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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
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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
Aula 2
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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
- Ligações químicas
Aula 2
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Modelo Atômico de Bohr Átomos
Conceitos Fundamentais
- Ligações químicas
Diagrama de Linus Pauling
Aula 2
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Tabela periódica Átomos
Conceitos Fundamentais
- Ligações químicas
Aula 2
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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
- Ligações químicas
Aula 2
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•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 químicas
Ligações Iônicas
Aula 2
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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
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 químicas
Ligações Iônicas
Aula 2
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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
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 químicas
H H Elétron do
hidrogênio H 2
Elétron do
Carbono
Elétron do
hidrogênio
H
H
H
H
C
CH 4
Aula 2
10/03/2015 10 2015-1_CienciasMateriais_Aula02_LigQui_EstCrist.pdf
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
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 químicas
Aula 2
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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
- Ligações químicas
Aula 2
10/03/2015 12 2015-1_CienciasMateriais_Aula02_LigQui_EstCrist.pdf
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.
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
- Ligações químicas
Aula 2
10/03/2015 13 2015-1_CienciasMateriais_Aula02_LigQui_EstCrist.pdf
Questões
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
- Ligações químicas
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?
Aula 2
10/03/2015 14 2015-1_CienciasMateriais_Aula02_LigQui_EstCrist.pdf
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
10/03/2015 15 2015-1_CienciasMateriais_Aula02_LigQui_EstCrist.pdf
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
- Estruturas Cristalinas
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
Aula 2
10/03/2015 16 2015-1_CienciasMateriais_Aula02_LigQui_EstCrist.pdf
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.
- Estruturas Cristalinas
Os átomos são representados
como esferas rígidas
Aula 2
10/03/2015 17 2015-1_CienciasMateriais_Aula02_LigQui_EstCrist.pdf
Redes de Bravais
- Estruturas Cristalinas
- 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)
Aula 2
10/03/2015 18 2015-1_CienciasMateriais_Aula02_LigQui_EstCrist.pdf
Cúbico de Corpo Centrado (CCC)
Cúbico de Corpo Centrado (CCC)
- Estruturas Cristalinas
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)
Aula 2
10/03/2015 19 2015-1_CienciasMateriais_Aula02_LigQui_EstCrist.pdf
Cúbico de Corpo Centrado (CCC)
Cúbico de Corpo Centrado (CCC)
- Estruturas Cristalinas
No sistema CCC os átomos se tocam ao longo da
diagonal do cubo. Desta forma a aresta do cubo será:
Aula 2
10/03/2015 20 2015-1_CienciasMateriais_Aula02_LigQui_EstCrist.pdf
Cúbico de Face Centrada (CFC) Cúbico de Face Centrada (CFC)
- Estruturas Cristalinas
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)
Aula 2
10/03/2015 21 2015-1_CienciasMateriais_Aula02_LigQui_EstCrist.pdf
Cúbico de Face Centrada (CFC) Cúbico de Face Centrada (CFC)
- Estruturas Cristalinas
No sistema CFC os átomos se tocam ao longo da diagonal
da face do cubo. Desta forma a aresta do cubo será:
Aula 2
10/03/2015 22 2015-1_CienciasMateriais_Aula02_LigQui_EstCrist.pdf
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.
- Estruturas Cristalinas
Aula 2
10/03/2015 23 2015-1_CienciasMateriais_Aula02_LigQui_EstCrist.pdf
Fator de Empacotamento Atômico (FEA)
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.
Volume de cada átomo:
Volume da célula unitária cúbica:
- Estruturas Cristalinas
Aula 2
10/03/2015 24 2015-1_CienciasMateriais_Aula02_LigQui_EstCrist.pdf
Fator de Empacotamento Atômico (FEA)
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:
- Estruturas Cristalinas
Estrutura FEA
CFC 0,74
CCC 0,68
HC 0,74
Aula 2
10/03/2015 25 2015-1_CienciasMateriais_Aula02_LigQui_EstCrist.pdf
POLIMORFISMO OU ALOTROPIA
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:
- Estruturas Cristalinas
• 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)
Aula 2
10/03/2015 26 2015-1_CienciasMateriais_Aula02_LigQui_EstCrist.pdf
POLIMORFISMO OU ALOTROPIA
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:
- Estruturas Cristalinas
Formas alotrópicas de alguns metais. Variações alotrópicas do Ferro puro
Aula 2
10/03/2015 27 2015-1_CienciasMateriais_Aula02_LigQui_EstCrist.pdf
Questões
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
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.
- Estruturas Cristalinas