ciência e engenharia dos materiais - willian callister - 5º edição.pdf

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  • Prefcio

    1 i esta Quinta Edio, mantive os objetivos e as tcnicas para o ensino da cincia e engenharia dos materiais apresen-tados nas edies anteriores. 0 primeiro e principal objetivo consiste em apresentar os fundamentos bsicos de acordo com um nvel apropriado para alunos universitrios que tenham concludo seus cursos de clculo, qumica e fsica do primei-ro ano. Com o objetivo de atingir essa meta. empenhei-me no uso de uma terminologia familiar ao aluno que estivesse se deparando pela primeira vez com a disciplina da cincia e engenharia dos materiais, e tambm na definio e explica-o de todos os termos que no fossem familiares.

    O segundo objetivo consiste em apresentar a matria em uma ordem lgica, desde os conceitos mais simples at os mais complexos. Os doze primeiros captulos esto voltados prin-cipalmente para os materiais metlicos e suas ligas, os quais. estruturalmente, so os mais simples dos quatro tipos de materiais. Os cinco captulos seguintes tratam dos materiais cermicos, polmeros, e compsitos, nessa ordem. Alm dis-so, cada captulo est construdo sobre o contedo de cap-tulos anteriores. Isso especialmente verdadeiro no caso dos Caps. 2 a 11, que tratam de ligaes atmicas, estruturas cris-talinas, imperfeies, difuso, propriedades mecnicas, discordncias. falhas, diagramas de fases, transformaes de fases e processamento trmico, nessa seqncia.

    0 terceiro objetivo, ou filosofia, que me esforo para man-ter ao longo de todo o texto aquele de que. se um tpico ou conceito digno de ser tratado neste livro, ento ele merece ser tratado com detalhes suficientes e com uma profundida-de tal que os alunos tenham a oportunidade de compreen-der por completo o assunto, sem que tenham que consultar outras fontes de informaes: ainda, na maioria dos casos, fornecida alguma aplicabilidade prtica. As discusses tm por objetivo serem claras e concisas, alm de comear a par-tir de nveis apropriados de compreenso.

    0 quarto objetivo consiste em incluir no livro caracters-ticas que iro acelerar o processo de aprendizado. Esses re-cursos de aprendizado incluem numerosas ilustraes e fo-tografias, que auxiliam na visualizao do que est sendo apresentado; perguntas e problemas ao final dos captulos. assim como as respostas para alguns problemas seleciona-dos, que ajudam na auto-avaliao do aluno: um glossrio. uma lista de smbolos, e referncias, para facilitarem a com-preenso da matria. O livro enfatiza, ainda, a importncia do uso de recursos computacionais interativos que facilitem a visualizao dos conceitos e forneam elementos para re-solver problemas de projetos e de seleo de materiais.

    Em relao s perguntas e problemas, a maioria dos pro-blemas exige clculos que levam a solues numricas: em alguns casos, pede-se ao aluno que tome uma deciso com base na soluo para o problema. Alm do mais, muitos dos conceitos dentro da disciplina da cincia e engenharia dos materiais so de natureza descritiva. Dessa forma, foram includas perguntas que exigem respostas descritivas e por escrito: o fato de ter que fornecer uma resposta por escrito auxilia o aluno a obter melhor compreenso do conceito que est associado. As perguntas so de dois tipos: em um dos tipos, o aluno precisa dar somente, em suas prprias pala-vras, uma explicao para alguma matria que foi apresen-tada no texto: outras perguntas exigem que o aluno raciocine e/ou sintetize uma idia antes de chegar a uma concluso ou uma soluo.

    CARACTERSTICAS QUE SO NOVAS NESTA EDIO Em primeiro lugar, cada captulo comea agora com duas novas sees: "Por que Estudar..." e "Objetivos do Captu-lo." Cada seo "Por que Estudar...1' estabelece a relevncia dos tpicos discutidos no captulo e, na maioria das situa-es, fornece pelo menos um exemplo. A seo "Objetivos do Captulo" oferece uma lista resumida dos objetivos gerais do aprendizado de um dado captulo pertinentes ao princpios e conceitos essenciais que o aluno deve compreender e. em muitas situaes, ser capaz de aplicar.

    Em segundo lugar, com o objetivo de melhorar a com-preenso do processo de seleo de materiais, fiz alteraes significativas nos apndices e adicionei vrios exerccios de seleo de materiais. 0 Apndice B, "Propriedades de Ma-teriais de Engenharia Selecionados"', contm agora os va-lores de onze propriedades (por exemplo, densidade, resis-tncia, condutividade eltrica, etc.) para um conjunto de aproximadamente uma centena de materiais. Uma parte desse banco de dados estava includa na Quarta Edio (como Apndice C): no entanto, os dados para as proprie-dades no eram sempre para os mesmos materiais. Ainda, um novo Apndice C foi includo, contendo os preos para todos os materiais listados no Apndice B: os critrios de seleo de materiais envolvem, quase sempre, consideraes relacionadas a custos.

    Em terceiro lugar, tentei limitar o acrscimo de matri-as novas nessa reviso. A comunidade universitria da rea

  • de engenharia est justificadamente preocupada com a maior extenso (e o aumento do custo a isto associado) de cada nova edio de um livro didtico. Compartilho essa preocu-pao, e por isso me empenhei em minimizar a incluso de novas matrias que tornassem esta edio mais longa. Con-tudo, foi necessria alguma atualizao, com o objetivo de manter o livro em dia com estado-da-arte. 1* oram adiciona-dos vrios novos problemas para trabalho de casa, a maio-ria dos quais problemas de projeto, e muitos dos outros pro-blemas foram modificados. Dado o consenso entre os pro-fessores de engenharia de que os livros atuais de introdu-o cincia e engenharia dos materiais devem, entre outras coisas, ser atuais e incluir uma quantidade significa-tiva de material referente a projeto, no considerei apropri-ado eliminar sees do livro cuja perda iria comprometer seu contedo cientfico, com o nico objetivo de tornar menor esta edio.

    Destaques: Ao longo de todo o livro, sempre que houver algum texto ou problema que possa ser suplementado computacionalmente. um pequeno cone representando o aspecto em destaque estar includo em unia das margens. Esses cones so os seguinte?:

    Cristalografia e Clulas Unitrias

    Ensaios de Trao

    Estruturas Cermicas

    Problema de Difuso e Projeto

    Estruturas de Polmeros

    Aumento da Resistncia por Soluo Slida

    Discordncias

    Diagramas de Fases

    SUPORTE NA INTERNET 0 site que d suporte a este livro pode ser encontrado em www.wiley.com/college/callister. Ele oferece uma lista ampliada dos objetivos do aprendizado, atualizaes, recur-sos adicionais para o ensino e o aprendizado, links para ou-tros sites afins, e outros recursos. Visite-nos com freqn-cia para obter os novos recursos que tornaremos dispon-veis para auxiliar o ensino da cincia e engenharia dos materiais pelos professores e o aprendizado dessa discipli-na pelos alunos.

    AGRADECIMENTOS Expresso meu agradecimento a todos aqueles que deram suas contribuies a esta edio. Estou especialmente em dbil o com as seguintes pessoas: Carl Wood da tah State University. Rishikesh K. Bharadwaj da Systran Federal Corporation. Manin bearcy da 1 levvleit-Packard Coinpany. James Moore e Venda Schadler do Rensselaer Polvtechnic Institute. e Ronald G. Kander da Virga is ;vtechnic Institute and State L niver-sity. Alm deles. idia> zestes teis foram dadas por

    Emily L. Allen >an Jos State University William D. Armstroi" niversity of Washington Michel W. Barsoum Drexel University Audrey Butler University of lowa Manred Cantow San Jos State University Paul R. Chalker The University of Liverpool J. R. Chelikowsky University of Minnesota George A. Cooper University* of Califrnia

    (Berkeley) Ari Daiz San Jos State University James H. Edgar Kansas State Lniversity Stuart Feldman University of Michigan Brian Flinn University of Washington K. S. Sree Harsha San Jos State University H. \. Hashemi Northeastern University Robert Heidersbach Cal Poly San Uuis Obispo John Hndon Ren-^elaer Polvtechnic Instituir Alan Karplus Western New England Collegi1 Sandra kwiatek U.S. Naval Academy Jennifer A. Lewis University of Illinois Norman Munroe Florida International University Patrick P. Pizzo San Jos State University Mark R. Plichta Michigan Technological

    University W. M. Reichert Duke University Murray Roblin Cal Poly Pomona J. W. Rogers, Jr. University of Washington David Srolovitz University* of Michigan Thomas G. Stoebe University of Washington Robert G. Stang University of Washington Steven M. Valisove University of Michigan Uinda Vanasupa Cal Poly San Uuis Obispo J. M. Yang UCUA "

    Tambm estou em dbito com Wayne Anderson. Editor Pa-trocinador, e Monique Calello. Editora de Produo, na \\ i-ley por sua assistncia e orientao nessa reviso. Meus agra-decimentos e minhas desculpas a outras pessoas cujas con-tribuies eu possa ter esquecido de agradecer. Por fim. ma? certamente no menos importante, meus profundos e since-ros agradecimentos pelo encorajamento e o apoio contnuo-da minha famlia e dos meus amigos.

    WlLLlAM D. C.VLLISTER. JR. Salt Lake City. I t c i h

    Janeiro de 1999

  • Sumrio

    LISTA DE SMBOLOS XV

    /. Introduo Objetivos de Aprendizado 2

    1.1 Perspectiva Histrica 2 1.2 Cincia e Engenharia do- Materiais 2 1.3 Por que Estudar Cincia e Engenharia dos Materiais? 3 1.4 Classificao dos Materiais 4 1.5 Materiais Avanados 4 1.6 Necessidades dos Materiais Modernos 4

    Referncias 5

    2. Estrutura Atmica e Ligao Interatmica 6 Objetivos de Aprendizado 7

    2.1 Introduo 7 ESTRUTURA ATMICA 7

    2.2 Conceitos Fundamentai 7 2.3 Eltrons nos tomos 7 2.4 A Tabela Peridica 11

    LIGAO ATMICA NOS SLIDOS 12 2.5 Foras e Energias de Ligao 12 2.6 Ligaes Interatmicas Primrias 13 2.7 Ligaes Secundrias ou Ligaes de

    Van der Waals 16 2.8 Molculas 17

    Resumo 11 Termos e Conceitos Importantes 77 Referncias 17 Perguntas e Problemas 1S

    3. A Estrutura de Slidos Cristalinos 20 Objetivos de Aprendizado 21

    3.1 Introduo 21 ESTRUTURAS CRISTALINAS 21

    3.2 Conceitos Fundamentais 21 3.3 Clulas Unitrias 21 3.4 Estruturas Cristalinas de Metais 22 3.5 Clculos da Densidade 25 3.6 Polimorfismo e Aloiropia 25 3.7 Sistemas Cristalinos 2o

    DIREES E PLANOS CRISTALOGRFICOS 26

    3.8 Direes Cristalogrficas 26 3.9 Planos Cristalogrficos 29 3.10 Densidades Atmicas Linear e Planar 32 3.11 Estruturas Cristalinas Compactas 33

    MATERIAIS CRISTALINOS E NO-CRISTALINOS 34 3.12 Monocristais 34 3.13 Material- Policristalinos 35 3.14 Anisotropia 35 3.15 Durao de Raios X: Determinao de Estrutura?

    Cristalinas 36 3.16 Slidos No-cristalinos 39

    Resumo 40 Tcrni.< c Conceitos Importantes 40 Referncias 40 Perguntas e Problemas 40

    4. Imperfeies em Slidos 45 Objetivo- de Aprendizado 46

    4.1 Introduo 46 "~ DEFEITOS PONTUAIS 46 _ = _._

    4.2 Lacunas e Auto-intersticiais 46 4.3 Impurezas em Slidos 47

    IMPERFEIES DIVERSAS 50 4.4 Discordncias

    Defeitos Lineares 50 4.5 Defeitos Interfaciais 51 4.6 Defeitos Volumtricos ou de Massa 55 4.7 Vibraes Atmicas 55

    EXAME MICROSCPICO 55 4.8 Informaes Gerais 55 4.9 Microscopia 56 4.10 Determinao do Tamanho de Gro 59

    Resumo 59 Termos e Conceitos Importantes 59 Referncias 60 Perguntas e Problemas 60

    5. Difuso 63 Objetivos de Aprendizado 64

    5.1 Introduo 64 5.2 Mecanismos da Difuso 64 5.3 Difuso em Estado Estacionrio 66 5.4 Difuso em Estado No-estacionrio 67

  • 5.5 Fatores que Influenciam a Difuso 70 5.0 Outros Caminhos de Difuso 7-1

    Resumo 74 Termos e Conceitos Importantes 7-t Referncias 7~f Perguntas e Problemas 7-t

    6. Propriedades Mecnicas dos Metais 78 Objetivos de Aprendizado 79 0.1

    Introduo 79 0.2 Conceitos de Tenso e Deformao 79

    DEFORMAO ELSTICA 82 0.3 Comportamento Tenso-Deformao 82 0.4 Anelasticidade 82 0.5 Propriedades Elsticas dos Materiais 85

    DEFORMAO PLSTICA 86 0.0 Propriedades de 1 rao 87 0.7 Tenso Verdadeira e Deformao \ erdadeira 91 (> li Recuperaro Elstica Durame uma Deformao

    Plstica 93 0.9 Deformaes Compressiva. Cisalhante e Torcional 93 0.10 Dureza 94 0.11 Variabidade nas Propriedades dos Materiais 97 0.12 Fatores de Projeto/Securana 99

    Resumo 100 Iermos e Conceitos Importantes 100 Referncias 100 Perguntas e Problem 100

    7. Discordncias e Mecanismos de Aumento de Resistncia 107

    Objetivos de Aprendizado 108 7.1 Introduo 108

    DISCORDNCIAS E A DEFORMAO PLSTICA 108 7.2 Conceitos Bsicos 1 Ou 7.3 Caractersticas das Discordncias 110 7.-1 Sistemas de Escorregamento 111 7.5 Escorregamento em Monocristais 112 7.0 Deformao Plstica de Materiais Policristalinos 1H 7.7. Deformao por Maclagem 115

    MECANISMOS DO AUMENTO DE RESISTNCIA EM METAIS 116

    7.8 Aumento de Resistncia pela Reduo no Tamanho do Gro 116

    7.9 Aumento de Resistncia por Soluo Slida 117 7.10 Encruamento 119

    RECUPERAO. RECRISTALIZAO E CRESCIMENTO DE GRO 120

    7.11 Recuperao 121 7.12 Recristalizao 121 7.13 Crescimento de Gro 125

    Resumo 125 Termos e Conceitos Importantes 126 Referncias 126 Persuntas e Problemas 126

    S. Falha 129 Objetivos de Aprendizado 130

    8.1 Introduo 130 FRATURA 130

    8.2 Fundamentos da Fratura 130 8.3 Fratura Dctil 131 8.4 Fratura Frgil 132 8.5 Princpios da Mecnica da Fratura 132 8.6 Ensaios de Fratura por Impacto 143

    FADIGA 146 8.7 Tenses Cclicas 147 8.8 A Curva a-A' 148 8.9 Iniciao e Propagao de Trincas 149 8.10 Taxa de Propagao da Trinca 151 8.11 Fatores que Influenciam a Vida em Fadiga 155 8.12 Efeitos do Ambiente 156

    FLUNCIA 157 8.13 Comportamento Geral da Fluncia 157 8.14 Efeito? da Tenso e da Temperatura 158 8.15 Mtodos para Extrapolao de Dados 159 8.10 Ligas para Uso a Altas Temperaturas 159

    Resumo 160 Termos e Conceitos Importantes 161 Referncias 161 Perguntas e Problemas 162

    9. Diagramas de Fase 1< Objetivos de Aprendizado 169

    9.1 Introduo 169 DEFINIES E CONCEITOS BSICOS 169

    9.2 Limite de Solubilidade 169 9.3 Fases 170 9.4 Mieroestrutura 170 9.5 Equilbrio de Fases 170

    DIAGRAMAS DE FASES EM CONDIES DE EQUILBRIO 171

    9.6 Sistemas lsomorfos Binrios 171 9.7 Sistemas Eutticos Binrios 171 9.8 Diagramas de Equilbrio que Possuem Fases ou

    Compostos Intermedirios 184 9.9 Reaes Eutetides e Peritticas 180 9.10 Transformaes de Fases Congruentes 187 9.11 Diaeramas de Fases Cermico e Ternrio 187 9.12 A Lei das Fases de Gibbs 187

    O SISTEMA FERRO-CARBONO 188 9.13 O Diagrama de Fases Ferro-Carbeto de Ferro

    (Fe-Fe:iC) 189 9.14 Desenvolvimento das Microestruturas em Ligas

    Ferro-Carbono 191 9.15 A Influncia de Outros Elementos de Liga 195

    Resumo 196 Termos e Conceitos Importantes 196 Referncias 197 Perguntas e Problemas 197

  • 10. Transformaes de Fases em Metais: Desenvolvimento da Microestrutura e Alterao das Propriedades Mecnicas 202

    Objetivos de Aprendizado 203 10.1 Introduo 203

    TKANhHm.M.vKs 1)1. I-.VSKS 203 10.2 Conceitos Bsicos 203 10.3 A Cintica de Reaes no Estado Slido 203 10.4 Transformaes Multifsicas 204

    ALTERAES MICROESTRUTURAIS E DAS PROPRIEDADES EM LIGAS FERRO-CARBONO 205

    10.5 Diagramas de Transformaes Isotrmicas 205 10.6 Diagramas de Transformao por Resfriamento

    Contnuo 214 10.7 Comportamento Mecnico de Ligas Ferro-Carbono 215 10.8 Martensita Revenida 218 10.9 Reviso das Transformaes de Fases para Ligas

    Ferro-Carbono 220 Resumo 220 Termos e Conceitos Importantes 221 Referncias 221 Perguntas e Problemas 221

    11. Processamento Trmico de Ligas Metlicas 226 Objetivos de Aprendizado 22"

    11.1 Introduo 227 PROCESSOS DE RECOZIMENTO 227

    11.2 Recozimento Intermedirio 227 11.3 Alvio de Tenso 227 11.4 Recozimento de Ligas Ferrosas 228

    TRATAMENTO TRMICO DE AOS 229 11.5 Endurecibilidade 229 11.6 Influncia do Meio de Resfriamento, do Tamanho e

    da Geometria da Amostra 232 ENDURECIMENTO POR PRECIPITAO 236

    11.7 Tratamentos Trmicos 236 11.8 Mecanismo de Endurecimento 238 11.9 Consideraes Gerais 240

    . Resumo 240 Termos e Conceitos Importantes 240 Referncias 24-0 Perguntas e Problemas 240

    12. Ligas Metlicas 243 Objetivos de Aprendizado 244

    12.1 Introduo 244 FABRICAO DOS METAIS 244

    12.2 Operaes de Conformao 244 12.3 Fundio 246 12.4 Tcnicas Diversas 24

    LIGAS FERROSAS 24T" 12.5 Aos 24" 12.6 Ferros Fundidos 251

    LICAS NO-FERROSAS 256 12.7 Cobre e suas Ligas 256 12.8 Alumnio e suas Ligas 258 12.9 Magnsio e suas Ligas 258 12.10 Titnio e suas Ligas 260 12.11 Os Metais Refratnrios 260 12.12 A> ,-Miperhiiu:, 2l>2 12.13 Os Metais Nobres 262 12.14 Ligas No-Ferrosas Diversas 262

    Resumo 262 Termos e Conceitos Importantes 263 Referncias 263 Perguntas e Problemas 263

    13. Estruturas e Propriedades das Cermicas 265 Objetivos de Aprendizado 266

    13.1 Introduo 266 ESTRUTURAS CERMICAS 266

    13.2 Estruturas Cristalinas 266 13.3 Cermicas Base de Silicato 272 13.4 Carbono 275 13.5 Imperfeies nas Cermicas 277 13.6 Diagramas de Fases dos Materiais Cermicos 2"79

    PROPRIEDADES MECNICAS 281 13.7 Fratura Frgil das Cermicas 281 03.o Comportamento Tenso-Deformao 2o2 13.9 Mecanismos da Deformao Plstica 283 13.10 Consideraes Mecnicas Diversas 285

    Resumo 286 Termos e Conceitos Importantes 286 Referncias 289 Persuntas e Problemas 287

    14. Aplicaes e Processamento das Cermicas 291 Objetivos de Aprendizado 292

    14.1 Introduo 292 VIDROS 292

    14.2 Propriedades dos Vidros 292 14.3 Conformao do Vidro 294 14.4 Tratamento Trmico dos Vidros 295 14.5 \ itrocermicos 296

    PRODUTOS BASE DE ARGILA 296 14.6 As Caractersticas das Argilas 296 14.7 Composies dos Produtos Base de Argila 29" 14.8 Tcnicas de Fabricao 297 14.9 Secajrem e Cozimento 298

    REFRATRIOS 299 14.10 Anrilas Refratrias 300 14.11 Refratrios Base de Slica 300 14.12 Refratrios Bsicos 300 14.13 Refratrios Especiais 300

    OUTRAS APLICAES E MTODOS DE PROCESSAMENTO 301

    14.14 Abrasivos 301 14.15 Prensagem do P 301

  • 14.16 Fundio em Fita 303 14.17 Gimentos303 14.18 Cermicas Avanadas 303

    Resumo 304 Termos e Conceitos Importantes 305 Referncias 305 1'erguitlus e Problemas 305

    \ 15. ^Estruturas Polimricas 308 Objetivos de Aprendizado 309

    15.1 Introduo 309 15.2 Molculas de Hidrocarbonetos 309 15.3 Molculas dos Polmeros 310 15.-+ A Qumica das Molculas dos Polmeros 310 15.5 Peso Molecular 312 15.6 Forma Molecular 316 15.7 Estrutura Molecular 317 15.8 Configuraes Moleculares 318 15.9 Gopolmeros 319 15.10 Cristalinidade do Polmero 320 15.11 Cristais de Polmeros 321

    Resumo 323 Termos e Conceitos Importantes 324 Referncias 324 Perguntas e Problemas 324

    \ 16. 'Caractersticas, Aplicaes, e o Processamento ^-^dos Polmeros 327

    Objetivo- Aprendizado 328

    16.1 Introduo 32" CARACTERSTICAS MECNICAS E TERMOMECNICAS 328

    16.2 Comportamento Tenso-Deformao 328 16.3 Deformao de Polmeros Semicristalinos 330 16.4 Fatores que Influenciam as Propriedades Mecnicas

    dos Polmeros 330 16.5 Fenmenos da Cristalizao, da Fuso e da

    Transio Vtrea 333 16.6 Polmeros Termoplsticos e Termofixos 336 16.7 Viscoelasticidade 336 16.8 Deformao de Elastmeros 339 16.9 Fratura de Polmeros 339 16.10 Caractersticas Diversas 340

    APLICAES E PROCESSAMENTO DOS POLMEROS 341

    16.11 Polimerizao 342 16.12 Aditivos para Polmeros 343 16.13 Tipos de Polmeros 343 16.14 Plsticos 343 16.15 Elastmeros 347 16.16 Fibras 349 1-6.17 Aplicaes Diversas 349 16.18 Materiais Polimricos Avanados 350

    Resumo 352 Termos e Conceitos Importantes 353 Referncias 353 Perguntas e Problemas 354

    17. Compsitos 358 Objetivos de Aprendizado 359

    17.1 Introduo 359 COMPSITOS REFORADOS COM PARTCULAS 360

    17.2 Compsitos com Partculas Grandes 360 17.3 Compsitos Reforados por Disperso 363

    COMPSITOS REFORADOS COM FIBRAS 363 17.4 Influncia do Comprimento da Fibra 363 17.5 Influncia da Orientao e da Concentrao da

    Fibra 364 17.6 A Fase Fibra 369 17.7 A Fase Matriz 371 17.8 Compsitos com Matriz de Polmero 371 17.9 Compsitos com Matriz Metlica 373 17.10 Compsitos com Matriz Cermica 374 17.11 Compsitos Carbono-Carbono 375 17.12 Compsitos Hbridos 375 17.13 Processamento de Compsitos Reforados com

    Fibra- 37(i COMPSITOS ESTRUTURAIS 380

    17.14 Compsitos Laminares 380 17.15 Painis em Sanduche 381

    Resumo 3S1 Termos e Conceitos Importantes 382 Referncias 3S2 Perguntas e Problemas 3S3

    18. Corroso e Degradao dos Materiais 3 ' Objetivos de Aprendizado 388

    18.1 Introduo 388 CORROSO DE METAIS 388

    18.2 Consideraes Eletroqumicas 388 18.3 Taxas de Corroso 392 18.4 Estimativa de Taxas de Corroso 393 18.5 Passividade 398 18.6 Efeitos do Ambiente 399 18.7 Formas de Corroso 399 18.8 Ambientes de Corroso 404 18.9 Preveno da Corroso 405 18.10 Oxidao 406

    CORROSO DE MATERIAIS CERMICOS 408 DEGRADAO DE POLMEROS 408

    18.11 Inchamento e Dissoluo 408 18.12 Ruptura da Ligao 408 18.13 Intemperismo 410

    Resumo 410 Termos e Conceitos Importantes 4I Referncias 411 Perguntas e Problemas 4ll

    19. Propriedades Eltricas 415 Objetivos de Aprendizado 416

    19.1 Introduo 416 CONDIO ELTRICA 416

  • 19.2 LeideOhm416 19.3 Condutividade Eltrica-ti0 19.4 Conduo Eletrnica e Inica 417 19.5 Estruturas da Banda de Energia nos Slidos 417 19.6 Conduo em Termos de Bandas e Modelos de

    Ligao Atmica 419 \(l~: Mobilidade Eletrnica 420 19.8 Resistividade Eltrica dos Metais 421 19.9 Caractersticas Eltricas de Ligas Comerciais 422

    SEMICONDUTIVIDADE 422 19.10 Semiconduo Intrnseca 422 19.11 Semiconduo Extrnseca 424 19.12 A Variao da Condutividade e da Concentrao de

    Portadores com a Temperatura 427 10.10 () Eleito Hall 430 19.10 Dispositivos Semicondutores 431

    CONDUO ELTRICA EM CERMICAS INICAS E EM POLMEROS 435

    19.1o Conduo nos Materiais lnicos 435 ll). 1() Propriedades Eltricas dos Polmeros 435

    COMPORTAMENTO DIELTMCO 436 19.17 Capacitncia 436 19.18 Vetores de Campo e Polarizao 436 19.19 Tipos de Polarizao 440 19.20 Dependncia da Constante Dieltrica em Relao

    Freqncia 44 19.21 Resistncia Dieltrica 441 19.22 Materiais Dieltricos 441

    OUTRAS CARACTERSTICAS ELTRICAS DOS MATERIAIS 441

    19.23 Ferroeletricidade 441 19.24 Piezoeletricidade 442

    Resumo 44.3 Termos e Conceitos Importantes 44,3 Referncias 444 Perguntas e Problemas 444

    20. Propriedades Trmicas 449 Objetivos de Aprendizado 450

    20.1 Introduo 450 20.2 Capacidade Calorfica 4-50 20.3 Expanso Trmica 451 20.4 Condutividade Trmica 453 20.5 Tenses Trmicas 455

    Resumo 457 Termos e Conceitos Importantes 457 Referncias 457 Perguntas e Problemas 457

    21. Propriedades Magnticas 460 Objetivos de Aprendizado 461

    21.1 Introduo 461 2 1.2 Coneeiio* Bsicos 461 21.3 Dianiagnetismo e Paramagnetismo 463 21.4 Ferromagnetismo 464 21.5 Antiferromagnetismo e Ferriinasrnetismo 466

    21.6 A Influncia da Temperatura sobre o Comportamento Magntico 468

    21.7 Domnios e Histereses 469 21.8 Materiais Magnticos Moles 471 21.9 Materiais Magnticos Duros 472 21.10 Armazenamento Magntico 473 21.11 Supercondutividade 475

    Resumo 477 Termos e Conceitos Importantes 478 Referncias 4 78 Perguntas e Problemas 478

    22. Propriedades ticas 481 Objetivos de Aprendizado 482

    22.1 Introduo 482 CONCEITOS BSICOS 482

    22.2 Radiao Eletromagntica 482 22.3 Interaes da Luz com Slidos 483 22.4 Interaes Atmicas e Eletrnicas 484

    PROPRIEDADES TICAS DOS METAIS 484 PROPRIEDADES TICAS DOS NO-METAIS 485

    22.5 Refrao 485 22.6 Reflexo 486 22.7 Absoro 486 22.8 Transmisso 488 22.() Cor 488 22.10 Opacidade e Translucidez em Materiais

    Isolantes 489 APLICAES DOS FENMENOS TICOS 490

    22.11 Luminescncia 490 22.12 Fotocondutividade 490 22.13 Lasers 491 22.14 Fibras ticas nas Comunicaes 494

    Resumo 496 Termos e Conceitos Importantes 496 Referncias 496 Perguntas e Problemas 497

    23. Seleo de Materiais e Consideraes de Projeto 499

    Objetivos de Aprendizado 500 23.1 Introduo 500

    SELEO DE MATERIAIS PARA UM EIXO CILNDRIO TENSIONADO EM TORO 500

    23.2 Resistncia 500 23.3 Outras Consideraes de Propriedades e a Decist

    Final 504 MOLA DE VLVULA DE AUTOMVEL 504

    23.4 Introduo 504 23.5 Mola de Vlvula de Automvel 505

    TROCA DE PRTESE TOTAL DA BACIA 508 23.6 Anatomia da Articulao da Bacia 508 23.7 Exigncias de Materiais 510 23.8 Materiais Empregados 511

  • SISTEMA DE PROTEO TRMICA DO NIBUS ESPACIAL 512

    23.9 Introduo 512 23.10 Sistema de Proteo Trmica Exigncias de

    Projeto 513 23.11 Sistema de Proteo Trmica Componentes 514

    MATERIAIS PARA PACOTES DE CIRCUITOS INTEGRADOS 517

    23.12 Introduo 517 23.13 Projeto de Barra de Terminais e Materiais 517 23.14 Colagem da Matriz 518 23.15 Ligao dos Fios 519 23.16 Encapsulamento do Pacote 521 23.17 Colagem Automatizada com Fita 522

    Resumo 523 Referncias 524 Perguntas e Problemas 525

    24. Questes Econmicas, Ambientais e Sociais na Cincia e Engenharia dos Materiais 52 S

    Objetivos de Aprendizado 529 24.1 Introduo 529

    CONSIDERAES ECONMICAS 529 24.2 Projeto do Componente 529 24.3 Materiais 529 2-1.4 Tcnicas de r abricao 530

    CONSIDERAES AMBIENTAIS E SOCIAIS 530 24.5 Questes sobre Reciclagem na Cincia e Engenharia

    dos Materiais 532 Resumo 53-t Referncias 53-i

    Apndice A O Sistema Internacional de Unidades (SI) 535

    Apndice B Propriedades de Materiais de Engenharia Selecionados 537 B. 1 Deiiidade 53"7 B.2 Mdulo de Elasticidade 539 B.3 Coeficiente de Poisson 540 B.4 Resistncia e Ductilidade 541 B.5 Tenacidade Fratura em Deformao Plana 540 B.(> Coeficiente Linear de Expanso Trmica 546 B.7 Condutividade Trmica 548 B.8 Calor Especfico 550 B.9 Resistividade Eltrica 551 B.10 Composies de Ligas Metlicas 553

    Apndice C Custos e Custos Relativos de Materiais de Engenharia Selecionados 554

    Apndice D Estruturas Mero para Polmeros Comuns 55 S

    Apndice E Temperaturas de Transio Vtrea e de Fuso para Materiais Polimricos Comuns 562

    Glossrio 563

    Respostas a Problemas Selecionados 5 74

    ndice 5 7S

  • Lista de Smbolos

    O nmero da seo em que um smbolo introduzido ou explicado dado entre parntese*.

    A = rea A = unidade de angstroni Aj = peso atmico do elemento / (2.2) FEA = fator de empacotamento atmico (3.4) %RA = dutilidade. em reduo percentual na

    rea (6.6) o = parmetro do retculo cristalino: coinprimeiitu axial x da clula unitria (3.4) a = comprimento da trinca de uma trinca

    de superfcie (8.5) %a = porcentagem atmica (4.3) B = Densidade do fluxo magntico

    (induo) (21.2) B, = remanncia magntica (21.7) CCC

    = estrutura cristalina cbica de corpo centrado (3.4)

    b = parmetro do retculo cristalino: comprimento axial v da clula unitria (3.7)

    b = vetor de Burgers (4.4) C = capacitncia (19.17) " C, = concentrao (composio) do

    componente i em %p (4.3) C]

    concentrao (composio) do componente / em %a (4.3) C,..

    Cp = capacidade calorfica a volume, presso constante (20.2) TPC =

    taxa de penetrao da corroso (18.3)

    CVN = entalhe em ""Y de Charpy (8.6) %DF = percentual de trabalho a frio (7.10) c = parmetro do retculo cristalino: comprimento axial z da clula unitria (3.7) c = velocidade da radiao

    eletromagntica no vcuo (22.2) D = coeficiente de difuso (5.3) D = deslocamento dieltrico (19.18) d = dimetro d

    dimetro mdio do gro (7.8)

    dhkl = espaamento interplanar para plamw de ndices de Miller //. k e / (3.15j E

    energia (2.5) E = mdulo de elasticidade ou mdulo de

    Young (6.3)

  • J = fluxo de difuso (5.3) J

    densidade da corrente eltrica (19.3) = fator de intensidade de tenso (8.5) Kr = tenacidade fratura (8.5) K,r = tenacidade fratura em deformao plana para a modalidade I de deslocamento de trincas de superfcie (8.5)

    k = constante de Boltzmann (-1.2) A' = condutividade trmica (20.4) / = comprimento

    /, = comprimento crtico da fibra (17.4) In = logaritmo natural log

    logaritmo tomado na base 10 .1/ = magnetizao (21.2) Mr = peso molecular mdio de um polmero pelo nmero de molculas (15.5) M,, = peso molecular mdio de um polmero

    pelo peso da molculas (15.5) %mol = porcentagem molar

    A = nmero de ciclos de fadiga (8.8) AA

    nmero de Avogadro (3.5) \ f = vida em fadiga (8.8) n = nmero quntico principal (2.3) n = nmero de tomos por clula

    unitria (3.5) n = expoente de encruamento (0.7) n = nmero de eltrons em uma reao

    eletroqumiea (18.2) n

    nmero de eltrons condutores por

    metro cbico (19.7) n = ndice de refrao (22.5) n' = para materiais cermicos, o nmero de unidades da frmula por clula unitria (13.2) n,, = grau de polimerizao mdio pelo

    nmero de molculas (15.5) np = grau de polimerizao mdio pelo

    peso das molculas (15.5) P

    polarizao dieltrica (19.18) Razo P-B = razo de Pilling-Bedworth (18.10) p = nmero de buracos por metro

    cbico (19.10) Q = energia de ativao Q = magnitude da carga armazenada (19.17) R = raio atmico (3.4) R = constante dos gases r = distncia interatmica (2.5) r = taxa de reao (10.3, 18.3) r\. r, = raios inicos do nion e do ction

    (13.2) 5' = amplitude da tenso de fadiga (8.8)

    MEA = microscopia ou microscpio . eletrnico de varredura T

    temperatura T, = temperatura Curie (21.6) 7, = temperatura crtica supercondutora

    (21.11) T, = temperatura de transio vtrea (14.2)

    Tf = temperatura de fuso MET = microscopia ou microscpio

    eletrnico de transmisso LRT = limite de resistncia trao (0.0) / = tempo

    lr = tempo de vida at a ruptura (8.13) l , = mdulo de resilincia (0.0) [/ ?/ ] = ndices para uma direo

    cristalogrfica (3.8) / = diferena de potencial eltrico

    (voltagem) (18.2) /, = volume da clula unitria (3.4) /', = potencial de corroso (18.4) / , , = voltagem de Hall (19.13) f ]

    frao volumtrica da fase / (9.0) r = velocidade

    %\-ol

    porcentagem em volume / / , = frao mssica da fase / (9.6) %|) = porcentagem em peso (4.3) .i

    comprimento ,r = coordenada espacial } = parmetro adimensional ou Juno na expresso para a lenacidade fratura (8.5)

    v = coordenada espacial z = coordenada espacial a = parmetro do retculo: ngulo

    inieraxialy-z da clula unitria (3.7 a, /3. y = designaes das fases

    a, = coeficiente linear de expanso trmica (20.3) /3 = parmetro

    do retculo: ngulo interaxial x-z da clula unitria (3.7

    y = parmetro do retculo: ngul'1 interaxial x-y da clula umtria (3.7

    y = deformao de cisaiamenio (6.2) A = variao finita em um parmetro cuj

    smbolo ele precede e = deformao de engenharia (0.2) e = permissividade dieltrica (19.17) er = constante dieltrica ou

    permissividade relativa (19.17) kr = taxa de fluncia em regime

    estacionrio (8.13) e, = deformao verdadeira (0.7) 7] = viscosidade (13.9) 77 = sobre voltagem (18.4) 8 = ngulo de difrao de Bragg (3.15) 6D = temperatura Debye (20.2) A = comprimento de onda da radiao

    eletromagntica (3.15) fj. = permeabilidade magntica (21.2) fxti = magnton de Bolir (21.2) fi,

    permeabilidade magntica relaiivn (21.2)

    ix,. = mobilidade eletrnica (19.7) ixb

    mobilidade do buraco (19.10) v

    coeficiente de Poisson (0.5) v = freqncia da radiao eletromagntica (22.2) p = densidade (3.5)

  • p = resistividade eltrica (19.2) p,, = raio de curvatura na extremidade de

    uma trinca (8.5) cr = tenso de engenharia, em trao ou

    compresso (6.2) a = condutividade eltrica (19.3) o**

    = residncia longitudinal (compsiio) (17.5) cr, = tenso crtica para a

    propagao de uma trinca (8.5) arl =

    resistncia flexo (13.8) am = tenso mxima (8.5) cr,,, = tenso mdia (8.7) cr'm = tenso na matriz na falha do

    compsito (17.5) cr, = tenso verdadeira (6.7) cr, = tenso admissvel ou de trabalho

    (0.12) cr, = limite de escoamento (6.6) T = tenso de cisalhamento (6.2) Tr = fora da ligao entre a fibra e a matriz/limite de escoamento em cisalhamento da matriz (17.4)

    r,rri. = tenso de cisalhamento resolvida crtica (7.5) Xm

    susceptibilidade magntica (21.2)

    NDICES SUBSCRITOS c = compsito

    cd = compsito com fibras descontnua^ cl = direo longitudinal (compsito com

    fibras alinhadas) et = direo transversal (compsito com fibras alinhadas) / =

    final / = na fratura / = fibra / = instantneo m = matriz m. mx = mximo min = mnimo 0 = original (J = em equilbrio 0 = no vcuo

  • C a p t u l o

    / Introduo

    Um item familiar fabricado a partir de trs tipos de materiais diferentes o recipiente de bebidas. As bebidas so comercializadas em latas (foto superior) de alumnio (metal), garrafas (foto central) de vidro (cermico), e garrafas (foto inferior) plsticas (polmeros). (A permisso para utilizao destas fotografias foi concedida pela Coca-Cola Company.)

  • Objetivos de Aprendizado Aps estudar este captulo, voc dever ser capaz de:

    1. Listar seis classificaes diferentes de propriedades dos 4. (a) Listar as trs classificaes principais de materiais materiais que determinam a sua aplicabilidade. slidos, e em seguida citar as caractersticas

    2. Citar os quatro componentes que eso envolvidos no qumicas distintas de cada uma. projeto, produo e utilizao de materiais, e descrever (b) Citar os trs outros tipos de materiais e, para cada sucintamente as relaes entre estes componentes. um, a(s) sua(s) caracterstica(s) distinta(s).

    3. Citar trs critrios importantes no processo de seleo de materiais.

    1.1 PERSPECTIVA HISTRICA Os materiais esto provavelmente mais entranhados na nossa cul-tura do que a maioria de ns imagina. Transportes, habitao, ves-turio, comunicao, recreao e produo de alimentos virtual-mente cada seguimento de nossas vidas dirias influenciado em maior ou menor grau pelos materiais. Historicamente, o desenvol-vimento e o avano das sociedades tm estado intimamente ligados s habilidades dos seus membros em produzir e manipular materi-ais para satisfazer as suas necessidades. De fato, as civilizaes antigas foram designadas pelo nvel de seus desenvolvimentos em relao aos materiais (isto , Idade da Pedra, Idade do Bronze).

    Os primeiros seres humanos tiveram acesso a apenas um n-mero limitado de materiais, aqueles que ocorrem naturalmente: pedra, madeira, argila, peles, e assim por diante. Com o tempo eles descobriram tcnicas para a produo de materiais que tinham pro-priedades superiores s dos produtos naturais; estes novos mate-riais incluam a cermica e vrios metais. Alm disso, foi desco-berto que as propriedades de um material poderiam ser alteradas atravs de tratamentos trmicos e pela adio de outras substncias. Naquele ponto, a utilizao de materiais era totalmente um pro-cesso de seleo, isto , decidia-se, a partir de um conjunto relati-vamente limitado de materiais disponveis, aquele que era o mais adequado para uma dada aplicao em virtude das suas caracte-rsticas. No foi seno em tempos relativamente recentes que os cientistas compreenderam as relaes entre os elementos estrutu-rais dos materiais e as suas propriedades. Este conhecimento, adquirido ao longo dos ltimos 60 anos mais ou menos, deu-lhes condies de moldar, em grande parte, as caractersticas dos ma-teriais. Desta forma, dezenas de milhares de materiais diferentes foram desenvolvidos com caractersticas relativamente espec-ficas que atendem as necessidades de nossa moderna e comple-xa sociedade; estes incluem metais, plsticos, vidros e fibras.

    O desenvolvimento de muitas tecnologias que tornam nossa existncia to confortvel tem estado intimamente associado com a acessibilidade a materiais adequados. Um avano na compreen-so de um tipo de material freqentemente o precursor da pro-gresso escalonada de uma tecnologia. Por exemplo, os autom-veis no teriam sido possveis sem a disponibilidade de ao a bai-xo custo ou de algum outro substituto comparvel. Em nossos tem-pos, dispositivos eletrnicos sofisticados dependem de componen-tes que so feitos a partir dos chamados materiais semicondutores.

    1.2 CINCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS A disciplina cincia dos materiais envolve a investigao das relaes que existem entre as estruturas e as propriedades dos

    materiais. Em contraste, a engenharia de materiais consiste, com base nestas correlaes estrutura-propriedade, no projeto ou en-genharia da estrutura de um material para produzir um conjunto predeterminado de propriedades. Ao longo de todo este livro, chamamos a ateno para as relaes existentes entre as propri-edades dos materiais e os elementos estruturais.

    "Estrutura" , a esta altura, um termo nebuloso que merece alguma explicao. Sucintamente, a estrutura de um material est geralmente relacionada ao arranjo de seus componentes internos. A estrutura subatmica envolve eltrons no interior dos tomos individuais e as interaes com seus ncleos. No nvel atmico, a estrutura engloba a organizao dos tomos ou molculas em relao uns aos outros. O prximo universo estrutural de maior dimenso, que contm grandes grupos de tomos normalmente conglomerados, chamado de "microscpico", significando aquele que est sujeito a observao direta usando algum tipo de microscpio. Finalmente, os elementos estruturais que podem ser vistos a olho nu so chamados de "macroscpicos".

    A noo de "propriedade" merece elaborao. Enquanto em uso, todos os materiais esto expostos a estmulos externos que provocam algum tipo de resposta. Por exemplo, uma amostra sujeita a foras ir experimentar uma deformao; ou uma su-perfcie metlica polida ir refletir a luz. Propriedade uma pe-culiaridade do material em termos do tipo e da intensidade da resposta a um estmulo especfico que lhe imposto. Geralmen-te, as definies das propriedades so feitas de maneira indepen-dente da forma e do tamanho do material.

    Virtualmente, todas as propriedades importantes dos materi-ais slidos podem ser agrupadas em seis categorias diferentes: mecnica, eltrica, trmica, magntica, tica e deteriorativa. Para cada uma existe um tipo caracterstico de estmulo capaz de provocar diferentes respostas. As propriedades mecnicas rela-cionam deformao com uma carga ou fora aplicada; so exem-plos o mdulo de elasticidade e a resistncia. Para as proprieda-des eltricas, como a condutividade eltrica e a constante diel-trica, o estmulo um campo eltrico. O comportamento trmi-co de slidos pode ser representado em termos da capacidade calorfica e da condutividade trmica. As propriedades magn-ticas demonstram a resposta de um material aplicao de um campo magntico. Para as propriedades ticas, o estmulo a radiao eletromagntica ou a luminosa; o ndice de refrao e a refletividade so propriedades ticas representativas. Finalmente, as caractersticas deteriorativas indicam a reatividade qumica dos materiais. Os captulos seguintes discutem propriedades que se encaixam dentro de cada uma destas seis classificaes.

    Alm da estrutura e propriedades, dois outros componentes importantes esto envolvidos na cincia e na engenharia dos

  • materiais, quais sejam, "processamento" e "desempenho". .Com respeito s relaes destes quatro componentes, a estrutura de um material ir depender da maneira como ele processado. Alm disso, o desempenho de um material ser uma funo das suas propriedades. Assim, a inter-relao entre processamento, estrutura, propriedades e desempenho linear, conforme mos-trado na ilustrao esquemtica da Fig. 1.1. Ao longo de todo este livro chamamos a ateno para a relao entre estes quatro componentes em termos do projeto, produo e utilizao dos materiais.

    Apresentamos agora um exemplo destes princpios de proces-samento-estrutura-propriedades-desempenho com o auxlio da Fig. 1.2, uma fotografia que apresenta trs amostras com o for-mato de discos delgados, colocadas sobre algum material impres-so. Fica bvio que as propriedades ticas (isto , a transmitncia da luz) de cada um dos trs materiais so diferentes; o material esquerda transparente (isto , virtualmente a totalidade da luz refletida passa atravs dele), enquanto os discos no centro e direita so, respectivamente, translcido e opaco. Todas estas amostras so compostas pelo mesmo material, oxido de alum-nio, porm aquela mais esquerda o que chamamos de um monocristal

    isto , ela altamente perfeita , o que d ori-gem a sua transparncia. A amostra do centro composta por numerosos monocristais muito pequenos, todos conectados en-tre si; as fronteiras entre estes pequenos cristais espalham uma frao da luz refletida da pgina impressa, o que torna este ma-terial opticamente translcido. E, finalmente, a amostra direita composta no somente por muitos cristais pequenos interliga-dos, mas tambm por um grande nmero de poros ou espaos vazios muito pequenos. Estes poros tambm espalham de ma-neira efetiva a luz refletida, tornando este material opaco.

    Assim, as estruturas destas trs amostras so diferentes em termos das fronteiras entre cristais e poros, o que afeta as pro-priedades de transmitncia tica. Alm disso, cada material foi produzido utilizando uma tcnica de processamento diferente. E, obviamente, se a transmitncia tica for um parmetro impor-

    tante em relao aplicao no servio final, o desempenho de cada material ser diferente.

    1.3 POR QUE ESTUDAR CINCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS? Por que estudamos os materiais? Muitos cientistas experimen-tais ou engenheiros, sejam eles mecnicos, civis, qumicos ou eltricos, iro uma vez ou outra ficar expostos a um problema de projeto que envolva materiais. Os exemplos podem incluir uma engrenagem de transmisso, a superestrutura para um edi-fcio, um componente de uma refinaria de petrleo, ou um chip de circuito integrado. Obviamente, os cientistas e engenheiros de materiais so especialistas que esto totalmente envolvidos na investigao e no projeto de materiais.

    Muitas vezes, um problema de materiais consiste na seleo do material correto dentre muitos milhares de materiais dispon-veis. Existem vrios critrios nos quais a deciso final est nor-malmente baseada. Em primeiro lugar, as condies de servio devem ser caracterizadas, uma vez que estas iro ditar as propri-edades exigidas do material. Somente em raras ocasies que um material possui a combinao mxima ou ideal de proprie-dades. Desta forma, pode ser necessrio abrir mo de uma ca-racterstica por outra. O exemplo clssico envolve a resistncia e a ductilidade; normalmente, um material que possui uma alta resistncia ter apenas uma ductilidade limitada. Em tais casos, pode ser necessrio um compromisso razovel entre duas ou mais propriedades.

    Uma segunda considerao de seleo qualquer deteriora-o das propriedades dos materiais que possa ocorrer durante a operao em servio. Por exemplo, redues significativas na resistncia mecnica podem resultar da exposio a temperatu-ras elevadas ou a ambientes corrosivos.

    Por fim, provavelmente a considerao dominante estar re-lacionada aos fatores econmicos: quanto ir custar o produto

  • final acabado? Pode ser encontrado um material que possua o conjunto ideal de propriedades, mas que seja proibitivamente -caro. Novamente aqui algum comprometimento inevitvel. O custo de uma pea acabada tambm inclui quaisquer despesas incorridas durante a fabricao para produzir a forma desejada. Quanto mais familiarizado estiver um(a) engenheiro(a) ou cientista com as vrias caractersticas e relaes estrutura-pro-priedade, bem como com as tcnicas de processamento dos ma-teriais, mais capacitado e confiante ele ou ela estar para fazer opes ponderadas de materiais com base nestes critrios.

    1.4 CLASSIFICAO DOS MATERIAIS Os materiais slidos tm sido convenientemente agrupados em trs classificaes bsicas: metais, cermicos e polmeros. Esse esquema est baseado principalmente na composio qumica e na estrutura atmica, e a maioria dos materiais se encaixa em um ou outro grupamento distinto, embora existam alguns materiais intermedirios. Adicionalmente, existem trs outros grupos de materiais importantes na engenharia

    compsitos, semicondu-tores e biomateriais. Os compsitos consistem em combinaes de dois ou mais materiais diferentes, enquanto os semiconduto-res so utilizados devido s suas caractersticas eltricas peculi-ares; os biomateriais so implantados no interior do corpo hu-mano. Uma explicao sucinta dos tipos de materiais e suas ca-ractersticas representativas apresentada a seguir.

    METAIS Materiais metlicos so normalmente combinaes de elemen-tos metlicos. Eles possuem um nmero grande de eltrons no-localizados; isto , estes eltrons no esto ligados a qualquer tomo em particular. Muitas propriedades dos metais so atri-budas diretamente a estes eltrons. Os metais so condutores extremamente bons de eletricidade e calor, e no so transparen-tes luz visvel; uma superfcie metlica polida possui uma apa-rncia lustrosa. Alm disso, os metais so muito resistentes, e ainda assim deformveis, o que responsvel pelo seu uso ex-tenso em aplicaes estruturais.

    CERMICOS Os cermicos so compostos entre os elementos metlicos e no-metlicos; eles so freqentemente xidos, nitretos e carbetos. A grande variedade de materiais que se enquadra nesta classifi-cao inclui cermicos que so compostos por minerais argilo-sos, cimento e vidro. Estes materiais so tipicamente isolantes passagem de eletricidade e calor, e so mais resistentes a altas temperaturas e ambientes abrasivos do que os metais e polme-ros. Com relao ao comportamento mecnico, os cermicos so duros, porm muito quebradios.

    POLMEROS Os polmeros compreendem os materiais comuns de plstico e borracha. Muitos deles so compostos orgnicos que tm sua qumica baseada no carbono, no hidrognio e em outros elemen-tos no-metlicos; alm disso, eles possuem estruturas molecu-lares muito grandes. Estes materiais possuem tipicamente bai-xas densidades e podem ser extremamente flexveis.

    COMPSITOS Vrios materiais compsitos, que consistem em mais de um tipo de material, tm sido desenvolvidos pela engenharia. A fibra de vidro

    um exemplo familiar, no qual fibras de vidro so incorporadas no interior de um material polimrico. Um compsito projetado para mostrar uma combinao das melhores caractersticas de cada um dos materiais que o compe. A fibra de vidro adquire resistncia do vidro e flexibilidade do polmero. Muitos dos desenvolvimen-tos recentes de materiais tm envolvido materiais compsitos.

    SEMICONDUTORES Os semicondutores possuem propriedades eltricas que so in-termedirias entre aquelas apresentadas pelos condutores eltri-cos e pelos isolantes. Alm disso, as caractersticas eltricas destes materiais so extremamente sensveis presena de mi-nsculas concentraes de tomos de impurezas, concentraes que podem ser controladas ao longo de regies espaciais muito pequenas. Os semicondutores tornaram possvel o advento dos circuitos integrados, que revolucionaram totalmente as indstri-as de produtos eletrnicos e de computadores (para no menci-onar as nossas vidas) ao longo das ltimas duas dcadas.

    BIOMATERIAIS Os biomateriais so empregados em componentes implantados no interior do corpo humano para a substituio de partes do corpo doentes ou danificadas. Esses materiais no devem produzir subs-tncias txicas e devem ser compatveis com os tecidos do corpo (isto , no devem causar reaes biolgicas adversas). Todos os materiais citados acima

    metais, cermicos, polmeros, compsitos e semicondutores

    podem ser usados como biomateriais. Por exemplo, na Seo 23.8 so discutidos alguns dos biomateriais utilizados nas substituies de quadris artificiais.

    1.5 MATERIAIS AVANADOS Os materiais utilizados em aplicaes de alta tecnologia (ou high-tech) so algumas vezes chamados de materiais avanados. Por alta tecnologia queremos dizer um dispositivo ou produto que opera ou funciona utilizando princpios relativamente intrincados e sofisti-cados; so exemplos os equipamentos eletrnicos (videocassetes, aparelhos de CD etc), computadores, sistemas de fibra tica, espaonaves, aeronaves e foguetes militares. Estes materiais avan-ados so tipicamente materiais tradicionais cujas propriedades foram aprimoradas, ou ento materiais de alto desempenho recen-temente desenvolvidos. Alm disso, eles podem ser de todos os tipos de materiais (por exemplo, metais, cermicos, polmeros), e em geral so relativamente caros. Os captulos subseqentes discutem as propriedades e aplicaes de uma variedade de materiais avan-ados

    por exemplo, materiais usados em lasers, circuitos inte-grados, armazenamento magntico de informaes, mostradores de cristal lquido (LCDs), fibras ticas, e o sistema de proteo trmi-ca do nibus Espacial (Space Shuttle Orbiter).

    1.6 NECESSIDADES DOS MATERIAIS MODERNOS Apesar do tremendo progresso que tem sido feito ao longo dos ltimos anos na disciplina da cincia e engenharia dos materiais, ainda existem desafios tecnolgicos, incluindo o desenvolvimento de materiais ainda mais sofisticados e especializados, bem como consideraes em relao ao impacto ambiental da produo dos materiais. apropriado algum comentrio em relao a estas ques-tes de forma a tomar mais clara esta perspectiva.

  • C a p t u l o

    / Estrutura Atmica e Ligao Interatmica

    Jl/sa microfo

  • A energia nuclear guarda alguma promessa, porm as solues ile muitos problemas que ainda persistem iro necessariamente envolver materiais, dos combustveis s estruturas de conteno, ut as instalaes para disposio dos rejeitos radioativos.

    Quantidades significativas de energia esto envolvidas na rea ile transportes. A reduo no peso dos veculos de transporte (automveis, aeronaves, trens etc), bem como o aumento das temperaturas de operao dos motores, ir melhorar a eficincia dos combustveis. Novos materiais estruturais de alta resistn-cia e baixa densidade ainda precisam ser desenvolvidos, assim como materiais com recursos para trabalhar em temperaturas mais elevadas, para uso em componentes de motores.

    Alm disso, existe uma necessidade reconhecida de encon-trar fontes de energia novas e econmicas, alm de usar as fon-tes de energia atuais de maneira mais eficiente. Os materiais iro, sem dvida alguma, desempenhar papel significativo nestes de-senvolvimentos. Por exemplo, a converso direta de energia so-lar em energia eltrica foi demonstrada. As clulas solares em-pregam alguns materiais de certa forma complexos e caros. Para assegurar uma tecnologia que seja vivel, devem ser desenvol-vidos materiais que sejam altamente eficientes nestes processos de converso, porm mais baratos.

    Ademais, a qualidade do meio ambiente depende da nossa habilidade de controlar a poluio do ar e da gua. As tcnicas de controle da poluio empregam vrios materiais. Adicional-mente, o processamento de materiais e os mtodos de refinamento precisam ser aprimorados para que produzam menor degrada-o do meio ambiente, isto , menos poluio e menor destrui-o da paisagem devido minerao de matrias-primas. Tam-bm, em alguns processos de fabricao de materiais, so pro-duzidas substncias txicas, e o impacto ecolgico da elimina-o dessas substncias deve ser considerado.

    Muitos materiais que usamos so derivados de recursos no-renovveis, isto , recursos impossveis de serem regenerados. Nestes incluem-se os polmeros, para os quais a matria-prima principal o petrleo e alguns metais. Estes recursos no-re-novveis esto se tornando gradualmente escassos, o que exi-ge: 1) a descoberta de reservas adicionais, 2) o desenvolvimento de novos materiais que possuam propriedades comparveis, po-rm apresentem impacto ambiental menos adverso, e/ou 3) maio-res esforos de reciclagem e o desenvolvimento de novas tec-nologias de reciclagem. Como conseqncia dos aspectos eco-nmicos no somente da produo, mas tambm do impacto ambiental e de fatores ecolgicos, est se tornando cada vez mais importante considerar o ciclo de vida "desde o bero at o tmulo" dos materiais em relao ao processo global de fa-bricao.

    Os papis que os cientistas e engenheiros de materiais desem-penham em relao a estas, bem como a outras questes ambien-tais e sociais, sero discutidos em maiores detalhes no Cap. 24.

    REFERNCIAS A edio de outubro de 1986 da revista Scientific American, Vol. 255, N. 4, foi totalmente dedicada a vrios materiais avanados

    e suas aplicaes. Outras referncias para o Cap. 1 so livros que cobrem os fundamentos bsicos do campo da cincia e engenha-ria dos materiais.

    Ashby, M. F. and D. R. H. Jones, Engineering Mate-rials 1, An Introducon to Their Properties and Applications, 2nd edition, Pergamon Press, Ox-ford, 1996.

    Ashby, M. F. and D. R. H. Jones, Engineering Mate-rials 2, An Introducon to Microstructures, Pro-cessing and Design, Pergamon Press, Oxford, 1986.

    Askeland, D. R., The Science and Engineering of Materials, 3rd edition, Brooks/Cole Publishing Co., Pacific Grove, CA, 1994.

    Barrett, C. R., W. D. Nix, and A. S. Tetelman, The Principies of Engineering Materials, Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs, NJ, 1973.

    Flinn, R. A. and P. K. Trojan, Engineering Ma-terials and Their Applications, 4th edition, John Wiley & Sons, New York, 1990.

    Jacobs, J. A. and T. F. Kilduff, Engineering Materi-als Technology, 3rd edition, Prentice Hall, Up-per Saddle River, NJ, 1996.

    McMahon, C. J., Jr. and C. D. Graham, Jr., Intro-duetion to Engineering Materials: The Bicycle and the Walkman, Merion Books, Philadel-phia, 1992.

    Murray, G. T., Introduction to Engineering Materi-als Behauior, Properties, and Selection, Mar-eei Dekker, Inc., New York, 1993.

    Ohring, M., Engineering Materials Science, Aca-demic Press, San Dieg, CA, 1995.

    Ralls, K. M., T. H. Courtney, and J. Wulff, Intro-duction to Materials Science and Engineering, John Wiley & Sons, New York, 1976.

    Schaffer, J. P., A. Saxena, S. D. Antolovich, T. H. Sanders, Jr., and S. B. Warner, The Science and Design of Engineering Materials, 2nd edition, WCB/McGraw-Hill, New York, 1999.

    Shackelford, J. F., Introduction to Materials Science for Engineers, 4th edition, Prentice Hall, Incr, Upper Saddle River, NJ, 1996.

    Smith, W. F., Principies of Materials Science and Engineering, 3rd edition, McGraw-Hill Book Company, New York, 1995.

    Van Vlack, L. H., Elements of Materials Science and Engineering, 6th edition, Addison-Wesley Publishing Co., Reading, MA, 1989.

  • Objetivos de Aprendizado Aps estudar este captulo, voc dever ser capaz de: 1. Identificar os dois modelos atmicos citados e observar

    as diferenas entre eles. 2. Descrever o importante princpio quntico-mecnico

    que se relaciona s energias dos eltrons. 3. (a) Plotar esquematicamente as energias atrativa,

    repulsiva e lquida em funo da separao interatmica para dois tomos ou ons.

    (b) Observar neste diagrama a separao em condies de equilbrio e a energia de ligao. 4. (a)

    Descrever sucintamente as ligaes inica, covalente, metlica, de hidrognio e de van der Waals. (b) Observar quais materiais exibem cada

    um destes tipos de ligao.

    2.1 INTRODUO Algumas das propriedades importantes dos materiais slidos dependem dos arranjos geomtricos dos tomos e tambm das interaes que existem entre os tomos ou molculas consti-tuintes. Este captulo, com o objetivo de preparar para discus-ses subseqentes, leva em considerao diversos conceitos fun-damentais e importantes, quais sejam: estrutura atmica, confi-guraes eletrnicas dos tomos e tabela peridica, e os vrios tipos de ligaes interatmicas primrias e secundrias que man-tm unidos os tomos que compem um slido. Estes tpicos so aqui revistos de maneira sucinta, com base na hiptese de que parte deste material j seja familiar ao leitor.

    ESTRUTURA ATMICA 2.2 CONCEITOS FUNDAMENTAIS Cada tomo consiste em um ncleo muito pequeno composto por prtons e nutrons, que circundado por eltrons em movimen-to. Tanto os eltrons como os prtons so eletricamente carre-gados, com magnitude da carga da ordem de 1,60 X 10~19C, a qual possui sinal negativo para os eltrons e positivo para os prtons; os nutrons so eletricamente neutros. As massas des-tas partculas subatmicas so infinitesimalmente pequenas; os prtons e nutrons possuem aproximadamente a mesma massa, 1,67 X IO"27kg, que significativamente maior do que a massa de um eltron, 9,11 X IO"31 kg.

    Cada elemento qumico caracterizado pelo nmero de pr-tons no seu ncleo, ou o seu nmero atmico (Z).1 Para um to-mo eletricamente neutro ou completo, o nmero atmico tam-bm igual ao seu nmero de eltrons. Este nmero atmico varia em unidades inteiras entre 1, para o hidrognio, e 94, para o plu-tnio, o mais alto entre os elementos que ocorrem naturalmente.

    A massa atmica (A) de um tomo especfico pode ser ex-pressa como a soma das massas de prtons e nutrons no interior do ncleo. Embora o nmero de prtons seja o mesmo para todos os tomos de um dado elemento, o nmero de nutrons (AO pode ser varivel. Assim, os tomos de alguns elementos possu-em duas ou mais massas atmicas diferentes; estes so chama-dos de istopos. O peso atmico de um elemento corresponde mdia ponderada das massas atmicas dos istopos do tomo que

    'Os termos em negrito so definidos no Glossrio, aps o Apndice E.

    ocorrem naturalmente.2 A unidade de massa atmica (uma] pode ser usada para clculos do peso atmico. Foi estabelecida uma escala onde 1 uma definida como sendo 1/12 da massa atmica do istopo mais comum do carbono, carbono 12 (12Q (A = 12,00000). Dentro deste mtodo, as massas de prtons e nutrons so ligeiramente maiores do que a unidade, e

    O peso atmico de um elemento ou o peso molecular de um com-posto pode ser especificado com base em uma por tomo (mol-cula) ou massa por mol de material. Em um mol de uma subs-tncia existem 6,023 X IO23 (nmero de Avogadro) tomos ou molculas. Esses dois mtodos de pesos atmicos esto relacio-nados atravs da seguinte equao:

    1 uma/tomo (ou molcula) = 1 g/mol Por exemplo, o peso atmico do ferro de 55,85 uma/tomo, ou 55,85 g/mol. Algumas vezes o uso de uma por tomo ou mol-cula conveniente; em outras ocasies, g (ou kg)/mol prefer-vel; o ltimo usado neste livro.

    2.3 ELTRONS NOS TOMOS MODELOS ATMICOS Durante a ltima parte do sculo dezenove, observou-se que mui-tos fenmenos envolvendo eltrons em slidos no podiam ser explicados em termos da mecnica clssica. O que se seguiu foi. o estabelecimento de uma srie de princpios e leis que gover-nam os sistemas de entidades atmicas e subatmicas, que veio a ser conhecida como mecnica quntica. Uma compreenso do comportamento dos eltrons nos tomos e slidos cristalinos envolve necessariamente a discusso de conceitos quntico-mecnicos. Contudo, uma explorao detalhada destes princpios est alm do escopo deste livro; damos ao assunto apenas um tratamento muito superficial e simplificado.

    Um dos primeiros precursores da mecnica quntica foi o modelo atmico de Bohr simplificado, no qual assume-se que eltrons orbitam ao redor do ncleo atmico em orbitais distin-tos, onde a posio de qualquer eltron em particular mais ou menos bem definida em termos do seu orbital. Este modelo at-mico est representado na Fig. 2.1.

    2O termo "massa atmica" realmente mais preciso do que "peso atmico", uma vez que, neste contexto, estamos lidando com massas e no com pesos. Contudo, peso atmico , por conveno, a terminologia preferida, e ser usada ao longo de todo este livro. O leitor deve observar que no necessrio dividir o peso molecular pela constante gravitacional.

  • Um outro importante princpio quntico-mecnico estipula que as energias dos eltrons so quantizadas; isto , aos eltrons permite-se apenas que possuam valores de energia especficos. A energia de um eltron pode mudar, mas, ao faz-lo, ele deve efetuar um salto quntico para uma energia permitida mais ele-vada (com absoro de energia) ou para uma energia permitida mais baixa (com emisso de energia). Com freqncia, conve-niente pensar nestas energias eletrnicas permitidas como estando associadas com nveis ou estados energticos. Estes estados no variam continuamente com a energia; isto , estados adjacentes esto separados por energias finitas. Por exemplo, os estados per-mitidos para o tomo de hidrognio de Bohr esto representa-dos na Fig. 2.2a. Estas energias so consideradas negativas, en-quanto o zero de referncia o eltron sem ligao ou eltron livre. Obviamente, o nico eltron associado com o tomo de hidrognio ir preencher somente um desses estados.

    Assim, o modelo de Bohr representa uma tentativa precoce de descrever os eltrons nos tomos em termos tanto da posio (or-bitais eletrnicos) como da energia (nveis de energia quantizados).

    Por fim, este modelo de Bohr foi considerado significativa-mente limitado devido sua incapacidade de explicar vrios fe-nmenos envolvendo os eltrons. Foi obtida uma soluo com um modelo mecnico-ondulatrio, no qual considera-se que o eltron exibe caractersticas tanto de uma onda como de uma par-tcula. Com este modelo, um eltron no mais tratado como uma partcula que se move em um orbital distinto; em vez disto, a posio do eltron considerada como sendo a probabilidade de um eltron estar em vrios locais ao redor do ncleo. Em ou-tras palavras, a posio descrita por uma distribuio de proba-bilidades ou uma nuvem eletrnica. A Fig. 2.3 compara os mode-los de Bohr e mecnico-ondulatrio para o tomo de hidrognio. Ambos os modelos so usados ao longo de todo este livro; a esco-lha depende de qual modelo permite a explicao mais simples. NMEROS QUNTICOS Usando a mecnica ondulatria, cada eltron em um tomo caracterizado por quatro parmetros chamados nmeros qun-ticos. O tamanho, a forma e a orientao espacial da densidade de probabilidade de um eltron so especificados por trs des-ses nmeros qunticos. Alm disso, os nveis energticos de Bohr so separados em subcamadas eletrnicas, e os nmeros qunti-cos definem o nmero de estados (ou orbitais) em cada subca-mada. As camadas so especificadas por um nmero quntico principal n, que pode assumir nmeros inteiros a partir da uni-dade; algumas vezes essas camadas so designadas pelas letras

    K, L, M, N, O, e assim por diante, que correspondem, respecti-vamente, a n = 1, 2, 3,4, 5,..., conforme est indicado na Tabe-la 2.1. Deve ser tambm observado que este nmero quntico, e somente este, tambm est associado com o modelo de Bohr. Este nmero quntico est relacionado distncia de um eltron a partir do ncleo, ou a sua posio.

    O segundo nmero quntico, l, significa a subcamada, que identificada por uma letra minscula

    um s, p, d ou/; ele est relacionado forma da subcamada eletrnica. Adicionalmente, a quantidade destas subcamadas est restrita pela magnitude de n. As subcamadas permitidas para os diversos valores de n tam-bm esto apresentadas na Tabela 2.1.0 nmero de estados ener-gticos para cada subcamada determinado pelo terceiro nme-ro quntico, m,. Para uma subcamada 5, existe um nico estado energtico, enquanto para as subcamadas/?, d e/existem, respec-tivamente, trs, cinco e sete estados ou orbitais (Tabela 2.1). Na ausncia de um campo magntico externo, os estados dentro de cada subcamada so idnticos. Contudo, quando um campo mag-ntico aplicado, esses estados ou orbitais da subcamada se sepa-ram, cada estado assumindo uma energia ligeiramente diferente.

    Associado com cada eltron est um momento de spin (mo-mento de rotao), que deve estar orientado para cima ou para baixo. O quarto nmero quntico, ms, est relacionado a este mo-mento de spin, para o qual existem dois valores possveis (+1/2 e 1/2), um para cada uma das orientaes de spin.

    Desta forma, o modelo de Bohr foi subseqentemente refina-do pela mecnica ondulatria, onde a introduo de trs novos nmeros qunticos d origem a subcamadas eletrnicas dentro de cada camada. Uma comparao entre esses dois modelos com base neste aspecto est ilustrada para o tomo de hidrognio nas Figs. 2.2a e 2.2b.

  • Um diagrama completo de nveis energticos utilizando o modelo mecnico-ondulatrio para as vrias camadas e sub-camadas est mostrado na Fig. 2.4. Vrias caractersticas do dia-grama so dignas de observao. Em primeiro lugar, quanto menor o nmero quntico principal, menor o nvel energtico; por exemplo, a energia de um estado ou orbital \s menor do que aquela de um orbital 2s, que por sua vez menor do que a de um 3s. Em segundo lugar, dentro de cada camada, a energia

    de uma subcamada aumenta com o valor do nmero quntico /. Por exemplo, a energia de um orbital 3d maior do que a de um 3p, que por sua vez maior do que a de um 3s. Finalmente, po-dem existir superposies na energia de um orbital em uma ca-mada com orbitais em uma camada adjacente, o que especial-mente verdadeiro para os orbitais d tf; por exemplo, a energia de um orbital 3d maior do que aquela de um 4s.

    CONFIGURAES ELETRNICAS A discusso anterior tratou principalmente dos

    estados eletrnicos

    valores de energia que so permitidos para os eltrons. Para determinar a maneira pela qual estes estados so preenchidos com eltrons, ns usamos o princpio da excluso de Pauli, um outro conceito quntico-mecnico. Este princpio estipula que cada estado ou orbital eletrnico pode comportar um mximo de dois eltrons, que devem possuir valores de spin opostos. Nesse sentido, as subcamadas s,p, d e/podem acomodar, cada uma, um total de 2, 6,10 e 14 eltrons, respectivamente. A Tabela 2.1 resume o nmero mximo de eltrons que podem comportar cada uma das quatro primeiras camadas.

  • Obviamente, nem todos os estados possveis em um tomo esto preenchidos com eltrons. Para a maioria dos tomos, os eltrons preenchem os orbitais energticos mais baixos possveis nas camadas e subcamadas eletrnicas, dois eltrons (que pos-suem spin opostos) por estado. A estrutura energtica para um tomo de sdio est representada esquematicamente na Fig. 2.5. Quando todos os eltrons ocupam as menores energias possveis de acordo com as restries anteriores, diz-se que o tomo est em seu estado fundamental. Contudo, so possveis transies eletrnicas para orbitais de maior energia, como est discutido nos Caps. 19 e 22. A configurao eletrnica ou a estrutura de um tomo representa a maneira segundo a qual estes orbitais so ocupados. Na notao convencional, o nmero de eltrons em cada subcamada indicado por um ndice sobrescrito aps a designao da camada e subcamada. Por exemplo, as configura-es eletrnicas para o hidrognio, hlio e sdio so, respectiva-mente, \s[, \s2 e \s22s22pb?>s\ As configuraes eletrnicas para alguns dos elementos mais comuns esto listadas na Tabela 2.2.

  • A esta altura, so necessrios alguns comentrios em relao a estas configuraes eletrnicas. Em primeiro lugar, os eltrons de valncia so aqueles que ocupam a camada preenchida mais externa. Esses eltrons so extremamente importantes. Como ser visto, eles participam da ligao entre os tomos para formar os agregados atmicos e moleculares. Alm disso, muitas das pro-priedades fsicas e qumicas dos slidos esto baseadas nesses eltrons de valncia.

    Adicionalmente, alguns tomos possuem o que conhecido por "configuraes eletrnicas estveis", isto , os orbitais den-tro da camada eletrnica mais externa ou de valncia esto com-pletamente preenchidos. Normalmente, isto corresponde ocu-pao somente dos orbitais s ep para a camada mais externa por um total de oito eltrons, como o caso para o nenio, argnio e criptnio; uma exceo o hlio, que contm apenas dois el-trons \s. Estes elementos (Ne, Ar, Kr e He) so os gases inertes, ou nobres, virtualmente no reativos do ponto de vista qumico. Alguns tomos dos elementos que possuem camadas de valn-cia no totalmente preenchidas assumem configuraes eletr-nicas estveis pelo ganho ou perda de eltrons para formar ons carregados ou atravs do compartilhamento de eltrons com outros tomos. Esta a base para algumas reaes qumicas e tambm para as ligaes atmicas em slidos, como est expli-cado na Seo 2.6.

    Sob circunstncias especiais, os orbitais s tp se combinam para formar orbitais hbridos sp", onde n indica o nmero de orbitais p envolvidos, e que podem assumir valores de 1, 2 ou 3. Os elementos dos grupos 3A, 4A e 5A da tabela peri-dica (Fig. 2.6) so aqueles que mais freqentemente formam esses hbridos. A fora motriz para a formao de orbitais h-bridos um estado energtico com energia mais baixa para os eltrons de valncia. Para o carbono, o hbrido sp3 de fundamental importncia nas qumicas orgnica e de polme-

    ros. A forma do orbital hbrido sp3 o que determina o ngulo de 109 (ou tetradrico) encontrado nas cadeias de polmeros (Cap. 15).

    2.4 A TABELA PERIDICA Todos os elementos foram classificados na tabela peridica de acordo com a sua configurao eletrnica (Fig. 2.6). Nela os ele-mentos so posicionados em ordem crescente de nmero atmi-co, em sete fileiras horizontais chamadas perodos. O arranjo tal que todos os elementos localizados em uma dada coluna ou grupo possuem estruturas semelhantes dos eltrons de valncia, bem como propriedades qumicas e fsicas semelhantes. Essas propriedades variam gradual e sistematicamente ao se mover horizontalmente ao longo de cada perodo.

    Os elementos posicionados no Grupo 0, o grupo mais direi-ta, so os gases inertes, que possuem camadas eletrnicas total-mente preenchidas e configuraes eletrnicas estveis. Os ele-mentos nos Grupos VIIA e VIA possuem, respectivamente, de-ficincia de um e dois eltrons para completarem estruturas es-tveis. Os elementos no Grupo VIIA (F, Cl, Br, I e At) so algu-mas vezes chamados de halognios. Os metais alcalinos e alca-lino-terrosos (Li, Na, K, Be, Mg, Ca etc.) so identificados como Grupos IA e IIA, possuindo, respectivamente, um e dois eltrons alm das estruturas estveis. Os elementos nos trs perodos lon-gos, Grupos IIIB a IIB, so chamados de metais de transio; possuem orbitais eletrnicos d parcialmente preenchidos e, em alguns casos, um ou dois eltrons na camada energtica imedia-tamente mais alta. Os Grupos IIIA, IVA e VA (B, Si, Ge, As etc.) apresentam caractersticas que so intermedirias entre os me-tais e os ametais (no-metais) em virtude das estruturas dos seus eltrons de valncia.

  • Como pode ser observado na tabela peridica, a maioria dos elementos se enquadra realmente sob a classificao de metal. Estes so s vezes chamados de elementos eletropositivos, in-dicando que so capazes de ceder seus poucos eltrons de va-lncia para se tornarem ons carregados positivamente. Adicio-nalmente, os elementos situados ao lado direito da tabela peri-dica so eletronegativos; isto , eles prontamente aceitam el-trons para formar ons carregados negativamente, ou algumas vezes eles compartilham eltrons com outros tomos. A Fig. 2.7 mostra os valores de eletronegatividade que foram atribu-dos aos vrios elementos distribudos na tabela peridica. Como regra geral, a eletronegatividade aumenta ao se deslo-car da esquerda para a direita e de baixo para cima na tabela. Os tomos apresentam maior tendncia em aceitar eltrons se as suas camadas mais externas estiverem quase totalmente pre-enchidas e se elas estiverem menos "protegidas" (isto , mais prximas) do ncleo.

    LIGAO ATMICA NOS SLIDOS 2.5 FORAS E ENERGIAS DE LIGAO A compreenso de muitas das propriedades fsicas dos mate-riais est baseada no conhecimento das foras interatmicas que unem os tomos, prendendo-os. Talvez os princpios das ligaes atmicas possam ser mais bem ilustrados conside-rando-se a interao entre dois tomos isolados medida que eles so colocados em proximidade desde uma separao in-finita. A grandes distncias, as interaes entre eles so des-prezveis; no entanto, medida que os tomos se aproximam, cada um exerce foras sobre o outro. Essas foras so de dois tipos, atrativa e repulsiva, e a magnitude de cada uma delas funo da separao ou distncia interatmica. A origem de uma fora atrativa FA depende do tipo especfico de ligao que existe entre os dois tomos. A sua magnitude varia com a distncia, como est representado esquematicamente na Fig. 2.8a. No final das contas, as camadas eletrnicas mais exter-nas dos dois tomos comeam a se superpor, e uma intensa fora repulsiva FR entra em ao. A fora lquida FL entre os dois to-

    mos exatamente a soma das componentes de atrao e de repulso, isto ,

    FL = FA + FR (2.2)

    que tambm uma funo da separao interatmica, como tam-bm est plotado na Fig. 2.8a. Quando FA e FR se anulam, ou se tornam iguais, no existe qualquer fora lquida ou resultante, isto ,

    Ento, existe um estado de equilbrio. Os centros dos dois to-mos iro permanecer separados pela distncia de equilbrio r0, conforme indicado na Fig. 2.8a. Para muitos tomos, r0 de aproximadamente 0,3 nm (3 A). Uma vez nesta posio, pela ao de uma fora atrativa os dois tomos iro neutralizar qualquer tentativa de separ-los, e pela ao de uma fora repulsiva tam-bm neutralizaro as tentativas de aproximar um contra o outro. Algumas vezes mais conveniente trabalhar com as energias potenciais entre dois tomos no lugar das foras entre eles. Ma-tematicamente, a energia (E) e a fora (F) esto relacionadas atravs da expresso

    = j Fdr Ou, para sistemas atmicos,

    EL = FL dr

    onde EL, EA e ER so, respectivamente, as energias lquida, atrativa e repulsiva para dois tomos adjacentes isolados.

    A Fig. 2.8b mostra as energias potenciais atrativa, repulsiva e lquida como uma funo da separao interatmica entre dois tomos. A curva da energia lquida, que novamente a soma das

  • outras duas, apresenta um vale ou uma depresso de energia po-tencial ao redor do seu mnimo. Aqui, a mesma distncia de equi-lbrio, r0, corresponde distncia de separao no ponto mni-mo da curva de energia potencial. A energia de ligao para estes dois tomos, Eo, corresponde energia neste ponto mnimo (tam-bm mostrado na Fig. 2.8b); ela representa a energia que seria necessria para separar esses dois tomos at uma distncia de separao infinita.

    Embora o tratamento anterior tenha abordado uma situao ideal que envolve apenas dois tomos, existe uma condio se-melhante, porm mais complexa, para os materiais slidos, pois as interaes de fora e energia entre muitos tomos devem ser consideradas. No obstante, uma energia de ligao, anloga a Eo acima, pode estar associada a cada tomo. A magnitude desta energia de ligao e a forma da curva da energia em funo da separao interatmica variam de material para material, e am-bas dependem do tipo de ligao atmica. Alm disso, um certo nmero de propriedades dos materiais depende de Eo, da forma da curva e do tipo de ligao. Por exemplo, os materiais que possuem grandes energias de ligao em geral tambm possu-em temperaturas de fuso elevadas; temperatura ambiente, as substncias slidas so formadas devido a elevadas energias de ligao, enquanto nos casos em que existem apenas pequenas energias de ligao o estado gasoso favorecido; os lquidos prevalecem quando as energias so de magnitude intermediria. Adicionalmente, conforme discutido na Seo 6.3, a rigidez mecnica (ou mdulo de elasticidade) de um material depende

    da forma da sua curva da fora em funo da separao inte-ratmica (Fig. 6.7). A inclinao da curva na posio r = rQ para um material relativamente rgido ser bastante ngreme; as in-clinaes so menos ngremes para os materiais mais flexveis. Alm disso, o quanto ura material se expande em funo do aque-cimento ou se contrai devido ao resfriamento (isto , o seu coe-ficiente linear de expanso trmica) est relacionado forma da sua curva EQ X r0 (ver Seo 20.3). Um "vale" profundo e es-treito, que ocorre tipicamente para os materiais que possuem elevadas energias de ligao, est nornalmente correlacionado com um baixo coeficiente de expanso trmica e alteraes di-mensionais relativamente pequenas em funo de mudanas de temperatura.

    Trs tipos diferentes de ligaes primrias ou ligaes qumi-cas so encontradas nos slidos

    inica, covalente e metlica. Para cada tipo, a ligao envolve necessariamente os eltrons de valncia; alm disso, a natureza da ligao depende das estruturas eletrnicas dos tomos constituintes. Em geral, cada um desses trs tipos de ligao se origina da tendncia dos tomos para adquirir estruturas eletrnicas estveis, como aquelas dos gases inertes, pelo preenchimento total da camada eletrnica mais externa.

    Foras e energias secundrias ou fsicas tambm so encon-tradas em muitos materiais slidos; elas so mais fracas do que as primrias, mas ainda assim influenciam as propriedades fsi-cas de alguns materiais. As sees seguintes explicam os vrios tipos de ligaes interatmicas primrias e secundrias.

    2.6 LIGAES INTERATMICAS PRIMRIAS LIGAES INICAS Talvez a ligao inica seja a mais fcil de ser descrita e de se visualizar. Ela sempre encontrada em compostos cuja compo-sio envolve tanto elementos metlicos como no-metlicos, ou seja, elementos que esto localizados nas extremidades horizon-tais da tabela peridica. Os tomos de um elemento metlico perdem facilmente os seus eltrons de valncia para os tomos no-metlicos. No processo, todos os tomos adquirem configu-raes estveis ou de gs inerte e, adicionalmente, uma carga eltrica; isto , eles se tornam ons. O cloreto de sdio (NaCl) o material inico clssico. Um tomo de sdio pode assumir a estrutura eletrnica do nenio (e uma carga lquida positiva uni-tria) pela transferncia de seu nico eltron de valncia, 3s, para um tomo de cloro. Aps esta transferncia, o on cloro adquire uma carga lquida negativa e uma configurao eletrnica idn-tica quela do argnio. No cloreto de sdio, todo sdio e todo cloro existem como ons. Esse tipo de ligao est ilustrado esquematicamente na Fig. 2.9.

    As foras de ligao atrativas so de Coulomb; isto , ons po-sitivos e negativos, devido s suas cargas eltricas lquidas, atraem uns aos outros. Para dois tomos isolados, a energia atrativa EA uma funo da distncia interatmica de acordo com a relao3

    3A constante A na Eq. 2.8 igual a

    onde e0 a permissividade do vcuo (8,85 X IO"12 F/m), Z, e Z2 so as valncias dos dois tipos de ons, e e a carga de um eltron (1,602 X IO"'9 C).

  • Nessas expresses, A, B e n so constantes cujos valores depen-dem do sistema inico especfico. O valor de n de aproxima-damente 8.

    A ligao inica chamada no-direcional, isto , a magnitu-de da ligao igual em todas as direes ao redor do on. Con-seqentemente, para que materiais inicos sejam estveis, em um arranjo tridimensional todos os ons positivos devem possuir ons carregados negativamente como seus vizinhos mais prximos, e vice-versa. A ligao predominante nos materiais cermicos inica. Alguns dos arranjos de ons nestes materiais so discuti-dos no Cap.'13.

    As energias de ligao, que geralmente variam na faixa entre 600 e 1500 kJ/mol (3 e 8 eV/tomo), so relativamente altas, o que refletido na forma de temperaturas de fuso elevadas.4 A

    4Algumas vezes as energias de ligao so expressas por tomo ou por on. Sob essas cir-cunstncias, o eltron-volt (eV) uma unidade de energia convenientemente pequena. Ela , por definio, a energia concedida a um eltron medida que ele se desloca atravs de um potencial eltrico de um volt. O equivalente em joule a um eltron-volt o seguinte: 1,602 X 10-"? J = 1 eV.

    Tabela 2.3 contm as energias de ligao e as temperaturas de fuso de vrios materiais inicos. Os materiais inicos so, por caracterstica, materiais duros e quebradios e, alm disso, iso-lantes eltricos e trmicos. Conforme ser discutido em captu-los subseqentes, essas propriedades so uma conseqncia di-reta das configuraes eletrnicas e/ou da natureza da ligao inica. LIGAO COVALENTE Na ligao covalente as configuraes eletrnicas estveis so adquiridas pelo compartilhamento de eltrons entre tomos ad-jacentes. Dois tomos ligados de maneira covalente iro cada um contribuir com pelo menos um eltron para a ligao, e os eltrons compartilhados podem ser considerados como perten-centes a ambos os tomos. A ligao covalente est ilustrada esquematicamente na Fig. 2.10 para uma molcula de metano (CH4). O tomo de carbono possui quatro eltrons de valncia, enquanto cada um dos quatro tomos de hidrognio possui um nico eltron de valncia. Cada tomo de hidrognio pode ad-quirir uma configurao eletrnica de hlio (dois eltrons de valncia \s) quando o tomo de carbono compartilha um el-tron com ele. O carbono agora possui quatro eltrons compar-tilhados adicionais, um de cada tomo de hidrognio, comple-tando um total de oito eltrons de valncia, e a estrutura ele-trnica do nenio. A ligao covalente direcional; isto , ela ocorre entre tomos especficos e pode existir somente na di-reo entre um tomo e o outro que participa no compartilha-mento de eltrons.

    Muitas molculas elementares de no-metais (H2, Cl2, F2 etc), bem como molculas contendo tomos diferentes, tais como CH4, H2O, HNO3 e HF, so ligadas covalentemente. Alm disso, esse tipo de ligao encontrado em slidos elementares, como o diamante (carbono), o silcio e o germnio, bem como em ou-tros compostos slidos cuja composio inclui elementos que esto localizados no lado direito da tabela peridica, como o arseneto de glio (GaAs), o antimoneto de ndio (InSb) e o car-beto de silcio (SiC).

    O nmero de ligaes covalentes que possvel para um tomo particular determinado pelo nmero de eltrons de valncia. Para N' eltrons de valncia, um tomo pode se li-gar de maneira covalente com, no mximo, 8

    N' outros tomos. Por exemplo, N' = 7 para o cloro, e 8 - iV' = 1, o que significa que um tomo de cloro pode se ligar a apenas

    Uma equao anloga para a energia de repulso

  • um outro tomo, como ocorre no Cl2. De maneira semelhante, para o carbono, N' = 4, e cada tomo de carbono possui 8 - 4, ou quatro, eltrons para compartilhar. O diamante sim-plesmente a estrutura tridimensional de interconexo em que cada tomo de carbono se liga covalentemente com quatro outros tomos de carbono. Esse arranjo est representado na Fig. 13.15.

    As ligaes covalentes podem ser muito fortes, como no dia-mante, que muito duro e possui uma temperatura de fuso muito alta, > 3550C (6400F), ou elas podem ser muito fracas, como ocorre com o bismuto, que funde a aproximadamente 270C (518F). As energias de ligao e temperaturas de fuso de al-guns materiais ligados covalentemente esto apresentadas na Tabela 2.3. Os materiais polimricos tipificam essa ligao, sendo a estrutura molecular bsica uma longa cadeia de tomos de car-bono que se encontram ligados entre si de maneira covalente, atravs de duas das quatro ligaes disponveis em cada tomo. As duas ligaes restantes so normalmente compartilhadas com outros tomos, que tambm se encontram ligados covalentemen-te. As estruturas moleculares polimricas so discutidas em de-talhes no Cap. 15.

    E possvel a existncia de ligaes interatmicas que sejam parcialmente inicas e parcialmente covalentes, e, de fato, pou-cos compostos exibem ligaes com carter que seja exclusiva-mente inico ou covalente. Para um composto, o grau de cada tipo de ligao depende das posies relativas dos tomos cons-tituintes na tabela peridica (Fig. 2.6) ou da diferena nas suas eletronegatividades (Fig. 2.7). Quanto maior for a separao (tanto horizontalmente

    em relao ao Grupo IVA

    como verti-calmente) do canto inferior esquerdo para o canto superior di-reito (isto , quanto maior for a diferena entre as eletronegati-vidades), mais inica ser a ligao. De maneira contrria, quanto mais prximos estiverem os tomos (isto , quanto menor for a diferena de eletronegatividades), maior ser o grau de co-valncia. O percentual de carter inico de uma ligao entre os elementos A e B (onde A o elemento mais eletronegativo) pode ser aproximado pela expresso

    % carter inico = {1 - exp[-(0,25)(XA - XB)2]} X 100 (2.10)

    onde XA e XB so as eletronegatividades dos respectivos elemen-tos.

    LIGAO METLICA A ligao metlica, o ltimo tipo de ligao primria, encon-trada em metais e suas ligas. Foi proposto um modelo relativa-mente simples que muito se aproxima do esquema de ligao. Os materiais metlicos possuem um, dois ou, no mximo, trs eltrons de valncia. Com esse modelo, estes eltrons de valn-cia no se encontram ligados a qualquer tomo em particular no slido e esto mais ou menos livres para se movimentar ao lon-go de todo o metal. Eles podem ser considerados como perten-cendo ao metal como um todo, ou como se estivessem forman-do um "mar de eltrons" ou uma "nuvem de eltrons". Os el-trons restantes, aqueles que no so eltrons de valncia, junta-mente com os ncleos atmicos, formam o que so chamados ncleos inicos, que possuem uma carga lquida positiva igual em magnitude carga total dos eltrons de valncia por tomo. A Fig. 2.11 uma ilustrao esquemtica da ligao metlica. Os eltrons livres protegem os ncleos inicos carregados posi-tivamente das foras eletrostticas mutuamente repulsivas que eles iriam, de outra forma, exercer uns sobre os outros; conse-qentemente, a ligao metlica apresenta carter no-direcio-nal. Adicionalmente, esses eltrons livres atuam como uma "cola" para manter juntos os ncleos inicos. As energias de ligao e temperaturas de fuso para diversos metais esto listadas na Ta-bela 2.3. A ligao pode ser fraca ou forte; as energias variam na faixa entre 68 kJ/mol (0,7 eV/tomo) para o mercrio e 850 kl/ mol (8,8 eV/tomo) para o tungstnio. As respectivas temperatu-ras de fuso destes metais so -39 e 3410C (-38 e 6170F).

    A ligao metlica encontrada para os elementos dos Grupos IA e HA na tabela peridica, e, de fato, para todos os metais elementares.

    Alguns comportamentos gerais dos diversos tipos de materi-ais (isto , metais, cermicos, polmeros) podem ser explicados pelo tipo de ligao. Por exemplo, os metais so bons conduto-res de calor e eletricidade, como conseqncia dos seus eltrons livres (ver Sees 19.5, 19.6 e 20.4). Em contraste, materiais li-gados ionicamente e covalentemente so tipicamente isolantes eltricos e trmicos, devido ausncia de grandes nmeros de eltrons livres.

    Alm disso, na Seo 7.4 observamos que temperatura ambiente a maioria dos metais e suas ligas falha de maneira dctil; isto , ocorre fratura aps os materiais experimentarem nveis significativos de deformao permanente. Esse comportamento

  • explicado em termos do mecanismo de deformao (Seo 7.2), que est implicitamente relacionado s caractersticas da ligao metlica. De maneira contrria, temperatura ambiente os ma-teriais ligados ionicamente so intrinsecamente quebradios, como conseqncia da natureza eletricamente carregada de seus ons componentes (ver Seo 13.9).

    peraturas de fuso e ebulio so extremamente baixas em ma-teriais para os quais a ligao por dipolos induzidos predomi-nante; dentre todos os tipos de ligao intermoleculares poss-veis, estas so as mais fracas. As energias de ligao e tempera-turas de fuso para o argnio e o cloro tambm esto tabuladas na Tabela 2.3. LIGAES ENTRE MOLCULAS POLARES E DIPOLOS INDUZIDOS Momentos dipolo permanentes existem em algumas molcu-las em virtude de um arranjo assimtrico de regies carrega-das positivamente e negativamente; tais molculas so chama-das molculas polares. A Fig. 2.14 apresenta uma representa-o esquemtica de uma molcula de cloreto de hidrognio; um momento dipolo permanente tem sua origem a partir das car-gas lquidas positiva e negativa que esto associadas, respecti-vamente, s extremidades contendo o hidrognio e o cloro da molcula de HC1.

    As molculas polares tambm podem induzir dipolos em molculas apolares adjacentes, e uma ligao ir se formar como resultado das foras atrativas entre as duas molculas. Alm dis-so, a magnitude dessa ligao ser maior do que aquela que existe para dipolos induzidos flutuantes. LIGAES DIPOLO PERMANENTES As foras de van der Waals tambm iro existir entre molculas polares adjacentes. As energias de ligao associadas so signi-ficativamente maiores do que aquelas para ligaes envolvendo dipolos induzidos.

    O tipo mais forte de ligao secundria, a ligao de hidrog-nio, um caso especial de ligao entre molculas polares. Ela ocorre entre molculas nas quais o hidrognio est ligado cova-lentemente ao flor (como no HF), ao oxignio (como na H2O) e ao nitrognio (como no NH3). Para cada ligao H-F, H-0 ou H-N, o nico eltron do hidrognio compartilhado com o ou-tro tomo. Assim, a extremidade da ligao contendo o hidrog-nio consiste essencialmente em um prton isolado, carregado positivamente, e que no est neutralizado por qualquer eltron.

  • Essa extremidade carregada da molcula, altamente positiva, capaz de exercer uma grande fora de atrao sobre a extremi-dade negativa de uma molcula adjacente, conforme est de-monstrado na Fig. 2.15 para o HF. Essencialmente, este prton isolado forma uma ponte entre dois tomos carregados negati-vamente. A magnitude da ligao de hidrognio geralmente maior do que aquela para outros tipos de ligaes secundrias, e pode ser to elevada quanto 51 kJ/mol (0,52 eV/molcula), como est mostrado na Tabela 2.3. As temperaturas de fuso e ebuli-o para o fluoreto de hidrognio e para a gua so anormalmente elevadas para os seus baixos pesos moleculares, sendo isto uma conseqncia da ligao de hidrognio.

    2.8 MOLCULAS Para concluir este captulo, vamos dedicar alguns momentos discutindo o conceito de molcula, analisando-a em termos de materiais slidos. Uma molcula pode ser definida como um grupo de tomos que est