aula introdução aos materiais 2015
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TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Cincias e Engenharia dos Materiais
Objetivos da unidade curricular:
1) Proporcionar ao aluno uma ideia inicial da importncia
dos materiais para o desenvolvimento da Cincia e
Tecnologia
2) Introduzir uma srie de conceitos bsicos relacionados
estrutura, propriedades e aplicao dos Materiais
3) Conhecer os principais Materiais, suas propriedades e
aplicaes visando a especificao de materiais
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O que um material?
Um material nada mais que um amontoado de tomos
Requisitos bsicos
para ser um material
Exemplo de um
material
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tomos
Fe
V
Ca
Mo
Ni
Au
Ag H
P
O
C Si
Al S
So os ingredientes dos materiais
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tomos - Classificao
- Metais
- Semi-metais
- No metais
- Gases nobres tomos metlicos
Semi-metais
No metais Gases nobres
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Como os tomos se unem?
Ligao qumica
Fora de atrao interatmica que faz com
que os tomos permaneam unidos
tomos unidos pela
fora de ligao
Sem ligao
Material
tomos individuais
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Como os tomos se unem?
Ligao qumica
Ligao Forte Ligao Fraca
Ligao Inica (340-800 kJ/mol)
Ligao Covalente (270-610 kJ/mol)
Ligao Metlica (20-240 kJ/mol)
Van der Walls (
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TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Cincias e Engenharia dos Materiais
Cincia dos materiais: Envolve a investigao das relaes que existem entre as estruturas e as
propriedades dos materiais
Engenharia de Materiais: Consiste, na escolha e uso da estrutura de um material para produzir uma srie de
propriedades pr - determinadas.
A estrutura de um material est geralmente relacionada ao arranjo de seus componentes internos.
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TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Cincias e Engenharia dos Materiais
Devemos chamar a ateno para as relaes existentes entre as propriedades dos materiais e os elementos estruturais
Devem ser considerados vrios nveis de estudo:
A estrutura subatmica envolve eltrons no interior dos tomos individuais e a interao com seus ncleos. No nvel
atmico, a estrutura engloba a organizao dos tomos ou
molculas entre si
Ex : estrutura eletrnica; estrutura cristalina
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Relao Estrutura x Propriedades
As propriedades cotidianas dos materiais dependem
da estrutura em escala atmica
da microestrutura (estrutura em escala intermediria)
Alumnio (estrutura cbica) Magnsio
(estrutura hexagonal) Fibras de vidro em
uma matriz de
polmero.
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ESTRUTURA ESTRUTURA: geralmente relacionada ao arranjo de seus
componentes internos.
ESTRUTURA SUB-ATMICA: envolve eltrons no interior
dos tomos individuais e as interaes com seus ncleos;
ESTRUTURA ATMICA: engloba a organizao dos
tomos ou molculas em relao uns aos outros;
ESTRUTURA MICROSCPICA: contm grandes grupos
de tomos normalmente conglomerados;
ESTRUTURA MACROSCPICA: pode ser vista a olho
nu.
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TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Cincias e Engenharia dos Materiais
Nvel microscpico: grandes grupos de tomos ou molculas aglomerados (com a possibilidade de observao direta da
estrutura com um microscpio).
Ex : microestrutura
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TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Cincias e Engenharia dos Materiais
a) b)
6 mm
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TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Cincias e Engenharia dos Materiais
Nvel Macroscpico : so os elementos estruturais que
podem ser vistos a olho nu.
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uma peculiaridade do material em termos do tipo e da
intensidade da resposta a um estmulo especfico que lhe
imposto.
Ex : Enquanto em uso, todos os materiais esto expostos a
estmulos externos que provocam algum tipo de resposta uma amostra sujeita a fora ir experimentar uma
deformao.
Virtualmente, todas as propriedades importantes dos materiais slidos podem ser agrupadas em seis
categorias diferentes: mecnica eltrica trmica magntica tica e deteriorativa.
PROPRIEDADES
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Mecnicas relacionam deformaes com uma carga ou fora aplicada. Ex. mdulo de elasticidade e a resistncia.
Eltricas: O estmulo um campo eltrico. Ex.condutividade
eltrica e a constante dieltrica.
Trmica - O comportamento trmico de um slido pode ser
representado em termos da capacidade calorfica e da
condutividade trmica.
Magnticas demonstram a resposta de um material aplicao de um campo magntico. Fenmenos naturais
relacionados atrao ou repulso
ticas o estmulo a radiao eletromagntica ou luminosa. Ex. ndice de refrao e a refletividade
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A reatividade consiste na tendncia que um
tomo possui para captar ou perder eltrons.
Deteriorativas - indicam a reatividade qumica dos materiais.
Alm da estrutura e propriedade, 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.
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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 esquema abaixo.
Processamento Estrutura Propriedade Desempenho
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Materiais Define-se material como sendo aquilo que empregamos na confeco de bens materiais tais como: habitaes, veculos, mquinas e equipamentos, utenslios, etc.
TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
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Como definir qual o melhor material para
um determinado fim?
Vidro
Cermica
Plstico
Madeira
Metal
Papel
Exemplo: Copo
Depende
Custo
Tempo de vida ou Durabilidade
Aparncia
Finalidade: Natureza do lquido (ex: copo de metal e papel no pode ser usado para caf.
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Casa construda com materiais reciclados, conservando
os recursos da terra e energia, ao mesmo tempo em que
se preserva o meio ambiente.
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TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
A classificao tradicional dos materiais geralmente baseada na
estrutura atmica e qumica:
Metais
Cermicas
Polmeros
Compsitos (combinao de dois ou mais)
Semicondutores (caractersticas eltricas peculiares)
Biomateriais (Mat. Biocompatveis)
Classificao tradicional
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TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Materiais metlicos: So normalmente
combinaes de elementos metlicos.
Os metais so condutores extremamente bons de eletricidade e calor.
No so transparentes luz visvel.
Uma superfcie metlica polida possui uma aparncia lustrosa.
Os metais so muito resistentes, e ainda assim deformveis.
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METAIS
Ex; ao estrutural, molas, grampos
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Os metais na tabela peridica
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CERMICOS
So compostos formados entre os elementos metlicos e
no metlicos;
So freqentemente xidos, nitretos e carbetos.
A grande variedade de materiais que se enquadra nesta
classificao so compostos por minerais argilosos, cimento
e vidro.
So materiais tipicamente isolantes passagem de
eletricidade e calor e so mais resistentes a altas
temperaturas e ambientes abrasivos do que os metais e
polmeros.
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Com relao ao comportamento mecnico, os cermicos
so duros, porm muito quebradios.
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As cermicas na tabela peridica
Cermicas so formadas por combinao de metais
(quadrados mais claros) com os elementos C, N, O, P e S.
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POLMEROS
Os polmeros compreendem os materiais comuns de
plsticos e borracha.
Muitos deles so compostos orgnicos que tm sua qumica
baseada no carbono, no hidrognio e em outros elementos
no-metlicos; alm disso, eles possuem estruturas
moleculares muito grandes.
Estes materiais possuem tipicamente baixas densidades e
podem ser extremamente flexveis.
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POLMEROS
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Os polmeros na tabela peridica
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Compsitos Consiste em um ou mais tipo de material, trabalhando
juntos, sendo que, as propriedades do conjunto so
melhores do que a de um material individual.
Um compsito projetado para mostrar uma combinao
das melhores caractersticas de cada um dos materiais
que o compe.
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Compsitos
Enfeite de resina (polmero, que a base
de petrleo) + fibra de madeira.
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TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Semicondutores Apresentam propriedades eltricas que so intermedirias
entre metais e isolantes;
As caractersticas eltricas so extremamente sensveis
presena de pequenas quantidades de impurezas, cuja
concentrao pode ser controlada em pequenas regies do
material;
Os semicondutores tornaram possvel o advento do circuito
integrado que revolucionou as indstrias de eletrnica e
computadores.
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TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Biomateriais So empregados em componentes para implantes de
partes em seres humanos;
Esses materiais no devem produzir substncias txicas
e devem ser compatveis com o tecido humano (isto ,
no deve causar rejeio);
Metais, cermicos, compsitos e polmeros podem ser
usados como biomateriais.
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ESTRUTURA ATMICA DOS MATERIAIS
preciso conhecer:
- a sua estrutura atmica,
- propriedades e comportamento, quando
submetidos tenses , esforos ou tratamento
que modificam sua microestrutura.
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LIGAES INTERATMICAS
O tipo de ligao interatmica geralmente explica a
propriedade do material.
Exemplo: o carbono pode existir na forma de grafite que
mole, escuro e gorduroso e na forma de diamante que
extremamente duro e brilhante. Essa diferena nas
propriedades diretamente atribuda ao tipo de ligao
qumica que encontrada no grafite e no no diamante.
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LIGAES INTERATMICAS
Diamante Ligao covalente
Grafite Ligao covalente + Ligao de van der waals
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LIGAES INTERATMICAS
Os elementos se ligam para formar os slidos para atingir
uma configurao mais estvel: oito eltrons na camada
mais externa.
A ligao qumica formada pela interao dos eltrons de
valncia atravs de um dos seguintes mecanismos:
- Ganho de eltrons
- Perda de eltrons
- Compartilhamento de eltrons
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TIPOS DE LIGAES ATMICAS
- Ligao inica;
- Ligao covalente;
- Ligao metlica e
- Ligao Van der waals.
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TIPOS DE LIGAES ATMICAS
Ligao inica : Atrao mtua entre positivo e
negativo (propriedades encontradas : Materiais
isolantes, duros e quebradios. Ex: cermica,
Cimentos e sal de cozinha).
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TIPOS DE LIGAES ATMICAS
a ligao predominante nos materiais cermicos
as energias de ligao so relativamente altas
Temperatura de fuso elevada
os materiais so duros e quebradios
bons isolantes trmicos e eltricos
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TIPOS DE LIGAES ATMICAS
Ligao covalente : Compartilhamento de
eltrons de tomos adjacentes. (propriedades
encontradas : Tambm isolantes, menos
quebradios. Ex: Plsticos).
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TIPOS DE LIGAES ATMICAS
Diamante (Tf = 3550oC)
Bismuto (Tf = 270oC)
Normalmente as ligaes interatmicas so parcialmente
inicas e parcialmente covalentes, poucos compostos
exibem ligaes com carter que seja exclusivamente inico
ou covalente;
Quanto maior for a diferena entre as eletronegatividades
mais inica ser a ligao. De modo contrrio, quanto
menor for a diferena de eletronegatividade maior ser o
grau de covalncia.
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TIPOS DE LIGAES ATMICAS
Eletronegatividade a capacidade que um tomo
tem, de atrair eltrons de outro tomo quando os
dois formam uma ligao qumica.
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TIPOS DE LIGAES ATMICAS
Ligao metlica : Caracterizada pr uma
nvem de eltrons livres e ons positivos.
(propriedades encontradas : bons condutores de
eletricidade e calor. Ex: ferro, cobre e alumnio).
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TIPOS DE LIGAES ATMICAS
os ncleos e os eltrons restantes formam o
ncleo inico carregados positivamente
os eltrons livres protegem os ncleos inicos
das foras repulsivas (cola)
bons condutores eltricos e trmicos devido
aos eltrons livres
ruptura dctil na temperatura ambiente
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CLASSIFICAO QUMICA DOS MATERIAIS
Ligao Menor partcula
Estrutura
Metais metlica tomo crsitalina
Semicondutores Covalente, inica
tomo Cristalina (raram. amorfa)
Cermicos Covalente, inica
molcula Cristalina
Vidros Covalente, inica
molcula Amorfa
Polmeros Covalente, lig. secundrias
Cadeia de molculas
Amorfa (raram. cristalina)
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TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
TIPOS DE ESTRUTURAS ( ARRANJOS ATMICOS)
As propriedades dos materiais dependem do arranjo
de seus tomos.
Estes arranjos podem ser classificados em:
Estruturas moleculares - agrupamentos de tomos.
Estruturas cristalinas - arranjo repetitivo de tomos.
- Estruturas amorfas
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TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
ESTRUTURAS MOLECULARES
Pode ser definida por um nmero limitado de
tomos, fortemente ligados entre si.
Os exemplos mais comuns de molculas
incluem os compostos como: H20, CO2, O2,
CCL4, N2 , CH4, etc...
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TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
MATERIAIS CRISTALINOS
compostos por tomos, molculas ou ons arranjados de uma forma peridica em 3
dimenses.
As posies que so ocupadas seguem uma ordenao que se repete ao longo de grandes
distncias
ordem de longo alcance
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TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
MODELO DE ESFERAS RGIDAS
os tomos so considerados com se fossem esferas slidas de dimetro fixo. Exemplo: modelo
bi-dimensional.
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RETICULADO CRISTALINO
arranjo de pontos que representam a posio
mdia dos tomos Exemplo: modelo bi-
dimensional.
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