Exercícios: Tipos e classificação de Materiais
) Na sua opinião, a química explica as propriedades e características dos materiais? Justifique.
Sim. A resposta para todas as propriedades e características dos materiais está no tipo de ligação química, a qual está relacionada à energia da ligação.
Há influência da energia da ligação em algumas propriedades dos materiais. Quanto maior a energia envolvida na ligação química há uma tendência de:
•Maior ser o ponto de fusão do composto;
•Maior a resistência mecânica;
•Maior a dureza;
•Maior o módulo de elasticidade;
•Maior a estabilidade química;
•Menor a dilatação térmica.
Também há uma relação entre a força da ligação química e a temperatura de fusão:
2) Com as mesmas matérias-primas é possível obtermos materiais com diferentes propriedades e, consequentemente, diferentes aplicações? Justifique.
3) Explique, quimicamente e em uma linguagem para alunos do ensino médio, o por que(?) cada material foi escolhido para o seu devido lugar na figura abaixo.
4) Faça uma relação entre a energia de ligação química com as propriedades dos materiais metálicos, cerâmicos e poliméricos.
Materiais Metálicos - ligação metálica - energia de ligação variável
moderate Tm
moderate E
moderate a
Bons condutores de eletricidade e calor (elétrons livres).
A ligação metálica é um tipo primário de ligação envolvendo a interação do elétron de valência ou elétrons de um átomo com muitos átomos circundantes.
• Essa interação leva a uma redução na energia do sistema considerado.
• Os elétrons de valência destas ligações são às vezes considerados como um “gás de elétrons” ligando os núcleos dos íons positivos (átomos menos seus elétrons de valência).
• A ligação metálica é não direcional.
Materiais Cerâmicos - ligação iônica e ligação covalente - energia de ligação elevada
Elevada energia de ligação, elevado ponto de fusão,
Ligação Covalente: Materiais que possuem ligação covalente são eletricamente e termicamente isolantes, podem ser duros com elevado ponto de fusão, podem ser fracos com baixo ponto de fusão
Poucos compostos exibem somente ligação iônica pura ou ligação puramente covalente.
• Para um composto, o grau depende da posição relativa dos átomos na tabela periódica (i.e, eletronegatividade).
• Elementos químicos próximos tendem a apresentar ligações covalentes. Elementos químicos distantes tendem a apresentar ligação química iônica.
• (Elementos distantes precisam se sacrificar para se ligarem!!)
Materiais Poliméricos - ligação covalente e secundária - energia de ligação baixa
Secondary bonding dominates
Ligação Secundária: formada como resultado da interação dos dipolos elétricos contidos em átomos ou moléculas. Pode ser dividido por:
5) Que tipo e quais as principais propriedades mecânicas, elétricas e térmicas estão relacionadas aos diferentes tipos de materiais? Cite exemplos.
Gráfico: Dureza versus Módulo de Elasticidade (E)
Cerâmico > Metal > Polímero
Gráfico Expansão Térmica versus Condutibilidade Térmica
Metal > Cerâmico >Polímero
Propriedade Mecânica: alto módulo de elasticidade (E)
Propriedade Térmica: intermediária condutibilidade térmica
Propriedade Elétrica: baixa condutibilidade elétrica
Propriedade Mecânica: intermediário módulo de elasticidade (E)
Propriedade Térmica: alta condutibilidade térmica
Propriedade Elétrica: elevada condutibilidade elétrica
Propriedade Mecânica: baixo módulo de elasticidade (E)
Propriedade Térmica: baixa condutibilidade térmica
Propriedade Elétrica: baixa condutibilidade elétrica
6) Quando a diferença de eletronegatividade é alta, ou seja, maior que 1,8; qual o tipo de ligação química a ser formada e quais as propriedades esperadas para esse material?
Tipo de ligação química: iônica
Propriedades esperadas para esse material: elevado ponto de fusão, alta dureza, baixa condutibilidade elétrica, baixa ductibilidade
Exemplos: NaCl, ZnS, CsCl
7) Se o raio atômico do alumínio é de 0,143 nm. Calcule o volume de sua célula unitária em metros cúbicos. Repita o problema para o chumbo se o raio atômico do chumbo é de 0,175 nm.
8) Calcule o fator de empacotamento (FE) de uma célula unitária em estruturas cristalinas CCC, CFC e HC.
Sabendo que o FE é dado por:
Nat = Número de átomos na célula unitária;
Vc = Volume da célula unitária.
9) Cobre tem raio atômico de 0,128nm (1,28 Å), uma estrutura CFC, um peso atômico de 63,5 g/mol.
Calcule a densidade do cobre.
N = número de átomos da célula unitária
Vc = Volume da célula unitária
Na = Número de Avogadro (6,02·1023 átomos/mol)
Tipos de Materiais (relevância). Não basta apenas ter um projeto no papel, é importante conhecer os materiais disponíveis para concretizar o que se tem em mente.
Classificação dos Materiais
METAIS: Ferrosos (tem o ferro como base), Não Ferrosos e Ligas Metálicas
CERÂMICOS: Comuns, Avançados (naves espaciais, catalisadores, etc.) e Vidros
POLÍMEROS: Sintéticos e Naturais
COMPÓSITOS (mistura dos materiais, exemplo os coletes a prova de balas): Cerâmicos + Metais, Cerâmicos + Naturais, Cerâmicos + Polímeros, Metais + Polímeros, Naturais + Polímeros
- Normalmente são combinações de elementos metálicos
- Propriedades: grande número de elétrons livres, não são transparentes e são resistentes
Na tabela periódica há uma grande área de átomos que podem ser combinados para formar ligas metálicas ou utilizar no estado puro.
AÇO (revolucionou o mundo moderno): Aço -> Ferro + Carbono (máximo de 2,11%)
Tratamento térmico deixa a engrenagem resistente na superfície para não sofrer desgaste.
Análise de fratura do objeto através da micrografia (microestrutura da seção longitudinal do semi-eixo) nos dá a ideia do teor baixo de carbono no interior do aço.
2 MATERIAIS CERÂMICOS (combinações de metais com não metais)
Há cerâmicos de alta tecnologia e avançados.
Propriedades: isolantes térmicos e elétricos, resistentes a altas temperaturas e ambientes corrosivos, elevada dureza porém são frágeis.
Análise das microesferas de óxido de alumínio (alumina) utilizadas em leito de catalisadores no microscópio eletrônico de varredura mostra que ele é poroso.
3 MATERIAIS POLIMÉRICOS (macromoléculas orgânicas sintéticas ou naturais)
Propriedades: geralmente leves, isolantes elétricos e térmicos, flexíveis, boa resistência à corrosão e baixa resistência ao calor.
4 MATERIAIS COMPÓSITOS (conjuga a propriedade de 2 ou + materiais)
Exemplo: peças de automóveis (fibra de carbono + resina = polímero 1 + polímero 2).
Material Cristalino versus Material Amorfo
Organização da estrutura atômica a nível tridimensional (padrão de organização) ao longo de grandes distâncias atômicas (distância a longo alcance). Praticamente quase todos os metais possuem estrutura cristalina (monocristalino ou policristalino).
Policristalino é quando está restrito a volumes com interfaces chamadas contorno de grão.
Redes de Bravais (padrões definidos)
São formas de organização dos materiais do ponto de vista cristalográficos.
- Cúbica: simples (CS), face centrada (CFC) e corpo centrado (CCC)
- Tetragonal
- Ortorrômbica
- Hexagonal
- Monoclínica (ângulos diferentes de 90 graus)
- Triclínica
- Trigonal
O Aço segue o padrão principalmente da organização Cúbica.
Determine a relação geométrica entre os raios “R” dos átomos que compõem uma rede CCC - cúbica de corpo centrado e o parâmetro de rede “a”.
(4R)^2 = a^2 + [ a(raiz de 2) ]^2
Imperfeições, Difusão e Falhas
Defeito ou imperfeição na estrutura cristalina são essenciais para entender a resistência mecânica dos materiais.
Imperfeições (defeitos) Puntiformes
Associados a magnitude de um ou dois átomos (defeitos pequenos). Há 3 tipos básicos de defeitos puntiformes:
Impureza substitucional (impureza ocupou o lugar de um átomo)
Impureza Intersticial (impureza entrou no meio dos átomos)
Vacância (ausência do átomo)
Imperfeições (defeitos) Lineares
Imperfeições ao longo de uma linha. Há 3 tipos de discordância:
Cunha ou Aresta
Hélice (esforço cisalhante forma uma estrutura que se parece com uma hélice)
Mista (mistura de hélice e cunha)
Assim conseguimos entender como o material se deforma.
Discordâncias e deformações
A presença da discordância é essencial para entender o comportamento mecânico dos materiais durante a deformação.
A previsão teórica da resistência através de cálculos não condizia com a prática.
Processo mecânico ou térmico altera as discordâncias e aí o material se deforma através do deslocamento das discordâncias.
Imperfeições (defeitos) Superficiais
São imperfeições que ocorrem ao longo da superfície. Há 3 tipos:
Externa: a superfície externa possui átomos livres sem ligações químicas que são suscetíveis a reações químicas como corrosão
Contorno de Grão: pode observar no microscópio metalúrgico após atacar quimicamente uma amostra de aço. São orientações cristalográficas diferentes. A interface entre as organizações atômicas quebra a organização do material policristalino. Provoca falta de coerência. É um indicador da resistência do material realizado em laboratórios de metalografia.
Contorno De Macla: defeito mais raro. Se estabelece uma simetria especular da rede cristalina. Lado B é uma imagem do lado A (um átomo vê o outro).
Difusão
Ocorre sempre que colocar 2 materiais em contato, sejam eles líquidos, gasosos ou sólidos. É o fenômeno de transporte de material por movimento atômico. Altamente dependente da temperatura. Tratamento do aço depende do processo de difusão dos átomos de carbono para deixar a superfície mais resistente ao desgaste. Altera a característica dos materiais.
Fratura
Deformação Elástica: o material retorna ao que era antes.
Deformação Plástica: o material continua deformado e não retorna como era antes. Exemplo: carro batido.
Fratura frágil: caracteriza-se por apresentar pequena ou nenhuma deformação plástica na vizinhança de uma trinca que está avançando. Sem deformação plástica.
Fratura por fadiga: É uma forma de falha que ocorre em estruturas que estão sujeitas à tensão dinâmica, por exemplo, pontes, aeronaves e componentes de máquinas.
Fluência: deformação permanente (rompimento) que ocorre ao longo do tempo nos materiais quando eles são submetidos a tensões constantes.
Atividade da aula 2:
Suponha que você tenha sido escalado para analisar um acidente aéreo no qual foi identificado a ocorrência de fratura. Qual seria o tipo de fratura mais provável de ter ocorrido neste acidente?
Resposta: fratura por fadiga.
curso estudo e memorização