Princípios básicos de ciência dos materiais

1. Universidade Paulista – UNIP Fevereiro de 2.012 Princípios básicos de ciência dos materiais Materiais de construção civil Prof. Netúlio Alarcón Fioratti

2. O novo universo da micro escala • Radicais livres. • Tabagismo. • Grafite e diamante. “Se não queremos nos ver reduzidos à meras fatias do conhecimento essencial devemos também expandir as nossas mentes.” Karl Poper

3. Assim como os números naturais são infinitos, existem infinitos números entre 0 e 1. “A microestrutura de qualquer material está diretamente relacionada às suas propriedades.” Micro escala

4. Materiais diferentes. Mesmo uso?

5. Classificação dos materiais • Metais; • Cerâmicas; Combinações de elementos metálicos; Elétrons não localizados. São empregados em componentes implantados no interior do corpo humano; Devem ser inertes; Pode ser qualquer outro material citado acima. • Polímeros; Estão entre os elementos metálicos e não metálicos; Óxidos, nitretos e carbetos; Minerais argilosos, cimentos e vidros. • Compósitos; Plásticos e borrachas; Compostos orgânicos (C-H); Estruturas moleculares muito grandes. • Semicondutores; Composição de dois ou mais materiais; Combinação das melhores características dos materiais que os compõe. • Biomateriais; Estão entre os condutores e os isolantes.

6. Ligações químicas • Muitas das propriedades físicas dos materiais são funções das ligações existentes entre os átomos e moléculas desse material. • Dois tipos de forças (ligações): • Primárias ou químicas: • Iônicas, covalentes e metálicas. • Secundárias ou físicas (de Van der Waals): • Pontes H, Dipolos.

7. Dois átomos se ionizam: • Um doa um elétron para o outro, • Ficando o primeiro com carga positiva e o segundo com carga negativa, • Atraindo-se pela força de Coulomb. Ligação iônica

8. Elementos metálicos e não-metálicos. • Metal perde e não-metal ganha elétron. • Não-direcionais (força de ligação igual em todas as direções). • Por isso, em um arranjo tridimensional, para serem estáveis, os íons positivos devem ter como vizinhos, íons negativos, e vice versa. Ligação iônica

9. São materiais duros e quebradiços. • Não conduzem eletricidade nem calor. • Predominante em materiais cerâmicos. • Altos PF e PE. • Sólidos à temperatura ambiente. Ligação iônica

10. Átomos compartilham elétrons. • Cada átomo contribui com pelo menos 1 elétron. • Os elétrons compartilhados passam a pertencer aos dois átomos. Ligação covalente

11. Ligação entre não-metais. • Ligações mais fortes que as iônicas. • Facilmente encontradas em cerâmicas e polímeros. • No geral, podem ser muito fortes ou muito fracas (PF e PE baixos). • Ligação direcional: forma ângulos bem definidos. Ligação covalente

12. É possível a existência de ligações interatômicas parcialmente iônicas e parcialmente covalentes. • Isto depende da eletronegatividade dos átomos participantes. • Quanto maior a diferença entre as eletronegatividades, mais iônica será a ligação. • Eletronegatividade é a capacidade de um átomo de atrair elétrons. Ligação covalente

13. Os núcleos dos átomos encontram-se em meio à uma “nuvem de elétrons”. • Os elétrons de valência encontram-se mais ou menos livres para se movimentar por todo o metal. Ligação metálica

14. Os núcleos iônicos, por serem agora de carga positiva, passam a exercer uma força de repulsão entre eles. • Força esta que é protegida (impedida de ser eficaz) pelos elétrons livres. • Confere caráter não direcional à ligação. • Ligações mais fortes que as covalentes, possuindo vasta faixa de PE e PF (geralmente elevados). Ligação metálica

15. São as forças intermoleculares (entre moléculas). • São geradas por pequenas assimetrias nas distribuição de cargas dos átomos, que criam dipolos. • Um dipolo é um par de cargas opostas que mantém uma distância entre si. • Podem ser permanentes ou induzidos Forças de Van der Waals

16. Dipolo permanente: • Moléculas polares “por natureza” (HCl). • Um ótimo exemplo são as mais fortes das ligações de VW: as pontes de H. • Dipolo induzido: • Separação de cargas pequenas. • Pouca energia de ligação (mais fraca). • Há uma separação dos centros de carga pela presença simultânea dos átomos. Forças de Van der Waals

17. Da escala atômica para a microestrutural • Para formar materiais sólidos, os átomos ou íons das moléculas se arranjam em uns em relação aos outros. • Por conta das forças intermoleculares (fracas). • Ou das intramoleculares (fortes). • Estes átomos podem se arranjar: • De forma ordenada ao longo de grandes distâncias. • Desordenadamente.

18. Estes arranjos desordenados formam os chamados sólidos amorfos. • O vidro é o exemplo mais conhecido. • As vezes estes sólidos são chamados de líquidos super resfriados, • pelo fato de esta desordem interna ser parecida com a dos líquidos. Arranjos desordenados

19. Este desarranjo acontece geralmente devido à uma solidificação rápida, que impede o arranjo ordenado durante a solidificação. Arranjos desordenados SiO2

20. Quando os átomos ou íons do sólido estão arranjados de forma ordenada. • Em um arranjo que se repete ou que é periódico ao longo de grandes distâncias atômicas. • Quando ocorreu a solidificação, os átomos arranjaram-se ordenadamente em um padrão tridimensional repetitivo. Arranjos cristalinos

21. Células unitárias. • Estruturas cristalinas de metais: • Cúbica simples. • Cúbica de faces centradas. • Cúbica de corpo centrado. • Hexagonal compacta. • Redes de Bravais. Arranjos cristalinos

22. 14 redes de Bravais. Arranjos cristalinos

23. Em um sólido cristalino, quando o arranjo periódico e repetido de átomos é perfeito, isto é, se estende ao longo da totalidade da amostra sem interrupções, o resultado é um monocristal. • Policristais são sólidos cristalinos compostos por uma coleção de muitos cristais pequenos, ou grãos. Arranjos cristalinos

24. Reflexos do arranjo interno • Vários são os pontos em escala atômica e microestrutural que influenciam nas propriedades macroscópicas dos materiais. • Empacotamento interno. • Impurezas. • Planos de cristalização. • Tipos de ligações e forma presente nos arranjos internos.

25. A microestrutura geralmente influencia nas propriedades: • Físicas; • Mecânicas; • Elétricas; • Térmicas; • Magnéticas; e • Óticas. • Propriedades mecânicas são mais influenciadas pelo arranjo microestrutural que pelas ligações interatômicas. Reflexos do arranjo interno

26. Uma vez que é as formas de ruptura se dão mais facilmente na esfera microestrutural do que atômica. • As relações interatômicas são regidas por forças bem maiores. Arranjos cristalinos

27. Esforços mecânicos • São os tipos de esforços que os sólidos estão sujeitos, gerando tensões internas em sua microestrutura: • Compressão; • Tração; • Cisalhamento; • Flexão, e • Torção.

28. Normalização • Regulamenta para os diversos materiais: • Qualidade; • Classificação; • Produção, e • Emprego.

29. Entidades normalizadoras: • ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas. • ASTM: American Society for Testin Materials. • DIN: Deutsche Normenausschuss. • ISO: International Organization for Standardization (coordena as normalizadoras). Normalização

30. Normas: diretivas para cálculo e método de execução de obras e serviços, assim como condições mínimas de segurança. • Métodos de ensaio: processo para formação e o exame de amostras. • Especificações: prescrições para os materiais. • Padronização: dimensões para os materiais ou produtos. • Terminologia: nomenclatura técnica. • Simbologia: convenções para desenhos. • Classificação: ordena e divide conjunto de elementos. Normalização

31. Obrigado pela atenção!