Ciência dos Materiais: Estruturas Atômicas e Propriedades, Notas de aula de Engenharia Mecânica

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Ciência dos Materiais

PGMEC – EME 716

Prof Adriano Scheid

Introdução:

A Ciência dos Materiais envolve a investigação das relações

que existem entre as estruturas e propriedades dos materiais.

A Engenharia dos Materiais, baseada nas correlações

estruturas-propriedades, busca o desenvolvimento de certas

estruturas a fim de obter um determinado conjunto de

propriedades.

Estrutura:

A estrutura de um material está relacionada de forma usual ao arranjo dos componentes internos. Em escala subatômica, a estrutura envolve os elétrons e sua interação com os núcleos. Em escala atômica, a estrutura envolve a organização dos átomos ou moléculas relativamente umas às outras. Em uma escala maior temos os agrupamentos atômicos, normalmente denominados “Estrutura Microscópica” ou Microestrutura e podem ser observados por técnicas de microscopia normais.

Introdução:

Processamento e Desempenho:

Adicionalmente à estrutura e propriedades, é necessário ainda uma análise das condições de Processamento dos Materiais e de seu Desempenho. Uma vez que a estrutura desenvolvida em determinado material depende do seu processamento e que a estrutura dita as propriedades, que por sua vez dita o desempenho, existe uma correlação linear entre estes fatores. Processamento  Estrutura  Propriedades  Desempenho Exemplo: Transmitância da luz em três amostras de óxido de Alumínio, sendo: (a) Monocristal (safira) - Transparente (b) Policristalino e denso - Translúcido (c) Policristalino com 5% porosidade - Opaco (a) (b) (c)

Introdução:

Porque estudar Ciência e Engenharia dos Materiais?

Três razões estão normalmente envolvidas e que justificam o estudo dos materiais: 1 - Conhecimento a fim de suportar a seleção de materiais em projetos, a partir da avaliação das condições de serviço e propriedades dos diversos materiais disponíveis, buscando a opção que atenda mais plenamente. 2 - Análise da potencial deterioração dos materiais, por exemplo, pela exposição em elevada temperatura ou por ambientes corrosivos. 3 - Análise econômica da seleção e especificação dos materiais, considerando custo, desempenho, manutenção, reciclagem, entre outros.

Introdução:

Classificação dos Materiais

Os materiais sólidos são classificados convenientemente em três diferentes grupos: Metais, Polímeros e Cerâmicos. 1 - Metais Os materiais metálicos são normalmente combinações de elementos metálicos. Nesta classe existe um grande número de elétrons livres, ou seja, não ligados a um átomo em especial. São ótimos condutores elétricos e térmicos e não são transparentes à luz visível. Uma superfície metálica polida é adquire aparência lisa ou polida. Os metais são em geral resistentes e deformáveis, o que justifica o uso em inúmeras aplicações estruturais. Mola da Válvula Válvula de Admissão Came Comando de Válvulas Válvula de Exaustão Pistão Virabrequim

Introdução:

Classificação dos Materiais

Os materiais sólidos são classificados convenientemente em três diferentes grupos: Metais, Polímeros e Cerâmicos. 2 - Cerâmicos Os materiais cerâmicos são combinações de elementos metálicos e não metálicos, frequentemente óxidos, nitretos e carbetos. Nesta classificação, existe um grande número de materiais, como: argilas, cimentos e vidros. Apresentam ligações tipo iônicas ou covalentes, sendo isolantes elétricos e térmicos. Os cerâmicos são em geral resistentes e muito frágeis. São resistentes à elevadas temperaturas e muito resistentes a ambientes corrosivos.

Introdução:

Classificação dos Materiais

De forma complementar, é usual classificar outros três grupos, derivados dos anteriores, que são: Compostos, Semicondutores e Biomateriais. 4 - Compostos Compósito é basicamente um material em cuja composição entram dois ou mais tipos de materiais diferentes. Alguns exemplos são metais e polímeros, metais e cerâmicos ou polímeros e cerâmicos. Os materiais que podem compor um material compósito podem ser classificados em dois tipos: Material matriz é o que confere estrutura ao material compósito, preenchendo os espaços vazios que ficam entre os materiais reforços e mantendo-os em suas posições relativas. Materiais de reforço são os que realçam propriedades mecânicas, eletromagnéticas ou químicas do material compósito como um todo. O grande potencial de desempenho destes materiais está baseado na possibilidade de sinergia entre material matriz e materiais reforços que resulte no material compósito final com propriedades não existentes nos materiais originais isoladamente.

Introdução:

Classificação dos Materiais

4 - Compostos (exemplos)

Introdução:

Classificação dos Materiais

De forma complementar, é usual classificar outros três grupos, derivados dos anteriores, que são: Compostos, Semicondutores e Biomateriais. 5 - Semicondutores São materiais que apresentam propriedades elétricas intermediárias entre os condutores e os isolantes. As características elétricas destes materiais são extremamente sensíveis a mínimas adições de elementos químicos ou átomos de impurezas, cujas concentrações devem ser controladas. Estes materiais permitiram a fabricação de circuitos integrados que revolucionaram a eletrônica e a indústria de computadores nas últimas duas décadas. Janela no Filme Polimérico Filme Polimérico Contato Condutor Condutor interno Buraco motor Condutor externo Placa Central

Introdução:

Classificação dos Materiais

De forma complementar, é usual classificar outros três grupos, derivados dos anteriores, que são: Compostos, Semicondutores e Biomateriais. 6 - Biomateriais São materiais empregados em implantes para o corpo humano, especialmente para substituir partes doentes, danificadas ou desgastadas. Estes materiais não podem produzir substâncias tóxicas e devem ser compatíveis com os tecidos humanos ou não causar reações bíológicas adversas (ex. ósseointegração). Pelvis Esfera Haste Femural Alojamento Acetabular Fixador Fixador Fêmur Fêmur Pelvis Pelvis Acetábulo Espinha Cabeça

Ligações e Estruturas Atômicas O início...

Antes de entender fenômenos que determinam propriedades nos materiais a partir da

MICROESTRUTURA deve-se entender a ESTRUTURA ATÔMICA e ESTRUTURA

CRISTALINA dos materiais porque estas definem algumas de suas propriedades.

ESTRUTURA PROPRIEDADES CIÊNCIA DOS MATERIAIS ESTRUTURA ATÔMICA ESTRUTURA CRISTALINA MICROESTRUTURA

• Por que os elementos não se decompõem formando novos elementos?
• Por que as substâncias se decompõem formando novas substâncias?
• Por que o número de elementos é pequeno comparado ao número de substâncias?

Surgimento de Dalton

Thompson TEORIAS: Rutherford Bohr Princípio da incerteza de Heisenberg Um Breve Histórico!

• Teoria atômica de Dalton entre 1803-1808:
  • átomo;
  • igual em todas as suas propriedades;
  • átomos de elementos possuem propriedades físicas e químicas diferentes;
  • substância formada pela combinação de dois ou mais átomos
  • Cada átomo guarda sua identidade química.
• Teoria atômica de Thomson 1887:
  • átomo de Dalton não explicava fenômenos elétricos (raios catódicos = e - );
    • modelo do “pudim de passas”: uma esfera positiva com e
      • na superfície;
    • Eugene Goldstein supôs o próton destruindo a teoria de Thomson.