depende do tipo de produto que se quer e do uso que se vai fazer dele. Por exemplo: se você quiser fabricar tecidos, terá de utilizar algodão, lã, seda, fibras sintéticas. Na fabricação de móveis, você usará madeira, resinas sintéticas, aço, plásticos. Para os calçados, você terá que usar couro, borracha, plástico. Na indústria metal-mecânica, na fabricação de peças e equipamentos, você vai usar ferro, aço, alumínio, cobre, bronze.


Classificação dos Materiais

Os materiais estão agrupados em duas famílias:

• Materiais metálicos ferrosos e não-ferrosos;

• Materiais não-metálicos naturais e sintéticos.


Essa divisão entre metálicos e não-metálicos está diretamente ligada às propriedades desses materiais. Assim, os materiais metálicos apresentam plasticidade, isto é, podem ser deformados sem se quebrarem e conduzem bem o calor e eletricidade. Os não-metálicos, por sua vez, são – na maioria dos casos – maus condutores de calor e eletricidade.


MATERIAIS

METÁLICOS NÃO-METÁLICOS

FERROSOS NÃO-FERROSOS NATURAIS SINTÉTICOS

Aço e suas ligas Alumínio Madeira Vidro

Ferro Fundido Cobre Couro Cerâmica

Zinco Borracha Plástico

Magnésio

Chumbo

Estanho

Titânio


Cada material possui características próprias: o ferro fundido é duro e frágil, o aço é bastante resistente, o vidro é transparente e frágil, o plástico é impermeável, a borracha é elástica, o tecido é bom isolante térmico...

Dureza, fragilidade, resistência, impermeabilidade, elasticidade, condução de calor... Todas essas capacidades próprias de cada material e mais algumas que estudaremos são o que chamamos de propriedades.


Para tornar nosso estudo mais fácil, as propriedades foram reunidas em grupos, de acordo com o efeito que elas causam.

Assim, temos:

• Propriedades físicas;

• Propriedades químicas.


Propriedades físicas

Esse grupo de propriedades determina o comportamento do material em todas as circunstâncias do processo de fabricação e de utilização. Nele, você tem as propriedades mecânicas, as propriedades térmicas e as propriedades elétricas.


Propriedades físicasAs propriedade mecânicas aparecem quando

o material está sujeito a esforços de natureza mecânica. Isso quer dizer que essas propriedades determinam a maior ou menor capacidade que o material tem para transmitir ou resistir aos esforços que lhe são aplicados.

Do ponto de vista da indústria mecânica, esse conjunto de propriedades é considerado o mais importante para a escolha de uma matéria-prima.

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