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Aula 2

10/03/2015 1 2015-

1_CienciasMateriais_Aula02_LigQui_EstCrist.pdf

1

Professor: Luis Gustavo Sigward Ericsson

Curso: Engenharia Mecânica

Série: 5º/ 6º Semestre

Ciências dos materiais- 232

Quinta

Quinzenal Semana par

Conteúdo

10/fev

10/fev

24/fev

24/fev

10/mar

10/mar

24/mar --

24/mar --

07/abr

07/abr

21/abr --

21/abr --

05/mai

05/mai

12/mai --

12/mai --

- Curva temperatura-tempo-transformação, fatores que influem na pos ição das curvas

TTT. Temperabi l idade.

- Noções de tratamentos térmicos : recozimento, normal ização, têmpera e revenido,

es feroidização, temperabi l idade, austempera e martempera. Têmpera superficia l .

Tratamentos termoquímicos : cementação, ni tretação e carbonitretação.

Feriado: Ti radentes

- Propriedades dos aços , normas ABTN, ASTM E DIN, class i ficação dos aços .

- Ferros fundidos – branco, cinzento, nodular, maleável .

- Metais não ferrosos e suas l igas . Cobre, bronze e latão. Alumínio e suas l igas .

Provável NP2

1a aula

2a aula

3a aula

4a aula

5a aula

Dia - Apresentação do curso

- Caracterís ticas gera is exigidas nos materia is de engenharia . Comparação entre

materia is metál icos , pol iméricos e cerâmicos

- Ligação química, estrutura cris ta l inas . Sis temas cris ta l inos , fator de empacotamento

atômico, imperfeições estruturas e movimentos atômicos .

- Propriedades mecânicas dos metais . Deformação elástica . Deformação plástica

- Ruptura dos metais , fratura frági l , fratura dúcti l , fadiga, fluência .

- Diagrama de equi l íbrio binário, reações eutética e eutetóide, lei Gibbs .

- Diagrama de equi l íbrio Fe-C, estruturas que se formam no resfriamento lento de aços

hipoeutetóides , eutetóides e hipereutetóides .

Provável NP1

2a aula - Ligações químicas - Estruturas Cristalinas

Aula 2

10/03/2015 2 2015-1_CienciasMateriais_Aula02_LigQui_EstCrist.pdf

Porque estudar a estrutura atômica ?

•As propriedades macroscópicas dos materiais dependem

essencialmente do tipo de ligação entre os átomos.

•O tipo de ligação depende fundamentalmente dos elétrons.

•Os elétrons são influenciados pelos prótons e neutrons que

formam o núcleo atômico.

•Os prótons e neutrons caracterizam quimicamente o

elemento e seus isótopos.

- Ligações químicas

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Átomos - Conceitos Fundamentais Átomos

Conceitos Fundamentais

Átomo Núcleo

Prótons

Nêutron Elétrons

Massa Atômica (A) – dada pela soma de massa dos prótons e nêutrons

Número Atômico (Z) – dada pela quantidade de prótons no átomo

Número de elétrons = número de prótons


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Modelo Atômico de Bohr Átomos



Diagrama de Linus Pauling

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Tabela periódica Átomos



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Ligações Químicas

Os elementos se ligam para formar os sólidos para atingir uma configuração mais estável: oito elétrons na camada mais externa (Regra do octeto) A ligação química é formada pela interação dos elétrons de valência através de um dos seguintes mecanismos:

• Ganho de elétrons • Perda de elétrons • Compartilhamento de elétrons

Ligações Químicas

Os elementos se ligam para formar os sólidos para atingir uma configuração mais estável: oito elétrons na camada mais externa (Regra do octeto) A ligação química é formada pela interação dos elétrons de valência através de um dos seguintes mecanismos:

• Ganho de elétrons

• Perda de elétrons

• Compartilhamento de elétrons


Aula 2


•Ocorre quando um átomo com a propensão a doar seus elétrons de valência, ou seja, eletropositivo, se une a outro elemento com propensão a receber elétrons, ou seja, eletronegativo. • O átomo eletropositvo fornece elétrons para o átomo eletronegativo, formando os íons positivos, cátions, e íons negativos, ânions. • Assim ambos apresentam as últimas camadas de valência preenchida, resultando numa situação estável, similar a um gás nobre.

Ligações Iônicas

Os elétrons de valência são transferidos entre átomos produzindo íons Forma-se com átomos de diferentes eletronegatividades (um alta e outro baixa) A ligação iônica não é direcional, a atração é mútua A ligação é forte= 150-300 Kcal/mol (por isso o PF dos materiais com esse tipo de ligação é geralmente alto) A ligação predominante nos materiais cerâmicos é iônica


Ligações Iônicas

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•A ligação iônica não é direcional, a atração é mútua. •A ligação é forte= 150-300 Kcal/mol (por isso o PF dos materiais com esse tipo de ligação é geralmente alto) • Materiais duros e quebradiços. Bons isolantes térmicos e elétricos. •A ligação predominante nos materiais cerâmicos é iônica.

Ligações Iônicas



Ligações Iônicas

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Ligações Covalentes

•Quando dois átomos eletronegativos (tendência a

receber elétrons para se estabilizar) compartilham

elétrons entre si, forma-se a ligação covalente.

Podem ocorrer entre átomos do mesmo elemento

ou não.

• Compartilham um, dois ou três pares de elétrons

formando ligações covalente simples, duplas ou

triplas.

Ligações Iônicas



H H Elétron do

hidrogênio H 2

Elétron do

Carbono

Elétron do

hidrogênio

H

H

H

H

C

CH 4

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Ligações Covalentes

• Diferente do par iônico, a ligação covalente é direcional e a

molécula formada pode existir individualmente sem a

necessidade de formar retículos cristalinos.

• As moléculas podem porém ser atraídas por ligações

secundárias fracas devido à existência de dipolos

eletrostáticos (Van der Waals).

• Apesar da ligação ser covalente ser forte, a ligação

intermolecular é fraca resultando em baixos pontos de fusão

Ligações Iônicas



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Ligações Metálicas

•Sólidos metálicos são formados por

átomos empacotados próximos uns dos

outros na forma de uma rede cristalina

tridimensional.

• Poucos elétrons de valência são

fracamente ligados ao núcleo e devido à

proximidade do átomos se movem nos

níveis mais altos de energia formando uma

nuvem eletrônica.

• Os outros elétrons permanecem ligados

ao núcleo formando um cátion igual à dos

elétrons livres.

Ligações Metálicas Formam-se com átomos de baixa eletronegatividade (apresentam no máximo 3 elétrons de valência) Então, os elétrons de valência são divididos com todos os átomos (não estão ligados a nenhum átomo em particular) e assim eles estão livres para conduzir A ligação metálica não é direcional porque os elétrons livres protegem o átomo carregado positivamente das forças repulsivas eletrostáticas A ligação metálica é geralmente forte (um pouco menos que a iônica e covalente)= 20-200 Kcal/mol Ex: Hg e W


Aula 2


Ligações Metálicas

• A repulsão eletrostática entre os cátions

vizinhos é contra balanceada pelos elétrons

livres (funcionam como uma cola para

manter juntos os núcleos iônicos). A ligação

metálica possui uma caráter não direcional.

• A força da ligação depende da quantidade

de elétrons livres e varia de forte a fraca.

• Conduzem bem calor e eletricidade –

consequência dos elétrons livres

• A falha é do tipo dúctil (experimentam

deformação antes de romperem) que é uma

característica da ligação metálica.



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Questões



1) Explique com suas palavras os tipos de ligações primárias existentes

2) Cite as diferenças entre elas e as consequências em algumas propriedades mecânicas.

3) Porquê materiais com ligações covalentes são menos densos que os com ligação metálica ou iônica?

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Estrutura Cristalina

•As propriedades dos materiais sólidos cristalinos depende da

estrutura cristalina, ou seja, da maneira na qual os átomos,

moléculas ou íons estão dispostos no espaço.

• Há um grande número de diferentes estruturas cristalinas, desde

estruturas simples exibidas pelos metais até estruturas mais

complexas exibidas pelas cerâmicas e polímeros

Estrutura Cristalina

• As propriedades dos materiais sólidos cristalinos depende da estrutura cristalina, ou seja, da maneira na qual os átomos, moléculas ou íons estão dispostos no espaço. • Há um grande número de diferentes estruturas cristalinas, desde estruturas simples exibidas pelos metais até estruturas mais complexas exibidas pelas cerâmicas e polímeros

- Estruturas Cristalinas

Aula 2


Estrutura Cristalinas

Materiais sólidos são classificados de acordo com a regularidade no

arranjo de átomos e/ou íons

Estruturas Cristalinas

Materiais sólidos são classificados de acordo com a

regularidade no arranjo de átomos e/ou íons

Cristalino – átomos estão situados em um arranjo repetitivo

(ou periódico) a grandes distâncias atômicas

Amorfo – não apresentam ordem de grande alcance

– a estrutura atômica é similar (comparável) a de

líquidos


Cristalino – átomos estão situados em

um arranjo repetitivo (ou periódico) a

grandes distâncias atômicas.

Amorfo – não apresentam ordem de

grande alcance

– a estrutura atômica é similar

(comparável) a de líquidos

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Células unitárias

• Pequeno grupo de átomos que forma um padrão

repetitivo ao longo da estrutura tridimensional.

• A célula unitária é escolhida para representar a

simetria da estrutura cristalina.

• É a unidade estrutural básica das estruturas

cristalinas.

• Os vértices da célula unitária coincidem com o

centro da esfera que representa o átomo.

•Pequeno grupo de átomos que forma um padrão repetitivo ao longo da

estrutura tridimensional.

• A célula unitária é escolhida para representar a simetria da estrutura

cristalina.

• Os vértices da célula unitária coincidem com o centro da esfera que

representa o átomo.


Os átomos são representados

como esferas rígidas

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Redes de Bravais


- 7 Sistemas crislalinos

- 14 arranjos diferentes

- As estruturas cristalinas mais comuns em metais são:

Cúbica de corpo centrado (CCC) Cúbica de face centrada (CFC) Hexagonal compacta (HC)

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Cúbico de Corpo Centrado (CCC)



Cada vértice possui 1/8 de átomo e há 1 átomo no centro da célula unitária.

Há 2 átomos por célula unitária

Ex.: Cromo (Cr), Tungstênio (W), Ferro (Fe)

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No sistema CCC os átomos se tocam ao longo da

diagonal do cubo. Desta forma a aresta do cubo será:

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Cúbico de Face Centrada (CFC) Cúbico de Face Centrada (CFC)


Cada vértice possui 1/8 de átomo e cada face possui 1/2 átomo.

Há 4 átomos por célula unitária

Ex.: Cobre (Cu), Ferro (Fe), Alumínio (Al)

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Cúbico de Face Centrada (CFC) Cúbico de Face Centrada (CFC)


No sistema CFC os átomos se tocam ao longo da diagonal

da face do cubo. Desta forma a aresta do cubo será:

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Hexagonal Compacta (HC)

Há 2 planos com 6 átomos formando um hexágono com um átomo no centro.

E um plano adicional com 3 átomos, situado entre os planos superior e

inferior.

Cada célula unitária contém o equivalente a 6 átomos: 1/6 átomos em cada um dos 12 vértices, ½ átomos em cada um dos dois

centros dos planos e 3 átomos no plano intermediário.

Hexagonal Compacta (HC)

Há 2 planos com 6 átomos formando um hexágono com um

átomo no centro. E um plano adicional com 3 átomos, situado

entre os planos superior e inferior.

Cada célula unitária contém o equivalente a 6 átomos: 1/6 átomos em cada um dos 12 vértices, ½ átomos em cada

um dos dois centros dos planos e 3 átomos no plano

intermediário.


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Fator de Empacotamento Atômico (FEA)


O Fator de Empacotamento Atômico representa o volume

da célula unitária efetivamente ocupado pelos átomos, ou

seja a eficiência de empacotamento dos átomos.

Volume de cada átomo:

Volume da célula unitária cúbica:

O Fator de Empacotamento Atômico representa o volume da

célula unitária efetivamente ocupado pelos átomos, ou seja a

eficiência de empacotamento dos átomos.




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Estrutura FEA

CFC 0,74

CCC 0,68

HC 0,74

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POLIMORFISMO OU ALOTROPIA








• Alguns metais e não-metais podem ter mais de uma estrutura cristalina dependendo da temperatura e pressão. Esse fenômeno é conhecido como polimorfismo.

• Geralmente as transformações polimorficas são acompanhadas de mudanças na densidade e mudanças de outras propriedades físicas.

Ex.: Ferro, titânio, carbono (grafite e diamante)

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POLIMORFISMO OU ALOTROPIA








Formas alotrópicas de alguns metais. Variações alotrópicas do Ferro puro

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Questões


1) Qual a diferença entre estrutura atômica e cristalina?

2) Mostre a relação abaixo para a estrutura CCC: a = 4R/(3)½

3) Mostre o fator de empacotamento para CCC é 0,68.


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