Universidade Paulista – UNIP
Fevereiro de 2.012
Princípios básicos de
ciência dos materiais
Materiais de construção civil
Prof. Netúlio Alarcón Fioratti
O novo universo da
micro escala
“Se
não queremos
nos ver
• Radicais
livres.
reduzidos à meras fatias do
conhecimento essencial
devemos
também expandir
• Tabagismo.
as nossas mentes.”
Karl Poper
• Grafite e diamante.
Micro escala
Assim como os números naturais são
infinitos, existem infinitos números
entre 0 e 1.
“A microestrutura de qualquer material
está diretamente relacionada às suas
propriedades.”
Materiais diferentes.
Mesmo uso?
Classificação dos materiais
• Metais;
Combinações de elementos metálicos;
• Cerâmicas;
São empregados em
•
•
Elétrons não localizados.componentes
Estão entre os elementos metálicos e não
Polímeros;
implantados no
metálicos;
interior do corpo
Plásticos
e borrachas;
Compósitos;
Óxidos, nitretos
e carbetos;humano;
Compostos
orgânicos
(C-H); e vidros.
Minerais
argilosos,
cimentos
Devem
ser inertes;
Composição de dois ou mais
materiais;
• Semicondutores;
•
Estruturas moleculares muito grandes.
ser qualquer
Combinação das melhores Pode
características
outro
material
Estão
os condutores
e os
isolantes.
Biomateriais;
dos entre
materiais
que os compõe.
citado acima.
Ligações químicas
• Muitas das propriedades físicas dos
materiais são funções das ligações
existentes entre os átomos e moléculas
desse material.
• Dois tipos de forças (ligações):
– Primárias ou químicas:
• Iônicas, covalentes e metálicas.
– Secundárias ou físicas (de Van der Waals):
• Pontes H, Dipolos.
Ligação iônica
• Dois átomos se ionizam:
– Um doa um elétron para o outro,
– Ficando o primeiro com carga positiva e o
segundo com carga negativa,
– Atraindo-se pela força de Coulomb.
Ligação iônica
• Elementos metálicos e não-metálicos.
• Metal perde e não-metal ganha
elétron.
• Não-direcionais (força de ligação igual
em todas as direções).
– Por isso, em um arranjo tridimensional,
para serem estáveis, os íons positivos
devem ter como vizinhos, íons negativos,
e vice versa.
Ligação iônica
• São materiais duros e quebradiços.
• Não conduzem eletricidade nem calor.
• Predominante em materiais cerâmicos.
• Altos PF e PE.
• Sólidos à temperatura ambiente.
Ligação covalente
• Átomos compartilham elétrons.
• Cada átomo contribui com pelo menos
1 elétron.
• Os elétrons compartilhados passam a
pertencer aos dois átomos.
Ligação covalente
• Ligação entre não-metais.
• Ligações mais fortes que as iônicas.
• Facilmente encontradas em cerâmicas
e polímeros.
• No geral, podem ser muito fortes ou
muito fracas (PF e PE baixos).
• Ligação direcional: forma ângulos bem
definidos.
Ligação covalente
• É possível a existência de ligações
interatômicas parcialmente iônicas e
parcialmente covalentes.
• Isto depende da eletronegatividade
dos átomos participantes.
• Quanto maior a diferença entre as
eletronegatividades, mais iônica será a
ligação.
– Eletronegatividade é a capacidade de um
átomo de atrair elétrons.
Ligação metálica
• Os núcleos dos átomos encontram-se
em meio à uma “nuvem de elétrons”.
• Os elétrons de valência encontram-se
mais ou menos livres para se
movimentar por todo o metal.
Ligação metálica
• Os núcleos iônicos, por serem agora
de carga positiva, passam a exercer
uma força de repulsão entre eles.
• Força esta que é protegida (impedida
de ser eficaz) pelos elétrons livres.
• Confere caráter não direcional à
ligação.
• Ligações mais fortes que as
covalentes, possuindo vasta faixa de
PE e PF (geralmente elevados).
Forças de Van der Waals
• São as forças intermoleculares (entre
moléculas).
• São geradas por pequenas
assimetrias nas distribuição de cargas
dos átomos, que criam dipolos.
• Um dipolo é um par de cargas opostas
que mantém uma distância entre si.
• Podem ser permanentes ou induzidos
Forças de Van der Waals
• Dipolo permanente:
– Moléculas polares “por natureza” (HCl).
– Um ótimo exemplo são as mais fortes das
ligações de VW: as pontes de H.
• Dipolo induzido:
– Separação de cargas pequenas.
– Pouca energia de ligação (mais fraca).
– Há uma separação dos centros de carga
pela presença simultânea dos átomos.
Da escala atômica para a
microestrutural
• Para formar materiais sólidos, os átomos
ou íons das moléculas se arranjam em uns
em relação aos outros.
– Por conta das forças intermoleculares (fracas).
– Ou das intramoleculares (fortes).
• Estes átomos podem se arranjar:
– De forma ordenada ao longo de grandes
distâncias.
– Desordenadamente.
Arranjos desordenados
• Estes arranjos desordenados formam
os chamados sólidos amorfos.
• O vidro é o exemplo mais conhecido.
• As vezes estes sólidos são chamados
de líquidos super resfriados,
– pelo fato de esta desordem interna ser
parecida com a dos líquidos.
Arranjos desordenados
• Este desarranjo acontece geralmente
devido à uma solidificação rápida, que
impede o arranjo ordenado durante a
solidificação.
SiO2
Arranjos cristalinos
• Quando os átomos ou íons do sólido
estão arranjados de forma ordenada.
• Em um arranjo que se repete ou que é
periódico ao longo de grandes
distâncias atômicas.
• Quando ocorreu a solidificação, os
átomos arranjaram-se ordenadamente
em um padrão tridimensional
repetitivo.
Arranjos cristalinos
• Células unitárias.
• Estruturas cristalinas de metais:
– Cúbica simples.
– Cúbica de faces centradas.
– Cúbica de corpo centrado.
– Hexagonal compacta.
• Redes de Bravais.
Arranjos cristalinos
• 14 redes de Bravais.
Arranjos cristalinos
• Em um sólido cristalino, quando o
arranjo periódico e repetido de átomos
é perfeito, isto é, se estende ao longo
da totalidade da amostra sem
interrupções, o resultado é um
monocristal.
• Policristais são sólidos cristalinos
compostos por uma coleção de muitos
cristais pequenos, ou grãos.
Reflexos do arranjo interno
• Vários são os pontos em escala atômica e
microestrutural que influenciam nas
propriedades macroscópicas dos
materiais.
– Empacotamento interno.
– Impurezas.
– Planos de cristalização.
– Tipos de ligações e forma presente nos
arranjos internos.
Reflexos do arranjo interno
• A microestrutura geralmente influencia
nas propriedades:
– Físicas;
– Mecânicas;
– Elétricas;
– Térmicas;
– Magnéticas; e
– Óticas.
• Propriedades mecânicas são mais
influenciadas pelo arranjo
microestrutural que pelas ligações
interatômicas.
Arranjos cristalinos
• Uma vez que é as formas de ruptura
se dão mais facilmente na esfera
microestrutural do que atômica.
• As relações interatômicas são regidas
por forças bem maiores.
Esforços mecânicos
• São os tipos de esforços que os sólidos
estão sujeitos, gerando tensões internas
em sua microestrutura:
– Compressão;
– Tração;
– Cisalhamento;
– Flexão, e
– Torção.
Normalização
• Regulamenta para os diversos materiais:
– Qualidade;
– Classificação;
– Produção, e
– Emprego.
Normalização
• Entidades normalizadoras:
– ABNT: Associação Brasileira de Normas
Técnicas.
– ASTM: American Society for Testin
Materials.
– DIN: Deutsche Normenausschuss.
– ISO: International Organization for
Standardization (coordena as
normalizadoras).
Normalização
– Normas: diretivas para cálculo e método
de execução de obras e serviços, assim
como condições mínimas de segurança.
– Métodos de ensaio: processo para
formação e o exame de amostras.
– Especificações: prescrições para os
materiais.
– Padronização: dimensões para os
materiais ou produtos.
– Terminologia: nomenclatura técnica.
– Simbologia: convenções para desenhos.
– Classificação: ordena e divide conjunto
de elementos.
Obrigado pela atenção!