RESUMO VAN VLACK Capítulo 1 – Características exigidas nos

RESUMO VAN VLACK
Capítulo 1 – Características exigidas nos materiais usados em engenharia
O engenheiro é responsável por selecionar o material, considerando entre outros fatores as propriedades e as
características de comportamento do mesmo. Exemplo:
 Aço para mecanismo de transmissão: facilmente usinado, mas suficientemente tenaz para suporta uso
pesado
 Pára-choque: facilmente conformado, mas capaz de resistir à deformação sob impacto
 Fios elétricos: suportar extremos de temperatura
Como é impossível ter conhecimento de todos os materiais disponíveis, o engenheiro tem que saber os princípios que
regem as propriedades de todos os materiais, entre elas a mais importante: As propriedades e o comportamento dos
materiais dependem de sua estrutura interna.
As estruturas internas envolvem os átomos e o modo como se associam (cristais, moléculas e microestruturas).
Os materiais são processados a fim de atingir as especificações desejadas, podendo alterar suas propriedades (a
exemplo da deformação das estruturas internas ou processamento térmico), ou apenas alterar a forma (a exemplo da
usinagem ou forjamento leve).
Os materiais podem estar sujeitos a serviços capazes de alterar sua estrutura interna, e consequentemente, as
propriedades dos mesmos.
 Propriedades mecânicas: habilidade de resistir a forças mecânicas
 Tensão: força por unidade de área
 Deformação: efeito da tensão. Ela pode ser de dois tipos:
- Elástica: reversível, desaparecendo quando tensão removida (átomos mantém sua posição relativa). É
proporcional à tensão aplicada.


Módulo de elasticidade (módulo de Young)
- Plástica: permanente devido às tensões ultrapassarem o limite de elasticidade do material (átomos não
mantém sua posição relativa).
Ductilidade: deformação total até a ruptura (quanto suportou sem se romper). Representa a facilidade de ser
transformado em fios. Medido pela elongação e estricção do material.Ex: ouro, cobre e alumínio.
Fragilidade: oposto da ductilidade, rompendo sem sofrer grande deformação (sem a região plástica,
rompendo sem aviso). Ex: ferro fundido, vidro e pedra.
 Tensão de escoamento: capacidade de resistir à deformação plástica ( é maior para material dúctil).
*Devido à redução de área sofrida pelo material é necessário considerar a área inicial nos projetos, pois devem ser
feitos de tal maneira a permitir eventuais reduções.
 Dureza: resistência da superfície à penetração
*relacionada com a resistência.
*índice de dureza Brinel (HB): calcula dureza pela área produzida por penetrador de forma esférica (aço muito duro
ou carbeto de tungstênio) sob carga padronizada.
*índice de dureza Rockwell(HR): medida pela profundidade de penetração de penetrador padronizado.
 Tenacidade: medida da energia necessária para romper o material (reduzido a pó facilmente). Ex de baixa
tenacidade: cerâmica. É a área sob a curva do gráfico tensão versus deformação.
OBS: material dúctil com mesma resistência de um não dúctil precisa de mais energia para romper, logo, será mais
tenaz.
 Resistência: medida do nível de tensão necessária para romper o material
OBS: resistência e ductilidade são incompatíveis  balanço para otimizar escolha
 Diagrama tensão versus deformação:
 Propriedades Térmicas
 Temperatura: nível de atividade térmica
Rearranjos atômicos = variação da temperatura
 Calor: energia térmica
*OBS: Ponto de fusão e de ebulição representa transição entre diferentes arranjos estruturais doas átomos.
 Capacidade térmica/ Calor específico: variação térmica de um corpo quando recebe determinada quantidade
de calor.
 Dilatação térmica sofrida durante aquecimento. Tem o coeficiente aumentado com o aumento da
temperatura. Poder ser linear ou volumétrica (coeficiente 3 vezes maior que a linear).

Condutividade térmica: transferência de calor entre sólidos. Tem o coeficiente reduzido com o aumento da
temperatura.




Propriedades Elétricas
Condutividade: medida da facilidade de conduzir corrente elétrica
Resistividade: medida da oposição ao fluxo de corrente elétrica
Material dielétrico: isolante elétrico, alta resistência ao fluxo de corrente elétrica
 Propriedades Químicas
 Corrosão: transformação do material por interação com o meio de exposição
 Oxidação: perder elétrons, não necessariamente na presença de oxigênio
*Uso de inibidores, protetores, troca de material (aço carbono  alumínio ou aço inox)




Propriedades Ópticas:
Índice de refração: razão entre velocidade da luz no vácuo e da luz no meio em que se encontra
Absorção: tendência de absorver radiação
Emissividade: tendência de emitir radiação
 Custos
Fator determinante para seleção do material
*Vantajoso pagar a mais para ter maior vida útil e diminuição dos custos de manutenção e substituição
 Medidas das propriedades de interesse da engenharia
 Qualitativas: Diagrama esquemático para apresentar efeito de uma variável sobre a outra, permitindo
determinar qual variável deve ser controlada a fim de obter um resultado e assim antecipar modificações na
produção do mesmo
 Quantitativos: dados a fim de obter analise do resultado. Atenção à variância, pois deve ser considerada no
projeto através da margem de segurança prevendo possíveis discrepâncias de medidas
Capítulo 2 – Ligação Química
 Estrutura dos átomos:
O átomo não é a menor unidade, podendo ser subdivido em: elétrons que circundam o núcleo composto por
prótons e nêutrons, sendo o elétron negativo, próton positivo e o nêutron neutro (combinação de elétrons e
prótons).
 Massa atômica: massa do elétron, proporcional ao número de prótons e nêutrons, visto a massa reduzida do
elétron. Pouca influência nas propriedades.
 Número atômico: número de elétrons (igual ao número de prótons) de um átomo. Os elétrons
(principalmente os mais externos) influenciam as propriedades abaixo:
- propriedades químicas;
- natureza da ligação interatômica;
- características mecânicas e de resistência;
- tamanho do átomo;
- características elétricas e ópticas.
 Nível Quântico: elétrons com mesmo nível energético. O de menor energia é com 2 elétrons.
*Quando o nível quântico completo (com número máximo de elétrons) átomo estável.
 Notação eletrônica:
Para remover um elétron ou quando o mesmo se move para um nível mais baixo de energia, libera energia
(fóton).
Elétron são mais estáveis quando possuem menos energia, permitindo completar de elétrons os níveis mais
externos sem ter completado níveis anteriores.
 Atrações interatômicas: atrações que mantém os átomos ligados nos estados líquidos e sólidos, sendo que as
propriedades dependem das mesmas. São conseqüências da estrutura eletrônica dos átomos.
-Gases Nobres: pequena atração entre átomos porque arranjo estável
-Demais elementos: adquirem configuração estável através do recebimento, perda e compartilhamento de
elétrons.
LIGAÇÕES FORTES:
 Ligação iônica: atração mútua entre íons de cargas opostas, sendo o mais eletronegativo responsável por
receber elétron (ânion) e o outro por doar (cátion). Ligação forte entre átomos.
 Ligação covalente: compartilha elétrons (átomos de próximas eletronegatividades). Ligação forte entre
átomos.
 Ligação metálica: átomos de valência formam nuvem eletrônica (ânion) e o núcleo junto com os demais
elétrons (não pertencentes à camada de valência) formam o íon positivo (cátion). Os elétrons livres na
camada de valência são responsáveis por propriedades como condutividade elétrica e térmica. Ligação
forte.
*Combinação de vários tipos de ligação: diferentes formas de ligar. Ex: molécula de hidrogênio pode ser ligada
por 2 tipos de ligações iônicas e 1 covalente.
LIGAÇÕES FRACAS:
 Forças de Van Der Walls: forças secundárias que poderiam ser desprezadas caso não fossem as únicas
atuantes certas vezes. Ex: gases nobres tem camada de valência completa, não permitindo as três ligações
anteriores que requerem ajustamento desses elétrons da valência. A atração entre átomos é fraca e
representa força de Van Der Walls, ocorrendo a condensação quando em baixa temperatura e vibrações
térmicas reduzidas.
 Polaridade molecular: carga eletrônica não uniformemente distribuída, concentrando carga positiva e
negativa, formando dipolo elétrico (molécula assimétrica) responsável pela maioria das atrações de Van
Der Walls.
 Efeito de dispersão: polarização momentânea devido movimento dos elétrons, gerando fracas atrações
interatômicas.
 Ponte de Hidrogênio: caso especial da polarização molecular. O hidrogênio serve de elo entre dois átomos
(núcleo do hidrogênio (prótons) é atraído por elétrons não compartilhados do átomo próximo). Ex: H2O,
NH3. Elementos muito eletronegativos (FON).
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



Distância interatômica: distância que separa os átomos que se ligam, causada pela repulsão interatômica
(aproximação dos elétrons que se repelem). A distância de equilíbrio é quando força de atração e de
repulsão são iguais.
Energia de ligação: energia necessária para mover átomo de sua posição de equilíbrio.
Quanto menor a distância interatômica maior a energia necessária, sendo a distância de equilíbrio o ponto
que exige menor energia, pois após ele (maiores distâncias) a energia necessária volta a ser maior.
Raio atômico: distância do núcleo à camada de valência. Por dificuldade de medição, calcula-se a média da
distância entre o núcleo de dois átomos. Pode ser alterada pela temperatura (aumenta).
Número de coordenação: número de vizinhos mais próximo que o átomo possui. É afetado pela covalência
(número de elétrons de valência), exemplo: família VII com número de coordenação igual a um, e pelo
empacotamento atômico (quantos átomos podem ser organizados numa estrutura cristalina e determinar
qualidade no empilhamento), exemplo do CFC que possui valor próximo a 1 (o valor 1 é impossível, pois
representa inexistência de espaço entre átomos).
Tipos de materiais:
Metais: material que perde elétrons com facilidade a fim de formar ligação metálica e ter alta condutividade
elétrica e térmica.
Material orgânico/Plástico: elementos não metálicos compartilham elétrons (predomina ligações
covalentes).
Cerâmica: elementos metálicos e não metálicos, apresentando ligação metálica e covalente.
Há materiais com natureza intermediária, exemplo: silicona (cerâmica e plástico) e semicondutor (metal e
cerâmica), e aqueles que possuem propriedades comuns com os três tipos: grafite.
Capítulo 3 – Arranjos atômicos
As propriedades dependem do arranjo doa átomos, que podem ser:
 Estruturas moleculares: agrupamento de átomos
-Molécula: átomos ligados de maneira que a ligação entre esses seja forte (normalmente covalente), e entre
moléculas seja fraca (Van Der Walls) pois ponto de fusão e ebulição dos compostos moleculares são baixos
e os sólidos moleculares são moles (moléculas escorregam entre si).
-Número de ligação: depende do número de elétrons na valência
-Comprimento e energia de ligação: quanto menor o comprimento da ligação maior a energia necessária
para romper a ligação, sendo a ligação dupla e tripla com energia maior ainda.
-Isômeros: moléculas de mesma composição, mas arranjo diferente, acarretando propriedades diferentes,
visto que a polarização será diferente. Exemplo: ponto de fusão e ebulição.
-Hidrocarbonetos saturados: não há possibilidade de adicionar mais átomos à cadeia. Possuem ligações
covalentes intramoleculares e Van Der Walls intermoleculares, sendo que moléculas grandes possuem
maiores forças de atração de Van Der Walls, exigindo maior energia para romper-se (maiores pontos de
fusão e ebulição).
-Hidrocarbonetos insaturados: quando mantém ligações duplas/triplas não estão saturados com o máximo
número de hidrogênio, permitindo a polimerização de pequenas moléculas em moléculas maiores.
 Estrutura cristalina: arranjo repetitivo de átomos
-Cristal: estrutura formada pela repetição de átomos com número especifico de vizinhos e orientação no
espaço.
-Célula unitária: é a menor parte do cristal, representada pelo cubo que tem suas arestas formadas pelos
raios dos átomos
-Sistemas cristalinos: grupos de ordenamento espacial dos átomos e moléculas que são diferentes conforme
o empacotamento atômico. O mais usual é o sistema cúbico que tem três possíveis tipos de repetição: CS
(metal puro,1/8 por vértice, 1 átomo por célula unitária, pequeno fator de empacotamento de 0.52, não se
cristaliza), CCC (ferro a temperatura ambiente, 1/8 por vértice + 1 centro 2 átomos por célula unitária,
médio fator de empacotamento de 0.68), CFC (alumínio, cobre, ferro acima de temperatura, 1/8 por vértice
+ ½ por face, 4 átomos por célula unitária, maior fator de empacotamento 0.74). Sistema hexagonal ( apesar
de ter 3 vezes mais volume que o sistema cúbico, possui também três vezes mais átomos, resultando em
mesmo fator de empacotamento de 0.74). Outros sistemas: romboédrico, triclínico e ortorrômbico.
-Direções no cristal: coordenadas do ponto medidas em relação ao parâmetro de cada eixo, sendo [222]
igual [111]
-Planos cristalinos: planos de átomos, influenciando as propriedades. Os mais importantes são os que
limitam a célula unitária, ex: [010],[110],[111]  índices de Miller, simboliza todos os planos
proporcionais ao plano em questão, ex: [111] representa [222],[333]...
*O zero do índice de Miller é devido a divisão de 1 por infinito
-Análise por raio X: determina as estruturas cristalinas do material, através da difração do raio X incidente
no material. Permite o cálculo das distâncias interatômicas.
-Sequência de empilhamento: apesar do CFC e hexagonal terem o mesmo fator de empacotamento, o
último possui planos atômicos alternados superpostos de forma a conferir sequência de empilhamento.
-Polimorfismo/alotropia: composição igual, mas estrutura molecular diferente. Ex: ferro
-Cristais moleculares: arranjos cristalinos formados pela moléculas que se unem.
 Estruturas amorfas (sem formas): estrutura sem regularidade, estruturas não cristalinas
Gases: grande distância entre átomos/moléculas, podendo mover livremente. PV=Nrt
Líquidos: distâncias interatômicas aproximadamente uniformes e não há ordem a longa distância.
Vidros: em temperatura elevada forma líquido verdadeiro (movimento livre dos átomos e sem resistência
ao cisalhamento), quando super-resfriado a contração causa empacotamento mais eficiente.
-Fases cristalinas: uma parte estrutural homogênea com arranjo atômico definido, com uma estrutura
repetitiva
-Fase amorfa: ordem apenas em pequenas distâncias, tendo seu arranjo atômico menos definido, permitindo
diferentes composições ao passo que reduz o número de possíveis fases que podem coexistir em um
material. Ex:água, óleo, mercúrio.
* Um mero mostra estrutura de todo polímero, enquanto a célula unitária de todo o cristal
Regularidade é responsável por permitir essa generalização
Capítulo 4 – Imperfeições estruturais e movimentos atômicos
A consideração das imperfeições e movimentos permite análise de propriedades de forma mais precisa
 Fases impuras: adição de elemento a fim de conferir uma determinada propriedade. Ex: latão = cobre
+zinco
 Soluções sólidas em metais:
- solução substitucional: átomos do soluto substituem alguns dos átomos do solvente, não alterando o
arranjo atômico. Para ter substituição elevada os átomos devem ser de aproximadamente mesmo tamanho,
sendo que conforme aumenta a diferença de dimensões menos átomos são substituídos. Há limite para essa
substituição (limite de solubilidade).
-solução ordenada: ao invés da substituição ao acaso. É comum em baixa temperatura, já que a agitação
térmica tende a destruir arranjo.
-solução intersticiais: pequeno átomo nos espaços entre átomos maiores. Ex: carbono no ferro (ferro quando
CFC tem buracos desocupados, alojando átomos de carbono nesses buracos. E quando o ferro volta a CCC
os buracos diminuem, reduzindo a solubilidade do carbono no ferro).
 Soluções sólidas em compostos iônicos:
Tamanho do íon a substituir deve ser aproximadamente o mesmo do íon a ser retirado, além disso devem
ter a mesma carga para não haver deficiência de carga.
 Co-polimerização: espécie de solução de polímeros, permitindo agrupamento de meros de diferentes tipos.
 Imperfeições cristalinas: influenciam as propriedades dos materiais
Defeitos pontuais: átomos deslocados, átomos extras ou falta de átomos (vazios)
-Falta de átomos (vazios): devido empacotamento imperfeito na cristalização ou vibrações térmicas
(átomos se afastam da posição de menor energia). Facilita difusão atômica.
-Defeitos de Schottky: vazio de par de íons. Facilita difusão atômica.
-Defeitos intersticiais: átomo extra alojado em estrutura com pequeno fator de empacotamento, distorcendo
o reticulado. Isso ocorre quando o átomo extra é maior que os átomos restantes do cristal.
-Defeitos de Frenkel: íon deslocado de sua posição no reticulado para um interstício
*Estruturas de empacotamento fechado possuem menos energia, por isso é menor os dois últimos defeitos,
não tendo como forçar o átomo para novas posições
-Compostos não estequiométricos: existência de vazios e interstícios
-Defeitos de linha (discordância): linha de átomos tem uma estrutura local que difere da estrutura
circunvizinha
* Vetor de Burgers: distância de deslocamento ao longo da discordância.
*Tipos: em aresta/cunha ( semi-plano atômico extra inserido na estrutura)
helicoidal (plano reticulado forma espiral na linha de discordância )
Fronteira:
-Superfície externa: átomos possuem mais energia que átomos internos, visto que não são totalmente
cercados por outros átomos
-Grão: cristais individuais arranjados da mesma forma e orientação (tendo 1 única fase), caracterizada pela
célula unitária
-Contorno de grão: encontro dos grãos de maneira que tendo cada um sua orientação, haverá uma zona de
transição não alinhada a nenhum dos grãos especificamente. A diferença de orientação ocasiona menor
empacotamento atômico por onde se dará a difusão atômica.
*Facilmente identificado no ataque do metal, pois os átomos na área de transição de dissolvem mais
facilmente, deixando uma linha como contorno.
 Movimentos atômicos
Átomo estático somente na temperatura de zero absoluto (posição de mínima energia).
Temperatura ocasiona vibração térmica que dispersa os átomos em torno de sua posição de equilíbrio
 Deslocamento atômico: pode ocorrer pela variação da temperatura, mas também pela sujeição ao campo
elétrico, fornecendo em ambos os casos energia para sair de sua posição de equilíbrio.
*Muito dos movimentos atômicos envolvem defeitos pontuais, a exemplo do vazio que requer pouca energia
movendo átomo de uma posição do reticulado para um lugar desocupado, e do mecanismo intersticial que move
átomos vizinhos da estrutura. Pode também não envolver movimentos pontuais, a exemplo da difusão em anel e
simples troca de posição.
 Difusão atômica:
-Energia de ativação: energia necessária para mudar de posição. Varia conforme fatores como tamanho do
átomo (átomo pequeno exige menor energia) e tipo de movimento (intersticial exige mais que vazios).
-Autodifusão: difusão dos átomos dentro de sua própria estrutura
-Coeficiente de difusão: indica que estágios finais da homogeneização são lentos (velocidade diminui com
a redução do gradiente de concentração).
Caderno
 Solidificação dos metais: metal líquido depositado na lingoteira (cadinho) feita de material cerâmico.
 O que ocorre quando resfriamento rápido (tamanho e quantidade de grãos)? E lento? Qual a tendência do
crescimento (colunar ou dendrítico)?
 Material policristalino (equi-axial)
 Fator de empacotameno (FE)= (nº átomos na célula unitária x 4/3Πr³ )/volume célula unitária
FE=0,74 – 26% de vazios
 Deformações criam linhas de escorregamento (sliplines, banda de luders)
 A deformação só é possível devido defeito da discordância, sendo que o plano preferencial de
escorregamento exige menor esforço para deformar
 Solução sólida: envolvimento de 2 ou mais átomos
 Diagrama do isomorfismo