Aula01 2005 2p, Notas de aula de Engenharia Civil
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Aula 01 de PMT2100 (Materiais) -- 2005
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Aula01_2005

1

ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais

PMT 2100 - Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia

2º semestre de 2005

CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS

LIGAÇÕES QUÍMICAS

PMT-2100 – Introdução à Ciência dos Materiais para a Engenharia - 2005

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Parte I Ciência e Engenharia dos Materiais : Definições

Classificação dos Materiais

OBJETIVOS

• Apresentar a relação entre Ciência dos Materiais e Engenharia de Materiais.

• Apresentar a relação entre composição, estrutura, processamento e propriedades/desempenho de um material.

• Apresentar uma classificação dos diferentes tipos de materiais.

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Definições

• Ciência dos Materiais – Investigação das relações entre composição/estrutura e

propriedades dos materiais

• Engenharia dos Materiais – Projetar, desenvolver ou aperfeiçoar técnicas de

processamento de materiais (= técnicas de fabricação) com base nas relações composição/estrutura e propriedades.

– E também: • Desenvolver formas de produção de materiais socialmente

desejáveis a custo socialmente aceitável.

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Definições

• Ciência e Engenharia dos Materiais são campos intimamente interligados e interdisciplinares.

• “Ciência e Engenharia dos Materiais é a área da atividade humana associada com a geração e a aplicação de conhecimentos que relacionem composição, estrutura e processamento de materiais às suas propriedades e usos.”

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

• Objetivos: – Desenvolvimento de materiais já conhecidos visando novas

aplicações ou visando melhorias no desempenho. – Desenvolvimento de novos materiais para aplicações conhecidas. – Desenvolvimento de novos materiais para novas aplicações.

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5 Objeto

da Ciência

e Engenharia

de Materiais

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Composição e Estrutura

• Composição – Natureza química dos materiais

• Estrutura – Associada ao arranjo dos componentes do material em

estudo – Pode (e deve) ser analisada em diferentes escalas

• Estrutura em escala atômica (menor ou igual a nm = 10-9m)) • Nanoestrutura (da ordem de nm)

– Sólidos Amorfos (alguns nm) e Sólidos Cristalinos (~ >100nm até mm=10-3m)

• Microestrutura (alguns µm = 10-6m até mm) • Macroestrutura (normalmente igual ou maior que mm)

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Estruturas

Bloco de motor em liga de alumínio fundido

(material em desenvolvimento) Ford Motor Company

Escala Atômica

Escala “Nano”

Escala “Micro”

Escala “Macro”

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Propriedades de um Material

• Propriedade – Tipo e intensidade da resposta a um estímulo que é imposto

ao material

• As principais propriedades dos materiais podem ser agrupadas em: – Mecânicas – Elétricas – Térmicas – Magnéticas – Ópticas – Químicas – de degradação (corrosão, oxidação, desgaste)

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Processamento e Desempenho

• Processamento: conjunto de técnicas para obtenção de materiais com formas e propriedades específicas.

• Desempenho: resposta do material a um estímulo externo, presente nas condições reais de utilização.

Exemplo : três amostras de alumina (Al2O3) processadas por diferentes rotas

Monocristal (transparente)

Policristal denso

(translúcido)

Policristal poroso (opaco)

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São muitas perguntas...

...a serem feitas Em cada caso!

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Parte II Ligações Químicas

OBJETIVO

• Relacionar o tipo de ligação química com as principais propriedades dos materiais.

ROTEIRO • Recordar conceitos básicos:

– Conceitos fundamentais da estrutura atômica

– Modelo atômico de Bohr e o da mecânica quântica. – Eletronegatividade

• Recordar os tipos de ligações químicas.

• Relacionar propriedades com os tipos de ligações químicas.

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CONCEITOS FUNDAMENTAIS

• Cada átomo é composto por: – Núcleo → prótons e nêutrons. – Elétrons, que circundam o núcleo.

• Elétrons e prótons são carregados eletricamente. – Elétrons tem carga negativa; prótons tem carga positiva; nêutrons

não tem carga. – A magnitude da carga do próton e do elétron é 1,602 x 10-19C.

• As massas são muito pequenas: – Prótons e nêutrons possuem massas quase iguais e que valem

respectivamente 1,673 x 10-27kg e 1,675 x 10-27kg. – Elétrons tem massa igual a 9,1095 x 10-31kg.

• Cada elemento é caracterizado: – Pelo seu número atômico → número de prótons dentro do núcleo. – Pela sua massa atômica → soma do número de prótons e do

número de nêutrons dentro do núcleo.

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MODELO ATÔMICO: o Átomo de Bohr • Posição de cada elétron em

particular é mais ou menos bem definida em termos do seu orbital.

• Energias dos elétrons são quantizadas → mudança de orbital é possível, com absorção (maior energia) ou emissão (menor energia) de energia.

• Estados adjacentes são separados por energias finitas.

• O modelo de Bohr apresenta limitações significativas, não servindo para explicar vários fenômenos envolvendo os elétrons.

Modelo de Bohr

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Modelo Mecânico-Ondulatório • As deficiências do modelo

de Bohr foram supridas pelo modelo atômico da mecânica quântica.

• Nesse modelo, o elétron apresenta características tanto de onda, quanto de partícula.

• O elétron não é mais tratado como uma partícula que se movimenta num orbital discreto.

• A posição do elétron passa a ser considerada como a probabilidade deste ser encontrado em uma região próxima do núcleo.

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• Comparação entre as distribuições eletrônicas: – Segundo o modelo

atômico de Bohr

– Segundo o modelo mecânico- ondulatório (mecânica quântica)

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Números Quânticos • Cada elétron em um átomo é caracterizado por quatro

parâmetros → os números quânticos. • Não existem dois elétrons com os mesmos números

quânticos.

• Número quântico principal n – n = 1, 2, 3, 4, 5,… (ou K, L, M, N, O,.…)

• Número quântico orbital (ou secundário) l → subcamadas s, p, d, f,… – l = 0, 1, 2, 3, 4,…, (n -1)

• Número quântico orbital magnético (ou terceiro) ml – ml = - l, (- l +1),…, (l - 1), l

• Número quântico de spin (ou quarto) → ms = -1/2, +1/2.

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EXEMPLO

Configuração Eletrônica do

Átomo de Sódio

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Elétrons de Valência - Configurações Estáveis

• Elétrons de Valência – São aqueles que ocupam

a camada eletrônica mais externa.

• Configurações Eletrônicas Estáveis – As camadas eletrônicas

mais externas estão completamente preenchidas.

Elétron de valência do sódio

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Tabela Periódica Os elementos químicos são classificados de acordo com a sua configuração eletrônica

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Eletronegatividade

Maior facilidade em ceder elétrons = CÁTIONS

Maior facilidade em ganhar elétrons

= ÂNIONS

Inertes

• Eletronegatividade → “poder que um átomo tem de atrair elétrons para si” • Primeira escala → definida por Pauling (existem outras → Mulliken, Alfred-Rochow) • Escala de Pauling → define-se arbitrariamente a eletronegatividade de um elemento

→ a dos o tros é d a em relação a esse elemento.

Escala de Eletronegatividade de Pauling

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FORÇAS E ENERGIAS DE LIGAÇÃO

• Quando dois átomos se aproximam, eles exercem uma força um no outro:

RAN FFF += onde:

FA ≡ força de atração FR ≡ força de repulsão FN ≡ força resultante

• A energia potencial (EN) será dada por:

∫ ∫∫ ∞ ∞

+== r r

RANN drFdrFdrFE

onde: r ≡ distância interatômica

(Caso Unidimensional)

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Forças de atração e de repulsão em função

da distância interatômica r para dois átomos isolados

Energia potencial em função da distância

interatômica r para dois átomos isolados

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A distância de ligação entre dois átomos é a distância correspondente ao ponto de mínima energia (soma dos dois raios atômicos). (a) Para metais puros, todos os átomos têm o mesmo raio atômico. (b) Para sólidos iônicos, os raios atômicos são diferentes, uma vez que íons adjacentes nunca são idênticos.

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Relação entre algumas propriedades e as curvas de força e energia de ligação

• Propriedades Mecânicas – Em escala atômica, a deformação

plástica é manifestada como uma pequena alteração na distância interatômica e na energia da ligação.

– Quanto maior o poço de potencial, maior será a energia de ligação → maior a resistência à separação de átomos adjacentes.

– Propriedades mecânicas tais como módulo de elasticidade e dureza são dependentes da energia de ligação.

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Relação entre algumas propriedades e as curvas de força e energia de ligação

Obs.: o módulo de elasticidade é uma propriedade mecânica que será estudada em detalhe

mais à frente no curso

• O módulo de elasticidade depende da forma da curva de F(r).

• Derivada da curva de F(r) no ponto r = r0 com valor elevado → maior módulo de elasticidade → material b (menor energia de ligação) é mais dúctil que o material a .

r0

r0

Módulo de

elasticidade

r0 = ponto onde forças de atração e repulsão

são iguais

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Relação entre algumas propriedades e as curvas de força e energia de ligação

• Um “poço” profundo profundo e estreito (elevadas energias de ligação) está relacionado a um baixo coeficiente de expansão térmica.

Obs.: IAE = interatomic energy

Coeficiente de

Expansão Térmica

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Relação entre algumas propriedades e as curvas de força e energia de ligação

• Materiais que apresentam grandes energias de ligação (≡ poços de potencial profundos) também apresentam temperaturas de fusão e de ebulição elevadas.

Pontos de fusão e de ebulição

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Ligações Primárias – Ligação Iônica

• Envolve a transferência de elétrons de um átomo para outro.

• A ligação é não-direcional. • Grande diferença de

eletronegatividade entre os elementos

• A ligação iônica resulta da atração eletrostática entre dois íons de cargas opostas.

• Forças de atração → Coulomb → variam com o inverso da distância interatômica.

Exemplo: Cloreto de sódio → tanto o cátion Na+ quanto o ânion Cl - ficam

com seus orbitais externos completos.

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Ligações Primárias – Ligação Covalente

• Envolve o compartilhamento dos elétrons de valência de átomos adjacentes.

• A ligação resultante é altamente direcional.

• Pequena diferença de eletronegatividade entre os elementos.

Representação esquemática da ligação covalente na sílica ( SiO2 )

Representação esquemática da ligação covalente na molécula

de metano ( CH4 )

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Ligações Primárias – Ligação Metálica

• Átomos dos metais possuem de um a três elétrons de valência.

• A ligação resultante é não-direcional.

• Os elétrons de valência passam a se comportar como elétrons “livres” : – Apresentam a mesma

probabilidade de se associar a um grande número de átomos vizinhos.

– Formam uma “nuvem eletrônica” .

Modelo Simplificado

Ilustração esquemática da ligação metálica

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Ligações Secundárias ou de Van der Waals

• Ocorrem atrações entre dipolos gerados pela assimetria de cargas.

• O mecanismo dessas ligações é similar ao das ligações iônicas, porém não existem elétrons transferidos.

• As ligações dipolares podem ser entre: – dipolos permanentes. – dipolos permanentes e

induzidos. – dipolos induzidos flutuantes.

Ligações de Van de Waals no PVC (entre duas moléculas distintas)

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Ligações Secundárias ou de Van der Waals

Dipolos Induzidos Flutuantes

Dipolo Molecular Permanente

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Ponte de Hidrogênio

• É um caso especial de ligação entre moléculas polares.

• É o tipo de ligação secundária mais forte.

• Ocorre entre moléculas em que o H está ligado covalentemente ao flúor (como no HF), ao oxigênio (como na água) ou ao nitrogênio (por exemplo, NH3).

Ponte de hidrogênio na molécula da água

Ponte de hidrogênio no HF

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Classificação dos Materiais

• Os materiais podem ser classificados de diversas formas.

• Uma classificação muito utilizada, é baseada na composição: – Metálicos

– Cerâmicos – Poliméricos – Compósitos

Cerâmicos →

← Metálicos

← Poliméricos

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Metais • Composição: combinação de

elementos metálicos. • Grande número de elétrons livres. • Muitas propriedades estão

relacionadas a esses elétrons livres.

• Propriedades gerais : – Resistência mecânica de

moderada a alta. – Moderada plasticidade. – Alta tenacidade. – Opacos. – Bons condutores elétricos e

térmicos.

(a) Micrografia óptica de um latão policristalino; (b) micrografia óptica (luz refletida) de um aço

hipoeutetóide, mostrando perlita grossa

(a)

(b)

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Cerâmicas • Composição : combinação de

elementos metálicos e não-metálicos (óxidos, carbetos e nitretos ).

• Tipos de ligações – Caráter misto, iônico-covalente

• Tipos de materiais : – Cerâmicas tradicionais.

– Cerâmicas de alto desempenho. – Vidros e vitro-cerâmicas.

– Cimentos

• Propriedades gerais : – Isolantes térmicos e elétricos.

– Refratários.

– Inércia química.

– Corpos duros e frágeis.

Micrografia eletrônica de varredura de uma amostra de porcelana calcinada (atacada por HF a 5oC durante 15s)

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Polímeros • Composição : compostos orgânicos

– Carbono, hidrogênio, oxigênio e outros elementos, tais como nitrogênio, enxofre e cloro.

• Compostos de massas moleculares muito grandes (macro-moléculas).

• Tipos de materiais :

– Termo-plásticos.

– Termo-rígidos.

– Elastômeros . • Propriedades gerais :

– Baixa densidade.

– Flexibilidade e facilidade de conformação.

– Tenacidade.

– Geralmente pouco resistentes a altas temperaturas.

Micrografia óptica de transmissão (usando luz polarizada cruzada) mostrando a estrutura esferulítica

de um polietileno.

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Compósitos • Constituídos por mais de um tipo de

material: – Matriz

– Reforçador

• Projetados para apresentar as melhores características de cada um dos materiais envolvidos.

• Exemplos: – Produtos fabricados em “fibras de

vidro” (“fiberglass”) → são constituídos por fibras de um material cerâmico (vidro) reforçando uma matriz de material polimérico.

Duas micrografias eletrônicas de varreduras de : (a) superfície de fratura de um compósito de matriz polimérica

com reforço de fibras de carbono; (b) fibras de carbono trançadas, usadas em compósitos de matriz polimérica.

(a)

(b)

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Materiais segundo o tipo de ligação

Tetraedro que representa a contribuição relativa dos diferentes tipos de ligação para categorias de materiais de engenharia

(metais, cerâmicas e polímeros)

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PMT-2100 – Introdução à Ciência dos Materiais para a Engenharia - 2005

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Capítulos do Callister tratados nesta aula – Capítulo 1, completo : Introdução – Capítulo 2, completo : Estrutura atômica e ligações químicas – Item 6.3 : Considerações a respeito do módulo de elasticidade em

relação à energia de ligação – Item 20.3 : Considerações a respeito do coeficiente de expansão

térmica

• Outras referências importantes – Apostilas sobre ligações químicas do curso de PQI-2110 – Van Vlack , L. - Princípios de Ciência dos Materiais, 3a ed., Cap. 2. – Padilha, A.F. – Materiais de Engenharia. Hemus. São Paulo. 1997. Caps.1

a 3. – Askeland, D.R. e Phulé, P.P. - The Science and Engineering of Materials.

Thomson Brooks/Cole. 4a edição. 2003. Caps. 1 e 2.

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