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TM703 – Ciência dos Materiais

PIPE Pós - Graduação em Engenharia e

Ciências de Materiais

Carlos Mauricio LepienskiLaboratório de Propriedades Nanomecânicas

Universidade Federal do Paraná

Este material destina-se exclusivamente para fins didáticos

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Funcionamento• Estrutura da Disciplina

– Seguindo aproximadamente a estrutura da bibliografia– Ciência e Engenharia de Materiais – Uma Introdução

William Callister Jr e David G. Rethwisch– Também é utilizado o texto – Introduction to Materials Science for Engineers

James F. Shackelford– A ordem está um pouco alterada– Um capítulo por aula (aproximadamente)

• Site da Disciplina– Avisos , aulas, notas e confirmação de presenças– http://fisica.ufpr.br/cmlepienski/ciemat

• Distribuição da Aula– 4 x 50 min – total ~ 200 min com um intervalo

• Presença– Obrigatória em pelo menos 75% das aulas– Lista de assinaturas a cada aula

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Bibliografia

Introduction to MaterialsScience for EngineersJames F. Shackelford

Ciência e Engenharia de Materiais – Uma Introdução –8ª ediçãoWilliam Callister Jr e David G. Rethwisch

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Onde encontrar

• Carlos Mauricio Lepienski

• http://fisica.ufpr.br/cmlepienski/ciemat

• Laboratório de Propriedades NanoMecânicas Bloco III (atrás da cantina interna)

• 41 - 3361 3413 (poucas horas da semana disponível nesse local)

• lepiensm@fisica.ufpr.br

• Skype: lipcarlosm

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• Avaliação

– Contínua: a cada aula será feita a avaliação sobre o conteúdo da aula anterior e envolvendo também os conhecimentos previamente apresentados.

– Será realizado no início da aula seguinte sobre o tema da aula anterior ou no final da aula em casos específicos.

– A folha de respostas é individual e será entregue a cada aula para colocação da resposta.

• Aulas

– Serão disponibilizadas na internet em formato pdfpreferencialmente imediatamente antes das aulas

• Porém não necessariamente sempre antes

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Programa

1. Introdução2. Estrutura Atômica e Ligações Interatômicas3. Estruturas Cristalinas - Metais e Cerâmicas4. Estruturas de Polímeros5. Imperfeições em Sólidos6. Difusão7. Propriedades Mecânicas8. Mecanismos de Deformação e Endurecimento9. Mecanismos de Falha10 Diagramas de Fase11 Transformações de Fase12. Compósitos13. Corrosão e Degradação de Materiais14. Propriedades Elétricas15. Propriedades Térmicas16. Propriedades Magnéticas17. Propriedades Ópticas

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Introdução e Estrutura Atômica - Ligações Atômicas

Aula 1Capítulos 1 e 2

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Materiais

• Evolução do conhecimento Humano

• Coleta e adaptação – Inorgânicos e derivados de orgânicos(polímeros - madeira, couro – “ossos e outros materiaisprovenientes de animais e vegetais”)

• Processamento simples - Idade da Pedra

• Processamento Intermediário – Alimentos – Materiais Cerâmicos –Argila – Adesivos – Tecidos.

• Processamento complexo de materiais existentes - Metais - Idadedo cobre, bronze, ferro etc, compósitos, tecidos complexos, polímeros, papel.

• Processamento dedicado a novos materiais não encontrados oumuito dificilmente encontrados na natureza – Tratamentos a vácuoe a plasma, materiais nanoestruturados, materiais compósitos, polímeros específicos, novas ligas metálicas etc…

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Uma classificação para as propriedades de materiais

• Mecânicas

• Elétricas

• Térmicas

• Magnéticas

• Ópticas

• Degradativas (interação com o meio e evoluçãotemporal)

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Densidades

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Rigidez – Módulo de elasticidade

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Resistência

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Resistência à fratura - Tenacidade

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Condutividade Elétrica

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Materiais com alta complexidade atuais

• Semicondutores

• Biomateriais

• Materiais inteligentes – se modificam sob certosestímulos

• Nanomateriais

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Panorama da estrutura do estudo de Ciências dos Materiais

Aços

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• Estudo de fragilização de aços duplex sob efeito de hidrogênio. Efeito de camadas nitretadas na fraturasuperficial de aços sob efeito do hidrogênio

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Vitrocerâmicas

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• Estudo das propriedades mecânicas – Tenacidade de materiais vitrocerâmicos – evolução da fratura com o grau de cristalização

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Fibras poliméricas

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• Adesão de polímeros obtidos de óleo de mamona emfibras naturais (sisal, juta etc) para compósitos – efeitosda radiação UV

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• Utilização da microscopia Raman para estudo da distribuição de tensões induzidas por nanoindentação em silício cristalino.

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Para pesquisar

Quais os materiais e propriedades específicas que definem seu uso nesses equipamentos/objetos?

• Baterias de celulares

• Células solares

• Pás para geradores eólicos

• Células a combustível

• Blindagem de pessoal militar

• Aparelhos e implantes dentários

• Válvulas cardíacas

• Prancha de surf

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A Estrutura Atômica

• Alguns conceitos

Carga = - 1,6 x 10-19 CMassa = 9,11 x 10-31 kg

Massa = 1,67 x 10-27 kg

Carga = + 1,6 x 10-19 C

Massa 1,67 x 10-27 kg

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• Número Atômico (Z)

– Número de prótons no núcleo • Número de cargas positivas

• Para um átomo neutro o numero de elétrons deve ser igual

• Massa Atômica (A)

– Soma das massas de prótons e nêutrons no núcleo

– Átomos de um mesmo elemento• Mesmo número de prótons (obrigatório)

• Diferentes número de nêutrons (N)

– (Isótopos Iso = mesmo , topos = sítio - na tabela periódica)

• Ex.: Carbono

– 11C – Instável – decai por emissão de pósitron

– 12C – Abundância 98,89%

– 13C – Abundância ~1,11 % - tem spin nuclear ½ - detectável por NMR

– 14C – Abundância 1 ppt – decai em Nitrogênio – Meia vida 5730 anos

» Formado na alta atmosfera se distribui homogeneamente e érespirado e ingerido pelos humanos, animais e vegetais

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• Peso atômico

– Média ponderada das massas atômicas dos diferentes isótopos naturais

– Atomic Mass Unit (amu)• 1 amu = 1/12 da massa do 12C A = 12,00000

• 1 u = 1.660538921(73)×10−27 kg

– Assim

– Peso atômico de um elemento• amu/átomo (molécula) ou massa/mol

• 1 mol = 6,023 x 1023 (Número de Avogadro)

• Ex.:

A Z N

amu g1 1

átomo (molécula) mol

28,0855 amu/atom = 28,0855 g/molSi

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Elétrons nos Átomos

• A menos que se trabalhe com energias muito altas, a maior parte dos efeitos físicos e químicos observáveis provém da interação com a camada eletrônica dos átomos.

Title: Atom

Media: Iron on Copper (111)

The Kanji characters for "atom." The literal translation is something like "original child.“

©IBM - Almadém

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• Modelos Atômicos

– Demócritus 50 A.C. “A matéria é composta por partículas indivisíveis - átomos”

– 1803 – John Dalton – Modelo da Bola de Bilhar

• A matéria é composta por átomos e não pode ser destruida

• Existem tres tipos diferentes de átomos

– Átomos de elementos

– Átomos de moléculas

– Átomos de compostos

– Cada elemento era composta pelo mesmo tipo de átomos

• Estabeleceu que quando os elementos se combinam eles devem fazê-lo em certas quantidades fixas.

• Dalton estimou o peso de alguns átomos

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– Joseph John Thomson – Modelo do Pudim com Passas (1897)

• O átomo é uma esfera de eletricidade positiva difusa (pudim) com partículas negativas espalhadas (passas) após descobrir o elétrons

• A densidade do átomo era homogênea

• A descoberta do elétron levou ao premio Nobel de 1906

– Ernest Rutherford – 1911

• Premio Nobel em 1908 por seus trabalhos com radioatividade

• Experimento com partículas alfa

– O átomo é composto por:

» Composto na sua maior parte por espaço vazio

» Um núcleo duro positivo

» Rodeado por cargas negativas

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• O Modelo de Bohr

– Na tentativa de resolver o problema das linhas espectrais Niels Bohr propõe um modelo no qual os elétrons orbitam em torno do núcleo

– Neste modelo os elétrons não podiam ocupar quaisquer órbitas, apenas algumas específicas

– As transições entre estas órbitas seriam as responsáveis pelo aparecimento das linhas espectrais (emissão / absorção de fótons)

– Estas quantidades definidas de energia foram denominadas:

• Link: http://www.colorado.edu/physics/2000/quantumzone/bohr.html

quanta mecânica quântica

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• Os postulados de Bohr

– 1. An electron in an atom moves in a circular orbit about the nucleus under the influence of the Coulomb attraction between the electron and the nucleus, and obeying the laws of classical mechanics.

– 2. But, instead of the infinity of orbits which would be possible in classical mechanics, it is only possible for an electron to move in an orbit for which its orbital angular momentum L is an integral multiple of Planck's constant (h), divided by 2.

– 3. Despite the fact that it is constantly accelerating, an electron moving in such an allowed orbit does not radiate electromagneticenergy. Thus its total energy E remains constant.

– 4. Electromagnetic radiation is emitted if an electron, initially moving in an orbit of total energy Ei , discontinuously changes its motion so that it moves in an orbit of total energy Ef . The frequency of the emitted radiation is

onde 1, 2,3,...2

nhL n n

i fE E

h

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Modelode Bohr

Modeloempregando

mecânica ondulatória

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Modelode Bohr

Modeloempregando

mecânica ondulatória

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• Números Quânticos

1o número quântico (n) define o nível (número quântico principal) (distância do núcleo)

2o número quântico (l) define o sub-nível (associada à forma da órbita)

3o número quântico (ml) define o número de estados de energia existentes por sub-nível

Na ausência de um campo magnético externoos estados de cada sub-nível são idênticos estados degenerados

Campo magnético externo sub-níveis se separam

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4o número quântico (ms) número quântico de spin ms = + ½

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• Configurações Eletrônicas

– Principio de Exclusão de Pauli• Cada estado eletrônico pode conter apenas 2 elétrons de spins opostos

– Átomo no Estado Fundamental (Ground State)• Todos os elétrons estão em seus mínimos níveis de energia

– Configuração eletrônica de um átomo• Notação: Aluminum (13) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1

Na

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– Elétrons de valência• Ocupam a camada mais externa

• Influenciam diversas propriedades físicas e químicas do elemento

• Participam das ligações

• Configurações eletrônicas estáveis

– Quando as ultimas camadas estão completas

– Ocorre nos gases nobres

– Apresentam quase nenhuma reatividade química

– Alguns átomos com camadas incompletas podem ganhar ou ceder elétrons para chegar na situação de estabilidade

» Se transformam em íons

– Também pode compartilhar elétrons com outros átomos

» Reações químicas e ligações atômicas

• Hibridizações entre orbitais

– Link: (swf de hibridização)

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• A Tabela periódica

– Histórico

ContributorDate Contribution Comment

Aristotle ~330 BC Four element theory: earth, air, fire & water

Antoine Lavoisier ~1770-1789Wrote the first extensive list of elements containing 33 elements.Distinguished between metals and non-metals.

Some of Lavoisier's elements were later shown to be compounds and mixtures.

Jöns JakobBerzelius

1828Developed a table of atomic weights.Introduced letters to symbolize elements.

Johann Döbereiner 1829

Developed 'triads', groups of 3 elements with similar properties.Lithium, sodium & potassium formed a triad.Calcium, strontium & barium formed a triad.Chlorine, bromine & iodine formed a triad.

Forerunner to the notion of groups.

John Newlands 1864The known elements (>60) were arranged in order of atomic weights and observed similarities between the first and ninth elements, the second and tenth elements etc. He proposed the 'Law of Octaves'.

Newlands' Law of Octaves identified many similarities amongst the elements, but also required similarities where none existed. He did not leave spaces for elements as yet undiscovered.Forerunner to the notion of periods.

Lothar Meyer 1869Compiled a Periodic Table of 56 elements based on the periodicity of properties such as molar volume when arranged in order of atomic weight.

Meyer & Mendeleev produced their Periodic Tables simultaneously.

Dmitri Mendeleev 1869

Produced a table based on atomic weights but arranged 'periodically' with elements with similar properties under each other. Gaps were left for elements that were unknown at that time and their properties predicted (the elements were gallium, scandium and germanium). The order of elements was re-arranged if their properties dictated it, eg, tellerium is heavier than iodine but comes before it in the Periodic Table.

Mendeleev's Periodic Table was important because it enabled the properties of elements to be predicted by means of the 'periodic law': properties of the elements vary periodically with their atomic weights.

William Ramsay 1894 Discovered the Noble Gases.

In 1894 Ramsay removed oxygen, nitrogen, water and carbon dioxide from a sample of air and was left with a gas 19 times heavier than hydrogen, very unreactive and with an unknown emission spectrum. He called this gas Argon. In 1895 he discovered helium as a decay product of uranium and matched it to the emission spectrum of an unknown element in the sun that was discovered in 1868. (helios is the Greek for Sun). He went on to discover neon, krypton and xenon, and realised these represented a new group in the Periodic Table. Ramsay was awarded a Nobel Prize in 1904.

Henry Moseley 1914Determined the atomic number of each of the elements.He modified the 'Periodic Law' to read that the properties of the elements vary periodically with their atomic numbers.

Moseley's modified Periodic Law puts the elements tellerium and iodine in the right order, as it does for argon and potassium, cobalt and nickel.

Glenn Seaborg 1940Synthesised transuranic elements (the elements after uranium in the periodic table)

In 1940 uranium was bombarded with neutrons in a cyclotron to produced neptuniun (Z=93). Plutonium (Z=94) was produced from uranium and deuterium. These new elements were part of a new block of the Periodic table called Actinides. Seaborg was awarded a Nobel Prize in 1951.

from: http://www.ausetute.com.au/pthistor.html

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http://www.webelements.com/contents.htmlhttp://periodic.lanl.gov/index.shtml 40

• Tabela periódica “quase” atual

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• Parâmetro diretamente relacionado às ligações químicas

– Eletronegatividade aceitam elétrons facilmente

– Eletropositividade cedem elétrons facilmente

Aumenta a eletronegatividade

Aumenta a eletropositividade

Tabela Periódica

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Ligações Atômicas em Sólidos

• Forças e Energias de Ligação

– Propriedades dos materiais ligações químicas

– Ligações interação entre dois átomos distância

– Ao aproximar dois átomos• Força de atração dependente do tipo de ligação formada

• Força de repulsão interação das camadas eletrônicas internas

RAN FFF

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Ligações atômicas

• Tipos de Ligações

• Metálica: Elétrons são compartilhados – elétrons livres. • Covalente: Elétrons de valência compartilhados por dois átomos. • Iônica: Elétrons de valência transferidos entre dois átomos.• Van der Waals: Polarização devido a estrutura de ligações causa forças de

atração e repulsão entre moléculas. Água

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Número de Coordenação

Está ligado com o número de átomos com que um átomo está ligado

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Número de coordenação

Razão entreos raios r/R

Geometria da coordenação

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Forças de ligação

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Repulsão

Equilíbrio

Atração

Energ

ia P

ote

nci

al

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Vibração de Moléculas

Porém em uma situação dinâmica onde ocorrem vibraçõesas curvas de energia potencial podem depender dos modosde vibração envolvidos e cada um deles envolve os seusníveis de energia

Fonte Perkin Elmer IR Tutor

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Energias de Ligação

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F E

.E F dr

Ponto de equilíbrio

E0 energia de ligação

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– O exemplo anterior serve para dois átomos apenas

– No caso de um conjunto de átomos todos os átomos participam deformando os potenciais

• De qualquer forma a energia de ligação (E0) é definida por átomo

– A interação continua definida pelo tipo de ligação

– Existe uma ligação direta entre• Energia de ligação temperatura de fusão

– Baixa gases

– Média líquidos

– Alta sólidos

• Rigidez dos materiais inclinação da curva de força

– Mais inclinada material mais rígido

– Menos inclinada material mais flexível

• Conformação da curva de energia coeficiente de dilatação térmica

0

Reduzidadilatação térmica

Elevadadilatação térmica

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Ligações Interatômicas Principais• Ligações Iônicas

– Encontrada em compostos de elementos metálicos com elementos não metálicos

• Situados em ambos os extremos da tabela periódica

• O elemento metálico cede seu elétron de valência para o elemento não metálico

• Átomos configuração de gás inerte (estável) assumem cargas elétricas (íons)

• Ex.: NaCl

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CKS 54

– Forças atrativas

• Forças de natureza Coulombiana portanto a energia é dada por

• A energia repulsiva por sua vez é dada por

• onde A e B dependem da natureza do sistema iônico.

– Ligação iônica é não direcional (Coulombiana)

– Íons positivos cercados por íons negativos estabilidade

– Energias de ligação

• Entre 600 e 1500 kJ/mol (3 e 8 eV/atom)

– Altas temperaturas de fusão

– kT k 300 K = 8,617 × 10−5 ev/K x 300 K = 0,025851 eV

– 3 eV = 34814 K

– Materiais cerâmicos apresentam ligações iônicas

– Materiais iônicos

• Duros, quebradiços

• Maus condutores de calor e eletricidade

A

AE

r

8R

BE

r

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• Ligações Covalentes

– Configurações eletrônicas estáveis • compartilhamento de elétrons entre átomos vizinhos

– Ex. Metano – CH4

• C tem 4 elétrons de valência que são compartilhados com o H

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– Moléculas de gases de elementos não metálicos (H2, Cl2, F2,...)

– Moléculas de átomos distintos CH4, HF, HNO3, CO2,...

– Sólidos• C (diamante)

• Si

• Ge

• SiC

• GaAs

• InSb

– O número de ligações covalentes possíveis = 8 – N’• N’ número de elétrons de valência

– Carbono (N’ = 4) 4 possíveis ligações covalentes

– Ligações covalentes fortes• Carbono temperatura de fusão > 3550 oC

– Ligações covalentes fracas• Bismuto temperatura de fusão = 270 oC

– Materiais poliméricos apresentam ligações covalentes

C-C, C-H,...

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– Caráter iônico de ligações covalentes• Depende da diferença de eletronegatividade dos participantes da ligação

– Quanto menor a diferença de eletronegatividade entre ambos maior o caráter covalente

– % de caráter iônico

» XA e XB são as eletronegatividades dos componentes

– Ex. Silício fortemente covalente

– Ex. H2O caráter fortemente iônico

2

0,25.% 1 100A BX Xion e

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• Ligações Metálicas

– Como o nome diz é encontrada em metais e ligas metálicas (grupos IA e IIA)

– Modelo proposto• Metais possuem 1, 2 ou 3 elétrons de valência

• Estes elétrons não estão ligados e portanto livres para deslocar-se no metal

– Elétrons livres / Mar de elétrons / Nuvem de elétrons

• Os elétrons ligados (não de valência) junto com os núcleos

– Formam os núcleos iônicos (positivos)

• Os elétrons livres blindam os efeitos repulsivos

– “Colam” os núcleos iônicos positivos

– Como no caso das ligações iônicas a ligação metálica também não édirecional

• Associada a atração e repulsão Coulombiana

– Podem ser fortes ou fracas• 68 kJ/mol (0.7eV/átomo) para o Hg (fusão -39 oC)

• 850 kJ/mol (8.8 eV/átomo) para o W (fusão 3410 oC)

– Elétrons livres• Boa condutividade elétrica e térmica

– Os materiais com ligações metálicas é mais

dúctil que outro que apresenta ligações

covalentes ou iônicas

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Ligações secundárias

• Força de Van der Walls

– Ligações físicas

– Baixa energia• 10 kJ/mol (0.1 eV/atom)

– Longo alcance > 100 Å = 10 nm

– Aparece em gases inertes (estrutura eletrônica estável)

– Natureza Coulombiana (não direcional)

• Mecanismos

– Flutuação de dipolos induzidos• Flutuação temporal da distribuição de carga eletrônica

• Ocorre em grandes grupos de átomos (gases)

• Gases inertes e molécula simétricas H2, Cl2 ,..

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– Dipolo induzido por molécula polar • Distribuição assimétrica das regiões positivas e negativas na molécula

• Uma molécula polar pode induzir um dipolo em uma molécula não polar

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– Dipolo permanente• Mais fortes que as anteriores de dipolo induzido

• Ocorrem em moléculas onde o H esta ligado covalentemente

– F HF

– O H2O

– N NH3

• Energias na faixa de 51 kJ/mol (0.52 eV/molécula)

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Páginas interessantes

• http://www.lenntech.com/periodic/mass/atomic-mass.htm

• http://www.lenntech.com/periodic/periodic-chart.htm

• http://htwins.net/scale2/lang.html