aula_1_-_ligações_químicas_e_estruturas_cristalinas

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


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


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


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.


OBJETIVO


Apresentação dos conceitos básicos sobre

materiais para engenharia

Conhecimento da estrutura interna dos materiais

TÓPICOS GERAIS


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


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


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


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


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


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


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


O ÁTOMO E AS

LIGAÇÕES ATÔMICAS


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

NÚMEROS QUÂNTICOS

02/08/2010 Materiais 44

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 IÔNICA

Exemplo: NaCl Na: 1s22s22p63s1

Cl: 1s22s22p63s23p5

02/08/2010 Materiais 52

LIGAÇÃO COVALENTE

Compartilhamento de elétrons

Exemplo: CH4 (metano)

02/08/2010 Materiais 53

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

ESTRUTURAS

CRISTALINAS


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


02/08/2010 Materiais 69

Estrutura cristalina

Agregado de átomos

Célula unitária

Esferas rígidas

Célula unitária

Esferas reduzidas


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


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



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



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



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



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


CÚBICA DE CORPO CENTRADO – CCC

02/08/2010 Materiais 77



a – comprimento de aresta do cubo

r – raio atômico


◦ 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



Exercício

◦ Determine o fator de empacotamento da

estrutura CCC

02/08/2010 Materiais 79



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


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



02/08/2010 Materiais 82




◦ 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

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