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ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULODepartamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais

PMT 2100 - Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia 2º semestre de 2006 CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAISCLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAISLIGAÇÕES QUÍMICAS

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2Parte ICiência e Engenharia dos Materiais : DefiniçõesClassificação dos Materiais OBJETIVOS•Apresentar a relação entre Ciência dos Materiais e Engenharia deMateriais.•Apresentar a relação entre composição, estrutura, processamento epropriedades/desempenho de um material.•Apresentar uma classificação dos diferentes tipos de materiais.

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3Definições •Ciência dos Materiais–Investigação das relações entre composição/estrutura epropriedades dos materiais•Engenharia dos Materiais–Projetar, desenvolver ou aperfeiçoar técnicas de processamentode materiais (= técnicas de fabricação) com base nas relaçõescomposição/estrutura e propriedades.–E também:•Desenvolver formas de produção de materiais socialmentedesejáveis a custo socialmente aceitável.

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•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 querelacionem composição, estrutura e processamento de materiais àssuas 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 aplicaçõesou visando melhorias no desempenho.–Desenvolvimento de novos materiais para aplicações conhecidas.–Desenvolvimento de novos materiais para novas aplicações. Definições

PMT 2100 Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia EPUSP - 2006 5ObjetodaCiênciae EngenhariadeMateriais

PMT 2100 Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia EPUSP - 2006 6Composição e Estrutura•Composição–Natureza química dos materiais•Estrutura–Associada ao arranjo dos componentes do material emestudo–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 atém=10-3m)•Microestrutura (alguns µm = 10-6m até m)•Macroestrutura (normalmente igual ou maior que m)

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Bloco de motor em liga de alumínio fundido(material em desenvolvimento) Ford Motor Company

Escala Atômica Escala “Nano”

Escala “Micro” Escala “Macro” Estruturas

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•Propriedade–Tipo e intensidade da resposta a um estímulo que é imposto aomaterial•As principais propriedades dos materiais podem ser agrupadasem:–Mecânicas–Elétricas–Térmicas–Magnéticas–Ópticas–Químicas–de Degradação (corrosão, oxidação, desgaste) Propriedades de um Material

9Processamento e Desempenho•Processamento: conjunto de técnicas para obtenção demateriais com formas e propriedades específicas.•Desempenho: resposta do material a um estímuloexterno, presente nas condições reais de utilização.

Exemplo : Três amostras de óxido de alumínio (Al2O3) processadas por diferentes rotas.

Monocristal(transparente)

Policristaldenso(translúcido) Policristalporoso(opaco)

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10São muitas perguntas... ...a serem feitasem cada caso!

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OBJETIVO•Relacionar o tipo de ligação química com as principais propriedadesdos 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. Parte IILigações Químicas

PMT 2100 Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia EPUSP - 2006 12Conceitos 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 nãotem 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 valemrespectivamente 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 denêutrons dentro do núcleo.

PMT 2100 Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia EPUSP - 2006 13MODELO ATÔMICO: o Átomo de Bohr•Posição de cada elétron emparticular é mais ou menosbem definida em termos do seuorbital.•Energias dos elétrons sãoquantizadas → mudança deorbital é possível, comabsorção (maior energia) ouemissão (menor energia) deenergia.•Estados adjacentes sãoseparados por energias finitas.•O modelo de Bohr apresentalimitações significativas, nãoservindo para explicar váriosfenômenos envolvendo oselétrons.Modelo de Bohr

PMT 2100 Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia EPUSP - 2006 14Modelo Mecânico-Ondulatório•As deficiências do modelo deBohr foram supridas pelomodelo atômico da MecânicaQuântica.•Nesse modelo, o elétronapresenta características tantode onda, quanto de partícula.•O elétron não é mais tratadocomo uma partícula que semovimenta num orbital discreto.•A posição do elétron passa aser considerada como aprobabilidade deste serencontrado em uma regiãopróxima do núcleo.

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15 •Comparação entre asdistribuiçõeseletrônicas:–Segundo o modeloatômico de Bohr–Segundo o modelomecânico-ondulatório(mecânica quântica)

PMT 2100 Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia EPUSP - 2006 16Números Quânticos•Cada elétron em um átomo é caracterizado por quatroparâmetros → 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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17 EXEMPLOConfiguraçãoEletrônica doÁtomo de Sódio

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18Elétrons de Valência - Configurações Estáveis •Elétrons de Valência–São aqueles que ocupam acamada eletrônica maisexterna.•Configurações EletrônicasEstáveis–As camadas eletrônicasmais externas estãocompletamentepreenchidas.Elétron de valência do sódio

PMT 2100 Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia EPUSP - 2006 19Tabela PeriódicaOs elementos químicos são classificados de acordo com a sua configuração eletrônica

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20Eletronegatividade

Maior facilidade emceder elétrons= CÁTIONS Maior facilidade emganhar elétrons= ÂNIONSInertes

• 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 outros é dada em relação a esse elemento.

Escala de Eletronegatividade de Pauling

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21Forças e Energias de Ligação

•Quando dois átomos se aproximam, eles exercem uma força um nooutro: RAN

F+=onde:FA ≡ força de atraçãoFR ≡ força de repulsãoFN ≡ força resultante• A energia potencial (EN) será dada por:

r r drFdrFdrFEonde:r ≡ distância interatômica

(Caso Unidimensional)

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2 Forças de atração ede repulsão em funçãoda distância interatômica (r)para dois átomos isolados

Energia Potencial em função da distânciainteratômica (r) para doisátomos isolados

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23 A distância de ligação entre dois átomos é a distância correspondenteao ponto de mínima energia (soma dos dois raios atômicos). (a) Parametais puros, todos os átomos têm o mesmo raio atômico. (b) Parasólidos iônicos, os raios atômicos são diferentes, uma vez que íonsadjacentes nunca são idênticos.

PMT 2100 Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia EPUSP - 2006 24Relação Entre Algumas Propriedades e as Curvasde Força e Energia de Ligação•Propriedades Mecânicas–Em escala atômica, a DEFORMAÇÃOELÁSTICA é manifestada como umapequena alteração na distânciainteratômica e na energia da ligação.–A profundidade do poço de potencial éuma medida da energia de ligação;quanto maior for sua profundidade,maior será a energia de ligação e,portanto, também maior será aresistência à deformação elástica(RIGIDEZ).–O MÓDULO DE ELASTICIDADE é umamedida da rigidez de um material.

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Obs.: o módulo de elasticidade é uma propriedade mecânicaque será estudada em detalhemais à frente no curso •O módulo de elasticidade podeser associado à derivada da curvaF(r) no ponto r = r0; quanto maiorfor o valor da derivada, maior seráo módulo de elasticidade.•O material a é mais rígido que omaterial b.r0r0

Módulo de elasticidade r0 = ponto onde forças de atração e repulsão são iguais

Relação Entre Algumas Propriedades e as Curvasde Força e Energia de Ligação

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•Um “poço” profundo profundo eestreito (elevadas energias de ligação)está relacionado a um baixocoeficiente de expansão térmica.Obs.: IAE = interatomic energy

Coeficiente deExpansãoTérmica Relação Entre Algumas Propriedades e as Curvasde Força e Energia de Ligação

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•Materiais que apresentam grandesenergias de ligação (ou seja, poços depotencial profundos) tambémapresentam temperaturas de fusão ede ebulição elevadas.

Pontos de fusão e de ebulição Relação Entre Algumas Propriedades e as Curvasde Força e Energia de Ligação

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28Ligações Primárias – Ligação Iônica

•Envolve a transferência deelétrons de um átomo paraoutro.•A ligação é não-direcional.•Grande diferença deeletronegatividade entre oselementos•A ligação iônica resulta daatração eletrostática entre doisíons de cargas opostas.•Forças de atração Coulombianas (variamcom o quadrado do inverso da distânciainteratômica). Exemplo: Cloreto de sódio → tanto ocátion Na+ quanto o ânion Cl - ficamcom seus orbitais externos completos.

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Representação esquemática da ligação covalente na moléculade metano ( CH4 ) Ligações Primárias – Ligação Covalente

•Envolve o compartilhamento doselétrons de valência de átomosadjacentes.•A ligação resultante é altamentedirecional.•Pequena diferença deeletronegatividade entre os elementos. Representação esquemática daligação covalente na sílica ( SiO2 )

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30Ligações Primárias – Ligação Metálica

•Átomos dos metais possuemde um a três elétrons devalência.•A ligação resultante é não-direcional.•Os elétrons de valênciapassam a se comportarcomo elétrons “livres” :–Apresentam a mesmaprobabilidade de seassociar a um grandenúmero de átomosvizinhos.–Formam uma “nuvemeletrônica” . Modelo Simplificado

Ilustração esquemática da ligação metálica

PMT 2100 Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia EPUSP - 2006 31Ligações Secundárias ou de Van der Waals•Ocorrem atrações entre dipolosgerados pela assimetria decargas.•O mecanismo dessas ligaçõesé similar ao das ligaçõesiônicas, porém não existemelétrons transferidos.•As ligações dipolares podemser entre:–dipolos permanentes.–dipolos permanentes einduzidos.–dipolos induzidos flutuantes.Ligações de Van de Waals no PVC(entre duas moléculas distintas)

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Dipolos Induzidos FlutuantesDipolo MolecularPermanente Ligações Secundárias ou de Van der Waals

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33Ponte de Hidrogênio

•É um caso especial de ligaçãoentre moléculas polares.•É o tipo de ligação secundáriamais forte.•Ocorre entre moléculas em queo H está ligado covalentementeao flúor (como no HF), aooxigênio (como na água) ou aonitrogênio (por exemplo, NH3). Ponte de hidrogênio na molécula da água

Ponte de hidrogênio no HF

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35Classificação dos Materiais

Cerâmicos → ← Metálicos

← Poliméricos •Os materiais podem serclassificados de diversasformas.

• Uma classificação muitoutilizada, é baseada nacomposição:– Metálicos– Cerâmicos– Poliméricos– Compósitos

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36(a)Metais•Composição: combinação deelementos metálicos.•Grande número de elétrons livres.•Muitas propriedades estãorelacionadas a esses elétrons livres.•Propriedades gerais :–Resistência mecânica de moderada aalta.–Moderada plasticidade.–Alta tenacidade.–Opacos.–Bons condutores elétricos e térmicos. (a) Micrografia óptica de um latão policristalino;(b) micrografia óptica (luz refletida) de um açohipoeutetóide, mostrando perlita grossa

(b)

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37Cerâmicas•Composição : combinação deelementos 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 deuma amostra de porcelana calcinada(atacada por HF a 5oC durante 15s)

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38Polímeros•Composição : compostos orgânicos–Carbono, hidrogênio, oxigênio e outroselementos, tais como nitrogênio, enxofree cloro.•Compostos de massas molecularesmuito grandes (macro-moléculas).•Tipos de materiais :–Termo-plásticos.–Termo-rígidos.–Elastômeros.•Propriedades gerais :–Baixa densidade.–Flexibilidade e facilidade deconformação.–Tenacidade.–Geralmente pouco resistentes a altastemperaturas. Micrografia óptica de transmissão(usando luz polarizada cruzada)mostrando a estrutura esferulíticade um polietileno.

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39Compósitos•Constituídos por mais de um tipo dematerial:–Matriz–Reforçador•Projetados para apresentar asmelhores características de cada umdos materiais envolvidos.•Exemplos:–Produtos fabricados em “fibras devidro” (“fiberglass”) → são constituídospor fibras de um material cerâmico(vidro) reforçando uma matriz dematerial polimérico. Duas micrografias eletrônicas de varreduras de:(a) superfície de fratura de um compósito de matrizpolimérica com reforço de fibras de carbono;(b) fibras de carbono trançadas, usadas em compósitosde matriz polimérica.

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