Ciência e Engenharia de
Materiais
Prof. Carlos Alberto Torres de Mello
Dep. de Engenharia – UCP
[email protected]
[email protected]
Carlos Mello - UCP
1
Bibliografia
• Ciência dos Materiais - Calliester.
• Princípios de Ciência dos materiais – Van Vlack
• Princípios de Ciência e Engenharia dos
Materiais – Willian Smith.
• Internet, vários sites.
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Introdução
ciencia dos materiais
conhecimentos básicos sobre
materiais
engenharia dos materiais
conhecimento aplicado sobre
materiais
ciência e engenharia dos materiais
aplicação de conhecimentos sobre estrutura, propriedades, métodos de processamento e comportamento em serviço de materiais de engenharia
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Introdução
• A maioria dos materiais de engenharia são
divididos em classes:
• Materiais metálicos;
• Materiais poliméricos – plásticos;
• Materiais cerâmicos e vidros;
• Materiais compósitos;
• Materiais eletrônicos.
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Materiais metálicos;
• São materiais caracterizados por possuírem
elevadas condutividade elétrica e térmicas,
podem ser divididos em ligas ferrosas e não
ferrosas.
• Ferrosos – possuem elevada quantidades de
ferro, como aços e ferros fundidos
• Não ferrosos – materiais que não possuem
ferro em quantidade elevada, surge apenas em
baixa porcentagem. Como exemplo – alumínio,
níquel, magnésio, etc.
• São deformáveis, podem ser moldados, são
resistentes, bons condutores de correntes
elétrica.
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Materiais metálicos
fundição de aço
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Materiais metálicos
não ferrosos ( Al, Cu, Mg, Zn,...)
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Materiais poliméricos – plásticos
• Materiais formados por longas cadeias
moleculares de elementos leves, tais como
carbono, hidrogênio, oxigênio. A maioria dos
materiais poliméricos tem uma condutividade
elétrica baixa. O polietileno e o cloreto de
polivinilo ( PCV) .
• São sintético, altamente moldáveis, leves e não
frágeis.
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Materiais poliméricos – plásticos
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Materiais poliméricos – plásticos
• A ponte é mais nova do que a maioria das que se costuma ver nas
rodovias do país, tal como sugere seu asfalto ainda bem escuro e o
brilho de galvanização recente nas muradas de proteção. Mas é
aquilo que existe por sob a estrutura que a torna realmente
diferente.
• Em lugar de vigas de concreto ou aço, a estrutura consiste de 23
arcos formados por um tecido de carbono e fibra de vidro. Tratamse de tubos com o diâmetro de 30 cm que foram inflados, dobrados
na forma necessária e reforçados com uma resina plástica, e depois
instalados lado a lado e recheados com concreto, como se fossem
gigantescos canelones.
• Cobertos por um revestimento composto e terra compactada, os
arcos servem de apoio a uma via de rodagem convencional,
formada com cascalho e recoberta de asfalto.
• A ponte é a primeira de muitas de seu tipo, pelo menos na
expectativa de seus projetistas, uma equipe da Universidade do
Maine em Orono, a cerca de 80 km de distância do local. O modelo
combina um novo uso de materiais compostos a métodos mais
tradicionais de construção, como o concreto.
•
Fonte :amocaminhoes.wordpress.com
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Materiais cerâmicos e vidros
• Materiais formados por compostos de metais
com não metais, como O, N, C, P, S. São
geralmente duros e frágeis. Os materiais feitos
de argila, o vidro e o óxido de alumínio
compactado e denzificado a partir de pós,
constituem exemplos de materiais cerâmicos.
• São resistentes a temperaturas – refratários
• São isolantes, frágeis, menos denso que os
metais e podem ser transparentes
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Materiais cerâmicos e vidros
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Materiais cerâmicos e vidros
• No Laboratório de Cerâmicas Estruturais vêm sendo
desenvolvidos processos de obtenção de materiais
cerâmicos de alto desempenho com ótimos resultados;
entre as aplicações desses materiais avançados,
destaca-se a de ferramentas de corte, que exige
propriedades singulares do material, como elevada
estabilidade química, alta resistência ao choque térmico,
elevadas dureza e resistência ao desgaste.
Dentre os materiais cerâmicos desenvolvidos destacamse: aqueles à base de nitreto de silício, carbeto de
silício, zircônia e alumina. As cerâmicas são
processadas, em geral, por sinterização simples,
atingindo densidades relativas elevadas e microestrutura
otimizada para aumentar a tenacidade à fratura do
material, propriedade esta mais comprometida para os
materiais cerâmicos.
Fonte : www.ipen.br/
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Materiais compósitos
• São materiais que consistem em mistura de dois
ou mais materiais. A titulo de exemplo, citam-se
os materiais constituídos por fibra de vidro em
uma matriz de poliéster ou resina epóxi.
• Combinam metais, cerâmicas e polímeros.
• Preservam as boas qualidades dos
componentes e possuem propriedades
superiores a de cada componente em
separados.
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Materiais compósitos
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Materiais eletrônicos
• Materiais usados em eletrônica e especialmente
em microeletrônica.
• É um grupo extremamente importante em
termos de tecnologia avançada.
• O material mais importante é o silício puro, o
qual é modificados de várias maneiras a fim de
alterarem suas características elétricas.
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Materiais eletrônicos
Fonte
www.inovacaotecnologica.com.br/noticias
Os componentes de
germânio/silício nos trouxeram a
microeletrônica e as fibras
ópticas ajudaram a nos trazer a
Internet. Agora, uma equipe de
cientistas das Universidades
Penn State, Estados Unidos, e
Southampton, Inglaterra,
desenvolveram uma nova forma
de combinar as duas
tecnologias. A equipe construiu
componentes semicondutores,
incluindo um transístor, no
interior de fibras ópticas
microestruturadas.
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Estrutura e ligações atômicas/ cap-2
• As propriedades naturais dos materiais
dependem:
• Da estrutura atômica e
• Da microestrutura – estrutura em escala
intermediaria
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Estrutura e ligações atômicas
• Átomo são unidades básica de todos os
materiais de engenharia.
• Os átomos é composto por um núcleo
circundado por elétrons. O núcleo é composto
por prótons e nêutrons.
• O núcleo é praticamente responsável por toda a
massa do átomo.
• M prótons = M nêutrons = 1,66 x 10 -24 = 1 amu
• Amu = atomic mass unit.
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Estrutura e ligações atômicas
Características das Partículas:
Prótons: tem carga elétrica
positiva e uma massa unitária.
Nêutrons: apresenta carga
elétrica nula, mas tem massa
unitária.
Elétrons: tem carga elétrica
negativa e quase não possuem
massa.
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Estrutura e ligações atômicas
• Em uma grama teremos
1g / 1,66 x 10-24 = 6,023 x 10 23
amu
Números atômicos – indica o numero de prótons
(partículas positivas)do núcleo.
Massa atômica - é expressa em gramas.
Um átomo-grama sempre contém
6,023 x 10 23 átomos.
• 6,023 x 10 23 - número de avogadro
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Estrutura e ligações atômicas
• Ex. 1- A massa atômica do cobre e 63,54 g/mol. Uma vez que em
63,54 g de cobre há 6,023 x 1023 átomos, um átomo de cobre é
pesa: simples regra de três
63,53 g/mol Cu
x g cobre
6,023 x 1023
1 átomo
X = 1,05 x 10 -22 g
• Ex. 2- Uma liga de prata contém 7,5% em peso de cobre e 92,5% em
peso de prata. Quais os valores das respectivas porcentagens atômicas?
Base – 10000uma da liga = 9250uma Ag + 750 uma Cu
Ag- 9250 uma / 107,87 uma Ag/átomo = 85,75 átomos
Cu – 750 uma / 63,54 uma cu/átomo = 11,80 átomos
85,75 at + 11,80at = 97,55 átomos.
Simples regra de três – 97,55 -------100%
85,75 ------- x
x=88,00% At de Ag e 12% at de
cobre.
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Níveis de energia
• Prótons – responsável do numero atômico partícula
positiva.
• Nêutrons – responsável do número do isópoto.
• Elétrons – “girando”em volta do núcleo em níveis de
energia discretos
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Níveis de energia
• Os elétrons são atraídos pelos prótons
• Os elétrons se distribuem em orbitais
• Níveis de energia bem definidos
• Os elétrons não podem assumir níveis intermediários
• Para trocar de nível, os elétrons tem que receber a
energia exata que diferencia dois níveis
• A energia é função da distância dos elétrons ao
núcleo
• Quanto mais perto do núcleo mais ligado o elétrons,
quanto mais longe, menos ligado
• Se o elétrons recebe energia suficiente, ele é
arrancado, se torna um elétron livre e o átomo é
ionizado
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Tipos de ligações atômicas e moleculares
• O átomos no estado ligado estão em uma
condição energética mais estável do que
quando não estão ligados. Podem ser
classificados de dois tipos: ligações primárias ou
forte e ligações secundárias ou fracas.
• Primárias – iônicas, covalentes e metálicas.
• Secundárias – dipolos permanentes e dipolos
flutuantes
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Ligação iônica
• A ligação iônica é formada entre
dois átomos que se ionizam
• o Na tem apenas 1 elétrons na
última camada. Este elétron é
fracamente ligado porque os outros
10 elétrons blindam a atração do
núcleo
• O Cl tem 7 elétrons na última
camada. Se adquirir mais um, forma
uma configuração estável
• O Na perde um elétrons e se ioniza
ficando com carga (+)
• O Cl ganha o elétron e também se
ioniza, ficando (–)
• Os íons se ligam devido a atração
Coulombiana entre carga opostas.
• Note a diferença entre os raio
atômicos e o iônico
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Ligação iônica
• É uma ligação primária que resulta
da atração eletrostática entre ions
de carga oposta.
• É uma ligação não direcional.
• Os pontos de fusão e ebulição são
elevados.
• Não conduzem corrente elétrica no
estado sólido.
• Conduzem corrente elétrica em
solução aquosa ou fundidos.
• São duros e quebradiços.
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Espaçamento interatômico
• Considere –se um par de íons de carga opostas
(Na+ Cl- ), que se aproxima um do outro a partir
de uma grande distância a .
• A medida que se aproximam, são mutuamente
atraídos pela força de Coulomb, isto é, o núcleo
de um dos íons atrai a nuvem eletrônica do
outro, originando força repulsivas.
• Quando a força atrativa igualar a força
repulsiva, estes íons ficarão a uma distância de
equilíbrio.
• Esta distância chama-se distância interatômica.
• F resultante = F de atração + F de repulsão
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Espaçamento interatômico
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Espaçamento interatômico
• A força atrativa é calculada considerando os
íons como cargas pontuais
•
F atrat = - Z1Z2 e2
4πє0a2
Onde Z1Z2 = número de elétrons removidos ou adicionados
aos átomos durante a formação dos íons.
e= carga do elétron 1.6 x 10-19 coulomb
a= distância interatômica
Є0= permissividade do vácuo = 8,85 x 10-12 C2/(C.m2)
• A força repulsiva é inversamente proporcional
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Força e Energia de Ligação
• O ponto em que a força
de ligação é zero,
corresponde ao ponto de
mínima energia, logo
uma configuração
estável.
• Valores típicos da a0 são
da ordem de 0,3nm ( 0,3
x 10-9m).
• Valores típicos para a
energia de ligação são
entre 600 a 1500 KJ/mol
• A energia de ligação está
diretamente relacionada
como ponto de fusão do
material
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Direcionalidade e Coordenação
• A ligação iônica é não direcional
• A força de ligação é igual em todas as
direções.Para formar um material 3D, é
necessário que cada íon de um tipo esteja
cercado de íons do outro tipo
Na+
Cl-
Número de coordenação (NC) é o
número de vizinhos mais próximo de
um dado átomo.
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Exemplo
• Calcule a força de atração entre Na+ e Cl- em uma molécula de
NaCl, sabendo que o raio de Na é 0.098nm e do Cl é 0.181nm.
F atrat = - Z1Z2 e2
4πє0a2
Z1 = +1 para Na+, Z2 = -1 para Cl-,
e = 1,60 x 10-19C,
є0=8,85x 10-12C2/(N.m2)
a = soma dos raios dos ions Na+ Cl- ( 0,095nm + 0,181nm) =
2,76 x 10-10m
Substituindo , temos +3,02 x 10-9 N
A força atrativa é igual a força repulsiva de sinal contrário
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Ligação Covalente
•Gerada pelo
compartilhamento de elétrons
de valência entre átomos
•Os elétrons de valência são
os elétrons dos orbitais mais
externos.
•Um elétron de cada átomo é
compartilhado com o outro,
gerando uma camada
completa para ambos
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Ligação Covalente
• A ligação covalente é direcional e forma
ângulos bem definidos
• Tem uma grande faixa de energia de ligação
esta energia é igual ao ponto de fusão.
• Energia da ordem de centenas de KJ/mol
• Ex: carbono na estrutura de diamante
( 3550 0C), bismutos ( 270 0C).
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Ligação Covalente
Formulas estruturais simples dos
hidrocarbonetos é uma forma de ligação
covalente.
Note – a medida que a massa molecular
aumenta, aumenta o ponto de fusão.
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Ligação Metálica
• Nos metais, existe uma grande quantidade de
elétrons quase livre, os elétrons de condução, que
não estão presos a nenhum outro em particular.
• Estes elétrons são compartilhados pelos átomos,
formando uma nuvem eletrônica, responsável pela
alta condutividade elétrica e térmica deste
materiais.
• A ligação metálica é direcional, semelhante à
ligação iônica.
• Na ligação metálica há compartilhamento de
elétrons, semelhante à ligação covalente
• As energia de ligação também são da ordem de
centenas de KJ/mol
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Ligação Metálica
A representação esquemática dos elétrons
livres ( nuvem eletrônica) em uma estrutura
de íons positivos. A ligação metálica pode
ser considerada como uma atração entre
íons positivos e os elétrons livres – Ex: cobre
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Ligações Secundárias
• É possível obter ligação sem troca ou
compartilhamento de elétrons nas ligações
secundárias ou ligação de Van der Waals,
• A ligação é gerada por pequenas assimetria na
distribuição de cargas de átomos, que criam
dipolos.
• Um dipolos é um par de cargas opostas que
mantém uma distância entre si, podem ser
permanentes ou induzidos
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Dipolos permanentes
•São relevantes na associação de moléculas
polares ligadas covalentemente
•São gerados pela estrutura da molécula.
•Como exemplo a água e os hidrocarbonetos
δ+
H
O
O
H
δ+
Cl
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Cl
40
Dipolos Induzidos
• Permitem a ligação entre átomos e resultam da
distribuição assimétrica da carga elétrica no
interior dos átomos.
• Estas forças são importantes na liquefação e
solidificação dos gases nobres
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Ligações mistas
•
•
•
•
Existem ainda algumas ligações mistas como:
Iônica-covalente (semicondutores GaAs)
Metálica covalente ( silício com germânio)
Metálica iônica (compostos intermetálicos NaZn)
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Estruturas Cristalinas/ cap. 3
• Um material cristalino é aquele no qual os
átomos estão situados em um arranjo que se
repete ao longo de grandes distâncias atômicas
• Todos aos metais, muitos materiais cerâmicos e
certos polímeros, formam estrutura cristalina
sob condições normais de solidificação, ao se
solidificarem, se organizam em uma rede
geométrica 3D.
• Esta rede dar-se o nome de rede cristalina.
• Estes materiais cristalinos, tem uma estrutura
altamente organizada. Ex:Titânio
• Os materiais amorfos, não há ordem de longo
alcance entre seu átomos.Ex: Carbono
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Estruturas Cristalinas
• Cristal é uma forma dos átomos,ou moléculas
que se arranjam de forma repetitiva em três
dimensões
• Algumas propriedades dos sólidos cristalinos
dependem da sua estrutura cristalina
• Ao descrever uma estrutura cristalina, os
átomos são considerados como se fossem
esferas sólidas que possuem diâmetros bem
definidos.
• Estas esferas são conhecidas como “modelos
da esfera rígida atômica”.
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Estruturas Cristalinas
Materiais amorfos
• Ordem
dede
curto
Ordem
curtoalcance:
alcance
Ordem
de curtoapenas
• Organização
Organização
apenas até o átomo vizinho
alcance:
Organização
apenas
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Estruturas Cristalinas
Materiais amorfos
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Célula Unitária
• Uma célula unitária é um pequeno grupo de
átomos processado cristal simétrico e é
definidos por sua dimensões a, b, c.
• As células unitárias para a maiorias das
estruturas cristalinas são paralelepípedos que
possuem três conjuntos de faces paralelas.
• Uma célula é escolhidas para representar a
simetria da estrutura cristalina.
• Existem sete tipos de células unitárias que
preenchem totalmente o espaço.
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Célula Unitária
• A estrutura da célula
unitária é definida por 6
parâmetros:
• Os comprimentos das
arestas a, b e c,
• Os comprimentos entre os
ângulos, α, β e γ.
• Estes pontos são chamados
parâmetros de redes, ou
seja a combinação com as 3
arestas e os 3 ângulos
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Sete tipos de Célula Unitária
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49
Sete tipos de Célula Unitária
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Sistema Cristalinos
• Qualquer empacotamento atômico deverá
encaixar em um dos sete principais tipos de
células unitárias apresentados.
• Quando posicionamos átomos dentro destes
sistemas, formamos redes ou estrutura
cristalinas.
• Existem 14 redes que permitem preencher o
espaço 3D.
• Estaremos estudando as mais simples.
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51
Sistema Cristalinos
• As redes mais simples são:
• Cúbica simples – cs ( sc – simple cubic)
• Cúbica de corpo centrado – ccc ( bcc – body
centered cubic)
• Cúbica de face centrada – cfc ( fcc – face
centered cubic)
• Hexagonal compacta – hc – ( hcp – hexagonal
close packed)
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Células unitárias convencionais das14 redes
Bravais, agrupadas por sistemas cristalográficos
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Rede cs – cristais cúbicos simples
A rede cúbica simples contém 1 átomo em
cada vértice da célula unitária
Fator de empacotamento atômico
FEA = volume do átomo/ volume da
célula unitária
= (4/3πr3 ) / a3 = 0,52 ou 52%
Número de átomos por célula unitária
Na = 8 x 1/8 = 1
relação entre a e r
1/8 de
átomos
2R = a
Único elemento conhecido deste tipo é o Polônio
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Rede ccc – cristais cúbico corpo centrados
A rede cúbica de corpo centrado contém 1
átomo em cada vértice da célula unitária e um
átomo no centro
Fator de empacotamento atômico
FEA = volume do átomos/ volume
da célula unitária
= 2(4/3πr3) / a3 = 0,68 ou 68%
Número de átomos por célula
unitária
Na =1 + 8 x 1/8 = 2
relação entre a e r
4R = a√3 = a = 4R / √3
1 átomo
inteiro
NC = 8
1/8 átomo
Elementos Cr, Fe, K, Si, Mo, Na, Ta e W
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Rede cfc – cristais cúbico de face centrado
A rede cúbica de face centrada contém 1 átomo em cada
vértice da célula unitária e um átomo no centro de cada
face do cubo.
1/2
átomo
1/8
átomo
Fator de empacotamento
atômico
FEA = volume do átomos/
volume da célula unitária
= 4(4/3πr3 ) / a3 = 0,74 ou 74%
Número de átomos por
célula unitária
Na =6 x 1/2+ (8 x 1/8) = 42
relação entre a e r
4R = a√2 = a = 4R / √2
Nc = 12
Elementos Al, Ag, Ca, Cu, Ni, Pb, e Pt
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56
Rede hc – cristais hexagonal compacta
A rede cúbica de face centrada contém 1 átomo em cada
vértice da célula unitária e um átomo no centro de cada
face do cubo.
Número de átomos na célula
unitária.
Na = 12 x 1/6 + 2 x ½ + 3 = 6
FAE = 0.74 ou 74%
Elementos Ca, Co,Zn
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Cristais
• Nos representamos as estruturas cristalinas
como esferas.
• Quando as esferas se tocam, existe entre elas
uma espaço e estes espaços são diferentes
para cada tipo de célula.
• Elementos são adicionados na estruturas neste
espaços com finalidade de criar ligas e modificar
as propriedades.
• Dentro da formação natural existem defeitos
que são agravados com a adição de novos
átomos, como vacâncias, espaços interticiais e
outros, que serão vistos mais adiante.
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Calculo da Densidade
• Conhecendo a estrutura cristalina de um sólido
metálica pode-se calcular a sua verdadeira
densidade, ρ.
• ρ = (nA / VcNa)
• onde:
•
•
•
•
n= número de átomo da célula unitária
A = peso atômico
Vc= volume da célula unitária e
Na = número de Avogadro
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Polimorfismo ou Alotropia
• Quando um material possui mais do que uma estrutura
cristalina. A este fenômeno é dado
o termo polimorfismo ou alotropia em exemplos puros,
como exemplo o ferro e
• O exemplo mais prático neste caso é ferro, que sofre
alterações em suas propriedades mediante ao
tratamentos térmicos, passando de uma estrutura CCC,
na temperatura ambiente para uma estrutura CFC
quando aquecido.
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Direções Cristalográfica
• Direção cristalográfica é definida por um vetor passando
pela origem.
• Célula unitária: é uma célula que transladado n vezes
nas direções x, y, z, gera toda a rede.
• Célula primitiva: é a menor célula capaz de gerar a rede.
• Células de Bravais: Bravais demonstrou que só existem
14 tipos de células unitárias, agrupados em 7 sistemas.
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Direções Cristalográfica
• Uma direção é definida como uma linha entre dois
pontos, ou seja um vetor, à partir da origem.
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Direções Cristalográfica
• Para poder descrever a estrutura cristalina é necessário
escolher uma notação para posições, direções e planos.
• Posições são definidas dentro de um cubo com lado
unitário
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63
Direções Cristalográfica
• Desenhe um vetor passando pela origem
• Suas coordenados são dadas pelos pontos que cruzam
o cubo unitário.
• Se estes pontos forem fracionados, multiplica-se para
obter números inteiros.
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64
Direções Cristalográfica
• Certos grupos de direções são equivalentes; ex: um
sistema cúbico [100] = [010]
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Direções Cristalográfica
• Estes grupos de direções formam uma família que é
indicada por {u;v;r}
• Ex. família {110}
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Direções Cristalográfica
• Famílias de direções formadas por posições
semelhantes dentro da estrutura cristalina.
- -- - - -- --• <111> = [111],[111], [111], [111],[111],[111],[111],[111]
• Ângulos entre direções no sistema cúbico é dado pelo
produto escalar entre as direções, tratadas como
vetores.
• D = ua + vb + wc
• D’ = u’a + v’b + w’c
• D.D’ = |D||D’|cosΘ
• cos Θ= D.D =
uu’+ vv’+ ww’
|D||D’| √u2 + v2 + w2 √ u’2 + v’2 + w’2
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Direções Cristalográfica
• Exemplo [ 100] e [010]
• cosΘ = 1.0 + 0.1 + 00
√12+02+02 √02+12+02
= 0 = Θ= 900
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Planos Cristalográficos
• A notação para o plano utiliza-se o índice de Miller, que
são obtidos da seguinte maneira:
• Obtém-se as intersecções do plano com o eixo.
• Obtém-se o inverso da mesma e multiplica-se para
obter os menores números inteiros
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Planos Cristalográficos
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Planos Cristalográficos da rede hexagonal
• Direções equivalentes não irão possuir os mesmos
conjuntos de índices.
• Sistemas coordenadas de Miller–bravais [uvtw]
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Planos Cristalográficos da rede hexagonal
Ex. [010] = [1210]
z
u = 1/3 (2u’- v’)
v = 1/3 (2v’ – u’)
a2
t = -1/3 (u’+v’)
w = w’
-
a3
a1
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Sistema de deslizamento
• A deformação mecânica, a condutividade elétrica e o
índice de refração, dependem da direção através do
deslizamento de planos.
• O deslizamento ocorrerá mais facilmente em certos
planos e direções do que em outros.
• Em geral, o deslizamento ocorrerá paralelo a planos
compactos, que preservam sua integridade.
• A combinação entre os planos e as direções forma os
sistemas de deslizamentos ( Slip Systems),
característicos das diferentes estruturas cristalinas
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Sistema de deslizamento
• Esta direcionalidade das propriedades é conhecida por
anisotropia.
• A anisotropia esta associada a diferença do
espaçamento atômico ou iônico em função da direção
cristalográfica.
• As substâncias nas quais as propriedades medidas
independem da direção, são conhecidas como
isotrópicas.
•
Anisotrópico - contendo propriedades diferentes em diferentes direções.
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74
Sistema de deslizamento
•O deslocamento é mais
provável em planos e
direções compactas; a
distancia que a rede
precisa se deslocar é
mínima, porém outros
sistemas de
deslizamentos podem
estar presentes
Carlos Mello - UCP
75
Determinação da estrutura
• Os materiais policristalinos possuem orientações
cristalográficas totalmente aleatórias.
• Algumas vezes, os grãos possuem uma orientação
preferencial.
• Estas orientações são medidas através da difração de
raio-x.
• Os raios-x, tem comprimento de onda da ordem de
distância entre os planos atômicos, eles sofrem difração
quando são transmitidos ou refletidos por um cristal.
Carlos Mello - UCP
76
Determinação da estrutura
• A difração ocorre quando uma onda encontra uma série
de cristais regularmente separados.
• Estes obstáculos possuem espaçamentos comparáveis
em magnitude ao comprimento de onda ;
• Logo, uma difração é uma conseqüência de relações de
fases específicas estabelecidas entre duas ou mais
ondas que foram dispersa pelo cristais.
Carlos Mello - UCP
77
Difração
•A difração é
um fenômeno
de interferência.
Carlos Mello - UCP
78
Lei de Bragg
• Os raios são de forma de radiação eletromagnéticas que
possuem elevadas energias e curto comprimento de
onda.
• O comprimento de onda são da ordem de magnitude do
espaçamento atômicos n os sólidos ( da ordem de 0,1
nm)
• Quando um feixe de raio-X incide sobre sólido, parte
deste feixe dispersa em todas as direções.
• Esta dispersão é realizada pelo elétrons de cada átomo
que se encontra na tragetória do feixe.
Carlos Mello - UCP
79
Lei de Bragg
Diferença de caminho dos dois raios é
SQ + QT= 1SQ = 2d senΘ onde a condição para interferência
construtiva n‫ =ג‬2d senΘ.
n é um número inteiro e ‫ ג‬é o comprimento de onda do raio-x
Carlos Mello - UCP
80
Lei de Bragg
A lei de Bragg relaciona quatro variáveis
n‫ =ג‬2d senΘ.
• ‫ = ג‬o comprimento de onda dos raios-X
• Podem assumir apenas um valor quando são mono-cromático ou
podem assumir muitos valores ( raio-X brancos) quando são policromáticos
• d= é espaçamento entre os planos, podem assumir diferentes
valores, em função do conjunto de planos que difrata o feixe de
raio-X.
• Θ= é ângulo de incidência dos raios-X, podem variar continuamente
dentro de uma faixa como também podem variar aleatoriamente em
função da posição dos diversos mono-cristais que formam uma
amostra poli-cristalina.
• n= a ordem de difração
Carlos Mello - UCP
81
Lei de Bragg
• O espaçamento interplanar de uma função dos índice de
Miller ( h; k; l), bem como do(s), parâmetro de rede.
• Para uma estrutura cristalina com simetria cúbica a
distância interplanar é dada por :
• d(h;k;l) = a/ √ h2 + k2 +l2
• Onde a = parâmetro de rede
• Existem relações mais complexas para os outros seis
sistemas cristalinos
Carlos Mello - UCP
82
Métodos de difração de raio-X
Método Laue
Uma amostra mono-cristalina é exposta a raios-X com
vários comprimentos de ondas ( poli-cromáticos).
A lei de Bragg é satisfeita por diferentes conjuntos de
planos, para diferentes comprimentos de onda.
Para cada condição satisfeita, haverá uma forte
intensidade difratada em uma dado ângulo
Carlos Mello - UCP
83
Métodos de difração de raio-X
• Difratômetro ( ou método do pó).
• Uma amostra poli-cristalina é exposta a raios-X
monocromático. O ângulo de incidência varia continuamente.
• Para certos ângulos, a lei de Bragg é satisfeita para alguns
planos de algum dos mono-cristais, em condições aleatórias.
Carlos Mello - UCP
84
Métodos de difração de raio-X
z
z
c
a
x
z
c
b
c
y
a
x
b
y
a
x
y
b
Espectro de difração do ferro. Uma amostra desconhecida é analisada e seus
picos comparados com os materiais conhecidos e tabelados, permitindo assim a
identificação do material.
Carlos Mello - UCP
85
Solidificação
• A maior parte dos metais metálicos é fundida.
•
A solidificação pode ser dividida em 2
partes:
A formação, no líquido, de núcleos
estáveis.
Crescimento de núcleos, originando
cristais, formando uma estrutura em grãos
Carlos Mello - UCP
86
Solidificação
Carlos Mello - UCP
87
Defeitos na Estrutura Cristalina
• O cristais descritos não são ideais, ou sejam
possuem defeitos em sua estruturas, que são
classificados por sua dimensionalidade.
• Defeitos pontuais, chamados de dimensão zero.
Vacâncias
• Defeitos lineares, chamados de dimensão um.
Discordâncias.
• Defeitos planares, chamados de dimensão dois.
Interface e fronteiras de grão.
• Defeitos volumétricos, chamados de dimensão
três.
Vazios, fraturas, inclusões e outra interfaces.
Carlos Mello - UCP
88
Defeitos Pontuais
• Devido a agitação térmica, os átomos de um cristal real
estão sempre vibrando.
• Quanto maior energia térmica inserida
(temperatura), maior será a chance de átomos saírem de
sua posições, deixando um vazio em seu lugar.
Por outro lado, dentro da rede cristalina existem inúmeros
interstícios que são espaços vazios entre os átomos,
nos quais é possível alojar outros átomos.
É praticamente impossível conseguir um material isento de
impureza
Carlos Mello - UCP
89
Visualização de Defeitos Pontuais
Impureza substitucional
átomo diferente
átomo
interticial
vacância
Carlos Mello - UCP
90
Concentração de Defeitos
• Para formar defeitos é necessário dispor de energia.
• Normalmente esta energia é fornecida pela temperatura,
logo, quanto maior temperatura, maior concentração de
defeitos.
• Para muitos tipos de defeitos, vale :
• Cd = Nd/N = exp ( -Qd/kT)
• onde
Cd = concentrações de defeitos.
Qd = energia de ativação
K = constante de Boltzmann
T = temperatura absoluto em Kelvin
Carlos Mello - UCP
91
Concentração de Defeitos
• Ex – Verificar a concentração de vacâncias do cobre em
2000C e a 10800C.
• (Tf = 10840C). Dados:
Qd = 0,9 eV/átomo ( 1 elétron-volt = 1,6 x 10-19J
K = 8,62 X 10-5 eV/ atom-K.
T1 = 200 + 273 = 473K
Cd = exp(-0,9 / 8,62 X 10-5 X 473 ) = 2,59 x 10-10.
T2 = 1080 + 273 = 1353 K
Cd = EXP (-0,9 / 8,62 X 10-5 X 1353 ) =0,445 X 10-3
Carlos Mello - UCP
92
Gráfico de Arrhenius.
Carlos Mello - UCP
93
Impurezas
• Podem assumir dois tipos de posição na rede
cristalina de outro material, podem ser:
• Interstícios – espaço vazio na rede ou substituindo
um átomo do material.
• Como exemplo de impureza intersticial temos o
carbono no ferro – aço.
O carbono está comprimido
nesta posição, o que
implica em baixíssima
solubilidade do carbono no
ferro.
Carlos Mello - UCP
94
Solução Sólida Metálica
• é uma mistura de dois ou mais metais, ou de um Uma
liga metálica metal e um não metal.
• Uma solução sólida é um sólido constituído de dois ou
mais elementos dispersos atomicamente em uma única
fase.
• Podem ser de dois tipos;
Substitucional
intersticial
Carlos Mello - UCP
95
Solução Sólida Metálica
• Solução sólida substitucional – são formadas por
dois elementos, os átomos de soluto podem
substituir os átomos do solvente na rede cristalina.
Carlos Mello - UCP
96
Solução Sólida Metálica
•
1.
2.
3.
4.
•
Uma grande solubilidade, no estado sólido, de um
elemento em outro é favorecida pela regras de HumeRothery :
Os raios atômicos não devem ser maiores que 15 %.
Devem ter as mesmas estruturas cristalinas.
As eletronegatividades sejam similares.
Os dois elementos devem ter a mesma valência.
Se os raios atômicos forem diferentes, ocorrerá
distorção na rede.
Carlos Mello - UCP
97
Solução Sólida Metálica
• Solução sólida Intersticiais - Os átomos do soluto
ocupam os espaços entre os átomos do solvente.
• Como exemplo podemos citar é formada pelo carbono
no ferro.
Átomos de ferro
Átomos de
carbono
Carlos Mello - UCP
98
Discordâncias.
• São defeitos lineares. Existe uma linha separando a
seção perfeita da seção deformada do material.
• São responsáveis pelo comportamento mecânico dos
materiais quando submetidos a cisalhamento.
• São responsáveis pela maior resistência dos metais,
logo, provoca uma maior dureza.
• Existem dois tipos de discordâncias, as discordâncias
em linhas ( edge dislocation) e as discordâncias em
hélice ( screw dislocations)
Carlos Mello - UCP
99
Discordâncias em Linha.
Carlos Mello - UCP
100
Discordâncias em Linha.
Cristal perfeito.
O circuito fecha
Vetor
burgers
Cristal imperfeito.
Para fechar o circuito, usa-se
o Vetor de burgers- b
Carlos Mello - UCP
101
Discordâncias em Linha.
• A energia de discordância provoca átomos sob o
processo de compressão e outros sob tração.
• O vetor de burgers é perpendicular à linha de
discordância.
Carlos Mello - UCP
102
Discordâncias em Hélice.
Vetor burgers - b
Carlos Mello - UCP
103
Discordâncias em Mista.
Carlos Mello - UCP
104
Limite de grãos
• São considerados defeitos interfaciais, que separam
os grão com diferentes orientações.
• São formados durante o processo de solidificação.
• Os limites dos grão são impostos pelo crescimento
dos grão vizinhos.
Carlos Mello - UCP
105
Limite de grãos
• A fronteira em que ocorre apenas uma rotação a um
eixo contido no plano da interface.
• O ângulo de rotação é pequeno (< 150).
• Pode ser representado por uma seqüência de
discordância em linha.
Carlos Mello - UCP
106
Limite de grãos
• Outras fronteiras, grande ângulo.
• São fronteiras com ângulo > 150, mais difíceis de
interpretar. ( unidades estruturais), como:
• Falha de empilhamentos:
• CFC – deveria ser... ABCABC e vira ABCBCA....
• HC - deveria ser... ABABAB e vira ABBABA ...
• Fronteiras magnética ou parede de spin
• Em materiais magnéticos, separam regiões com
orientações de magnetização diferentes.
Carlos Mello - UCP
107
Monocristais
• Existem alguns materiais que são formados por um
único cristal, chamados de monocristais.
• São usados em componentes eletrônicos sólidos como
transistores e alguns tipos de diodos.
• São constituídos de elementos e compostos
semicondutores.
• São usados nestas aplicações uma vez que os limites
de grãos destrói as propriedades elétricas.
Carlos Mello - UCP
108
Monocristais
• Nos monocristais , a solidificação ocorre em torno de um
único núcleo.
• Este fenômeno é atingido regulando a temperatura da
interface sólido e líquido, que deve ser ligeiramente
inferior a temperatura de fusão do sólido.
• Na indústria, é possível fazer crescer estes monocristais
de silício até 15 a 20 cm de diâmetro
• Este processo é chamado Czochralski.
Carlos Mello - UCP
109
Monocristais
Produção de um monocristal de silício pelo processo
Czochralski.
Carlos Mello - UCP
110
Propriedade Elétrica dos Materiais
• Os sólidos metálicos são ligados uns aos outros por
elétrons de valência – ligação metálica
• A ligações metálicas permitem movimento entre os
elétrons, uma vez que são partilhados com muitos
átomos não ligados a um átomo específico, podendo
construir nuvens de carga elétrica.
• Lei de Ohm.
Considere um fio com as extremidades ligadas a uma
bateria. Se aplicar ao fio um a diferença de potencial “V”,
haverá uma passagem de corrente ao longo do fio, de
acordo com a lei de ohm, a corrente elétrica é
proporcional ao potencial “V” aplicado e inversamente
proporcional a resistência do fio.
Carlos Mello - UCP
111
Propriedade Elétrica dos Materiais
• I=V/R
• Onde i – corrente elétrica em ampéres.
V – diferença de potencial – Volts
R – resistência do fio Ohm
Carlos Mello - UCP
112
Propriedade Elétrica dos Materiais
• R é diretamente proporcional a l e inversamente
proporcional a área A.
• Esta propriedade é chamada de resistividade elétrica,
que é uma constante para cada material a uma dada
temperatura.
• R = ρ ( l/A )
ou ρ = R ( A/l) = Ω.m2/m = Ω.m
• Logo a condutividade elétrica (σ) é o inverso da
resistividade elétrica.
σ = 1/ ρ = (Ω.m) -1
• maior condutividade – materiais condutores
• Baixa condutividade – materiais isoladores
• Condutividade intermediaria – semi – condutores.
Carlos Mello - UCP
113
Propriedade Elétrica dos Materiais
• Tabela de condutividades elétrica de alguns metais e não
metais à temperatura ambiente
Carlos Mello - UCP
114
Propriedade Elétrica dos Materiais
•
forma macroscópica da lei de Ohm, os valores i, V e R,
dependem da forma geométrica.
• A forma microscopia da lei de Ohm independe da forma
geométrica do condutor e é expressa como:
•
J = E / ρ ou J = σ .E
• Onde J = densidade de corrente A/m2
E = campo elétrico V/m
ρ = resistividade elétrica = Ω.m
σ = condutividade elétrica = (Ω.m) -1
Carlos Mello - UCP
115
Propriedade Elétrica dos Materiais
Velocidade dos elétrons nos metais.
• A temperatura ambiente, os átomos positivos de um
cristal metálico, vibram em torno de sua posição.
• Logo, os átomos tem energia cinética.
• Os elétrons livres trocam continuamente energia com os
íons da rede através de colisões.
• Como não há um campo elétrico exterior, os
movimentos dos elétrons são aleatórios – não há
movimento preferencial.
• Quando aplicado um campo elétrico de intensidade “E”
ao condutor, os elétrons são acelerados até uma
determinada velocidade no sentido oposto da aplicação
Carlos Mello - UCP
116
Propriedade Elétrica dos Materiais
• Os elétrons colidem periodicamente com os átomos da rede e
perdem a energia cinética.
• Após a colisão, os elétrons são novamente acelerados
através do campo elétrico aplicado.
• Esta variação no tempo da velocidade aplicada é representada
por uma curva em “dente de serra”.
• O tempo médio da colisão e de 2Τ , sendo”Τ” o tempo de
relaxação.
Carlos Mello - UCP
117
Propriedade Elétrica dos Materiais
• Os elétrons adquirem, neste processo, uma velocidade
média de derivação “vd”, que é diretamente proporcional
ao campo aplicado “E “.
• A corrente de elétrons em um fio sujeito a uma
diferença de potencial, depende do número de elétrons
por unidade de volume da carga do elétron
–e ( - l,60 x 10 - 19 )
e da derivação da velocidade “vd”, logo o fluxo de carga
por unidade de área ocorre e uma taxa - nevd .
Por convenção a corrente elétrica é considerada +, logo a
densidade de corrente é -, ficando a equação.
J= - nevd
Carlos Mello - UCP
118
Propriedade Elétrica dos Materiais
Resistividade elétrica dos metais
• É expressa com a soma de dois termos, uma
componente térmica (ρt) e uma componente residual
(ρr) .
ρ total = ρt + ρr.
• a medida que aumenta a temperatura, aumenta a
vibração dos átomos, aumentando o número de curvas
dente de serra.
• Estas ondas dispersam os elétrons de condução,
resultando um menor percurso livre médio e do tempo
de relaxação.
• Assim conforme aumenta a temperatura, a resistividade
dos metais puros aumentam
Carlos Mello - UCP
119
Propriedade Elétrica dos Materiais
Carlos Mello - UCP
120
Propriedade Elétrica dos Materiais
• Os componentes residual dos metais puros é pequena
devido a imperfeições estruturais como : discordância,
limite de grãos, impurezas, que dispersam os elétrons.
Para a maior parte dos metais acima de -200 0C, a
resistividade elétrica varia aproximadamente de forma
linear com a temperatura, nesta condições, a
resistividade elétrica de muitos metais podem ser
descritas aproximadamente pela equação
•
ρt = ρ00C ( 1 + αt + T ).onde :
ρ00C = resistividade elétrica a zero graus.
αt = coeficiente de temperatura da resistividade , 0C -1
T = temperatura do metal, 0C.
Carlos Mello - UCP
121
Propriedade Elétrica dos Materiais
• Tabela de coeficiente de temperatura da resistividade
Carlos Mello - UCP
122
Propriedade Elétrica dos Materiais
Adição de elementos
de ligas
• A adição de
elementos de ligas
aos metais puros,
aumenta a dispersão
dos elétrons de
condução, com o
isso, aumenta a
resistividade elétrica
dos metais.
Carlos Mello - UCP
123
Propriedade Elétrica dos Materiais
Isoladores
• No isoladores, os elétrons estão fortemente ligados ao
átomo ( ligação iônica covalente).
• Os elétrons não estão livres para conduzir eletricidade, a
não ser quem lhe seja fornecida muita energia.
Semi-condutores intrínsecos.
• São materiais cuja a condutividade elétrica situa-se
entre os bons condutores ( metais) e os isoladores
(maus condutores).
• São semi-condutores puros ( Si ou Ge)
• Possuem ligações cúbicas como a do diamante 124
(ligações covalentes)
Carlos Mello - UCP
124
Propriedade Elétrica dos Materiais
• Representação bidimensional de uma estruturas
cúbica tipo diamante do silício e do germânio.
Carlos Mello - UCP
125
Propriedade Elétrica dos Materiais
• Na figura anterior, os círculos são átomos de Si ou Ge.
• As linha duplas, são as ligações com os elétrons.
• Os elétrons não podem se mover na rede cristalina,
portanto não podem conduzir eletricidade.
• Quando fornecido uma grade quantidade de energia, o
elétrons sai de sua posição ligante, transformando-se
em um elétrons livre de condução.
• Cria-se neste momento um “buraco” na rede
positivamente carregado.
• A condução elétrica dar-se através dos elétrons e dos
buracos formados.
Carlos Mello - UCP
126
Propriedade Elétrica dos Materiais
• Representação esquemática do movimento dos buracos e
elétrons no silício puro
Carlos Mello - UCP
127
Propriedade Elétrica dos Materiais
• A condutividade elétrica dos semi-condutores
intrínsecos é calculada por:
•
σ = niq ( µn + µp)
• onde :
• σ – condutividade elétrica
• ni - condutividade concentradores de transportadores
intrínsecos, transportadores/unid. volume
• q – valor absoluto da carga dos elétons/buracos 1.60 x 10-19 C
• ( µn + µp ) – mobilidade dos elétrons e dos buracos
Carlos Mello - UCP
128
Propriedade Elétrica dos Materiais
• Tabela de algumas propriedades físicas do silício de
do germânio.
Carlos Mello - UCP
129
Propriedade Elétrica dos Materiais
• Efeito da temperatura nos semi-condutores intrínsecos.
• A 00K, a banda de valência dos semi-condutores
intrínsecos do Si e Ge está completamente cheia e a de
condução completamente vazia.
• A temperatura maiores de 00K, os elétrons são
termicamente ativados e excitados através do hiato de
energia (Eg) até a banda de condução originando pares
de buracos.
• Neste caso, os semi-condutores tem ação inversa a dos
metais.
• Com o aumento da temperatura , aumenta a
condutividade.
Carlos Mello - UCP
130
Propriedade Elétrica dos Materiais
• A condutividade elétrica de um semi-condutor ativado
termicamente tem como dependência a temperatura ,
logo é calculado com:
•
σ = σ0 e – Eg / 2KT ou Lnσ = Lnσ0 – ( Eg/ 2KT)
• Onde
• σ = resistividade elétrica
• σ0 = constante global que depende da mobilidade dos
buracos e dos elétrons
• Eg – hiato de energia
• K – constante de Boltzmann
• T - temperatura em Kelvs.
• ( Eg/ 2KT) – função calculada através de gráfico
Carlos Mello - UCP
131
Propriedade Elétrica dos Materiais
• Condutividade elétrica
em função do inverso da
temperatura absoluto
para o silício intrínsecos
Carlos Mello - UCP
132
Propriedade Elétrica dos Materiais
Semi-condutores extrínsecos.
• São materiais de soluções sólidas substitucionais,
muitos diluídas, nas quais, os átomos de impurezas
dissolvidos, possuem características de valência
diferentes dos átomos da rede cristalina solvente.
• Os átomos adicionados, situa-se na faixa entre 100 a
1000 ppm.
• Se um átomo de impureza de um elemento do grupo 15
da tabela periódica ( ex P), substitui um átomo de Si do
grupo 14, haverá um elétron em excesso, além dos
quatro necessário para estabelecer uma ligação
covalente tetraédrica na rede do silício.
• Este elétron fica fracamente ligado ao átomo de P
Carlos Mello - UCP
133
Propriedade Elétrica dos Materiais
• Basta uma pequena quantidade de energia para que
este eletrôn se torne móvel condutor.
• Os elementos condutores do grupo 15 usados como
semi-condutores do silício e do germânio são:
• P; As e Sb.
• São chamados átomos de impurezas doadores.
• Quando adicionados este elementos os condutores são
chamados do semi-condutores negativos ( tipo n), uma
vez que os principais transportadores de cargas são os
elétrons.
Carlos Mello - UCP
134
Propriedade Elétrica dos Materiais
• Semi-condutores extrínsecos do tipo n (negativos)
Carlos Mello - UCP
135
Propriedade elétrica dos Materiais
• Quando adicionados elementos trivalentes (grupos 13),
origina um buraco na rede.
• Quando aplicado um campo elétrico, o átomo do silício
vizinho é atraído para preencher o buraco.
• Os elementos usados do grupo 13 são :
• B; Al e Ga
• São denominados átomos de impurezas aceitadores,
• Neste caso são chamados semi-condutores tipo p
( positivos)
O processo de adição destas impurezas nos semicondutores dar-se o nome de DOPAGEM
Carlos Mello - UCP
136
Propriedade mecânicas dos Metais.
• Como os metais são materiais estruturais, o
conhecimento de suas propriedades mecânicas é
fundamental para sua aplicação.
• Quando uma peça é submetida a uma força de tração
ocorre uma deformação; se ao retirar esta força o
material volta a sua forma original, dar-se o nome de
deformação elástica.
• se ao retirar esta força o material não volta a sua forma
original, dar-se o nome de deformação plástica.
Carlos Mello - UCP
137
Propriedade mecânicas dos Metais.
• Deformação elástica – a quantidade que um material
pode sofrer é pequena, os átomos se afastam de suas
posições originais, sem ocuparem novas posições,
quando retirado a força a que estão submetidos, voltam
as suas posições originais.
• Deformação plástica - os átomos se afastam de suas
posições originais e não conseguem retornar
completamente, quando retirado a força a que estão
submetidos; neste caso a deformação torna-se
permanente.
Carlos Mello - UCP
138
Propriedade mecânicas dos Metais.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Tensão nominal
σ = F / A0
Onde :
σ = tensão
F = força de tração unixial média
A0 – área da seção reta
Extensão nominal
Є = (L – L0) / L0
Onde :
є = extensão nominal
L=comprimento inicial
L0 – comprimento final
Carlos Mello - UCP
139
Propriedade mecânicas dos Metais.
•
•
•
•
•
•
•
•
A curva gerada pode ser dividida em duas regiões.
Região elástica.
a σ é proporcional a deformação є
σ =Eє
onde E = módulo de Young
Região plástica
A σ não é linearmente proporcional a є.
As ligações atômicas são alongadas e se rompem.
Carlos Mello - UCP
140
Propriedade mecânicas dos Metais.
• Coeficiente de Poisson - v –
A deformação elástica
longitudinal de um material
metálico é acompanhada de
uma variação das dimensões
transversais.
• v = -єx / єz = -єy / єz
• O sinal menos apenas indica
que uma extensão gera uma
contração e vice-versa.
• Para materiais isotrópicos, os
módulos de cisalhamento
estão relacionados entre si e
com o coeficiente de Poisson
de acordo com a expressão
• E = 2G ( 1 + v) Carlos Mello - UCP
141
Propriedade mecânicas dos Metais
• Tensões de cisalhamentos - produzem
deslocamento de um plano de átomos em relação
ao plano adjacente.
•
a – sem deformação
b – deformação por cisalhamento
Carlos Mello - UCP
142
Propriedade mecânicas dos Metais
• Uma tensão cisalhante causa uma deformação
cisalhante, de forma análoga a uma tração.
• Tensão cisalhante
•
τ = S / A0
• Onde A0 é a área paralela a aplicação da força
•
•
•
•
deformação cisalhante
γ = A/ h = tagα
no caso de distorção elástica pura, a relação entre a
distorção e a tensão é
τ=Gγ
• Onde G = módulo de elasticidade transversal do material
Carlos Mello - UCP
143
Propriedade mecânicas dos Metais
Exemplo
• Uma peça de cobre de 305 mm é tracionada com uma
tensão de 276 MPa. Se a deformação é totalmente
elástica, qual será o alongamento?
σ = E.є = E.∆L / L0
∆L = σ. L0 / E
• O módulo de Young (E) é Ecu = 11.0 x 104 MPa
( tabelado)
Assim ∆L = 276 . 305 / 11.0 x 104 = 0,76mm
0,76 mm x 100 = 76%
Carlos Mello - UCP
144
Propriedade mecânicas dos Metais
• Estricção e limite de resistência.
estricção
A partir do limite de resistência começa a ocorrer uma redução de
área, (extricção). A tensão se concentra nesta região, levando a
fratura.
Carlos Mello - UCP
145
Propriedade mecânicas dos Metais
•
•
•
•
•
•
• Ductilidade.
A ductilidade é uma medida da extensão da deformação
que ocorre antes da fratura.
É definida como alongamento percentual e redução de
área percentual:
Along.porcentual =% Al = 100 X (Lf-L0) / L0
L0 comp. Inicial e Lf comp. final ou
Red. de área = %Ar = 100 X (A0-Af)/A0
A0 área inicial e Af área final.
Carlos Mello - UCP
146
Propriedade mecânicas dos Metais
• Resiliência.
• É a capacidade que o material possui de absorver
energia na fase elástica e devolvê-la quando relaxado.
• Área sob a curva dada pelo limite de escoamento e pela
deformação no escoamento.
• Módulo de resiliência Ur = ∫σdє com limites de 0 a єy
• Na região linear Ur = σyєy / 2 = σy(σy/E)/2 = σy2/2E
• Assim, materiais de alta resiliência possuem alto limite
de escoamento e baixo módulos de elasticidade.
• Estes materiais seriam ideais para uso em molas
Carlos Mello - UCP
147
Diagrama de fases
• Porque estudar os diagrama de fases?
• Porque os diagramas de fases são mapas que
permitem prever a microestrutura de um material em
função da temperatura e composição de cada
componente.
• Fase – é uma porção homogênea do material que tem
propriedades físicas ou químicas uniformes
Carlos Mello - UCP
148
Diagrama de fases
• Ex: mistura de água/gêlo – duas fases.
quimicamente idênticas – H20
fisicamente distintas – líquida/sólido.
• Ex : mistura de água/açúcar com açúcar precipitado duas fases.
quimicamente distintas – solução H20/açúcar
e açúcar puro
fisicamente distintas- solução em fase líquida e fase
sólida.
Carlos Mello - UCP
149
Diagrama de fases
Material poli-cristalino com
fronteiras de grãos
aparentes.
Uma única fase
Micro-estrutura da perlita
Duas fases : ferrita(região
clara) e Cementita (região
escura).
Carlos Mello - UCP
150
Diagrama de fases
• Limite de solubilidade.
• Corresponde a concentração máxima que se pode atingir de um
soluto dentro de um solvente.
• O limite de solubilidade depende da temperatura. Em geral, cresce
com a temperatura.
Carlos Mello - UCP
151
Diagrama de fases
• Diagramas binários
Carlos Mello - UCP
152
Diagrama de fases
• Interpretação dos diagramas.
• Fases presentes.
- Para uma coordenada qualquer do diagrama, verifica-se quais
fases estão presentes.
Ponto A – apenas fase alfa.
Ponto B – fase alfa e fase liquida.
• Composição de cada fase.
- Para uma coordenada qualquer do diagrama, verifica-se
quantas fase existem.
Uma fase – trivial – composição lida direto no gráfico.
Duas fases – usa-se o método da linha de conexão
- A linha de conexão se estende de uma fronteira a outra.
- Marca-se as intersecções entre a linha de conexão e as
fronteiras e verifica-se as concentrações correspondente no eixo horizontal.
Carlos Mello - UCP
153
Diagrama de fases
• Composição de cada fase.
Cl
Co
Fase liquida
Cα
Fase alfa ( solução sólida)
Cl = 32% Ni – 68 % Cu
Cα = 43% Ni – 578% Cu
Carlos Mello - UCP
154
Diagrama de fases
• Uma fase – trivial – 100% da própria faseDeterminação das frações
de cada fase.
Duas fases – regra da alavanca ( lever rule)
Cl
Co
Cα
Carlos Mello - UCP
155
Diagrama de fases
• Lógica da regra da alavanca.
• A regra da alavanca nada mais é do que a solução de
duas equações simultâneas de balanço de massa.
-Com apenas duas fases presente, a soma das
suas frações tem que iqual a 1
Wα + Wl = 1
-A massa de um dos componentes ( ex Ni) que está
presente em ambas fases deve ser igual a massa deste
componente na liga como um todo
Wα Cα + Sl Cl = Co
• A regra da alavanca, na verdade, deveria ser chamada
regra da alavanca invertida.
Carlos Mello - UCP
156
Diagrama de fases
• Até agora nós estudamos diagramas de fase isomorfos,
nos quais existem uma faixa de temperatura em que há
completa miscibilidade de um constituinte no outro.
• Outra condição implicitamente utilizada até agora é de
que os diagramas são de equilíbrios. Isto quer dizer que
qualquer variação de temperatura ocorre lentamente, o
suficiente para permitir um rearranjo entre as fases
através de processos difusionais. Também que dizer
que as fases presentes a uma dada temperatura são
estáveis.
Carlos Mello - UCP
157
Diagrama de fases
Carlos Mello - UCP
158
Diagrama de fases
• Não-equilíbrio e segregação.
-Durante o resfriamento, ocorrem mudanças na
composição das duas fases.
-Estas mudanças dependem de difusão, que é um
processo lento na solução sólida.
-Na prática não vale a pena manter taxas tão lentas
de resfriamento, o que implica que as estruturas obtidas
não são exatamente as descritas até agora.
-Assim, a região central de cada grão vai ser rica no
constituinte de alto ponto de fusão. A concentração do
outro constituinte aumenta em direção ao contorno de
grão.
-Isto implica em uma maior sensibilidade das
fronteiras à temperatura. No aquecimento elas
derreterão e o material se esfacelará.
Carlos Mello - UCP
159
Diagrama de fases
Sistemas binários eutéticos
Cu
Ag
Carlos Mello - UCP
160
Diagrama de fases
100% liquido a composição eutética
Microestrutura eutética – camadas
finas alternadas da fase alfa + fase
beta
Microestrutura eutética –
camadas finas alternadas da fase
alfa + fase beta( pequena
variação em relação a
temperatura)
A transição eutética é rápida. Assim não há
tempo para ocorrer a difusão substancial. A
segregação de átomos do tipo A e B tem que
se dar em pequenas escala de distâncias
Microestrutura eutérica
Carlos Mello - UCP
161
Diagrama de fases
composição
Carlos Mello - UCP
162
Diagrama de fases
A microestrutura para uma composição hipoeutética é
simétrica a composição hipereutética.
Fase alfa ou beta primária,
também chamada
proeuteutoide, formada por
solidificação paulatina a
partir da fase líquida, acima
da temperatura eutética.
Fase eutética
Carlos Mello - UCP
163
Diagrama de fases
Composição hipoeuteutoide
100% liqido com
composição de 20% beta
50% de alfa em uma
matriz liquida
100% de alfa (20%B)
1% de Beta em uma matriz
de alfa ( precipitados nos
contornos ou dentro dos
grãos)
5% de beta em uma
matriz de alfa
Carlos Mello - UCP
164
Diagrama de fases
•
Diagrama euteutoide – similar ao diagrama eutético, porém ocorre uma
transição tipo eutética no estado sólido.
0.8
0.8
Fe
% carbono
Carlos Mello - UCP
165
Diagrama de fases
Diagrama ferro- carbono – característica básicas
• Fases do ferro puro
-Temp. amb. - 912 0C - Fe na forma de ferrita – (alfa-Fe – CCC)
-9120C – 13940C – Fe na forma austenita ( gama-Fe – CFC)
-13940C– 15380C – Fe na forma delta ferrita – (CCC).
• Solubilidade do C no ferro.
-Na fase alfa – máximo 0,022%.
-Na fase gama – máximo 2,11%.
• Cementita – Fe3C
-Composto estável que se forma nas fase alfa e gama quando a
solubilidade máxima é excedida, até 6.,67% de Carbono.
-É dura e quebradiça. A resistência dos aços é aumentada pela
sua presença.
Carlos Mello - UCP
166
Diagrama de fases
• Diagrama ferro- carbono – característica básicas
• Reação eutética
- a 11480C
L( 4,3%C ) = austenita 2,11%C + cementita 6,67%C
• Reação euteutóide
- a 723 0C
Austenita (0,77%C) = ferrita 0,022% C + cemrntita 6,67% C
que é extremamente importante no tratamento térmico de aços.
• Classificação de ligas ferrosas
- 0 – 0,008%C – considerado ferro puro
- 0,008% a 2,11% C – aços (na prática menor que 1% de C)
- 2,11% de C a 6,67% de C – Ferros fundidos (na prática menor
que 4,5% C).
Carlos Mello - UCP
167
Diagrama de fases
Concentração euteutoide
Inicialmente, temos apenas a
fase gama, ( austenita).
A uma temperatura
imediatamente abaixo da
euteutoide toda a fase gama
se transforma em perlita de
acordo com a reação
euteutoide.
Estas duas fase tem
concentrações de carbonos
muito diferentes. Esta reação
é rápida. Não há tempo para
haver grande difusão de
carbono.
0.8% C
Carlos Mello - UCP
As fase se organizam como
lamelas alternadas de ferrita e
cementita.
168
Diagrama de fases
Concentração hipo-euteutoide
Inicialmente, teremos apenas a fase
gama.
Em seguida começa a surgir fase
alfa nas fronteiras de grãos das
fases gama.
A uma temperatura imediatamente
acima da euteutoide, a fase alfa já
cresceu, ocupando completamente
as fronteiras das fases gama. A
concentração das fase alfa é
0,022% de C, a concentração da
fase gama é 0,8% de C, euteutoide.
A uma temperatura imediatamente
abaixo da euteutoide toda a fase
gama se transforma em perlita.
A fase alfa, que não muda, é
denominada ferrita pró-euteutoide.
Carlos Mello - UCP
169
Diagrama de fases
Concentração hiper-euteutoide
Inicialmente, teremos apenas a fase
gama.
Em seguida começa a surgir fase
cementita nas fronteiras de grãos das
fases gama, a concentração de
carbono da cementita é de 6,67% de C.
A a concentração de carbono da
austenita cai com a temperatura
seguindo a linha que separa o campo
gama + cementita do campo gama.A
uma temperatura imediatamente acima
da euteutoide, a concentração das fase
gama é 0,8% de C, euteutoide.
A uma temperatura imediatamente
abaixo da euteutóide toda a fase gama
se transforma em perlita.
A fase cementita, que não muda, é
denominada cementita próeuteutoide.
Carlos Mello - UCP
170
Diagrama de fases
Aço hipo-euteutoide com 0,38% C,
composto por ferrita próeuteutoide (fase clara) e perlita
[fase com lamelas claras(ferrita) e
escuras (cementita)].
Aço hiper-euteutoide com 1,40%
C, composto por cementita próeuteutoide (fase clara e perlita)
Ampliação 1000X
Ampliação 635X
Carlos Mello - UCP
171
Diagrama de fases
• Proporção das fases
0.8
Hiper-euteutoide
Hipo-euteutoide
Fração de perlita =
6.7 – C1
6.67 – 0,8
Fração de perlita =
Co – 0.022
0.8 – 0,022
Fração de ferrita pró-euteutoide =
0.8 – Co
0,8 – 0,022
Fração de ferrita pró-euteutoide =
C1 – 0,8
6,7 – 0,8
Carlos Mello - UCP
172
Glossário
•
•
•
•
•
•
Austenita – ferro fase gama.
Ferrita – ferro fase alfa.
Perlita – ferrita + cementita em lamelas alternadas.
Hipo- menor que
Hiper – maior que
Ferrita pro-euteutoide – ferrita que se forma na temp.
maior que temp. euteutoide.
• Cementita pro-euteutoide – cementita que se forma a
temp. maior que temp. euteutoide.
Carlos Mello - UCP
173
Ensaios Físicos nos Metais.
Ensaio de tração
• Um grande número de propriedades pode ser derivado
de um único tipo de experimento, o chamado ensaio de
tração.
• Neste tipo de teste, um material é tracionado e se
deforma até faturar. Mede-se o valor da força e do
alongamento a cada instante, e gera-se uma curva
tensão-deformação.
Carlos Mello - UCP
174
Ensaios Físicos nos Metais.
Ensaio de tração
• Neste ensaio registra-se alguns dos mais importantes
valores das propriedades mecânica dos metais:
• Módulos de elasticidade.
• Limite de escoamento.
• Tensão de ruptura.
• Alongamento porcentual.
• Estricção.
Carlos Mello - UCP
175
Ensaios Físicos nos Metais.
Ensaio de tração
Corpo de
prova
Carlos Mello - UCP
176
Ensaios Físicos nos Metais.
Dureza
• Um outro ensaio muito importante é o chamado ensaio
de dureza.
• Dureza é uma medida da resistência de um material
metálico à deformação plástica permanente.
• A dureza é medida, forçando um penetrador na
superfície da amostra, que geralmente é uma esfera,
uma pirâmide ou um cone, fabricado de um material
muito mais duro do que o material ensaiado. (aço
temperado, carboneto de tungstênio ou diamante).
Carlos Mello - UCP
177
Ensaios Físicos nos Metais.
Dureza
Carlos Mello - UCP
178
Ensaios Físicos nos Metais.
Ensaio de Charpy( impacto)
• Tem a finalidade de medir a tenacidade do metal.
• Tenacidade é uma medida de quantidade de energia
que um material absorve antes de sofrer fratura.
• O ensaio de Charpy pode ser utilizado para determinar o
intervalo de temperatura em que ocorre a transição do
comportamento dúctil para o frágil de metais e ligas, à
medida que a temperatura abaixa.
Carlos Mello - UCP
179
Ensaios Físicos nos Metais.
Ensaio de Charpy( impacto)
•Um martelo cai como
um pendulo e bate na
amostra que fratura.
•A energia necessária
para fraturar- energia
de impacto – é obtida
diretamente da
diferença entre a
altura final e altura
inicial do martelo
Carlos Mello - UCP
180
Ensaios Físicos nos Metais.
Ensaio de Charpy( impacto)
Carlos Mello - UCP
181
Ensaios Físicos nos Metais.
Ensaio de Charpy( impacto)
Efeito da porcentagem de carbono na tenacidade do aço
Carlos Mello - UCP
182
Ensaios Físicos nos Metais.
fadiga
• É um tipo de falha que ocorre em material sujeitos à
tensão que varia com o tempo
• Esta falha pode ocorrer a uma baixa tensão, mais baixa
que o limite de resistência do material
• A fadiga é responsável para aproximadamente 90% de
todas as falhas de metais afetando também polímeros e
cerâmicas, ocorre subitamente.
Carlos Mello - UCP
183
Ensaios Físicos nos Metais.
fadiga
Carlos Mello - UCP
184
Ensaios Físicos nos Metais.
fadiga
• Quanto maior o valor médio de tensão, menor é a vida
da peça.
• A maior parte das trincas se iniciam por falhas
superficiais no material, logo, nos corpos de provas ou
peças, deve-se evitar os cantos vivos, e na superfície,
deve-se eliminar marcas ou arranhões através de
polimentos.
• A superfície cementadas gera tensões compressivas
que compensam parcialmente as tensões externas.
Carlos Mello - UCP
185
Ensaios Físicos nos Metais.
fluência
• É a deformação plástica que ocorre em materiais
sujeitos a tensões constantes, a temperaturas elevadas,
como exemplos as turbinas de jatos, geradores a vapor,
etc.
• É muitas vezes o fator limitante na vida útil da peça.
• Se torna importante, para metais a temperaturas
aproximadamente 0,4Tf.
Carlos Mello - UCP
186
Ensaios Físicos nos Metais.
fluência
•Na região primária o material
encrua, torna-se rígido e taxa
de crescimento da deformação
diminui com o tempo.
• Na região secundária a taxa
de crescimento é constante
( estacionário), devido a uma
competição entre encruamento
e recuperação.
•Na região terciária ocorre uma
aceleração da deformação
causada por mudanças
microestruturais tais como,
rompimento das fronteiras dos
grãos.
Carlos Mello - UCP
187
Ensaios Físicos nos Metais.
fluência
•À medida que a
tensão
aumenta, a
velocidade de
extensão
aumenta.
Carlos Mello - UCP
188
Mecanismo de Aumento da Resistência.
• A deformação plástica depende diretamente do
movimento das discordâncias. Quanto maior a facilidade
de movimento, menos resistente é o material.
• Para aumentar a resistência, procura-se restringir o
movimento das discordâncias. Para isso:
» Redução do tamanho de grão
» Solução sólida
» Deformação a frio
Carlos Mello - UCP
189
Mecanismo de Aumento da Resistência.
•
•
•
•
• Redução do tamanho de grãos
As fronteiras de grão são barreiras para o movimento
das discordâncias.
Ao passar de um grão com uma certa orientação para
outro com orientação muito diferente a discordância tem
que mudar de direção, o que envolve muitas distorções
locais na rede cristalina.
A fronteira é uma região desordenada, o que faz com
que os planos de deslizamentos sofram
descontinuidades.
Como um material com grãos menores tem mais
fronteiras de grãos, ele será mais resistente
Carlos Mello - UCP
190
Mecanismo de Aumento da Resistência.
As fronteiras de grãos atuam como fronteiras do deslizamentos das discordâncias
Linhas de
escorregamentos
Fronteira de
grãos
Carlos Mello - UCP
191
Mecanismo de Aumento da Resistência.
• Solução sólida
• Introdução de átomos de impurezas substitucionais
ou intersticiais, aumentam a resistência do material.
Carlos Mello - UCP
192
Mecanismo de Aumento da Resistência.
•
• Deformação a frio
Este fator ocorre por:
•
•
O número de discordâncias aumenta com a
deformação
• Isto causa maior interação entre as
discordâncias.
• Dificulta o aumento das discordâncias,
aumentando a resistência.
Este fenômeno dar-se a temperaturas muito abaixo da
temperatura de fusão, é chamado deformação à frio.
Carlos Mello - UCP
193
Mecanismo de Aumento da Resistência.
Carlos Mello - UCP
194
Recuperação e recristalização
• A deformação plástica nos materiais a baixa
temperaturas causam deformação microestruturais e de
propriedades.
• Estes efeitos podem se revertidos, e as propriedades
restauradas através de tratamentos térmicos a altas
temperaturas.
• Existem dois processos básicos:
• Recuperação- parte das deformações acumuladas é
eliminada através do movimento de discordâncias, facilitado
pro maior difusão a altas temperaturas.
• Recristalização – formação de novos grãos, não
deformados, que crescem até substituir completamente o
material original
Carlos Mello - UCP
195
Recuperação e recristalização
Carlos Mello - UCP
196
Recuperação e recristalização
Temperatura de
recristalização é a
temperatura para a qual
ocorre recristalização
total após uma hora de
tratamento térmico.
Tipicamente entre 1/3 a
1/2 da temperatura de
fusão.
Carlos Mello - UCP
197
Fratura
• Fratura é a separação de um sólido
sob duas ou mais partes, através da
formação da trinca e propagação da
mesma.
• A trinca pode assumir dois modos:
dúctil e frágil.
• Fratura dúctil
• O material se deforma antes do
processo de fratura, relativamente
lento. A deformação é à medida que a
trinca se propaga.
• Este tipo de trinca é denominado
estável, porque pode parar, a não ser
que haja um aumento ee tensão
aplicada no material.
Carlos Mello - UCP
198
Fratura-dúctil
Carlos Mello - UCP
199
Fratura-frágil
• Na fratura f’rágil o material se deforma pouco antes da
fratura. O processo d propagação da trinca pode ser
muito veloz, gerando situações catastróficas.
• A partir de um certo ponto, a trinca é dita instável porque
se propagará mesmo sem aumento da tensão aplicada
sobre o material
Carlos Mello - UCP
200
Fratura - transição dúctil-frágil
• A ductilidade dos materiais é função da temperatura e
presença de impurezas- os materiais dúcteis se tornam
frágeis a temperaturas baixas.
Os navios Liberty, da época da segunda guerra , literalmente quebraram
ao meio. Eles eram fabricados de aço com baixa concentração de
carbono, que tornou frágeis em contado com as águas frias do mar.
Carlos Mello - UCP
201
Ligas metálicas
• São divididas em dois tipos: ferrosas e não ferrosas.
• Ligas ferrosas – aços e ferros fundidos
• Os aços podem ser – baixa ligas e altas ligas
» Os aços baixa ligas – aços baixo, médio ou
alto teor de carbono.
» Os aços altas ligas – aços ferramentas,
aços inox.
Carlos Mello - UCP
202
Ligas metálicas
• Os ferros fundidos –
» ferros cinzento, dúcteis ou nodulares,
branco ou maleáveis.
• Ligas não ferrosas –
» que não possuem ferro como metal base
Carlos Mello - UCP
203
Ligas metálicas- aços
• Os aços são ligas de Ferro carbono que podem conter
outros elementos.
• A propriedade mecânica dependem do teor de carbono.
• Os aços podem ser classificados em grupos, em base
de propriedades comuns:
• A) composição, como aços carbonos e aços ligas.
• B) processos de acabamento, como aços laminados a
quente ou aços laminados a frio.
• C) forma e produtos acabados, como barras, chapas
grossa, finas, tiras, tubos ou perfis.
Carlos Mello - UCP
204
Ligas metálicas- aços
• Há subdivisões entre os grupos dos aços baixo, médio
ou alto teor de carbono, como: hipoeuteutoide,
euteutoides e hipereuteutoides.
• Os aços ligas são classificados de acordo com o
principal elemento de liga presente.
• Os principais classificações é da “AISI” – (American Iron
and Steel Institute) – SAE – (Society od Automotive
Engineers), entre outras.
Carlos Mello - UCP
205
Ligas metálicas- aços
• Aços ligas.
• Os elementos de ligas introduzidos nos aços carbonos é
realizado quando se deseja um ou diversos dos seguinte
efeitos:
• Aumentar a dureza e a resistência mecânica;
• Conferir resistência uniforme de toda seção do fundido.
• Conferir resistência à corrosão;
• Aumentar a resistência ao calor;
• Aumentar a resistência ao desgaste;
• Aumentar a capacidade de corte;
• Melhor as propriedades elétrica e magnéticas.
Carlos Mello - UCP
206
Ligas metálicas- ferros
Os ferros fundidos podem se divididos em ferros
cinzento, dúcteis ou nodulares, branco, maleáveis,
ou de grafita compactada.
• Ferro cinzento – a fratura mostra-se em uma coloração
escura caracterizada por apresentar como elemento de
liga fundamentais o carbono e o silício e estrutura em
que uma parcela relativamente grande de carbono está
na forma livre ( lamelar) e outra em forma de carbono
combinado.
Carlos Mello - UCP
207
Ligas metálicas- ferros
Ferro fundido cinzento, ampliação 100X
Grafita tipo “ A” predominante e “B”, com
alguma presença de “C” – matriz perlitica -nital
3%
Ferro fundido cinzento em microscópio de
varredura eletrônica, mostrando uma grafite
tipo “B” – ampliação 130 X
Carlos Mello - UCP
208
Ligas metálicas- ferros
• dúcteis ou nodulares – caracterizado por apresentar,
devido a um tratamento ainda no estado líquido, com
Magnésio e terras raras, o carbono livre na forma de
esferas, o que lhe confere boa ductilidade.
• Ferro branco – fratura clara, devido as condições de
fabricação ter um menor teor de silício, apresentando o
carbono quase que inteiramente na forma combinada.
Carlos Mello - UCP
209
Ligas metálicas- ferros
Ferro fundido nodular – matriz
ferritica/perlitica – nódulos 1,
ataque nital 5% - aum. 100X
Ferro fundido nodular – microscópio de
varredura eletrônica – amp. 130 X
Carlos Mello - UCP
210
Ligas metálicas- ferros
• Maleáveis – caracterizado por ser obtido à partir do
ferro branco, mediante a um tratamento térmico
especial; ( maleabilização), resultando uma
transformação do ferro combinado em grafita na forma
de nódulos.
• grafita compactada – caracterizado pela grafita se
apresentar em forma de escamas, é considerado um
material intermediário entre o ferro cinzento e o nodular.
Carlos Mello - UCP
211
Ligas metálicas- ferros
Ferro fundido maleável – matriz ferrítica, ampliado 100 X
Carlos Mello - UCP
212
Ligas não ferrosas
• Não possuem ferro como metal de base, porém podem
ou não conter ferro em suas composições.
• As mais comuns são:
•
•
•
•
•
ligas de alumínio;
ligas de cobre;
ligas de magnésio;
ligas de titânio;
ligas de níquel
Carlos Mello - UCP
213
Ligas não ferrosas - alumínio
• Ligas de alumínio – São classificadas de acordo com o
elemento de ligas em maior ou menor quantidade.
• Usa-se a designação de quatro dígitos para identificar
as ligas de alumínio para trabalho mecânico. O primeiro
indica o grupo de ligas que contém o elemento de liga
específico. Os dois últimos indicam a liga do alumínio ou
indicam o grau de pureza. O segundo indica
modificações da liga original ou limite de impurezas.
Carlos Mello - UCP
214
Ligas não ferrosas - alumínio
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Grupos de ligas pra trabalho mecânico
Alumínio puro ( 99%) .........1XXX
Alumínio – Cobre ................2XXX
Alumínio - Manganês ..........3XXX
Alumínio-Silício ...................4XXX
Alumínio- Magnésio ............5XXX
Alumínio- Mg-Silício ........... 6XXX
Alumínio- Zinco ...................8XXX
Outros elementos ................9XXX
Carlos Mello - UCP
215
Ligas não ferrosas - alumínio
• Ainda é acrescentado outra nomenclaturas de
tratamento térmicos como:
• F – tal como fabricado;
• O – recozido e recristalizado;
• H – encruada;
• T – tratamento térmicos específico, que podem ser:
• T1 – envelhecida natural;
• T4 – solubilizada
• T5 – envelhecida
• T6- solubilizada e envelhecida
• T7 – solubilizada e super-envelhecida.
Carlos Mello - UCP
216
Ligas não ferrosas - cobre
• Ligas de cobre –
• O cobre é uma elemento muito usado na engenharia,
que puro, não ligado, ou quer combinado com outros
metais, formando ligas.
• O cobre puro, possuem extraordinárias aplicações
industriais devido as suas características de elevada
condutibilidade térmica e elétrica, boa resistência a
corrosão, facilidade de fabricação, média resistência,
propriedade de recozimento controláveis com boas
características gerais de brazagem e união.
• Ligas como latões de bronzes permitem atingir
resistências mecânicas elevadas, indispensáveis em
muitas aplicações de engenharia
Carlos Mello - UCP
217
Ligas não ferrosas - cobre
• Ligas de cobres
• Cobre – zinco ( latões) varia na faixa de 5% até 40% de
zinco. O cobre forma solução sólida substitucionais com
o zinco, até um teor máximo de 35%- podem encontrar
outros elementos de ligas na composição
• Cobre – estanho ( bronzes) - são produzidas por adição
de estanho na faixa de 1% até 10%,em caso
excepcionais maior que 10%, formando ligas endurecida
pro solução sólida. Podem encontrar outros elementos
de ligas na composição, formando novas ligas.
• Outras ligas de cobre podem ser encontradas, como
cobre-belírio, bronzes alumínio, entre outros.
Carlos Mello - UCP
218
Ligas não ferrosas - cobre
Cobre eletrolítico- apresenta cavidades
internas formadas por vapor d’águaaumento 150 X
sol,. Ataque -Dicromato de potássio
Latão ( 70:30) – recozido – aumento 75 X
Sol. Ataque – hidroxico de amônea com
peróxido de hidrogênio
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219
Aços inoxidáveis
•
•
•
•
•
São materiais de excelente resistência à corrosão em
diversos meios.
Esta resistência deve-se ao seu elevado teor de
cromo ( mim 12%)
De acordo com a teoria clássica, o cromo forma um
óxido superficial que protege da corrosão a liga de
ferro-cromo superficial.
Existem 4 tipos principais de aços inoxidáveis.
Ferriticos; martensítico, austeniticos e os endurecidos
por precipitação.
Carlos Mello - UCP
220
Aços inoxidáveis
• Aços inoxidáveis ferríticos – são ligas binárias ferrocromo, com cerca de 20 a 30% de cromo- são
denominados ferriticos porque sua estrutura mantém-se
essencialmente ferritica.
• Aços inoxidáveis matensíticos – são ligas binárias ferrocromo, com cerca de 12 a 17% de cromo e com carbono
suficiente para a formação da martensita( 0,15 a 1,0%)são denominados matensíticos porque sua estrutura
transforma-se em estrutura martensitica quando
austenizados e temperados.
• Aços inoxidáveis austeniticos – são ligas ternária ferrocromo-niquel, com cerca de 16 a 25% de cromo e7 a
20% de Niquel.
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221
Aços inoxidáveis
2
1
2- martensítico
endurecido – ataque
picral – 100X
1- ferrítico- matriz
ferrítica – ataque picral
100X
3 – austenítico recozido
250X
3
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222
Polimeros
• polímeros são materiais inorgânicos ou orgânicos, de
alto peso molecular.
• A sua estrutura molecular consiste na repetição de
pequenas unidades chamadas monômeros, sendo que a
união de vários monômeros dá origem a um polímero.
• Devido ao seu tamanho avantajado, a molécula de um
polímero é chamada macromolécula. A reação que
produz o polímero é denominada reação de
polimerização. A molécula inicial (monômero) vai
sucessivamente se unindo a outras, dando o dímero,
trímero, tetrâmero, até chegar ao polímero. É
interessante destacar que normalmente esses
monômeros são compostos covalentes.
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223
Polimeros
A figura, ilustra o polietileno de
alta densidade (HDPE): uma
molécula de cadeia longa
elinear, feita pela polimerização
do etileno, um composto cuja
fórmula estrutural é CH2=CH2.
O HDPE é bastante duro e
resistente, sendo utilizado em
garrafas, brinquedos, etc..
Polietileno de baixa densidade (LDPE). O impedimento
espacial provocado pelas ramificações dificulta um
"empilhamento" das cadeias poliméricas. Por esta
razão, as forças intermoleculares que mantém as
cadeias poliméricas unidas tendem a ser mais fracas
em polímeros ramificados. Por isso o LDPE é bastante
flexível e pode ser utilizado como filme plástico para
embalagens.
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224
Polimeros
Principais polimeros
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225
Polímeros termoplásticos
• Polímeros denominados termoplásticos podem ser amolecidos, o
que permite a deformação desses a partir da aplicação de pressão.
Quando resfriados, tais polímeros retomam a sua rigidez inicial. O
comportamento desse tipo de polímero viabiliza a produção em
larga escala de artefatos através de meios como a extrusão e a
moldagem por injeção. Outro importante aspectos desses polímeros
é que eles podem ser reciclados a partir de rejeitos e refugos, já
que são facilmente remodelados através da aplicação combinada
de pressão e temperatura.
• Exemplos desse tipo de polímero são o polietileno, polipropileno,
PMMA [poli(metacrilato de metila)], politetrafluoretileno (Teflon®),
Nylon®, etc.
• Polímeros termoplástico são caracterizados por possuir ligações
química fracas (van der Waals) entre as cadeias que assim podem
ser facilmente rompidas com a introdução de energia.
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226
Polímeros termorrígidos
• polímeros termorrígidos são aqueles que não amolecem com o
aumento da temperatura e por isso, uma vez produzidos, não
podem ser re-deformados ou re-processados. Para esse tipo de
polímero, uma elevação contínua da temperatura leva à degradação
do material (queima) antes de que qualquer alteração mais
dramática nas propriedades mecânicas ocorra. Sendo assim, tais
materiais são de difícil reciclagem e após terem adquirido sua forma
final, apenas etapas de processamento via usinagem são possíveis.
• Exemplos desse tipo de material englobam as borrachas
vulcanizadas, os hidrogéis, as resinas epoxidícas e fenólicas, entre
outras.
• polímeros termorrígidos apresentam cadeias conectadas entre si
por ramificações ou braços compartilhados. Assim, ligações
químicas primárias (covalentes) são responsáveis pelas ligações
cruzadas entre cadeias, as quais só são rompidas com a introdução
de elevadas quantidades de energia que usualmente levam
também ao rompimento das ligações constituidoras das cadeias
poliméricas (com a conseqüente degradação - queima - do
polímero).
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227
Materiais cerâmicos
• Materiais cerâmicos são geralmente uma combinação
de elementos metálicos e não-metálicos (formam
óxidos, nitretos e carbetos)
• Geralmente a ligação é iônicae/ou covalente.
• Geralmente são isolantes de calor e eletricidade
• São mais resistentes à altas temperaturas (devido ao
elevado PF) e à ambientes severos que metais e
polímeros
• Com relação às propriedades mecânicas, as cerâmicas
são duras, porém frágeis
• Em geral são leves
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228
Materiais cerâmicos
A extrema fragilidade e dureza dos cerâmicos vem da natureza das
suas ligações atómicas iônicas ou covalentes
• As estruturas cristalinas, quando presentes,são extremamente
complexas
Exemplo: O óxido de Silício (SiO2) pode ter três formas cristalinas
distintas: quartzo, cristobalite e tridimite
PROPRIEDADES TÉRMICAS E FÍSICAS
• Densidade: 2-3 g/cm3
• Embora os materiais cerâmicos sejam em geral isolantes de calor e
eletricidade, há uma classe de materiais cerâmicos que são
supercondutores
• A dilatação térmica é baixa comparada com metais e polímeros
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229
Materiais cerâmicos
PROPRIEDADES TÉRMICAS E FÍSICAS
• Densidade:entre 2 a 3 g/cm3
• Embora os materiais cerâmicos sejam em geral isolantes térmicos e
eletricos, existem uma classe de materiais cerâmicos que são
supercondutores, altamente usado em componentes elétricos
• A dilatação térmica é baixa quando comparada com metais e
polímeros
PROPRIEDADES MECÂNICAS
• Apresentam baixa resistência ao choque
• São duros e frágeis em relação à tração (~17 kgf/mm2)
• São resistentes em relação à compressão
• O módulo de elasticidade é alto: ~45.500kgf/mm2 (aço: 20.000
kgf/mm2)
• Têm alta dureza e alta resistência ao desgaste
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230
Materiais cerâmicos
• As, que se cerâmica se dividem basicamente em duas
definições: aqs tradicionais baseiam principalmenre nas
argilas e as cerâmicas técnica ou de engenharia.
• Cerâmicas tecnicas - aplicações desses materiais
avançados, destaca-se a de ferramentas de corte, que
exige propriedades singulares do material, como
elevada estabilidade química, alta resistência ao choque
térmico, elevadas dureza e resistência ao desgaste.
• Dentre os materiais cerâmicos desenvolvidos destacamse: aqueles à base de nitreto de silício, carbeto de
silício, zircônia e alumina.
• As cerâmicas são processadas, em geral, por
sinterização simples, atingindo densidades relativas
elevadas e microestrutura otimizada para aumentar a
tenacidade à fratura do material, propriedade esta mais
comprometida para os materiais cerâmicos.
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231
Materiais cerâmicos
A tecnologia moderna vem
oferecendo revestimentos cerâmicos
nas camisas dos motores de
motocicletas. Através dessas
tecnologias, adequam-se as
diferenças dos coeficientes de
dilatação térmica e melhora-se
substancialmente a dissipação de
calor.
O cilindro é revestido internamente
com uma fina camada de material
cerâmico composto de partículas de
níquel, fósforo, fator metalúrgico
determinante para aumentar a
dureza e diminuir o atrito. Também
possui altíssima resistência ao
desgaste e por ser mais liso,
preserva a película de óleo sobre as
suas paredes.
www.motoesporte.com.br/dicas/revesti%20cerami
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..
232
Materiais compósitos
• Compósito é um material em cuja composição entram dois ou mais
tipos de materiais diferentes. Alguns exemplos são metais e
polímeros, metais e cerâmicas ou polímeros e cerâmicas.
• Os materiais que podem compor um material compósito podem ser
classificados em dois tipos: matriz e reforço.
• O material matriz- é o que confere estrutura ao material compósito,
preenchendo os espaços vazios que ficam entre os materiais
reforços e mantendo-os em suas posições relativas.
• Os materiais de reforço- são os que realçam propriedades
mecânicas, eletromagnéticas ou químicas do material compósito
como um todo.
• Pode ainda surgir uma sinergia entre material matriz e materiais
reforços que resulte, no material compósito final, em propriedades
não existentes nos materiais originais.
•
Sinergia é definida como o efeito ativo e retroativo do trabalho ou esforço coordenado de
vários subsistemas na realização de uma tarefa complexa.
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233
Materiais compósitos
• Um grande material de reforço são as fibras
usadas principalmente em matrizes plásticas.
• As principais características das fibras são:
• Elevada razão peso/resistência – boas
estabilidade dimensional – boa resistência ao
calor e a baixas temperaturas – boa resistência
a unidade- boa resistência a corrosão e baixo
custo de fabricação.
• as principais são: fibra de vidro, fibras de
carbono e fibra de aramidos.
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234
Materiais compósitos
• Fibra de vidro são duas as mais importantes:
Fibra de carbono tipo E –
Composição: 52 a 53% de SiO2
12 a 16% de Al2O3
6 a 25% de CaO
8 a 13 % de B2O3
Fibra de carbono tipo S –
Composição: 65% de SiO2
25% de Al2O3
10% de MgO
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235
Materiais compósitos
Fibras curtas de origem
mineral, constituídas,
predominantemente, de
sílica amorfa, foram
caracterizadas e avaliadas
quanto a sua viabilidade de
utilização como agente de
reforço em matrizes de
resina epóxi. As fibras
naturais de sílica amorfa,
denotadas por FNSA, foram
incorporadas em matrizes de
resina epóxi e as
propriedades mecânicas
avaliadas através de ensaios
de tração.
www.scielo.br/scielo.php?script=sci_a
rttext.
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236
Materiais compósitos
• Fibra de carbono – sua fabricação passa por 3
fases:
• Fase 1 – composição poliacrilonitrilo(PAN),
breu/piche
• Fase 2 – carbonatação – a fibra do PAN
organizada são aquecidas e se transformam em
fibra de carbono pela eliminação de O, H, e N.
Este tratamento ocorre na faixa de 1000 a 1500
0C ( Pirolise)
• Fase 3 – grafitização – finalidade da umentar o
módulo de elesticidade – esta operação é
realizada acima de 18000C
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237
Materiais compósitos
Imagem de microscopia
eletrônica de varredura do
supercimento: os nanotubos de
carbono entrelaçam as
partículas do clínquer de
cimento.
O físico Luiz Orlando Ladeira, professor
da UFMG, conseguiu adicionar
nanotubos de carbono à matéria-prima
do cimento – o clínquer –, por meio de
um novo processo que pode ser
incorporado à indústria tradicional do
produto. Até então, pesquisas feitas no
mundo todo adicionavam os nanotubos
ao cimento pronto. O resultado seria um
material extremamente caro: um saco de
cimento com adição de nanotubos de
carbono custaria R$ 15 mil, enquanto o
valor da mesma quantidade de cimento
tradicional é de apenas R$ 15.
cienciahoje.uol.com.br/noticias/nanociencia/s.
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238
Materiais compósitos
• Fibra aramida ( Kevlar 29 e 49)
• Kevlar 29 – foi concebida para aplicação em
proteção balística, corda e cabos
• Kevlar 49 – usada para reforço polimétrica com
aplicação em industria aeronáutica, marítima e
automotiva
• Composição básica – poliamida aromática
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239
Existem vários tipos de
Kevlar; o que é produzido
pela polimerização de pfenilenodiamina com cloreto
de tereftaloila tem fórmula
básica (-CO-C6H4-CO-NHC6H4-NH-)n
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240
Materiais compósitos
• Comparação das resistência mecânicas entre as fibras
Característica
mecânicas
Fibra de vidro
Fibra de
carbono
Kvelar 49
Resistência à
tração (Mpa)
2410
3100
3617
Modulo de
elsticidade GPa
69
220
124
Alongamento %
3,5
1,40
2,5
Densidade
g/cm3
2,54
1,75
1,48
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241
Materiais compósitos
Materiais compósitos na construção civil
Betão–(concreto protendido)-composto cerâmico
Composição:7 a 15% cimento Portland
14 a 21 % de água
0,5 a 8% de ar
24 a 30% de agreg. finos( areia)
31 a 51% de agreg. grosso (britas)
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242
Materiais compósitos
• Cimento Portland
• Composição: Cal ( CaO)
Sílica (Sio2)
alumina (Al2O3)
óx. de ferro (Fe2O3)
Todo material é aquecido a uma temperatura entre
1400 a 1650 0C e adicionado gesso
(CaSO4.2H2O)
Todo Betão é usado de várias maneiras com
diversos reforços.
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243
Materiais compósitos
• Asfalto – é um betume, constituído de
hidrocarbonetos com algum O2, S2 e impurezas
apresentado características mecânicas similar a
um polímero termoplástico
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244
Materiais compósitos
•
•
•
•
•
•
•
Concreto:
Cimento-matriz
Areia e brita- particulados
Cermetos (metais + cerâmicas):
WC + Co (micrografia ao lado) ou Ni
TiC + Co ou Ni
Dureza(cerâmico) + tenacidade(metal)
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