Programação de aula (MAT. CONSTR. CIVIL-ARQ-TURMA-A (SALA G-204)
DATA
DIA/SEMANA INICIO TERMINO
TITULO DA AULA
30/07/2014
Quarta-Feira 19:00
22:35
Introdução a ciência dos materiais
06/08/2014
Quarta-Feira 19:00
22:35
Estruturas dos materiais
13/08/2014
Quarta-Feira 19:00
22:35
Materiais cerâmicos -Introdução
20/08/2014
Quarta-Feira 19:00
22:35
Materiais cerâmicos -produção e uso
27/08/2014
Quarta-Feira 19:00
22:35
Aula prática/ Trabalho sobre materiais cerâmicos - revestimentos
03/09/2014
Quarta-Feira 19:00
22:35
Materiais metálicos - Introdução
10/09/2014
Quarta-Feira 19:00
22:35
Materiais metálicos - produção e aplicações
17/09/2014
Quarta-Feira 19:00
22:35
Avaliação G1 - A
24/09/2014
Quarta-Feira 19:00
22:35
Madeiras - introdução
01/10/2014
Quarta-Feira 19:00
22:35
Madeiras - tipos/obtenção/utilização
08/10/2014
Quarta-Feira 19:00
22:35
Aula prática/ Trabalho sobre materiais madeiras
15/10/2014
Quarta-Feira 19:00
22:35
Polimeros - introdução/tipos
22/10/2014
Quarta-Feira 19:00
22:35
Polimeros - tintas/betumes
29/10/2014
Quarta-Feira 19:00
22:35
Vidros
05/11/2014
Quarta-Feira 19:00
22:35
Seminários sobre polimeros
12/11/2014
Quarta-Feira 19:00
22:35
Seminários sobre polimeros
19/11/2014
Quarta-Feira 19:00
22:35
Aula prática sobre polimeros/ Trabalho sobre polimeros
26/11/2014
Quarta-Feira 19:00
22:35
PROVA DE G2
03/12/2014 TERÇA-FEIRA 19:30
21:30
PROVA DE G3
O quê são materiais?
Substância de que são feitas as coisas.
Metais
Cerâmicas
ALUMINA
Polímeros
Por quê estudar os materiais?
Utilização dos materiais com o passar do tempo:
Prof. Arlindo Silva do Instituto Superior Técnico da Universidade de Portugal
Como definir qual o melhor material para um
determinado fim?
• Exemplo: Copo
•
•
•
•
•
•
Vidro
Cerâmica
Plástico
Madeira
Metal
Papel
Depende
• Custo
• Tempo de vida ou
Durabilidade
• Aparência
• Finalidade: Natureza do
líquido (ex: copo de metal
e papel não pode ser
usado para café, suco de
laranja não pode ser
armazenado numa taça
antiga de peltre porque
remove o Pb da liga)
TIPOS DE INDÚSTRIA - INFLUÊNCIA DOS MATERIAIS
INDÚSTRIA DE PONTA
•
•
Grande exigência
tecnológica
Utilização dos materiais nos limites
PRODUÇÃO EM MASSA
•
•
Produtos não
diferenciados
Utilização de materiais
abaixo dos limites
SELEÇÃO CUIDADOSA
SELEÇÃO CUIDADOSA
(FATOR CUSTO SECUNDÁRIO)
(FATOR CUSTO PRIMORDIAL)
Estrutura atômica e Ligações
Interatômicas
O que são os materiais?
Substância de que são feitas as coisas.
Do que são feitos os materiais?
Aglomerados de átomos.
Como interagem os átomos nestes
aglomerados?
Ligações interatômicas
• A maioria das propriedades dos materiais
dependem da geometria dos arranjos
atômicos e das interações que existem entre
os átomos e as moléculas.
– As forças que retêm os átomos uns com os outros:
ligações interatômicas.
– A maneira como a qual os átomos são
empilhados: empilhamento atômico.
De que maneira os átomos liga-se
entre si?
• Ligações iônicas
• Ligações covalentes
• Ligações metálicas
• Dipolos permanentes
• Dipolos induzidos
• Molécula polar X dipolo induzido
Ligações
FORTES
Ligações
FRACAS
• Ligações químicas – Primárias
– Iônicas
• Envolve elementos metálicos e não metálicos
• Os átomos metálicos DOAM elétrons
• Os átomos não-metálicos RECEBEM elétrons
• Formam íons
• Os átomos assumem a configuração de gás nobre
O Cloro assume a configuração do argônio
O Sódio assume a configuração do neônio
• Interação entre os átomos na ligação iônica
– As forças atrativas são de Coulomb
• As cargas positivas dos átomos metálicos atraem as
cargas negativas dos átomos não metálicos.
• É uma ligação não direcional, ou seja, a força de atração
ocorre em todas as direções.
• Resultam em temperaturas de fusão elevadas.
• Principais materiais deste
grupo são as cerâmicas.
• São isolantes térmicos e
elétricos.
• Duros e frágeis.
• Ligações químicas –
– Covalentes
• Envolve elementos não metálicos
• Os átomos COMPARTILHAM elétrons
• Cada átomo da ligação contribui com ao menos 1
elétron.
• Interação entre os átomos na ligação covalente
• A energia de iteração pode ser muito variável, ligações
muito fortes como o diamante e ligações muito fracas
como no bismuto.
• É uma ligação direcional, ou seja, a força de atração
ocorre entre átomos específicos.
• Ligações químicas –
– Metálicas
• Envolve elementos metálicos
• Formam-se NUVENS de elétrons
• Os elétrons de valência não ficam ligados a nenhum
átomo específico.
• Interação entre os átomos na ligação metálicas
• A energia de iteração pode ser muito variável, ligações
muito fortes como o tungstênio e ligações muito fracas
como no mercúrio.
• São bons condutores de calor e eletricidade
• Geralmente apresenta fratura dúctil, ou seja, deforma
antes de romper.
• Ligações químicas – Secundárias ou de Van Der
Waals
– Dipolos induzido
• São diferenças de cargas induzidas em moléculas
eletricamente simétricas.
• São ligações muito fracas e que flutuam com o tempo
• São causadas pelo deslocamento diferencial dos átomos que
acabam causando o dipolo e induzindo os átomos adjacentes
a tornarem-se dipolos.
– Dipolos permanente
• São causadas pela diferença de cargas em uma
molécula.
• Diferença do dipolo induzido é que este dipolo é
resultado da estrutura da molécula.
• Tem força de atração maior que a de dipolo induzido.
– Ligações entre moléculas polares e dipolos
induzidos
• Ocorrem quando uma molécula polar induz a
polaridade em outra molécula apolar adjacente
Força interatômicas
• É a energia de ligação entre os átomos de uma
molécula.
– Ela é derivada da força de atração entre os átomos
– E da força de repulsão dos átomos no momento
em que a distancia interatômica é pequena.
• A força de ligação se dá pela resultante dessas
duas forças.
• A energia de ligação também é relacionada
com a distância interatômica.
• A distância r0 vai ser a distância de equilíbrio,
onde a força é zero e a energia é mínima.
• Quanto mais profundo o posso de energia
mais difícil é a separação dos átomos.
– Maior é o ponto de fusão
– O módulo de elasticidade (resistência a
deformação) é dependente da energia de ligação.
Agregação dos Átomos
Arranjo cristalino
Estado amorfo
TiO2
Carbono amorfo
http://slideplayer.com.br/slide/44363/
Arquiteturas dos sólidos
• Estrutura cristalina:
– Nos materiais cristalizados, os átomos são situados
num reticulado periódico e apresentarão ordem de
curto e longo alcance.
• Em condições normais de solidificação todos os metais,
muitas cerâmicas e alguns polímeros darão materiais
cristalizados.
Porque os metais são naturalmente cristalinos?
SIMPLICIDADE
Quanto mais complicada for a estrutura mais difícil é de
organiza-la de maneira a formar uma estrutura cristalina.
O ESTADO CRISTALINO
• As estruturas cristalinas dos sólidos vão das mais simples para
os metais até as mais complicadas para cerâmicas e
polímeros.
• Todas as estruturas podem ser descritas por uma unidade de
base que é o volume mínimo representando a estrutura.
• A unidade de base ou célula cristalina é um arranjo de pontos
no espaço onde localizam-se os átomos.
São denominados arranjos espaciais
de Bravais:
nλ=2d senθ
Exemplo di uma difração de raios-X
• Os átomos tendem a ficar empilhados da
forma mais compacta possível.
• Se a ligação é direcional o arranjo atômico
local é determinado pelos ângulos das
ligações.
• Se a ligação não é direcional os átomos se
organizarão da forma mais compacta possível.
• Quando os átomos tem diâmetro igual, caso
da ligações metálicas, o número máximo de
átomos que pode ser arranjado em torno de
um átomo central é 12.
• As estruturas HC e CFC são as estruturas que
se aproximam mais da geometria compacta.
Estrutura HC
Estrutura CFC
• Porém a maioria dos metais apresenta
estrutura CCC a temperatura ambiente.
Porque?
Efeito térmico, agita as moléculas e torna as
estruturas mais energéticas.
• A maioria dos metais transita de CCC para CFC
ou HC quando resfriadas a baixas
temperaturas.
• Nas ligações iônicas, onde os átomos
apresentam tamanho diferente a relação de
empilhamento estará ligada ao diâmetro dos
íons.
• Esta relação resultará num número máximo de
átomos em torno do átomo central. Este
número é conhecido como número de
coordenação.
Número de coordenação
(número de anions vizinhos mais
próximos)
12
8
6
4
3
2
Coordenação 2
Coordenação 3
Instável
R = [Rcation]/[Ranion]
Geometria do
empacotamento
1
0,73  R < 1
0,414  R < 0,73
0,225  R < 0,414
0,155  R < 0,225
< 0,155
hc ou cfc
cúbico
octaedral
tetraedral
trigonal
linear
Coordenação 4
Estável
Coordenação 6
Estável
Coordenação 8
Calculem o número de coordenação para as estruturas.
• Estruturas do tipo AX2.
Estrutura: arranjo octaédrico no
qual os íons hidróxidos (OH-) estão
organizados num empacotamento
compacto hexagonal e os cátions
Ca2+
ocupando
os
vazios
octaédricos de uma camada em
cada duas para respeitar a
eletroneutralidade
Figura 2.16: empacotamento mostrando os sítios tetraédricos (A) e octaédricos (B) [3]
• Num empacotamento denso de anions, os
vazios podem ser octaédricos (B) ou
tetraédricos (A).
• Uma visão alternativa de uma estrutura
cristalina é de considerar um empacotamento
compacto de poliedros que compartilham
vértices e faces
Para pensar:
“Não há nada que seja maior evidência de
insanidade, do que fazer a mesma coisa dia
após dia e esperar resultados diferentes”
Albert Einstein
Defeitos na estrutura
• Exemplo de cerâmicas iônicas e covalentes?
 Cerâmicas Iônicas - Formadas por um metal e um não-metal
Exemplos: NaCl, MgO, Al2O3
 Cerâmicas Covalente - Formadas por dois não-metais Exemplos:
SiO2
• Exemplos de materiais com ligações tipo dipolo X dipolo?
 exemplos de substâncias polares que possuem a força dipolo-dipolo
entre as suas moléculas são: H2S, CO, HCCl3, SO2.
 Por isso, sólidos com essa força de interação como o gelo-seco
(dióxido de carbono - CO2) e o iodo (I2), que estão no estado sólido,
sublimam (passam para o estado gasoso); porque a energia
necessária para romper suas interações é pequena.
Defeitos na estrutura
• Falhas na rede cristalina
– Defeitos pontuais
– Defeitos Lineares
– Defeitos superficiais ou interfaciais
– Defeitos em Volume
Defeitos pontuais
• Vazio ou lacunas
• Átomo intersticial
• Átomo substitucional
• Soluções sólidas (SS): se formam quando
átomos podem ser adicionados num material
e o reticulado cristalino é mantido e nenhuma
nova estrutura é formada
– (a) SS substitucional: as impurezas substituem
átomos da rede cristalina.
– SS intersticial: as impurezas preenchem os vazios
entre os átomos.
No caso das cerâmicas
•  Defeito de Frenkel: vazio de cation + cation
intersticial (íon deslocado)
• Defeito de Schottky: vazio de cation + vazio
de anion (lacuna de um par iônico)
Defeitos lineares, Discordâncias
• Discordância em aresta: Ela pode ser vista
como a aresta de um plano extra de átomos
na estrutura cristalina; ela forma uma linha
através o cristal anotada como 
• Discordância em espiral: o vetor deslizamento
é paralelo à sua linha de discordância; ela cria
tensões de cisalhamento para os átomos
adjacentes
DEFEITOS SUPERFICIAIS-INTERFACIAIS
• SUPERFÍCIES EXTERNAS: é onde a estrutura
cristalina do material termina e onde a
coordenação atômica é um pouco diferente da
coordenação dos átomos no interior do cristal
• CONTORNOS DE GRÃOS são defeito
interfaciais: é a região que separa dois
pequenos grãos ou cristais que têm
orientações cristalográficas diferentes
(policristais)
Materiais Monocristalinos e
Policristalinos
• MONOCRISTAIS: é quando o arranjo periódico
e repetido dos átomos é perfeito e se estende
através do material sem interrupção; assim
todas as unidades celulares são ligadas da
mesma maneira e têm a mesma orientação.
• MATERIAIS POLICRISTALINOS (caso geral): são
compostos pela associação de muitos
pequenos cristais ou grãos com formas
irregulares e com orientações cristalográficas
variando de grão para grão dando os
“contornos de grão” quando visualizados no
microscópio
• Exemplo de microestrutura do concreto
• CRISTALIZAÇÃO A PARTIR DE UMA SOLUÇÃO
– Neste caso, podem aplicar-se as mesmas considerações do que na
cristalização a partir da fase fundida mas considerando que nucleação
e crescimento agora estão controlados pelo grau de super-saturação
da solução.
• Os fluxos de íons (numa direção específica; similares a um gradiente de
temperatura).
• Uma vez que os cristais começaram formar-se, a velocidade de
crescimento deles vai depender da difusão dos ions nas faces (do cristal)
em crescimento.
• Uma precipitação rápida geralmente forma pós amorfos que podem
cristalizar mais tarde.
• Mas algumas composições, mesmo quando a precipitação é lenta, só
formam sólidos amorfos.
Cimento Portland
• Cimento anidro é um material mineral, que
em contato com a água sofre processos de
hidrolise e hidratação e ganha resistência
mecânica.
• É o material de construção mais utilizado no
mundo.
• Possui custo baixo e boas características
mecânicas e de durabilidade.
• É de fácil utilização, com alguns cuidados é
simples obter concretos e argamassas de
qualidade adequada.
• O cimento anidro é produzido pela calcinação
de minerais.
http://www.cimpor.pt/artigo.aspx?cntx=7ZHUaMzZaU07mXxT4QpqRRZo54vLl3qTPVA6zyf5n2jI6HkkxEv7Mh%2BttytyiAow
• Composição do cimento anidro.
Proporção no cimento
Fase
Fórmula
Abreviação
portland (%)
Silicato Tricálcico
35 – 65
Ca3Si2O5
C3 S
Silicato Dicálcico
10 – 40
Ca2SiO4
C2 S
Aluminato de cálcio
0 – 15
Ca3Al2O6
C3A
Ferro Aluminato tetracálcico
5 – 15
Ca4Al2Fe2O10
C4AF
Sulfato de cálcio (gipsita)
3
CaSO5H4
CSH2
• Após hidratados cada fase originará uma
família de compostos hidratados
Fases anidras
Fases hidratadas
C3S
C-S-H + CH
C2S
C-S-H + CH
C3A
C2AH8 + C4AH13 + C3AH13
C3A + gipsita
C3A.3CS.H32 + C3A.CS.H12 + C4AH13
C4AF
C2(A,F)H8 + C4(A,F)H13 + C3(A,F)H6
C4AF + gipsita
C3(A,F).3CS.H32 + C3(A,F).CS.H12 + C4(A,F)H13
• Processo de hidratação:
Estagio I - Período de dissolução.
Estagio II - Período de indução.
Estagio III - Período de aceleração e pega.
Estagio IV - Período de desaceleração e endurecimento.
Estagio V - Período de cura.
• C-S-H = responsável pela resistência mecânica
• Existem 5 tipos de cimentos Portland
regulamentados no Brasil:
• Relação a/c é fundamental para a resistência
mecânica em concretos e argamassas.