cm_cap_5_ - relação entre estrutura e propriedades 2014-2

Captulo 5 -

Relao entre

Estrutura e

Propriedades

Prof. C. P. Bergmann PPGE3M - EE UFRGS - 2014

Cincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS

5. RELAO ENTRE ESTRUTURA E PROPRIEDADES

5-1 INTRODUO

5-2 PROPRIEDADES MECNICAS

5-3 PROPRIEDADES ELTRTICAS

5-4 PROPRIEDADES TRMICAS

5-5 PROPRIEDADES MAGNTICAS

5-6 PROPRIEDADES TICAS


5-1 INTRODUOCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS

Os materiais apresentam aplicabilidade limitada devido seu

comportamento frente as propriedades de interesse

APLICAO COMPORTAMENTO

ESTRUTURAL mecnico: RM, E, y, ductilidade

TRMICA trmico: k, CP, CV,

ELTRICA eltrico: R, , semi-conduo, isolante,

ferroeltrico, piezoeltrico

TICA tico: transparente, opaco, translcido

MAGNTICA magntico: r, m, diamagntico,

paramagntico, ferromagntico,

ferrimagntico, antiferromagntico

Propriedades de interesse na utilizao de materiais

5-1 INTRODUOCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS

OBJETIVO Compreender a Engenharia pela relao

ESTRUTURA PROPRIEDADES

PROCESSO DE FABRICAO

CINCIA DOS MATERIAIS

Apresentar as principais propriedades de materiais

Relacionar propriedades com estrutura

Cincia dos Materiais

ESTRUTURA

- ATMICA

- CRISTALINA

- MICRO-

ESTRUTURA

- MACRO-

ESTRUTURA

MECNICAS

FSICAS

QUMICAS

FUNDIO

LAMINAO

EXTRUSO

METALURGIA DO P

PRENSAGEM

COLAGEM



5.2.1 INTRODUO

5.2.2 DIAGRAMA TENSO X DEFORMAO

5.2.3 RELAO COM A ESTRUTURA

5.2.3.1 DUREZA

5.2.3.2 FADIGA

5.2.3.3 FLUNCIA

5.2.3.4 IMPACTO

carga aplicada - trao

- compresso

- cisalhamento

forma de aplicao varivel com o tempo

tempo de aplicao - curto

- longo

condies do meio - constante com o tempo - temperatura

- umidade


5-2 PROPRIEDADES MECNICAS 5.2.1 Introduo

Diagrama x

Fadiga

Impacto

Fluncia

Fluncia

Fadiga esttica

Fadiga trmica

PROPRIEDADES MECNICAS: comportamento do material quando sujeito esforos

mecnicos: capacidade de resistir a estes esforos sem romper e sem se deformar de

forma incontrolvel estabelecidas por ensaios


5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.2 Diagrama tenso x deformaoRESISTNCIA TRAO Medida submetendo-se o material uma carga ou fora de trao

crescente, que promove uma deformao progressiva de aumento de

comprimento do CP.

Diagrama tenso x deformao (tpico em metais)

CURVAS x CARACTERSTICAS DE METAIS, POLMEROS E

CERMICOS

Cermicos Flexo

Mquina de ensaios

5-2 PROPRIEDADES MECNICASCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS

DuctilidadeElongao(%)= ((lf-lo)/lo) x 100

Def. Elstica Def. Plstica

max

rupturaescoamento

Resilincia Tenacidade

5.2.2 Diagrama tenso x deformaoInformaes importantes a partir do diagrama x

Mdulo de resilinciaUr= y

2/2E

Energia absorvida at a ruptura

Mxima tenso=F/Ao

Tenses > escoamento Irreversvel (tomos deslocados

permanentemente de suas posies)

No desaparece quando a tenso

removida

Curva de engenharia e verdadeira

Precede def.

plstica

reversvel:

desaparece quando a

tenso removida

praticamente

proporcional tenso

aplicada (lei de Hooke)

Capacidade de um material resistir

deformao plstica

Na curva a, no observa-se nitidamente ofenmeno de escoamento, a tenso de

escoamento corresponde tenso necessria para

promover uma deformao permanente de 0,2% .

Na curva b, o limite de escoamento bemdefinido (o material escoa- deforma-se

plasticamente- sem praticamente aumento da

tenso). O serrilhado ocorre devido interao

entre tomos de soluto (no caso dos aos, C e N

principalmente) e as discordncias, ainda em

pequeno nmero. Principalmente em metais

recozidos.

Resistncia ao escoamento escoamento

No ocorre

escoamento

EscoamentoLei de Hooke: = E

1a REGIO DO DIAGRAMA x

Regio elstica:

Deformao elstica

Mdulo de elasticidade

Coeficiente de Poisson

Mdulo de Cisalhamento



5.2.2.1 Regio elstica5.2.2 Diagrama tenso x deformao

COEFICIENTE DE POISSON

Qualquer elongao ou compresso de uma

estrutura cristalina em uma direo produz um

ajustamento nas dimenses perpendiculares

direo da fora. Depende da rigidez do material.

= -x/z

E= 2 G (1 + )MDULO DE CISALHAMENTO

Tenses de cisalhamento produzem deslocamento de um

plano de tomos em relao ao plano adjacente . Relao entre a

tenso de cisalhamento e a deformao elstica de

cisalhamento.

Mdulo de elasticidade E= / (GPa)


5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.2 Diagrama tenso x deformao5.2.2.1 Regio elstica Quanto maior o E, mais rgido o material ou

menor a sua def. elstica para uma dada tenso

Relao com nveis da estrutura

-Atmica energia de ligao

-Cristalina densidade plana/linear

-Microestrutural homogeneidade

e imperfeies

Polmeros(a) Aumento do comprimento das ligaes

(b) Endireitamento das ligaes

Mx Mn Aleatrio

Al CFC 75 60 70

Au CFC 110 40 80

CoHC 195 70 110

FeCCC 280 125 205

WCCC 345 345 345

E (GPa) Cristais Inicos

Mx Mn Aleatrio

MgO CFC 341 249 315

NaCl 33 44 37

E (GPa) Cristais Metlicos

Microestrutura

DEFORMAO PLSTICA

Estrutura cristalina

Energia de ligaes

E=E0(1-1,9P+0,9P2)

POROSIDADE

Exemplos:

whiskers em cermicos

areia no asfalto, fibra em polmero

segunda fase de gros finos

metlicos em um uma matriz metlica

REFORO POR FIBRAS Efibra = fibraEmatriz matriz

ISOTROPIA / ANISOTROPIA

RELAO DE E COM TEMPERATURA

Fe

Cu

AlMg

No modifica o E

do material (apenas

a ductilidade)

E1 = E2 = E3 = E4 = ...E9METAIS CERMICOS

[GPa]

Magnsio 45

Alumnio 69

Lato 97

Titnio 107

Cobre 110

Nquel 207

Ao 207

Tungstnio 407

E de alguns metais

CRISTAIS DEFORMAM-SE PELO DESLIZAMENTO DE PLANOS

CRISTALINOS EM RELAO AOS DEMAIS. Escala microscpica:

deformao plstica resulta do movimento dos tomos devido tenso

aplicada. Durante este processo ligaes so quebradas e outras refeitas.

2a REGIO DO DIAGRAMA x 5.2.2 Diagrama tenso x deformao



Regio plstica:

Deformao plstica

Resistncia mxima

Ductilidade

Ponto de ruptura

1a Hiptese: ruptura simultnea das ligaes. A resistncia mecnica seria

extremamente elevada comparada obtida na prtica (1000 x!).

2a Hiptese: deslizamento de planos at a ruptura.

QUESTO FUNDAMENTAL: COMO OS MATERIAIS DEFORMAM (e ROMPEM)?

metais podem ser solicitados por

trao, compresso ou cisalhamento,

que podem ser decompostas em tenses

de cisalhamento puras. Cristais

apresentam menor resistncia ao

cisalhamento que trao e

compresso, logo esta a solicitao

responsvel pela deformao destes

materiais.

3a Hiptese: O DESLIZAMENTO DE PLANOS CRISTALINOS FACILITADO PELO

MOVIMENTO DE DISCORDNCIAS: resistncia mecnica da mesma ordem de

grandeza da prtica!

No entanto, a resistncia mecnica ainda bastante elevada (E/20!). Metais

no so to resistentes. Outro mecanismo!

Monocristal

TENSO CRTICA DE CISALHAMENTO

O deslizamento ocorre mais facilmente ao longo de certas direes e planos

MAIS POVOADOS. O NMERO DE SISTEMAS (plano + direo) VARIA COM

A ESTRUTURA CRISTALINA

5.2.2.2 Regio Plstica


Exerccio 1: Calcule a tenso tangencial resolvida no sistema de deslizamento (111)[011] de uma clula unitria de um monocristal CFC

de nquel, quando aplicada uma tenso de 13,7 MPa segundo a direo [001] da clula unitria.

5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.2 Diagrama tenso x deformao5.2.2.2 Regio plstica

Deslizamento em monocristal

Soluo:

Clula unitria CFC onde est aplicada uma tenso de trao segundo a direo [001], que origina uma tenso tangencial

resolvida no sistema de deslizamento (111) [011]

Na figura: = 45 Sistema cbico: [hkl] direo plano (hkl) Direo normal ao plano (111), o plano de deslizamento [111]

cos = a = 1 ou = 54,74a 3 3

r = cos cos =

r = (13,7MPa) (cos45) (cos 54,74)

r = 5,6MPa



MOVIMENTO DE DISCORDNCIA em cunha origina um degrau unitrio de deslizamento.

Mecanismo de deslizamento associado a discordncias

Mista

Discordncia mista em um

cristal. Discordncia AB:

hlice quando entra no

cristal, e cunha quando sai

Cunha

Hlice

Nos metais deformados plasticamente cerca de 5% da energia retida internamente, o restante dissipado na forma de calor. A maiorparte desta energia armazenada est associada s tenses devido sdiscordncias. Presena de discordncias promove uma distoro darede cristalina: algumas regies ficam compridas e outrastracionadas.

IMPORTNCIA PARA AS PROPRIEDADES MECNICAS

DENSIDADES DE DISCORDNCIAS TPICASMateriais solidificados lentamente = 103 discord./mm2

Materiais deformados= 109 -1010 discord./mm2

Materiais deformados e tratados termicamente= 105 - 106 discord./mm2

Campos de deformao em torno (a) de uma discordncia em cunha (b) de uma

discordncia em hlice

REPULSO

ATRAO

O deslizamento facilitado pelo movimento de uma discordncia. A

ENERGIA (E) necessria depende:

- comprimento da discordncia (l)

- mdulo de cisalhamento (G)

- quadrado do vetor de deslizamento(b2)

E lGb2

Discordncias mais sujeitas gerao e expanso, para propiciar a

deformao plstica esto associadas ao MENOR valor de b (MAIOR

densidade linear) e MENOR valor de G (MAIOR densidade atmica planar).

PLANOS MAIS COMPACTOS NAS DIREES MAIS COMPACTAS

- Regio onde encontra-se a

discordncia deixa a rede

comprimida

- Regio abaixo da discordncia a

rede fica tracionada

- Quando a tenso de

cisalhamento aplicada, planos

interatmicos so deslocados at

quebrar, forma-se um novo plano

atmico no cristal

O serrilhado (ex.: metais recozidos) ocorre devido interao entre

tomos de soluto (no caso dos aos, C e N principalmente) e as

discordncias. Quando a tenso atinge um nvel suficiente para vencer

as barreiras (bandas de Lders ou linhas de distenso) que retm as

discordncias, define-se o limite de escoamento superior. A tenso

ento cai at o limite de escoamento inferior. A faixa se propaga ao

longo do corpo, causando alongamento durante o escoamento. Durante

esta propagao, outras barreiras aprisionam as discordncias, exigindo que a tenso

novamente venha a subir e assim sucessivamente, gerando o serrilhado.

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MACLAGEM OU MACLAO Outro mecanismo, menos comum: maclas. Deformao plstica em metais CFC, como o cobre, comum ocorrer por maclao.

Produo de maclas: uma fora cisalhante age ao longo do contorno de gro,

causando o deslocamento de tomos para novas posies.

Uma parte da rede atmica deforma-se originando a sua transformao

imagem, num espelho plano, da parte no deformada da rede que lhe fica adjacente.

PLANO DE MACLA: plano cristalogrfico que separa as regies deformada e no

deformada da rede.

DIREO DE MACLAGEM: direo especfica em que ocorre a maclagem.

tomos se movem em distncias proporcionais s respectivas distncias ao plano de macla

deslizamento MACLAGEM

estrutura cristalina

microestrutura

Contorno de maclas interfere no escorregamento e RM

Diferena bsica entre o efeito do deslizamento e da maclagem na topografia da superfcie de um material metlico deformado.


5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.2 Diagrama tenso x deformao

Deformao plstica em materiais cermicos5.2.2.2 Regio plstica

Cermicos cristalinos em elevadas temperaturas:

necessidade de cinco sistemas de deslizamento ativos

Ex. Al2O3 disponvel a 1550C

Plano no NaCl onde os

ons esto alinhados

(pode ocorrer

deslizamento).

Dificuldade de

deslocamento em

cermicos com

carter inico

(repulso).

Cermicos no-cristalinos (amorfos):-estrutura atmica no regular

-- deformam-se como um fluxo viscoso semelhante aos lquidos

Representao de um fluxo viscoso de um lquido ou fluido

vtreo em razo de uma fora aplicada.

Plano no MgO mostrando a direo de cisalhamento



A deformao plstica ocorre por deslizamento das cadeias moleculares umas

sobre as outras, quebrando e refazendo as foras de ligao secundrias

apolares.

Deformao plstica em materiais polimricos

Curvas de tenso x deformao do

polimetacrilato de metilo, obtidas em ensaio de

trao realizados a vrias temperaturas . A transio

dctil/frgil ocorre entre 86 e 104C.

Ausncia de deformao

plstica

Deformao plstica

Curvas de tenso x deformao da borracha

natural vulcanizada e no-vulcanizada. A

formao de ligaes cruzadas entre as cadeias

polimricas pelos tomos de enxofre aumenta a

resistncia mecnica da borracha vulcanizada.

REFORO POR AUMENTO DE

CRISTALINIDADE

Curvas de tenso x deformao do

polietileno expandido de baixa e alta

densidade. O polietileno de alta

densidade mais resistente, porque

tem maior grau de cristalinidade.

REFORO POR LIGAES CRUZADAS

Curva da resistncia mecnica em funo da temperatura

para diferentes materiais

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EFEITO DA TEMPERATURA

Exemplo em cermicos: alumina

EFEITO DA POROSIDADE

3a REGIO DO DIAGRAMA x OCORRE DE MANEIRA DCTIL OU FRGIL E DE FORMA DIFERENCIADA PARA CADA TIPO DE MATERIAL


5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.2 Diagrama tenso x deformao5.2.2.3 Ruptura

METAIS: Ocorre, normalmente de maneira dctil: h um aviso do

material antes do rompimento.

A fratura dctil pode ser:

-transgranular (crescimento plstico fratura em taa ou cone)

-intergranular (presena de vazios nos contornos de gro)

-cisalhamento

-formao de um pescoo (deformao plstica)

A fratura frgil (geralmente T muito baixas):-clivagem -intergranular

Etapas da formao de uma fratura dctil em taa e cone. Fissurao interna

na zona de estrico de um corpo policristalino de cobre de elevada pureza.

FRATURA DCTIL TRANSGRANULAR

CERMICOS: Tipicamente frgil

Transgranular Intergranular

Dctil Frgil

OBSTRUO DO DESLIZAMENTO por:

1. Solubilizao de um segundo elemento na rede

2. Precipitao de uma segunda fase

3. Contorno de gro

4. Deformao plstica (excesso de discordncias)


5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.3 Controle Propriedades Mecnicas

Controle do deslizamento = controle de propriedades mecnicas


- movimento de discordncias dificultado

- segundo elemento a barreira para tal movimento

- maior a quantidade, maior o efeito

- quanto maior a diferena de tamanho de tomos, mais

acentuado o efeito




INTERAO DE DISCORDNCIAS EM SOLUES SLIDAS

Quando um tomo de uma impureza est presente, o movimento da discordncia

fica restringido, ou seja, deve-se fornecer energia adicional para que continue

havendo escorregamento.

solues slidas de metais so sempre mais resistentes que metais

puros de seus constituintes


- Presena de um ELEMENTO INTERSTICIAL /

SUBSTITUCIONAL reduz a mobilidade de movimento de

discordncias aumenta a resistncia mecnica

-Discordncia: regies comprimidas e regies tracionadas

- Elemento intersticial compensa a regio tracionada,

aumentando a resistncia mecnica;

-Elemento substitucional maior

compensa a regio tracionada,


- Elemento substitucional menor

compensa a regio comprimida,


- Para deformar o material com o segundo elemento

necessita-se de maior energia. Levando ao aumento da

resistncia ao escoamento




Resistncia ao escoamento do metal puro

SOLUES SLIDAS SO MAIS RESISTENTES

QUE O METAL PURO

2. Precipitao de uma segunda fase

- movimento de discordncias dificultado

- segunda fase a barreira para tal movimento

- maior a quantidade, maior o efeito

- comportamento similar a presena de um segundo elemento na rede




Resistncia ao

escoamento do

metal puro

Aumento da resistncia ao escoamento do metal devido precipitao de uma segunda fase

Aumento da resistncia ao escoamento do metal devido formao de

uma soluo slida

MICROESTRUTURAS POLIFSICAS SO

MAIS RESISTENTES QUE O METAL PURO

Efeito da adio de P em uma liga Al-Si. (a) Si primrio, grosseiro

e (b) Si primrio refinado com fsforo.

Efeito do contedo de silcio e

modificao da tenso de trao e %

elongao para uma liga silcio-

alumnio

O contorno de gro interfere no movimento das discordncias. Devido s diferentes orientaes cristalinas presentes,

resultantes do grande nmero de gros, as direes de escorregamento das discordncias variam de gro para gro.

3. Contorno de gro




y= o + k . d-1/2

k - constante do material

y - resistncia ao escoamento

o - resistncia inicial

d - dimetro mdio do contorno de groy

o

d-1/2

EQUAO DE HALL PETCH

menor tamanho de gro, mais descontinuidades para

travar o movimento de discordncias

gros adjacentes tem diferentes orientaes

cristalogrficas

Aumento da resistncia ao escoamento do metal devido formao de euttico

4. Deformao plstica ENCRUAMENTO E MICROESTRUTURA

Antes da deformao

Depois da deformao

%CW = % de trabalho a frio

Ao = rea inicial

Af = rea final

% CW = [(Ao - Af)/Ao]*100

QUANTIFICAO DA DEFORMAO PLSTICA

-a existncia de muitas discordncias impede o movimento de outras

(encruamento)

-- pode-se ter tantas discordncias que nenhuma se move e o

material rompe de forma frgil

- movimentao de discordncias aumenta a resistncia

deformao plstica

- durante a movimentao de discordncias, ocorre a multiplicao

das discordncias

o fenmeno no qual um material endurece devido

deformao plstica (realizado pelo trabalho frio)

Esse endurecimento d-se devido ao aumento de

discordncias e imperfeies promovidas pela deformao, que

impedem o escorregamento dos planos atmicos

medida que se aumenta o encruamento maior a fora

necessria para produzir uma maior deformao

O encruamento pode ser removido por tratamento trmico

(recristalizao)




Deformao a frio em funo da tenso de

ruptura e extenso at a fratura do Cu.

4. Deformao plstica

Deformao a frio em funo da tenso de

ruptura e extenso at fratura da liga 40%Cu

30%Zn.




4. Deformao plstica ENCRUAMENTO E MICROESTRUTURAMECANISMO QUE OCORRE NO AQUECIMENTO DE UM MATERIAL ENCRUADO

ESTGIOS:

RECUPERAO

H um alvio das tenses internas armazenadas durante a deformao devido ao

movimento das discordncias resultante da difuso atmica. Reduo do nmero de

discordncias e seu rearranjo.

depois da recuperao, os gro ainda esto um pouco tensionados

diminuio da dureza. Cristais plasticamente deformados tem mais energia que os

no deformados, devido presena de discordncias e imperfeies

tomos se reacomodam sob temperatura elevada, atravs de recozimento

ocorre um rearranjo dos tomos em gros menos deformados em temperaturas

elevadas, a recristalizao, com o crescimento do gro

o nmero de discordncias reduz ainda mais e as propriedades mecnicas voltam

ao seu estado original

A temperatura de recristalizao dependente do tempo e est entre 1/2 e 1/3 da

temperatura absoluta de fuso

RECRISTALIZAO - (Processo de Recozimento para Recristalizao)

CRESCIMENTO DE GRO

Depois da recristalizao se o material permanecer por mais tempo em temperaturas

elevadas o gro continuar crescer

Em geral, quanto maior o tamanho de gro mais mole o material e menor sua

resistncia

TEMPERATURAS DE RECRISTALIZAO

Chumbo - 4CEstanho - 4CZinco 10CAlumnio de alta pureza 80CCobre de alta pureza 120CNquel 370CFerro 450CTungstnio 1200C

Deformao a quente: quando a deformao mecnico

realizado acima da temperatura de recristalizao do

material.

Deformao a frio: a baixo.





5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.4 Relao com a estrutura5.2.4.1 DurezaMedida da resistncia penetrao (ou ao risco). Varia com o mtodo empregado (propriedade emprica).

Metais: mede-se profundidade e largura da identao. Cermicos: mede-se microfissuras da identao.

Material Dureza Knoop

Diamante 7000

B4C 2800

SiC 2500

WT 2100

Al2O3 2100

Quartzo (SiO2) 800

Vidro 550

Falha que ocorre em estruturas submetidas a tenses dinmicas (cclicas) e flutuantes (trao,

compresso, toro). Ocorre aps determinado nmero de ciclos em tenses inferiores a

tenses estticas suportveis. Ocorrem em eixos, barras de ligao, engrenagens, etc. Variao

da tenso com o tempo: (a) tenses contrrias; (b) tenses repetidas; (c) tenses aleatrias.


5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.4 Relao com a estrutura5.2.4.2 Fadiga

ENSAIO PARA DETERMINAO DA RESISTNCIA FADIGA

FATORES QUE AFETAM A RESISTNCIA FADIGA

1. Concentrao de tenso: a resistncia fadiga reduzida por

concentradores de tenso como: entalhes; irregularidades; poros.

2. Ambiente: o ataque ou interaes de natureza qumico acelera a

velocidade com que a trinca de fadiga se propaga: UMIDADE para

cermicos

INCIO em pontos de concentrao de tenso: incluses, porosidade acentuada, defeitos de solidificao, como segregao, concentrao de defeitos na estrutura cristalina devido a processos de conformao e pontos de corroso.


5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.4 Relao com a estrutura5.2.4.2 Fadiga

Elementos de

nucleao de trincas

em componentes

sujeitos a esforos

cclicos e

concentradores de

tenso esto na parte

inferior

PROPAGAO FASE I: aps aplicao de um determinado nmerode ciclos de carregamento, formam-se extruses e intruses, onde intensa a concentrao de tenses. Taxa de crescimento de trinca:muito baixa (10-10 m/ciclo).

PROPAGAO FASE II: ocorre a propagao de uma trinca bem definida com velocidade elevada (ordem de m), surgindo estrias com o avano da trinca. Taxa de crescimento de trinca: muito elevada!

FRATURA FINAL (CATASTRFICA!): trinca percorreu uma rea suficiente e o material no consegue suportar a carga aplicada, ocorre a fratura.

Cobre:: extruses e intruses na superfcie

MATERIAIS CERMICOS: no deformao plstica, no h

deslizamento de planos h baixas temperaturas. No entanto, devido

baixa resistncia a esforos trativos (concetradores de tenso) os

materiais cermico podem romper por esforpos cclicos

(mecanismos?).

FADIGA TRMICA: corpo slido aquecido e resfriado: = E T


5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.4 Relao com a estrutura5.2.4.2 Fadiga Mecanismos de Reforo em Materiais Cermicos

Distribuio da temperatura e

tenso para uma amostra

submetida a fadiga trmica.

FADIGA ESTTICA: rompimento do material sob um estado de tenses constante, durante um certo tempo em ambientes midos.

Visualizao de um mecanismo alternativo para explicar a

influnciada umidade no crescimento subcrtico de trincas.

FLUNCIA: Material submetido a uma carga ou tensoconstante pode sofrer uma deformao plstica ao longo dotempo. Variao do comprimento do corpo-de-prova ao longodo tempo em funo do tempo.

Curva de FLUNCIA: 3 estgios

I - Alongamento inicial instantneo do corpo-de-prova: taxa de fluncia diminui ao longo do tempo;

II Inclinao da curva de fluncia a taxa de fluncia, que constante nesta fase;

III Taxa de fluncia aumenta rapidamente com o tempo at a ruptura


5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.4 Relao com a estrutura5.2.4.3 Fluncia

DEFORMAO A ALTAS TEMPERATURAS: Acima de temperaturas em que os tomos iniciam o movimento de difuso O contorno de gro uma ponte de fraqueza para o material.

Trao numa direo, contrao na outra. tomos ao longo doscontornos verticais so aglomerados; tomos ao longo dos contornoshorizontais sofrem aumento no seu espaamento. Ocorre a difuso doscontornos verticais para os horizontais e o efeito global a mudana naforma do metal.

Gros menores, maior rea de contorno, fluncia mais rpida: existemmais alapes para os tomos ao longo dos contornos horizontais e maisfontes de tomos de contornos verticais

Materiais de granulometria fina as distncias de difuso so bemmenores.

Este mecanismo no ocorre a baixas temperaturas, pois o movimento dostomos so desprezveis

Temperatura onde ocorre desses efeitos do tamanho de gro funo dotempo, da resistncia e de impurezas

Fluncia menos susceptvel em

uma palheta de turbina de um

nico cristal


5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.4 Relao com a estrutura5.2.4.3 Fluncia

TEMPERATURAS DE RECRISTALIZAO

Chumbo - 4C

Estanho - 4C

Zinco 10C

Alumnio de alta pureza 80C

Cobre de alta pureza 120C

Nquel 370C

Ferro 450C

Tungstnio 1200C


5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.4 Relao com a estrutura5.2.4.4 ImpactoIMPACTO: Quantidade de energia (TENACIDADE) que o material absorve at a ruptura.

Influenciado pela presena de imperfeies superficiais (trincas, ENTALHES,

concentradores de tenses e pela temperatura (TEMPERATURA de TRANSIO).

TEMPERATURA DE TRANSIO: Temperatura ondeocorre a transio dctil-frgil

Baixas temperaturas: trinca se propaga maisvelozmente que os mecanismos de deformaoplstica: pouca energia absorvida

Temperaturas elevadas: fratura precedida de umadeformao que consome energia

Mudana brusca no comportamento caractersticode metais CCC

Causa: aumento da temperatura transio numa junta

de solda devido ao crescimento de gro

EFEITO DO ENTALHE

ENSAIO

Transio dctil/frgil de um ao em

funo do teor de C.


5-3 PROPRIEDADES ELTRICAS

5.3.1 INTRODUO

5.3.2 MECANISMOS DE CONDUO E BANDAS DE ENERGIA

5.3.3 RESISTIVIDADE ELTRICA DOS METAIS E LIGAS

5.3.4 CONDUTIVIDADE ELTRICA DOS MATERIAIS INICOS

5.3.5 CONDUTIVIDADE ELTRICA DOS MATERIAIS COVALENTES

5.3.6 SEMICONDUTORES

5.3.7 SUPERCONDUTIVIDADE

5.3.8 COMPORTAMENTO DIELTRICO


As propriedades eltricas servem para distinguir os materiais:

- geral: metal / no-metal

- especfico: supercondutor ou no

Compreender as propriedades eltricas

METAIS

TEORIA DE BANDAS CONDUTORES

SEMICONDUTORES

ISOLANTES

Classificao geral

dos materiais

segundo suas

propriedades

eltricas

1 Introduo


= condutividade eltrica (ohm-1.cm-1)

= resistividade eltrica (ohm.cm)

n= nmero de portadores de carga por cm3

q= carga carregada pelo portador (coulombs)

[q do eltron= 1,6x10-19 coulombs]

= mobilidade dos portadores de carga (cm2/V.s)

..1

qn


1 Introduo

Resistncia eltrica (R) de

um fluxo de corrente

determinada pelas

dimenses do material e por

sua resistividade.

A

lR .

..1

qn


Condutividade eltrica: o movimento de cargas eltricas (eltrons ou ons)

de uma posio para outra.

A condutividade eltrica do material depende:

- n de condutores ou transportadores de cargas por unidade de volume (n)

- da carga de cada condutor (q)

- da mobilidade do condutor ()

n e dependem da temperatura

condutores podem ser:

nions

ctions

eltrons

holes


Resistividades eltricas e condutividades eltricas de alguns materiais

1 Introduo

RESUMINDO

Metais: > 104 -1m-1

Semicondutores: 10-3 a 104 -1m-1

Isolantes:


LQUIDOS condutividade inica

SLIDOS principais transportadores de carga so os eltrons

cristal interao entre nveis de energia BANDAS

Origem das bandas de energia devido aproximao dos tomos. A banda de energia corresponde a um nvel de energia de um tomo isolado

- As bandas de energia nem sempre se sobrepem- As bandas de energia podem comportar no mximo 2e-

2 Mecanismos de conduo e bandas de energia5-3 PROPRIEDADES ELTRICAS

tomo isolado e- em nveis e subnveis de energia

Bandas de energia:

banda de valncia

banda proibida Eg: energia do gap (entre as bandas de energia. Distingue: condutor - isolante - semicondutor)

banda de conduo

Nvel de Fermi (EF): definido como o nvel de energia abaixo

do qual todos os estados de energia esto ocupados a 0K.

vibrao trmica

solutos

defeitos cristalinos

diamante - 6eV

SiC - 3eV

silcio - 1,1eV

germnio - 0,7ev

InSb - 0,18eV

Sn cinzento - 0,08eV

banda proibida muito larga


- metais: diminui a condutividade eltrica. T reduz o livre percurso mdio dos eltrons e sua mobilidade.- semicondutores

- isolantes

Efeito da T na condutividade eltrica em vrios materiais

aumenta. T fornece energia que liberta transportadores de cargas adicionais.


2 Mecanismos de conduo e bandas de energia5-3 PROPRIEDADES ELTRICAS

Resistividade eltrica de metais e ligas

i = Aci (1-ci)

A - constante

ci - frao atmica de soluto

Obs.: Em ligas bifsicas uma

propriedade aditiva Variao da resistividade eltrica com a temperatura para o Cu puro e trs solues slidas Cu-Ni. O efeito da deformao na resistividade da liga

Cu 1,2Ni tambm apresentado.


4 Condutividade eltrica dos materiais inicos- resultado das contribuies eletrnica e inica

- importncia de cada contribuio: pureza e temperatura

- modelo de bandas vlido, porm o n de e- na banda de conduo muito baixo: predomina a inica

- difuso dos ons depende da presena de defeitos pontuais

- condutividade eltrica de slidos inicos temperatura

abruptamente na fuso


N - nde posies inicas de um mesmo sinal por unidade de volume

e - carga do eltron

D - difusividade

k - constante de Boltzman

T - temperatura em K

Q - energia de ativao para a difuso

i = Ne2D/kT = (Ne2/kT) D0exp(-Q/kT)

Condutividade inica: i


- estrutura em bandas de polmeros tpica dos isolantes

- 10-10 a 10-17 -1m-1

- polmeros de alta pureza a conduo eletrnica

- exemplos de polmeros condutores: poliacetileno e polianilina

- conduo inica pode ser ativada pela presena de impurezas

restos de monmeros

catalisadores

aumento da temperatura

- aditivos condutores podem aumentar entre 1 e 50 -1m-1 como em borrachas de silicones

5 Condutividade eltrica dos materiais covalentes



GRAFITA: comportamento eltrico diferenciado

- plano basal (0001) de condutores metlicos

- na direo c (0001) 105 vezes menor

- conduo eletrnica origem na

mobilidade eletrnica da cada anel hexagonal de

tomos de C, ao longo de cada camada

- introduo de tomos estranhos entre as camadas

aumenta o nmero de transportadores de carga e a

condutividade eltrica

5 Condutividade eltrica dos materiais covalentes


PROPRIEDADES: Tem resistividade entre metais e isolantes

10-6-10-4 .cm 1010-1020 .cm

- A condutividade aumenta com o aumento de temperatura (ao contrrio dosmetais)

- A condutividade aumenta com a adio de certas dopantes (impurezas)

- A condutividade diminui com a presena de imperfeies nos cristais.


6 Semicondutores Condutividade eletrnica

EXEMPLOS DE SEMICONDUTORES

- silcio, germnio (Grupo IV da Tabela Peridica)

- GaAs, GaN, InP, InSb, etc. (Grupo III-V da Tabela Peridica)

- PbS, CdTe, galena, (Grupo II-VI da Tabela Peridica)

95% dos dispositivos eletrnicos so fabricados com silcio


Num semicondutor, os eltrons podem ser excitados para a banda deconduo por energia eltrica, trmica ou ptica (fotoconduo)

e- excitado banda de conduo

buraco ou uma vacncia na banda de valncia

contribui para a corrente

Dois tipos de conduo

conduo intrnseca semicondutor intrnseco

conduo extrnseca semicondutor extrnseco


vai para

deixa

UTILIZAO: FABRICAO DE DISPOSITIVOS ELETRNICOS E OPTOELETRNICOS

- Transistor

- LEDS

- Clulas solares

- Diodos

-Circuito integrado

6 Semicondutores Condutividade eletrnica5-3 PROPRIEDADES ELTRICAS

Conduo resultante dos movimentos eletrnicos nos materiais puros

Um semicondutor pode ser tipo p ( conduo devido aos buracos) ou tipo n (conduo devidos aos eltrons)

Este tipo de conduo se origina devido presena de uma imperfeio eletrnica ou devido presena de

impurezas residuais intrnsecas.

CONDUO INTRNSECA (SEMICONDUTOR INTRNSECO)


6 Semicondutores Condutividade eletrnica5-3 PROPRIEDADES ELTRICAS

Quando adiciona-se intencionalmente uma impureza dopante para proporcionar eltrons ou buracos extras.

Os semicondutores extrnsecos podem ser:

Tipo p: com impurezas que proporcionam buracos extras

Tipo n: com impurezas que proporcionam eltrons extras

Os processos utilizados para dopagem: difuso e implantao inica

Deve-se considerar:

Os eltrons tem maior mobilidade que os buracos

A presena de impurezas pode alterar o tamanho do Eg

CONDUO EXTRNSECA (SEMICONDUTOR EXTRNSECO)

aceitadores

doadores

- ocorre quando a resistividade do material for nula

- temperatura crtica (Tc) resistividade torna-se bruscamente nula

- at 1986 melhores supercondutores Tc < 23 K material

deveria ser resfriado em hlio lquido para tornar-se supercondutor

- mais tarde: supercondutores cermicos com Tc mais altas:

Y1Ba2Cu3O7-x Tc 100K

nitrognio lquido suficiente para resfriar

- supercondutividade desaparece: acima da Tccampo magntico

corrente eltrica


7 Supercondutividade eltrica

PARMETROS QUE DEFINEM

UM SUPERCONDUTOR


- MATERIAL DIELTRICO: material isolante

- RIGIDEZ DIELTRICA: tenso mxima que o material pode suportar antes de perder as

caractersticas de ser isolante para vidros, polmeros e cermicos 10 a 40 V/mm


8 Comportamento dieltrico5-3 PROPRIEDADES ELTRICAS

FERROELTRICOS- no tm um centro de simetria formam um momento dipolar

- polarizao permanente propriedades PIEZOLETRICAS

Estrutura do BaTiO3. (a) Acima de 120C cbica. (b) Abaixo de 120C levemente tetragonal, apresentando um momento dipolar eltrico.

Esquema dos dipolos eltricos em um material

piezoeltrico.

(a) Material em condies normais. (b) Tenso

compressiva causa uma ddp.

(c) A aplicao de uma voltagem causa uma diferena

dimensional.

PROPRIEDADES MAGNTICASCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS

1 Introduo Materiais magnticos apresentam grande uso no cotidiano:

- carto magntico

- componentes de computadores

- geradores e transformadores de eletricidade

- motores eltricos

Vantagem deste tipo de material: armazenam muita informao em pouco espao

Propriedades magnticas esto relacionadas com a mobilidade dos eltrons, por isso propriedades eltricas

e magnticas so relacionadas. Efeitos magnticos so originados em correntes eltricas associadas a eltrons

em rbitas atmicas ou a spins de eltrons.

Propriedades magnticas so determinadas pela estrutura: eletrnica

cristalina

microestrutura

Classificao quanto resposta do material a um campo magntico:

Diamagnticos

Paramagnticos

Ferromagnticos

Ferrimagnticos

Antiferromagntico

PROPRIEDADES MAGNTICASCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS

- Relaes entre o campo magntico aplicado (H) e a intensidade do campo magntico induzido (B)1 Introduo

Em (a) H gerado pela passagem de uma corrente i por uma espira cilndrica de

comprimento l e contendo N voltas, B (dado em Tesla) medido em termos de fluxo

magntico no vcuo B0 (Wb/m2): B0 = 0 H; 0 - permeabilidade magntica no vcuo

(4 10-7 H/m). Em (b) a densidade de fluxo magntico dentro do slido : B = H

As propriedades magnticas de um material podem ser medidas por diferentes parmetros:

Permeabilidade magntica (): = B/H a intensidade de magnetizao. Varia em funo da intensidade do campo. caracterstica do material

Permeabilidade magntica relativa (r): r= /0 permeabilidade magntica no meio considerado e a permeabilidade no vcuo.

Susceptibilidade magntica relativa (m): m = r- 1 o

inverso da permeabilidade magntica relativa.

CURVA DE MAGNETIZAO OU DE HISTERESE

Induo residual (Br) - a induo magntica que se conserva no corpo magnetizado,

depois de anulada a intensidade do campo. (Gauss)

Fora coercitiva (Hc)- a intensidade de campo que tem de ser aplicado para

desmagnetizar. (Oersted)

Material com elevado Hc: consome energia para alinhar os domnios magnticos, de

uma direo para outra. A quantidade de energia necessria para magnetizar

proporcional a rea do ciclo de histerese.

- r de alguns materiais

Fe puro (0,1% impurezas) 0,5 . 103

Ao silcio (4,25% Si) 1,5 . 103

Ao silcio (3,25% Si) gro orientados 2,0 . 103

Supermalloy (79%Ni; 16%Fe; 5%Mo) 1,0 . 104

Ferrita cermica (Mn, Zn)Fe2O4 1,5 . 103

Ferrita cermica (Ni, Zn)Fe2O4 0,3 . 103


PROPRIEDADES MAGNTICAS2 Diamagnetismo

-Comportamento diamagntico ocorre quando o tomo (sem um momento magntico) aceita um

alinhamento no campo magntico, sendo a magnitude muito pequena e de direo oposta ao do

campo aplicado

-Forma muito fraca de magnetismo: persiste enquanto um campo magntico externo for aplicado: ausncia de campo externo momento magntico nulo-Todos materiais so diamagnticos muito fracos: observa-se quando no h outro tipo demagnetismo.-Susceptibilidade de materiais diamagnticos(m): -10

-6 a -10-5 (no varia com a T)

Configurao de dipolos de um material diamagnticos. (a) na ausncia de um campo externo. (b) na presena de um campo externo.

Al2O3 -1,81 . 10-5

Cobre -0,96 . 10-5

Ouro -3,44 . 10-5

Silcio -0,41 . 10-5

NaCl -1,41 .10-5

- Susceptibilidade magntica (m) de diamagnticos negativa

- Diamagnticos no apresentam Tc- Supercondutores tem comportamento diamagntico


PROPRIEDADES MAGNTICAS3 Paramagnetismo

- tomos individuais possuem momentos magnticos:orientaes ao acaso magnetizao nula para

um grupo de tomos

Dipolos podem

ser alinhados

na direo do

campo aplicado

Configurao de dipolos em

um material paramagntico:

a) na ausncia de campo

externo; b) com campo

externo aplicado

- Paramagnetismo: forma muito fraca de magnetismo sem aplicao prtica

- Paramagnetismo observado: metais (ex.: Cr, Mn), gases diatmicos (O2 e NO), ons de metais

de transio, terras raras, seus sais e xidos.

- Susceptibilidade magntica: 10-5 a 10-3

(positiva e diminui com a temperatura)

m = K

TK= constante

T = temperatura

- Paramagnticos no apresentam Tc

Representao

esquemtica dos

momentos

magnticos de um

material

paramagntico.

Alumnio 2,07 10-5

Cromo 3,13 10-4

Cloreto de cromo 1,51 10-3

Sulfato de Mn 3,70 10-3

Molibdnio 1,19 10-4

Sdio 8,48 10-6

Titnio 1,81 10-4

Zircnio 1,09 10-4

- Materiais metlicos com momento magntico na ausncia de campo externo

- Exemplos: Fe(CCC), cobalto, nquel, gadolneo, ligas de mangans como MnBi e Cu2MnAl

- Susceptibilidade magntica (m) alta de 106

- Temperatura crtica temperatura de Currie (c), acima desta perdem o

ferromagnetismo e tornam-se paramagnticos

- c varia conforme o material: Fe (770C), Ni (358C), Co (1130C), Gd (20C), SmCo5 (720C) e

Nd2Fe14B (312C).

- Susceptibilidade magntica (m) diminui com o aumento da temperatura


PROPRIEDADES MAGNTICAS4 Ferromagnetismo

(a) Configurao de dipolos de um material

ferromagnticos na ausncia de um campo

externo. (b) Configurao de dipolos no ferro .

m = C

T-

C = constante

T = temperatura

aproximadamente igual a c


PROPRIEDADES MAGNTICAS5 Ferrimagnetismo

Ferrimagnetismo ocorre em alguns materiais cermicos que apresentam forte magnetizao

permanente ferritas (frmula geral: MFe2O4, e M um elemento metlico)

Prottipo das ferritas: Fe3O4 = Fe++O- -(Fe+++)2(O

- -)3

- Momentos

magnticos dos 2

tipos de ons no se

cancelam totalmente e

o material apresenta

magnetismo

permanente

ction Fe++ interstcios octadricos

ction Fe+++ interstcios tetradricos

nion O- - magneticamente neutro

MAGNETITA

Configurao

dos momentos

magnticos na

ferrita

- Temperatura crtica

- Susceptibilidade magntica (m)

diminui com o aumento da

temperatura (T)

m K

T

K = constante

T = temperatura

diferente de c

Ex: Fe, Ni, Mn, Co, Cu, e Mg

NiFe2O4, (Mn, Mg)Fe2O4

- Prottipo deste caso o MnO material cermico, com carter inico e

estrutura cristalina CFC tipo NaCl

- momento magntico O- - zero

- momento magntico M++ permanente num arranjo

que forma momentos opostos ou antiparalelo


PROPRIEDADES MAGNTICAS6 Antiferromagnetismo

Diagrama esquemtico mostrando a

configurao de momentos magnticos no MnO

- O material como todo no apresenta momento magntico

- Alguns compostos de metais de transio apresentam este comportamento: MnO, CoO,

NiO, Cr2O3, MnS, MnSe e CuCl2

- Temperatura crtica temperatura de Nel (n)

- Susceptibilidade magntica (m) da ordem dos

materiais paramagnticos e diminui com o aumento

da temperatura (T)

m C

T

C = constante

T = temperatura

diferente de n


PROPRIEDADES MAGNTICAS7 Comparao

Dependncia da temperatura na susceptibilidade magntica (a) paramagntico, (b)

ferromagntico (mostrando a transio para paramagntico), (c) antiferromagntico

(mostrando a transio para paramagntico).

a b c

(cermicos)

(cermicos)(cermicos)

(metais)

(metais)

m = r- 1


PROPRIEDADES MAGNTICAS8 Magnticos moles e duros

EFEITO DA TEMPERATURA:

As caractersticas de um ferromagntico (material magntico mole) variam

com a T

T energia trmica mobilidade das paredes de Bloch dos domnios

magnticos

Paredes de Bloch: fronteira entre domnios vizinhos, regio de transio,

espessura 100 nm, onde a direo de magnetizao muda gradualmente,

um defeito bidimensional

MAGNETIZAO E DESMAGNETIZAO: So facilitadas: T > Ccomportamento ferromagntico desaparece Efeitos da T (a) ciclo de histerese, (b) magnetizao de

saturao.

MATERIAL MAGNETO MOLE: So facilmente magnetizveis e

desmagnetizaveis. Apresentam Hc de baixo valor e pequenas

perdas de histerese e baixo Br. A rea do ciclo de histerese e a

perda de energia por ciclo so pequenas. Opera na presena de

um campo magntico.

- So ligas organizadas. Geralmente metais puros com boa

qualidade estrutural.

- So empregadas como ligas a serem submetidas

magnetizao alternada (ncleos de transformadores) Ex.:

geradores, motores eltricos e transformadores (para estas

aplicaes necessrio materiais magnticos moles, de baixa

remanncia, como: Fe puro, ao ao silcio, supermalloy e ferritas

cbicas do tipo espinlio).


PROPRIEDADES MAGNTICAS8 Magnticos moles e duros

MATERIAL MAGNETO DURO: magnetizado durante a fabricao

e deve reter o magnetismo aps a retirada do campo magntico.

Se caracterizam pelo grande valor de Hc e alto Br

Importante: resistncia desmagnetizao (rea BH grande)

Apresenta um ciclo de histerese grande.

So ligas endurecidas com estruturas desequilibradas,

dispersas

So utilizadas na fabricao de ims permanentes

Aplicaes: refrigeradores e fones de ouvido, utilizando-

se: ferritas cermicas, SmCo5, Sm2Co17 e NdFeB

Magnetos duros so constitudos de ferromagnticos, e

algumas ferritas hexagonais

Aumento da

eficincia (energia

magntica mxima)

dos magnetos

permanentes no

sculo XX.

EFEITO DOS ELEMENTOS LIGA

Aumentam a fora coercitiva ou dureza magntica

Diminuem o tamanho do domnio

A formao de uma segunda fase, pela adio de

elementos de liga (acima do limite de solubilidade)

contribui para o aumento do Hc. Quanto mais elevada a

disperso da segunda fase, maior o Hc.

O endurecimento causado pela transformaes de

fase ou pela diminuio do tamanho de gro aumentam

o Hc, porque evitam a redistribuio ao acaso dos

domnios magnticos.

5-5 PROPRIEDADES TRMICASCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS

5.5.1 Introduo

Propriedades trmicas resposta ou reao de um material

aplicao do calor

Slido absorve calor sua temperatura aumenta

sua energia interna aumenta

Dois principais tipos de energia trmica em um slido:

energia vibracional dos tomos ao redor de suas

posies de equilbrio

energia cintica dos eltrons livres


5.5.2 Capacidade trmica

Propriedade que indica a aptido do material em absorver calor do meio externo

Representa a quantidade de energia necessria para aumentar a temperatura de um corpo em uma unidade.

Matematicamente:

Calor especfico representa a capacidade trmica por unidade de massa. Pode ser determinado mantendo-se

o volume do material constante (cv), ou mantendo-se a presso externa constante (cp).

C = dQ

dT

C = capacidade trmica (J/molK, cal/molK)

dQ = energia necessria para produzir uma mudana dT de temperatura

CV = ( dS/dT)V e CP = (dH/dT)P E a energia interna

H a entalpia



Energia interna x EntalpiaH = S + PV

CP > CV para os slidos a entalpia e a energia interna so muito similares

Slidos: assimilao de energia aumento da energia vibracional dos tomos

tomos em slidos acima de 0K esto sempre vibrando com altas frequncias e baixas amplitudes

tomos + vizinhos ondas que atravessam ondas sonoras ouvibram o material elsticas

alta frequncia e velocidade do som



Energia trmica vibracional conjunto de ondas elsticas

em uma faixa de frequncias

a energia quantizada

FNON

Contribuio eletrnica significativa em materiais

com eltrons livres como ocorre:

absoro de energia pelos e- aumentando Ecintica

Condutores: e- com energia nvel de Fermi podem ser excitados

e super-lo.

Isolantes: contribuio eletrnica muito pequena ausncia de e- livres



Capacidade trmica depende da temperatura?

Experimentos de Einstein e Debye:

O calor especfico aumenta at uma certa temperatura

(temperatura de Debye =D) e aps torna-se constante.

3R 6cal/molK

No h correlao entre D e o PF dos materiais

Capacidade trmica depende pouco da estrutura e da microestrutura do

material

Porosidade influncia prtica

Material poroso exige uma menor quantidade de calor para atingir uma

determinada temperatura, do que um isento de poros.

Variao da capacidade trmica com a

temperatura para vrios materiais

cermicos policristalinos.


5.5.3 Expanso trmica

Slidos: aumento de dimenses durante o aquecimento e

contrao no resfriamento, se no ocorrer transformaes de fases

L = lf - lili (Tf-Ti)

li = comprimento iniciallf = comprimento finalTi = temperatura inicialTf = temperatura final

Coeficiente de dilatao trmica volumtrica

V = Vf - ViVi (Tf-Ti)

Vi = volume inicialVf = volume finalTi = temperatura inicialTf = temperatura final

MATERIAIS

ISOTRPICOS:

V3L

Coeficiente de dilatao trmica linear


5.5.3 Expanso trmica Variao da expanso trmica com o aumento da temperatura de alguns

materiais.Porosidade no influencia na expanso

trmica (o poro dilata como se fosse

o prprio material que o contm)



Correlao entre e a energia de ligao (EL)

Materiais com ligaes qumicas fortes apresentam

Ex.: cermicos e metais com elevado PF (Mo, W)

Correlao entre e o PF de alguns materiais

Muitos materiais cristalinos apresentam anisotropia quanto a dilatao trmica, como alumina, titnia, quartzo.Exemplo extremo: grafita 27 vezes mais baixo no plano basal que na direo a ele

Dilatao trmica dos slidos tem origem na variao assimtrica da EL ou FL com a distncia interatmica.

Aquecimento: tomos aumentam a frequncia e

amplitude de vibrao, e como Fr > Fa, a

distncia mdia entre os tomos aumenta


Correlao entre e a energia de ligao (EL)


(a) EL x a: aumento na separao interatmica com o aumento da temperatura. Com o

aquecimento, a separao interatmica aumenta de r0 para r1, para r2.

(b) Para uma curva hipottica de EL x a: simetria.


Condutividade trmica a habilidade de um material para

transferir calor. Para um fluxo estacionrio de calor:

5.5.4 Condutividade trmica

onde:

q: fluxo de calor (W) Q: calor transmitido (J)

t: tempo de transmisso de calor (s)

k: condutividade trmica (W/mK)

A: rea perpendicular ao fluxo (m2)

T: temperatura (K) x: comprimento na direo do fluxo (m)

xT

Qk x

q= dQ = k A dT

dt dx

Calor transportado nos slidos de

duas maneiras: por fnons e pela

movimentao de e- livres

Analogia: eltrons ou fnons livres

como partculas de um gs. A

condutividade trmica diretamente

proporcional ao nmero de eltrons

livres ou de fnons (n); velocidade

mdia das partculas (v); ao calor

especfico (cv) e distncia mdia entre

colises ():

k n . v . Cv .

kTOTAL = kf +ke


METAIS

ke >> kf pois os e- tem maior velocidade e

no so espalhados facilmente

pelos defeitos como os fnons

Nestes materiais pode-se relacionar conduo trmica e eltrica

Lei de Wiedemann-Franz:

se a conduo trmica ocorresse apenas por e- livres L seria igual

para todos os metais. Valor real entre 2 e 3 x 10-8 W/K2


L = k

T

L terico = 2,44 x 10-8 W/K2

k = condutividade trmica

= condutividade eltrica

T = temperatura


Elementos liga e impurezas diminuem a condutividade trmica

funcionam como pontos de espalhamento, piorando a

eficincia do transporte eletrnico


Efeito do zinco em soluo

slida na condutividade

trmica do cobre

METAIS


CERMICOS

ke


CERMICOS


onde:

k: condutividade trmica

v: volume da fase

Q: kc/kpP: quantidade de poros

K=v1k1+v2k2+...

1/k=v1/k1+v2/k2+... k= 1+2P(1-Q/2Q+1)ks 1-P(1-Q/2Q+1)

Efeito da microestrutura

ons em soluo slida

diminuem acentuadamente k

Fases amorfas so piores

condutoras que cristalinas de

igual composio qumica

Poros diminuem a

condutividade trmica de

cermicos

kP = k 1-P

1 - 0,5P

kP = condutividade trmica do material com poros

P = frao volumtrica de poros

- composio;

- condies de queima;

- quantidade e tipo de porosidade;

- quantidade e tipo de fases;

- forma e orientao de gros;


POLMEROS

ke




Diferenas de condutividade trmica com a

temperatura no so to acentuadas quanto na

condutividade eltrica.

Materiais cermicos densos sem poros

k com TEx.: BeO, MgO e Al2O3

Explicao: k n . v . Cv .

Outros cermicos como: ZrO2 estabilizada e

densa, slica fundida e materiais refratrios com

poros k com T

Explicao: k n . v . Cv .

Efeito da temperatura na condutividade trmica

de vrios materiais

5-6 PROPRIEDADES TICASCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS

5.6.1 Introduo

Propriedades ticas resposta de um material incidncia de luz, em particulara luz visvel

Luz onda eletromagnticamecnica clssica ondasmecnica quntica ftons

Einstein feixe de luz consiste em pequenospacotes de energia

quanta de luz: FTON

Fton incidindo na superfcie de um metal transfereenergia para o eltron, que pode escapar do material

Formas de radiao eletromagntica: luz, calor, ondas de radar, ondas de rdio e raios X

Espectro de radiaes eletromagnticas


5.6.2 Conceitos bsicos

Todos os corpos emitem radiao eletromagntica: movimento trmico de tomos e molculas

radiao trmica visvel depende de T

Ex.: 300C radiao infravermelha

800C radiao visvel

Luz visvel espectro de radiaes pequeno 0,4m 0,7m CORES

Radiao eletromagntica atravessa o vcuo com a

velocidade da luz

c = velocidade da luz 3x108 m/s

0 = permissividade eltrica no vcuo

0 = permeabilidade magntica no vcuo

c = 1

(00)

0,40 a 0,45 m violeta0,45 a 0,50 m azul0,50 a 0,55 m verde0,55 a 0,60 m amarelo0,60 a 0,65 m laranja0,65 a 0,70 m vermelho Feixe de luz incide no slido com intensidade I0

parte transmitida Itparte absorvida Ia relacionadas por:

parte refletida Ir

I0 = It + Ia + Ir (em W/m2)

ou

T + A + R = 1T = transmitncia (It/I0)A = absorbncia (Ia/I0)

R = refletncia (Ir/I0)

Se: T >> A+R: materiais transparentes

T


Radiao incidente com visvel: parte absorvida por e-

parte da radiao absorvida reemitida na superfcie luz visvel de = incidente

POR QU?

e- que foram promovidos acima do nvel de Fermi pela absoro de ftons de luz, decaem para nveis menores de energia e

emitem luz. Refletncia dos metais entre 0,90 e 0,95 dissipao do calor

Metais so opacos a radiaes eletromagnticas de ondas de rdio, TV, microondas, infravermelho, luz visvel

Metais so transparentes a radiaes eletromagnticas de raios X e raios

Cor do metal: distribuio dos comprimentos de onda refletidos

5.6.4 Propriedades ticas dos materiais metlicos

Ex.: o ouro reflete quase que completamente a luz

vermelha e a amarela e absorve parcialmente mais

curtos. A prata reflete eficientemente quase todos os

do espectro visvel, por isso sua cor esbranquiada.


5.6.5 Propriedades ticas dos materiais no-metlicos

Cermicos e polmeros no apresentam e- livres (que absorvem ftons de luz) e podem ser

transparentes luz visvel. Fenmenos importantes:

REFRAO (n) E REFLEXO (R) Velocidade de propagao da luz no slido transparente () menor que no ar

feixe de luz muda de direo na interface ar/slido

ndice de refrao:

= permissividade eltrica do material = permeabilidade magntica do material

n = c = ()

(00)

ndice de refrao de alguns materiais cermicosMaterial ndice de refrao

Vidro de slica 1,458

Vidro pyrex 1,47

Vidro ptico flint 1,65

Al2O3 1,76

MgO (periclsio) 1,74

Quartzo 1,55

R

Quanto maior n do

material, maior R


REFRAO (n) E REFLEXO(R)


Se um dos meios for o ar n1 = 1R = n2 - n1

n2+n1R = n2 - 1

n2+1

Variao das fraes da luz

incidente que so

transmitida, absorvida e

refletida por um determinado

vidro em funo do

comprimento de onda

Cermicos cristalinos Cbicos e vidros ndices de

refrao isotrpicos

Cristais no-cbicos ndices de refrao

maior em direes mais densas

Luz passa de um meio n1 para outro n2parte da luz refletida na interface dos meios

Como o n depende de da luz incidente, R tambm depende de



ABSORO(A) E TRANSMISSO (T) Maioria dos materiais transparentes so coloridos

a cor dos materiais transparentes uma combinao dos comprimentos transmitidos

Absoro de ftons por e- da banda devalncia promovendo-os banda de conduoem no-metais tambm possvel, desde que ose- superem a banda proibida.

Energia associada com (E = hc/)

determina-se e E mximos e mnimos cedidos

aos e- pela luz visvel

min = 0,4 m Emax = 3,1eV

max = 0,7m Emin= 1,8eV

Comprimentos de onda absorvidos (nm) e cores complementares

Concluso: i) a luz pode ser absorvida por materiais com banda proibida

menor que 1,8 eV (SEMICONDUTORES) estes materiais so

opacos ex.:Si, Ge, AsGa

ii) materiais com banda proibida entre 1,8 e 3,1 eV absorvem

apenas alguns comprimentos de ondas estes materiais so

coloridos ex.:GaP, CdS

iii) a luz visvel no pode ser absorvida por este mecanismo em

materiais com banda proibida maior que 3,1 eV



ABSORO(A) E TRANSMISSO (T) Impurezas podem contribuir para que alguns comprimentos de onda sejam absorvidos

Ex.: safira e rubi

Safira: cristal puro de Al2O3, isolante,

transparente

Rubi: safira onde uma pequena quantidade

de ons Cr+3 substitui o Al+3, causa

absoro na regio de luz azul do espectro

visvel. Cristal resultante: vermelho

Cor dos vidros de slica, cal, soda e chumbo pode sermodificada pela adio de xidos de elementos detransio

Ex.: adio de 0,01 a 0,03% de CoO - colorao azuladaadio de 0,2% de NiO - colorao prpuraadio de 1,0% de FeO - amarelo esverdeada

Cor pode ser resultado do desvio da estequiometriaou da presena de defeitos cristalinos

Ex.: cristais puros de NaCl, KBr e KCl so incolores seforem recozidos em atmosfera de metais alcalinos ouirradiados com raios X ou neutrnscolorao: NaCl amarelo

KBr azulKCl magenta

Criou-se defeitos:

centro de cor



ABSORO (A) E TRANSMISSO (T)R, A e T dependem do material, do caminho tico, incidente

Defeitos no material espalham a luz e podem torn-lo

transparente, translcido ou opaco

Ex.: monocristal de safira (Al2O3) transparente

policristal de safira sem poros translcido

policristal de safira com 5% poros opaco

Variao da transmitncia com incidente para diversos materiais.

Exemplo: lmpada de sdio (1000oC) com tubo de alumina

(100 lmens/W convencional 15 lmens/W)

Alumina convencional (opaca) Alumina translcida

porosidade: 3% porosidade: 0,3

5-7 EXERCCIOSCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS

1 Elementos de liga influem pouco no mdulo de elasticidade. Entretanto, as resistncias mecnicas so

significativamente afetadas. Porqu?

2 Porque as ligas de metais tm maior resistncia mecnica do que os metais puros?

3 Qual a dificuldade de se empregar deformao plstica para obter-se um aumento de resistncia mecnica para

metais como chumbo, zinco e estanho?

4 Qual o efeito da temperatura sobre o mdulo de elasticidade e sobre a resistncia mecnica de um metal?

5 Qual a diferena entre tenso de cisalhamento crtica e tenso de cisalhamento efetiva?

6 Porque metais com tamanho de gro pequeno possuem a temperatura ambiente maior resistncia mecnica do

que se possussem gros maiores?

7 Porque metais com tamanho de gro grande possuem a elevadas temperaturas maior resistncia mecnica do

que se possussem gros pequenos?

8 Os gros aumentam seu tamanho mdio a altas temperaturas? Porque no diminuem a baixas temperaturas?

9 Explique como um tomo de um elemento liga bloqueia uma discordncia em movimento.

10 Explique os diferentes estgios de fluncia.

11 O que recuperao, rescristalizao e crescimento de gro? Descreva esses fenmenos.

12 Qual a distino entre trabalho a frio e trabalho a quente para um metal. Para o tungstnio, por exemplo, qual

seria a temperatura limite entre um e outro?

13 Descreva a fratura dctil e a fratura frgil.

14 Qual a importncia da temperatura de transio. Que estruturas esto mais susceptveis transformao dctil-

frgil?

15 Explique porqu um metal monocristalino mais macio e dctil que um metal policristalino?

16 Qual a possvel relao entre resistncia mecnica trao de um metal e o resultado de dureza Brinell?

Porqu?


17 Qual a possvel relao entre resistncia mecnica e limite fadiga de um metal? Porqu?

18 Em que etapas pode-se dividir o processo de fadiga de um material metlico?

19 A presena de discordncia contribui positivamente ou negativamente para a deformao plstica de um metal?

20 Explique a Figura 1 abaixo.

21 Relacione a estrutura e as propriedades mecnicas apresentadas na Figura 2.

FIGURA 1 FIGURA 2


22 O cloreto de sdio isolante no estado slido. Entretanto no estado lquido, ele um bom condutor. Justifique.

23 As condutividades eltricas da maioria dos metais decrescem gradualmente com a temperatura, mas a

condutividade intrnseca dos esemicondutores sempre cresce rapidamente com a temperatura. Justifique a

diferena.

24 Por que o efeito da temperatura na condutividade eltrica , em geral, mais acentuado em um semicondutor do

que em um isolante?

25 A adio de pequenas quantidades (menos de um ppm) de arsnio no germnio aumenta drasticamente sua

condutividade eltrica (semicondutor do tipo n), enquanto que a adio de pequenas quantidades (menos de um

ppm) de glio no germnio tambm aumenta drasticamente sua condutividade eltrica (semicondutor do tipo p).

Explique estes dois comportamentos.

26 Por que a deformao plstica de um metal ou liga aumenta sua resistividade eltrica e o posterior recozimento

a diminui?

27 Por que pequenas adies de soluto aumentam a condutividade eltrica do germnio e diminuem a do cobre?

28 Pode um condutor metlico apresentar os fenmenos de ferroeletrecidade e/ou piezoeletrecidade?

29 Qual a diferena entre conduo eletrnica e conduo inica?

30 Em termos de bandas de energia eletrnica, discuta a razo para a diferena na condutividade eltrica entre

metais, semicondutores e isolantes.

31 Quais so as principais diferenas e similaridades entre um material (a) diamagntico e paramagntico e (b)

ferromagntico e ferrimagntico?

32 O que material magntico mole?

33 O que magntico duro?

34 Desenhe um ciclo de histerese para um material magntico mole (por exemplo, ferro) recozido. Como a

deformao plstica a frio altera o ciclo de histerese deste material?


35 Explique porqu materiais ferromagntico podem ser permanentemente magnetizados, enquanto materiais

paramagnticos no podem.

36 Qual a diferena entre a estrutura cristalina espinlio e espinlio inverso?

37 Explique brevemente porqu a magnitude de saturao de magnetizao diminui com o aumento da

temperatura para um material ferromagntico e porque o comportamento ferromagntico cessa acima da

temperatura de Curie.

38 Em um dia frio, as partes metlicas de um carro causam maior sensao de frio que as partes de plstico,

mesmo estando na mesma temperatura. Justifique.

39 Justifique as afirmativas a seguir (a) a condutividade trmica de um policristal ligeiramente menor que a de

um monocristal (do mesmo material). (b) uma cermica cristalina geralmente melhor condutora trmica que uma

cermica amorfa.

40 Defina nvel de Fermi.

41 A condutividade eltrica do alumnio cerca de 20 ordens de grandeza maior que a da alumina. Por outro lado,

a condutividade trmica do alumnio apenas 8 vezes maior que a da alumina. Justifique.

42 A condutividade trmica da alumina maior que a condutividade trmica de um ao inoxidvel austentico do

tipo 316 (Fe-19%Cr-11%Ni-2,5%Mo). Como voc justifica o fato de um material cermico ser melhor condutor de

calor que um material metlico?

43 Explique brevemente a expanso trmica usando a curva do potencial de energia versus a distncia

interatmica.

44 Compare o efeito da temperatura sobre a condutividade trmica e eltrica para materiais cermicos e

metlioco.

45 Para cada um dos pares de material apresentado decida qual deles tem a maior condutividade trmica.

Justifique sua resposta. (a) prata pura; prata esterlina (92,5 Ag e 7,5 Cu % em peso); (b) slica fundida; slica

policristalina.


46 A pele humana relativamente insensvel luz visvel, mas a radiao ultravioleta pode ser-lhe bastante

destrutiva. Isto tem alguma relao com a energia do fton? Justifique.

47 Quais as principais diferenas e similaridades entre um fton e um fnon?

48 Quando um corpo aquecido a uma temperatura muito alta ele se torna luminoso. A medida que a temperatura

aumenta, a sua cor aparente muda de vermelho para amarelo e finalmente para azul. Explique.

49 O silcio no transparente luz visvel mas transparente radiao infravermelha. Justifique

50 Um cristal de KCl irradiado com raios e adquire a cor prpura. O cristal colocado em um dessecador na

temperatura ambiente. Com o passar do tempo, o cristal vai perdendo a cor. Justifique este comportamento.

51 Por que alguns materiais transparentes so incolores e outros so coloridos? Por que a adio de zinco muda a

cor do cobre?

cm_cap_5_ - relação entre estrutura e propriedades 2014-2

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