Princ

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!