Ciências dos materiais- 232 · Ligações químicas. Estruturas cristalinas. 1. ... Ligas...

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Professor: Luis Gustavo Sigward EricssonCurso: Engenharia MecânicaSérie: 6º/ 5º Semestre

Ciências dos materiais- 232

Terça

Semana par

19:00 às 20:40

21:00 às 22:40

1a aula

Apresentação do curso.Características gerais nos materiais de engenharia. Ligações químicas.Estruturas cristalinas.

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Plano de ensino

• Características gerais exigidas nos materiais em engenharia. Ligaçãoquímica. Estrutura cristalina. Propriedades mecânicas dos materiaismetálicos. Propriedades elétricas e magnéticas dos materiais.Deformação dos metais. Ruptura dos metais. Ligas metálicas. Diagramade equilíbrio Fe-C.

• Curva temperatura-tempo transformação. Noções de tratamentostérmicos e termoquímicos. Propriedades e classificação dos aços. Ferrosfundidos. Metais e ligas não ferrosas.

Ementa

Aula 1 – Apresentação da disciplina

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Plano de ensino

• Proporcionar aos alunos conhecer os diversos tipos de materiais, suascaracterísticas, propriedades e aplicações.

Objetivos gerais


Objetivos Específicos

• Correlacionar as microestruturas com as propriedades dos materiaismetálicos. Capacitar o aluno quanto aos procedimentos e metodologiasde ensaios para medição de propriedades mecânicas de materiaismetálicos

• Desenvolver no aluno conhecimento sobre processos de tratamentotérmicos objetivando determinadas propriedades. Estudos de normas emateriais envolvidos.

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Cronograma das aulas1 - 2/16/2016 -

2 1 2/23/2016

(1) APRESENTAÇÃO DO PLANO DE ENSINO, METODOLOGIA DE ENSINO E AVALIAÇÃO

(2) Características gerais exigidas nos materiais de engenharia. Comparação entre materiais metálicos, poliméricos e cerâmicos. Ligações químicas e relação

entre elas e as propriedades de cada tipo de material.

(3) Estruturas cristalinas. Sistemas cristalinos, fator de empacotamento atômico.

3 - 3/1/2016 -

4 2 3/8/2016

(3) Imperfeições estruturais e movimentos atômicos.

(4) Propriedades mecânicas dos metais. Deformação elástica, Deformação elástica, módulo de elasticidade, limite de escoamento, limite de resistência, limite

de ruptura, alongamento estricção e tenacidade.. Deformação plástica. Curva tensão de engenharia x deformação de engenharia. Exercícios para obtenção da

curva tensão x deformação a partir da carga aplicada e do deslocamento do corpo de prova.

(5) Ruptura dos metais, fratura frágil, fratura dúctil, fadiga, fluência.

5 - 3/15/2016

6 3 3/22/2016

(6) Diagrama de equilíbrio binário, reações eutética e eutetóide, lei Gibbs.

(7) Diagrama de equilíbrio Fe-C, estruturas que se formam no resfriamento lento de aços hipoeutetóides, eutetóides e hipereutetóides. Regra da Alavanca.

- Revisão

7 - 3/29/2016

8 - 4/5/2016 PROVÁVEL NP1

9 - 4/12/2016 PROVÁVEL NP1

10 4 4/19/2016 (10) Curva temperatura-tempo-transformação, fatores que influem na posição das curvas TTT. Produtos de transformação da austenita. Temperabilidade.

(11) Noções de tratamentos térmicos: recozimento, normalização, têmpera e revenido, esferoidização, temperabilidade, austêmpera e martêmpera.

11 - 4/26/2016

12 5 5/3/2016

(12) Têmpera superficial. Tratamentos termoquímicos: cementação, nitretação e carbonitretação.

(13) Ferros fundidos – branco, cinzento, nodular, maleável. Estrutura do carbono presente em cada tipo de ferro fundido.

Propriedades dos aços, normas ABTN, ASTM E DIN, classificação dos aços.

13 - 5/10/2016

14 6 5/17/2016 (14) Metais não ferrosos e suas ligas. Cobre, bronze e latão. Alumínio e suas ligas. Introdução, propriedades aplicações, classificação e suas ligas.

- Revisão

15 - 5/24/2016 PROVÁVEL NP2

16 - 5/31/2016 PROVÁVEL NP2


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Bibliografia

• CALLISTER Jr., W. D. Ciência e Engenharia de Materiais - UmaIntrodução. 7ª Edição. Rio de Janeiro: LTC Editora, 2008.

• CHIAVERINI, V. AÇOS E FERROS FUNDIDOS. São Paulo: AssociaçãoBrasileira de Metalurgia e Materiais, 1996-2002.

• CHIAVERINI, V. TRATAMENTO TERMICO DAS LIGAS METALICAS. SãoPaulo: Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais, 2003-2008.

Bibliografia Básica

Bibliografia Complementar

• Chiaverini, V. METALURGIA DO PÓ. São Paulo: Associação Brasileira deMetalurgia e Metais, 1988-2001.

• Van Vlack, L. H. Princípios de Ciência dos Materiais. São Paulo: EdgardBlucher, 1970.

• COLPAERT, H. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns. 4ª Edição.São Paulo: Edgard Blucher, 2008.

• GARCIA, A; SPIM, J. A; SANTOS, C. A. Ensaios dos Materiais. 2ª Edição.Rio de Janeiro, LTC Editora, 2012.


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Definições

Investigação das correlações que existem entre as estruturas epropriedades de materiais.

Ciência dos Materiais

Engenharia de materiais

Projetar, desenvolver ou aperfeiçoar técnicas deprocessamento de materiais (= técnicas de fabricação) combase nas relações composição/estrutura e propriedades.

Desenvolver formas de produção de materiais socialmentedesejáveis a custo socialmente aceitável.

Aula 1 – Materiais na engenharia

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Definições

Desenvolvimento de materiais já conhecidos visando novas aplicaçõesou visando melhorias no desempenho.

Desenvolvimento de novos materiais para aplicações conhecidas.

Desenvolvimento de novos materiais para novas aplicações.


Ciência e Engenharia dos Materiais são campos intimamenteinterligados e interdisciplinares

“Ciência e Engenharia dos Materiais é a área da atividade humanaassociada com a geração e a aplicação de conhecimentos querelacionam composição, estrutura e processamento de materiais àssuas propriedades e usos.”

Morris Cohen, MIT (em Padilha, A, F – Materiais de Engenharia, Hemus, 1997, cap 1)

Objetivos

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Objetivo da Ciência e Engenharia de Materiais


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Composição

Natureza química dos materiais

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Estrutura

Associada ao arranjo dos componentes do material em

estudo

Pode ( e deve) ser analisada em diversas escalas:

Estrutura em escala atômica ( menor ou igual a nm =

10-9 m)

Nanoestrutura (da ordem de nm)

o Sólidos amorfos (alguns nm) e sólidos cristalinos

(~> 100nm até mm= 10-3 m)

Microestrutura (alguns mm = 10-6 m até mm)

Macroestrutura (normalmente≥ que mm)

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Estrutura

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Processamento

Conjunto de técnicas para obtenção de materiais com formas e

propriedades específicas.

Forjamento Laminação

Extrusão Trefilamento

Soldagem

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Processamento

Fonte: Matweb

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Propriedade

Tipo e intensidade da resposta a um estímulo que é

imposto ao material

As principais propriedades são:

Mecânicas

Elétricas

Térmicas

Magnéticas

Ópticas

Deteriorativa (corrosão, oxidação, desgaste)

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Desempenho

Resposta do material a um estímulo externo, presente nas condições

reais de utilização

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Classificação dos materiais


Metais

Cerâmicas

Polímeros

Compósitos

Semicondutores

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Metais

• Propriedades básicas

Resistentes (suportam tensões elevadas antes de romper);

Dúcteis (deformam antes de romper);

Superfície metálica

Bons condutores de corrente elétrica e calor

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Cerâmicas


Alto ponto de fusão e estabilidade térmica (refratários);

São isolantes térmicos e elétricos;

São frágeis ( rompem sem deformar)

Podem ser transparentes.

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Polímeros


A maioria dos polímeros é sintética (feita pelo homem);

Polímero mais abundante é natural: celulose;

Materiais altamente moldáveis;

Baixa densidade;

Em geral são menos resistentes do que metais e cerâmicas;

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Compósitos

• Combinação dos 3 anteriores;

• Ex: Fibra de carbono e vidro.

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Semicondutores


Condutividade controlada pela

presença de impurezas (dopantes);

Podem ser combinados entre si para

gerar propriedades eletrônicas e óticas

“sob medida”;

• Aplicações

Microeletrônica;

Opto-eletrônica – lasers, detectores,

circuitos integrados óticos e células

solares;

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Porque estudar a estrutura atômica ?

Aula 1 – Ligações químicas

•As propriedades macroscópicas dos materiais dependem essencialmente do

tipo de ligação entre os átomos.

•O tipo de ligação depende fundamentalmente dos elétrons.

•Os elétrons são influenciados pelos prótons e neutrons que formam o

núcleo atômico.

•Os prótons e nêutrons caracterizam quimicamente o elemento e

seus isótopos.

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Átomos - Conceitos Fundamentais


ÁtomoNúcleo

Prótons

NêutronElétrons

Massa Atômica (A) – dada pela soma de massa dos prótons e nêutrons

Número Atômico (Z) – dada pela quantidade de prótons no átomo

Número de elétrons = número de prótons

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Modelo Atômico de Bohr


Diagrama de Linus Pauling

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Tabela periódica


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Ligações Químicas


Os elementos se ligam para formar os sólidos para atingiruma configuração mais estável: oito elétrons na camadamais externa (Regra do octeto)

A ligação química é formada pela interação dos elétrons devalência através de um dos seguintes mecanismos:

• Ganho de elétrons

• Perda de elétrons

• Compartilhamento de elétrons

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Ligações Iônicas


•Ocorre quando um átomo com a propensão adoar seus elétrons de valência, ou seja,eletropositivo, se une a outro elemento compropensão a receber elétrons, ou seja,eletronegativo.

• O átomo eletropositvo fornece elétrons para oátomo eletronegativo, formando os íons positivos,cátions, e íons negativos, ânions.

• Assim ambos apresentam as últimas camadas devalência preenchida, resultando numa situaçãoestável, similar a um gás nobre.

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Ligações Iônicas


•A ligação iônica não é direcional, a atração émútua.

•A ligação é forte= 150-300 Kcal/mol (por isso o PFdos materiais com esse tipo de ligação égeralmente alto)

• Materiais duros e quebradiços. Bons isolantestérmicos e elétricos.

•A ligação predominante nos materiais cerâmicos éiônica.

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Ligações Covalentes


•Quando dois átomos eletronegativos (tendência a

receber elétrons para se estabilizar) compartilham

elétrons entre si, forma-se a ligação covalente.

Podem ocorrer entre átomos do mesmo elemento

ou não.

• Compartilham um, dois ou três pares de elétrons

formando ligações covalente simples, duplas ou

triplas.

HHElétron do

hidrogênioH2

Elétron do

Carbono

Elétron do

hidrogênio

H

H

H

H

C

CH4

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Ligações Covalentes


• Diferente do par iônico, a ligação covalente é direcional e amolécula formada pode existir individualmente sem a necessidadede formar retículos cristalinos.

• As moléculas podem porém ser atraídas por ligações secundáriasfracas devido à existência de dipolos eletrostáticos (Van der Waals).

• Apesar da ligação ser covalente ser forte, a ligação intermolecularé fraca resultando em baixos pontos de fusão

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Ligações Metálicas


•Sólidos metálicos são formados por

átomos empacotados próximos uns dos

outros na forma de uma rede cristalina

tridimensional.

• Poucos elétrons de valência são

fracamente ligados ao núcleo e devido à

proximidade do átomos se movem nos

níveis mais altos de energia formando uma

nuvem eletrônica.

• Os outros elétrons permanecem ligados

ao núcleo formando um cátion igual à dos

elétrons livres.

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Ligações Metálicas


• A repulsão eletrostática entre os cátionsvizinhos é contra balanceada pelos elétronslivres (funcionam como uma cola para manterjuntos os núcleos iônicos). A ligação metálicapossui uma caráter não direcional.

• A força da ligação depende da quantidade deelétrons livres e varia de forte a fraca.

• Conduzem bem calor e eletricidade –consequência dos elétrons livres

• A falha é do tipo dúctil (experimentamdeformação antes de romperem) que é umacaracterística da ligação metálica.

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Questões


1) Explique com suas palavras os tipos de ligações primárias

existentes

2) Cite as diferenças entre elas e as consequências em algumas

propriedades mecânicas.

3) Porquê materiais com ligações covalentes são menos densos

que os com ligação metálica ou iônica?

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Estrutura Cristalina

Aula 1 – Estrutura Cristalina

•As propriedades dos materiais sólidos cristalinos depende da estrutura

cristalina, ou seja, da maneira na qual os átomos, moléculas ou íons estão

dispostos no espaço.

• Há um grande número de diferentes estruturas cristalinas, desde

estruturas simples exibidas pelos metais até estruturas mais complexas

exibidas pelas cerâmicas e polímeros

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Aula 1 –Aula 1 – Estrutura Cristalina

Materiais sólidos são classificados de acordo com a regularidade no

arranjo de átomos e/ou íons

Cristalino – átomos estão situados em

um arranjo repetitivo (ou periódico) a

grandes distâncias atômicas.

Amorfo – não apresentam ordem de

grande alcance

– a estrutura atômica é similar

(comparável) a de líquidos

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Estrutura Cristalina

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Células unitárias

•Pequeno grupo de átomos que forma um padrão repetitivoao longo da estrutura tridimensional.

• A célula unitária é escolhida para representar a simetria daestrutura cristalina.

• Os vértices da célula unitária coincidem com o centro daesfera que representa o átomo.

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Redes de Bravais

- 7 Sistemas crislalinos

- 14 arranjos diferentes

- As estruturas cristalinas mais comunsem metais são:

Cúbica de corpo centrado (CCC)

Cúbica de face centrada (CFC)

Hexagonal compacta (HC)

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Cúbico de Corpo Centrado (CCC)

Cada vértice possui 1/8 de átomo e há 1 átomo no centro da célula unitária.

Há 2 átomos por célula unitária

Ex.: Cromo (Cr), Tungstênio (W), Ferro (Fe)

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Cúbico de Corpo Centrado (CCC)

No sistema CCC os átomos se tocam ao longo da diagonal do cubo. Desta forma a aresta do cubo será:

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Cúbico de Face Centrada (CFC)

Cada vértice possui 1/8 de átomo e cada face possui1/2 átomo.

Há 4 átomos por célula unitária

Ex.: Cobre (Cu), Ferro (Fe), Alumínio (Al)

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Cúbico de Face Centrada (CFC)

No sistema CFC os átomos se tocam ao longo da diagonal da face do cubo. Desta forma a aresta do cubo será:

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Hexagonal Compacta (HC)

Há 2 planos com 6 átomos formando um hexágono com um átomo no centro. E um plano adicional com 3 átomos, situado entre os planos superior e inferior.

Cada célula unitária contém o equivalente a 6 átomos:

1/6 átomos em cada um dos 12 vértices, ½ átomos em cada um dos dois centros dos planos e 3 átomos no plano intermediário.

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Fator de Empacotamento Atômico (FEA)

O Fator de Empacotamento Atômico representa o volume da célula unitária efetivamente ocupado pelos átomos, ou seja a eficiência de empacotamento dos átomos.

Volume de cada átomo:

Volume da célula unitária cúbica:

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Fator de Empacotamento Atômico (FEA)

Estrutura FEA

CFC 0,74

CCC 0,68

HC 0,74

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Polimorfismo ou Alotropia

• Alguns metais e não-metais podem ter mais de umaestrutura cristalina dependendo da temperatura e pressão.Esse fenômeno é conhecido como polimorfismo.

• Geralmente as transformações polimorficas sãoacompanhadas de mudanças na densidade e mudanças deoutras propriedades físicas.

Ex.: Ferro, titânio, carbono (grafite e diamante)

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Polimorfismo ou Alotropia

Formas alotrópicas de alguns metais. Variações alotrópicas do Ferro puro

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Aula 1 –

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Questões

Aula 1 – Estrutura Cristalina

1) Qual a diferença entre estrutura atômica e cristalina?

2) Mostre a relação abaixo para a estrutura CCC: a = 4R/(3)½

3) Mostre o fator de empacotamento para CCC é 0,68.

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