Tecnologia Dos Materias - Prof. Aelfo Luna Marques

MATERIAIS DE ENGENHARIA ELTRICA PROF. AELFO MARQUES LUNA VOL 1

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CAPITULO I

1.1 - INTRODUO E PERSPECTIVAS HISTRICAS

Os materiais cercam o homem de todos os lados e desempenham um papel

crucial na cultura e desenvolvimento da humanidade. Na habitao, no transporte, nas

vestes, nas comunicaes, no lazer e na alimentao, ou seja, em cada segmento do

quotidiano os materiais influenciam, em grau maior ou menor, a qualidade de vida do

homem na Terra.

Historicamente a ascenso das civilizaes no mundo est estreitamente

relacionada com as habilidades do homem de produzir e manusear os materiais de

acordo com as suas necessidades.

De fato as civilizaes mais antigas foram designadas pelo nvel de

conhecimento e desenvolvimento dos materiais por elas utilizados. Deste modo

prpria histria denominam diversas eras com o nome dos materiais de uso mais

predominante, tais com as Idades da Pedra, do Cobre, do Bronze e do Ferro.

Os antepassados do homem tinham acesso a um nmero muito limitado de

materiais cuja ocorrncia era de forma natural, tais como a pedra, madeira, as peles

dos animais, o barro. Com o tempo eles foram descobrindo empiricamente tcnicas

para produo de materiais que tinham propriedades superiores queles obtidos

naturalmente. Esses novos materiais incluem as cermicas e os metais. Outrossim,

descobriram que as propriedades de um material poderiam ser alteradas por

tratamento trmico ou pela adio de outras substncias. Assim surgiu o bronze que

uma combinao do cobre e do estanho, que resultou num material mais verstil para

fundio.

A utilizao dos materiais era feita por meio de um processo seletivo, baseado

num elenco muito limitado de materiais, cujo desempenho era conhecido

empiricamente para determinadas aplicaes, em virtude de suas caractersticas.

Ao longo da Histria este processo seletivo foi dramtico, pontilhado ora de

sucessos, ora de fracassos, as custas dos quais os antigos foram aprendendo.

Por outro lado os magnficos palcios, pirmides, catedrais, pontes, muralhas e

outros numerosos artefatos construdos pelo homem e deixados para a posteridade

so, sem sombra de dvidas, o testemunho eloqente da sua extraordinria capacidade

criativa.

Em tempos mais recentes, os cientistas vieram a compreender, por meio da

Cincia dos Materiais, as relaes existentes entre os elementos da estrutura dos

materiais e suas propriedades.

Este conhecimento adquirido pela Cincia dos Materiais permitiu um

desenvolvimento, em alto grau, das propriedades dos materiais, fazendo surgir

dezenas de milhares de diferentes tipos com caractersticas especiais e que foram ao

encontro das necessidades da moderna e complexa sociedade atual. O

desenvolvimento de muitas tecnologias tornou possvel fazer a existncia do homem

bastante confortvel e isso est intimamente associado com o uso e a acessibilidade

aos materiais adequados.


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Figura 1.1 -Concepo artstica da torre de Babel, imaginada pelo pintor P. Breiguel. Os tijolos utilizados na sua construo eram cozidos. No livro Gnesis, captulo11, versculo 3 est escrito: E disseram uns aos outros: Vamos! Faamos tijolos e cozamo-los ao fogo. E serviu-se dos tijolos como de pedra e o betume lhes serviu de cimento. Desconheciam os construtores daquela poca das limitaes do tijolo quanto aos esforos de compresso. Da o insucesso, com o desmoronamento da torre.

1.2 - CINCIA DOS MATERIAIS E ENGENHARIA

A Cincia dos Materiais est envolvida com a investigao cientifica das

relaes que existem entre a estrutura dos materiais e suas propriedades.

A Engenharia dos Materiais consiste, com base nas correlaes estrutura e

propriedade, no projeto ou engenharia da estrutura de um material para produzir um

conjunto predeterminado de propriedades. Ao longo deste livro sero sempre

destacadas as relaes existentes entre as propriedades e os elementos estruturais.

H convenincia de melhor precisar o significado do termo estrutura o qual ser utilizado neste livro, visto que pode, algumas vezes, apresentar-se como um

termo nebuloso, merecendo, portanto, alguns esclarecimentos.

Entende-se usualmente como estrutura do material o arranjo de seus elementos constituintes.Internos. A estrutura subatmica envolve os eltrons dentro

do seu tomo e suas interaes com o ncleo. No nvel atmico o conceito de

estrutura encerra a organizao dos tomos ou das molculas, uns em relao aos

outros. No estado seguinte, de maior dimenso, o conceito de estrutura contm uma

grande aglomerao de tomos e que recebe a denominao de microscpica,

significando que somente so observveis usando algum tipo de microscpio.

Finalmente ela denominada de macroscpica quando a estrutura dos seus elementos

pode ser observada com os olhos nus.


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Estrutura subatmica Envolve os eltrons dentro do seu tomo

e suas interaes com o ncleo

Estrutura atmica ou

molecular

Envolve a organizao dos tomos ou

das molculas, uns em relao aos

outros.

Estrutura microscpica um universo estrutural de maior

dimenso e envolve grandes grupos de

tomos, normalmente conglomerados.

Somente so observadas com algum tipo

de microscpio, da o nome de

microscpica.

Estrutura

macroscpica

Os elementos estruturais podem ser

observados com olhos nus

1.3 - CONCEITO DE PROPRIEDADE

Quando em uso, todos os materiais so expostos a estmulos externos que

determinam algum tipo de resposta do material. Por exemplo, um material submetido

a tenses (trao ou compresso) apresentar como resposta uma deformao. A

propriedade uma caracterstica do material em termos da natureza e da grandeza

da resposta a um estmulo externo imposto.

As propriedades mais importantes dos materiais podem ser agrupadas em seis

categorias:

MECNICAS

TRMICAS

ELTRICAS

MAGNTICAS

TICAS

QUMICAS OU DETERIORATIVAS *

* indicam a reatividade qumica dos materiais

Em complemento ao conceito de estrutura e de propriedade h outros dois

importantes aspectos que envolvem a Cincia e a Engenharia dos Materiais:

processamento e desempenho dos materiais. Entende-se como processamento

seqncia de estados de um sistema que se transforma. Quando do seu uso pela

engenharia os materiais so submetidos a diversos processos, a partir do seu estado

bruto at seu estado final como produto acabado. Nesta sucesso de estados os

materiais podem ter suas propriedades alteradas.

Observa-se que existe uma correlao entre estes quatro componentes, assim

verifica-se que a estrutura do material depender do seu processamento, e por sua vez

seu desempenho ser uma funo de suas propriedades finais. A esta correlao que

linear, como mostrado a seguir, toda ateno deve ser dispensada a esses quatro

fatores em termos de projeto, produo e utilizao dos materiais.

Processamento Estrutura Propriedades Desempenho


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1.4 - CRITRIOS DE SELEO DOS MATERIAIS

H vrios critrios nos quais so baseadas as decises finais para seleo

adequada dos materiais. O primeiro de todos a caracterizao das condies de

servio, a partir das quais possvel delinear as propriedades requeridas pelo

material a ser utilizado. Somente em raras oportunidades as propriedades de um

material atendem de forma ideal as condies de servio, onde ento necessrio

buscar uma soluo de compromisso entre as propriedades. Exemplo clssico envolve

a resistncia mecnica e ductilidade dos materiais: normalmente, um material que tem

alta resistncia mecnica tem uma limitada ductilidade. Em tal condio uma razovel

compromisso entre duas ou mais propriedades pode tornar-se necessrio.

Um segundo critrio considera a degradao das propriedades que pode

ocorrer com o material quando em servio. Exemplo: reduo da resistncia mecnica

como decorrncia de temperaturas elevadas ou de corroso ambiental.

Finalmente, um aspecto que provavelmente supera em importncia aos outros

critrios citados a questo econmica. Quanto custar o produto final? O material

encontrado com facilidade na natureza? E tambm em quantidades adequadas para

atender a demanda comercial? Seu processamento complexo ou simples? Muitas

vezes um material pode ser encontrado com um elenco ideal de propriedades,

entretanto, o seu custo proibitivo. Mas uma vez inevitvel adotar uma soluo de

compromisso entre os diversos requisitos.

1.5 - CLASSIFICAO DOS MATERIAIS

Existe uma imensa variedade de materiais e sob o ponto de vista de suas

aplicaes na Engenharia podem ser classificadas de vrios modos.

Os materiais podem ser agrupados segundo o seu estado de agregao, assim

tem-se os materiais no estado gasoso, lquido e slido. A Cincia pesquisa atualmente

outros estados de agregao dos materiais tais como o plasma e a matria condensada

Os materiais podem ser de origem natural ou sinttica e tambm podem ser

de natureza inorgnica ou orgnica.

Os materiais inorgnicos compem a maior parte da crosta terrestre. So

encontrados nas rochas e constitudos de metais e seus derivados, xidos, hidrxidos,

sulfetos, silicatos, cloretos, etc. Isto , pertencem ao denominado reino Mineral.

Incluem ainda compostos de todos elementos, com exceo do carbono em

substncias orgnicas.

Os materiais orgnicos compreendem a grande parte dos produtos renovveis,

pertencentes aos reinos Animal e Vegetal. Todos contm carbono e hidrognio,

podendo apresentar tambm em sua composio tomos de oxignio, nitrognio,

enxofre ou fsforo. Um exemplo desses materiais e dos mais antigos a madeira.

Aos materiais naturais o homem acrescentou uma grande diversidade de outros

produtos, destacando-se entre eles os polmeros sintticos, cuja caracterstica principal

apresentarem pesos moleculares elevados. Os polmeros so produtos orgnicos,

para os quais a matria prima principal o petrleo.


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1.6 - ASPECTOS QUALITATIVOS E QUANTITATIVOS DAS

P ROPRIEDADES

O conhecimento cientfico de uma propriedade, ou seja, o conhecimento

cientfico da reao que o material apresenta quando solicitado por um estmulo

externo, pode ser de natureza qualitativa ou quantitativa. O primeiro resulta de

representaes esquemticas que ajudam o observador a determinar previamente

quais as variveis que podem ser controladas. Como exemplo considere-se a

informao qualitativa de que a resistividade dos metais condutores aumenta com a

temperatura. Ou seja, limita-se a uma descrio fenomenolgica da propriedade e dos

fatores nela intervenientes. Por outro lado o conhecimento cientfico quantificado,

como o prprio nome diz, mede os resultados produzidos pela reao do material ao

estmulo externo, este tambm devidamente mensurado. A propriedade assim

caracterizada por um nmero, que expresso mediante um sistema de unidades, bem definido e universalmente aceito, nmero este obtido por meio de procedimentos

ou processos de medio devidamente normalizados, os quais parametrizam a ao dos fatores externos variveis que podem influenciar a quantificao do

conhecimento.

Adotar procedimentos ou processos normalizados significa dizer que as

medies da propriedade devem obedecer a um conjunto padronizado de operaes e

usar instrumentos de medio devidamente aferidos.

Esses procedimentos assim padronizados constituem a origem das normas. As

normas so acordos documentados que contm especificaes tcnicas ou outros

critrios precisos destinados a ser utilizados de forma sistemtica, tanto sob formas

de regras, diretrizes ou definio de caractersticas para assegurar que os materiais,

produtos, processos e servios so aptos para seu emprego adequado e confivel.

A idia de medir est intrinsecamente associada s atividades do engenheiro.

Pitgoras, famoso matemtico que viveu alguns sculos antes de Cristo, dizia que os

nmeros regem o mundo. Lord Kelvin d tambm uma mensagem muito importante sobre a

quantificao dos fenmenos observados pelo homem:

Quando podemos medir alguma cousa de que falamos e podemos express-la em nmeros, ns sabemos algo sobre ela; mas quando no podemos expressa-la em

nmeros, nosso conhecimento um conhecimento pobre e insuficiente. O conhecimento cientfico quantificado das propriedades dos materiais

possibilita seleciona-los de forma correta e adequada, ou seja, permite a escolha

criteriosa de materiais de BOA QUALIDADE. Nos dias atuais, de economia

globalizada e fortemente competitiva valoriza-se muito a qualidade dos materiais, entendendo-se como tal esse atributo ou condio dos materiais que os distingue de

outros e lhes determina uma caracterstica peculiar mais valiosa.

Por este conceito acima expresso a qualidade parece ser, a primeira vista, uma

idia vaga, se o processo de sua avaliao permanecer no campo puramente

qualitativo, ou seja, no se expressar quantitativamente por meios de nmeros, como

recomendado por Lord Kelvin.

Pode-se afirmar que a METROLOGIA, constituda pelos sistemas de

unidades mtricas, reconhecidas universalmente, tais como o Sistema Internacional-

SI, o sistema CGS etc, em conjunto com a NORMALIZAO, constituda por sua


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vez pelo conjunto de normas, tcnicas internacionais e nacionais, formam um

continuum que desgua na caracterizao da QUALIDADE.

METROLOGIA NORMALIZAO

QUALIDADE

No pode haver qualidade sem normalizao e esta para sua aplicao,

depende de medies com instrumentos aferidos adequadamente e da expresso das

grandezas medidas, segundo um sistema metrolgico universalmente consagrado.

Tem-se, portanto, a METROLOGIA como base, a NORMALIZAO como

referncia e a QUALIDADE como fim. O nmero que mede, ou seja, o nmero

mtrico, o fundamento de todos os conhecimentos cientficos e tcnicos e veio

transformar a QUALIDADE uma idia relativamente vaga - em QUANTITADE uma idia precisa.

1.7 - RELEVNCIA DA METROLOGIA

preciso frisar que a metrologia no se preocupa to somente com o uso

adequado de sistemas de unidades padronizadas e reconhecidas, mas tambm com a

aferio e calibrao dos instrumentos de medio utilizados nos processos produtivos

e comerciais.

Para tal mister existe no Brasil uma autarquia federal, vinculada ao Ministrio

da Indstria, do Comrcio e do Turismo, denominada INMETRO Instituto Nacional de Metrologia, Normalizao e Qualidade Industrial que atua como rgo executivo

do Conselho Nacional de Metrologia, Normalizao e Qualidade Industrial CONMETRO, colegiado este que o rgo normativo do Sistema Nacional de

Metrologia, Normalizao e Qualidade Industrial SINMETRO. Esta estrutura foi criada pelo Governo Federal pela Lei n. 5966 de 11/11/1973,

cabendo ao INMETRO substituir o ento Instituto Nacional de Pesos e Medidas INPM e ampliar seu raio de ao a servio da sociedade brasileira.

Historicamente, desde o Primeiro Imprio, o pas preocupou-se com a

uniformizao das medidas brasileiras, que eram na poca numerosas e confusas,

sendo, portanto, causadoras de transtornos comerciais e prejuzos financeiros. Mas

apenas em 1862, D. Pedro II promulgava a Lei Imperial n. 1157 e com ela

oficializava, em todo territrio nacional, o sistema mtrico decimal francs, tendo sido

o Brasil uma das primeiras naes a adotar o novo sistema decimal, que seria

paulatinamente utilizado em todo o mundo.

Em 1961, com a criao do Instituto Nacional de Pesos e Medidas - INPM, j

mencionado anteriormente, foi implantado no pas o Sistema Nacional de Unidades

em todo territrio nacional.


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1.8 - A NORMALIZAO NO BRASIL E OS ORGOS INTERNACIONAIS

No Brasil o conjunto de Normas Tcnicas para as engenharias coordenado e

elaborado pela Associao Brasileira de Normas Tcnicas - ABNT. A ABNT uma entidade privada, sem fins lucrativos, fundada em 1940 e

reconhecida tanto no mbito nacional como internacional, sendo a representante no

Brasil da IEC e da ISO.

Os trabalhos de elaborao das normas tcnicas so realizados por meio de

Comits. Nestes Comits so reunidos diversos profissionais de cada setor especfico,

de renomada experincia tcnica.

A ABNT j tem no seu acervo mais de 7500 Normas Tcnicas. A obedincia

rigorosa as Normas Tcnicas , sem sombra de dvidas, o aval mais valioso do

engenheiro para assegurar, tanto a qualidade dos materiais como dos produtos e obras

resultantes.

A natureza das normas da ABNT pode ser identificada por meio das siglas que

precedem a sua numerao:

CB Classificao NB Procedimento

EB Especificao PB Padronizao

MB Mtodo SB Simbologia

TB Terminologia

Convm anotar que nas normas ABNT, alm do nmero de registro da norma

no INMETRO (precedido pelas letras NBR), tambm consta o nmero com que a

norma foi registrada na ABNT.

Dentre os diversos Comits da ABNT, o de n.03, trata especificamente dos assuntos

relacionados com a rea da Engenharia Eltrica.

Observa-se que as Normas Tcnicas da rea eltrica so fortemente inspiradas nas

normas europias, especialmente nas normas da Internacional Electrical Comission

IEC.

A IEC foi fundada em 1906 e uma organizao mundial que elabora e

publica normas internacionais para tudo aquilo que tratado pela eletrotcnica,

eletrnica e tecnologias aparentadas. A IEC congrega mais de 50 pases,

compreendendo neste elenco todas as grandes naes comerciantes do mundo e um

nmero crescente de pases em vias de desenvolvimento, tendo inclusive o Brasil

como seu caudatrio. Deste modo comum a citao das normas da IEC, na hiptese

de ausncia de normas nacionais ou como referncia importante.

A sigla ISO tambm usada no mundo inteiro e significa Organizao

Internacional para Normalizao. uma organizao no governamental, criada

em 1947 e tem por misso fomentar o desenvolvimento da normalizao e atividades

conexas no mundo, tendo em vista a facilitao do comrcio de bens e servios entre

as naes, bem como desenvolver a cooperao nos domnios intelectual, cientfico,

tcnico e econmico.


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Outros pases possuem tambm rgos de normalizao que so influentes no

contexto internacional, tais como:

ANSI- American National Standards Institute.

ASTM- American Society for Testing Materials

NEC- National Electrical Code

DIN- Deutsches Institut fr Normung

AFNOR- Association Franaise de Normalisation

BSI- British Standards Institute

GOST - Rssia

VDE - Alemanha

IRAM - Instituto Argentino de Racionalizacion de Materiales

1.9 CICLO DOS MATERIAIS

Os materiais consumidos pela humanidade podem ser visualizados como

fluindo num vasto ciclo de materiais, ou seja, poucos so os materiais que podem ser

usados no seu estado natural ou bruto. Na sua grande maioria eles so elaborados, ou

seja, submetidos a diversos processos de transformaes fsicas e qumicas diversas

que o conduzem a sua forma final de uso. Assim as diversas etapas do processamento

so:

Estado bruto So extrados da terra por meio de

processos de minerao, perfurao,

explorao etc.

Exemplos: petrleo, metais. Extrao

das arvores nas florestas etc

Estado bruto intermedirio Os materiais so convertidos em

matrias BASE, ou seja,

beneficiados.

Os metais por processos metalrgicos

so transformados em lingotes; o

petrleo em produtos petroqumicos

(nafta); em madeira serrada; em

pedras compostas etc.

Materiais de engenharia Os lingotes de metal alumnio so

transformados em fios isolados com

produtos polimricos derivados do

petrleo; a madeira transformada

em madeira compensada; os produtos

petroqumicos so transformados em

componentes plsticos etc.

Utilizao como produto final ltimo estgio a sua utilizao nos

equipamentos, mquinas, dispositivos

etc.


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A capacidade de produo dos materiais estreitamente ligada aos recursos

naturais e as possibilidades de reciclagem dos resduos. Nos dias atuais a acumulao

de equipamentos e de bens de consumo acompanhada de um excesso localizado de

materiais usados (sucatas). Aps seu desempenho a servio do homem, os materiais

retornam como sucata ou sob a forma de resduos e percorrem o caminho de volta a

terra, ou se vivel penetram no denominado ciclo de reprocessamento. Exemplos significativos so exibidos pelo alumnio, ferro, cobre, vidro, papel etc. H, portanto,

um sistema global de transformao regenerativa. A recuperao para os polmeros

orgnicos mais difcil em face de sua estrutura qumica ser mais complexa

Neste ciclo existe uma forte interao entre a matria, a energia envolvida

nos processos e o meio ambiente.

Esses trs elementos no podem ser desassociados, particularmente nos dias

de hoje quando a qualidade do espao vital muito questionada pelos ambientalistas.

Muitos dos materiais que usamos so derivados de fontes no renovveis, isto ,

de recursos impossveis de serem regenerados. Nestes incluem-se os polmeros, para

os quais a matria prima bsica o petrleo. Estes recursos esto se tornando

gradualmente escassos, o que demandar as seguintes providencias:

a) Descoberta de novas reservas adicionais; b) O desenvolvimento de novos materiais que possuam propriedades

comparveis, porm apresente impacto ambiental menos adverso;

c) Maiores esforos de reciclagem e/ou o desenvolvimento de novas tecnologias de reciclagem.

Como decorrncia desse quadro est se tornando cada vez mais importante

considerar o ciclo de vida dos materiais desde o bero at o seu tmulo, em

relao ao seu processo global de fabricao.

Na Fig. 1.3 apresentado um diagrama descrevendo o ciclo dos materiais, com as

suas mltiplas fases de transformaes sucessivas, que vo da explorao dos recursos

naturais at a formao dos resduos. Uma gesto tima deste ciclo muito difcil de

se realizar na prtica.

1.10 RECURSOS E RESERVAS DE MATERIAIS

Os recursos de um elemento qumico so constitudos pela quantidade deste

elemento disponvel na crosta terrestre, nos oceanos e na atmosfera e que podem ser

extrados no futuro.

Para calcular os recursos de um elemento deve-se ter em conta a sua

concentrao media na crosta terrestre at uma profundidade relativamente baixa, ou

seja, 1 km de profundidade. Esta poro limitada da crosta terrestre corresponde a

MATRIA ENERGIA MEIO

AMBIENTE


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uma massa de cerca de 1018

ton. A concentrao media dos elementos qumicos na

crosta terrestre geralmente muito baixa para que os trabalhos de extrao e obteno

da maioria dos metais sejam rentveis. Somente as jazidas, ou seja, somente nas zonas

onde a concentrao de um mineral importante, valem a pena ser exploradas

comercialmente.

A parte dos recursos que atualmente susceptvel de ser explorada

economicamente denominada de reserva. As reservas so quantitativamente muito

menores que os recursos e o limite entre os dois determinado por um conjunto de

fatores econmicos e tecnolgicos relacionados com a sua explorao. Eles variam ao

longo do tempo e dependem igualmente das estratgias econmicas praticadas pelos

paises possuidores dessas riquezas e dos grandes grupos industriais.

DISTRIBUIO PORCENTUAL DOS PRINCIPAIS ELEMENTOS NA

CROSTA TERRESTRE, NOS OCEANOS E ATMSFERA

Crosta Continental

(1km)

Massa de 1018

ton

Oceanos

Massa de 1017

ton

Atmosfera

Massa 1016

ton

Oxignio 47 % Oxignio 85% Nitrognio 79%

Silcio 27% Hidrognio 10% Oxignio 19%

Alumnio 8% Cloro 2% Argnio 2%

Ferro 5% Sdio 1%

Clcio 4%

Sdio 3%

Potssio 3%

Magnsio 2%

Titnio 0,4% Dados extrados do livro Introduction la Science des Matriaux de Wifrieda Kurz, Jean P. Mercier et Grald Zambelli Presses Polytechniques et Universitaires Romaines Suisse.

De acordo com a tabela acima, nove elementos qumicos compem 99,4% da

massa da crosta terrestre. Entre eles encontram-se dois metais muito importantes: o

ferro e o alumnio que so atualmente produzidos em larga escala. A concentrao

mdia dos outros metais da crosta terrestre e que no figuram na tabela inferior a

0,01%, ou seja, inferior a 100 g/ton. o caso do cobre que , entretanto, produzido

numa escala prxima a do alumnio.

A crosta terrestre composta, em cerca de 96% de seu volume, por xidos que

constituem recursos inesgotveis para a fabricao de produtos cermicos. Os

polmeros orgnicos so elaborados a partir do carbono e de hidrocarbonetos que

constituem igualmente de recursos muito extensos.

A extrao e a fabricao de produtos exigem uma enorme quantidade de

energia, decorrendo da que o preo dos materiais fortemente dependente do custo

da energia. Do ponto de vista energtico, os materiais orgnicos so particularmente

favorecidos, pois a energia necessria a sua sntese (contedo energtico intrnseco) e

ao seu processamento muito menor do que aquela necessria obteno e

fabricao dos metais e dos produtos cermicos. Certos metais, como por exemplo, o

alumnio, em particular, consumidor intensivo de energia eltrica. Para se obter um

kg de alumnio consome-se cerca de 13,4 kWh de energia eltrica. O crescimento da

demanda pelos metais vem sendo contido pela sua substituio por materiais

orgnicos em face de razes relacionadas com o custo da energia.


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CICLO DOS MATERIAIS

Fig. 1.3 Ciclo dos materiais

CONCEITOS CHAVES

Desempenho do material Normas IEC e ISO

Estrutura do material Propriedade do material

Metrologia Processamento do material

Normalizao Qualidade

Normas Tcnicas da ABNT Recursos e reservas

Fontes De

Recursos

ss

Resduos

Produtos

Montagem

Elementos

Fabricao

Materiais

Extrao

Matrias

Primas

Elaborao

Reciclagem


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UM EXEMPLO DA MULTIPLICIDADE DOS MATERIAIS NO CAMPO DA

ENGENHARIA ELTRICA

Os materiais so freqentemente caracterizados por suas funes ou suas

propriedades mais tpicas: materiais de alta resistncia mecnica, condutores eltricos,

ims permanentes etc. Para melhor conhecer as funes mltiplas que devem possuir

os materiais, observe-se a composio de uma linha eltrica de alta tenso(foto

acima).

O cabo que deve transmitir a corrente eltrica deve ser um bom condutor de

eletricidade. Como a tenso eltrica muita elevada, suspendem-se os cabos acima

do solo (da a expresso inglesa muito usada over head lines) e usa-se o ar como isolante, justificando assim a existncia das torres de sustentao da linha. Para

limitar o numero de torres, o cabo condutor deve ser leve e bastante resistente

ruptura. Sabe-se que os melhores condutores eltricos so os metais no estado puro: o

cobre e o alumnio preenchem este ultimo requisito, entretanto, no apresentam uma

resistncia mecnica satisfatria. Ento preciso usar um cabo condutor composto de

vrios materiais. A alma do cabo constituda de fios de ao muito resistentes as

solicitaes mecnicas elevadas, mas caracterizados por uma condutividade eltrica

fraca. A transmisso da energia eltrica feita predominantemente pelos fios de

alumnio dispostos em volta da alma de ao do cabo, pois este apresenta uma

condutividade bem maior que o ao.

As torres so fabricadas de ao para poder resistir a trao dos cabos

condutores, que nelas so suspensas e tencionadas. O ao deve ser protegido contra a

corroso por meio de uma pintura protetora de natureza polimrica, ou por um

revestimento metlico, como por exemplo, de zinco, a qual confere ao ao uma

melhor resistncia aos ataques da corroso. Tal processo de proteo denomina-se

zincagem a quente ou galvanizao. Elementos isolantes so necessrios para fixar os cabos condutores no alto das

torres metlicas. Esta importante funo cumprida por meio dos isoladores feitos em

porcelana, que um material cermico. Podem ser usados isoladores de vidro, como

alternativa aos de porcelana. O concreto, que outro material cermico, tambm

usado nas fundaes das torres. Acrescente-se ainda toda uma miscelnea de

ferragens galvanizadas para efetuar as conexes entre os cabos e os isoladores e

destes com as estruturas de sustentao.

Concluso: quase uma dezena de materiais necessria para a construo de

uma linha de transmisso de alta tenso. A combinao criteriosa de suas

propriedades permite estabelecer um sistema funcional adequado aos propsitos do

projeto. Trata-se evidentemente de um exemplo pouco complexo, entretanto, mostra

que toda realizao tcnica coloca geralmente em jogo um numero significativo de

materiais, cujas propriedades devem ser combinadas judiciosamente.


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CAPITULO II

ESTRUTURA ATMICA E LIGAES INTERATMICAS

Uma razo importante para se ter uma compreenso da estrutura e das ligaes

interatmicas se deve ao fato de que ela permite explicar as propriedades de um

material. Por exemplo, o carbono, que pode existir tanto na forma de grafite como na

forma de diamante. Enquanto, o grafite relativamente macio como graxa ao tato, o diamante o mais duro material conhecido. A matria com a qual feito o mundo

composta de partculas discretas, de dimenses submicroscpicas e onde as leis de

comportamento so descritas pelas teorias atmicas. Os estados de organizao da

matria so muito variados, desde a desordem completa dos tomos nos gases at a

ordem ditatorial, quase perfeita dos tomos num monocristal.

2.1 ESTRUTURA DA MATRIA BREVE HISTRICO

A curiosidade do homem sobre a constituio da matria muito antiga, e

remontam aos filsofos gregos que defendiam a tese de que a matria no contnua e

sim composta de pequenas partculas indivisveis chamadas tomos (palavra grega

que significa no divisvel).

Esta teoria devida ao filsofo Demcrito que viveu quatrocentos anos antes de

Cristo e prevaleceu por mais de 20 sculos, at as chamadas leis ponderais de John

Dalton (1805), que afirmavam:

a) A matria constituda de pequenas partculas chamadas de tomos; b) O tomo indivisvel e sua massa e seu tamanho caracterstico para cada

elemento qumico;

c) Os compostos so formados de tomos de diferentes elementos qumicos.

Em 1811 Amedeo Avogadro, completou a teoria atmica de Dalton, criando o

conceito de molcula e em 1883 Lord Kelvin fez a primeira estimativa do tamanho

dos tomos e molculas, cerca de 10-8

cm.

A essas teorias segui-se uma fascinante histria de modelos e descobertas sobre a

intimidade da matria a qual vale a pena fazer uma breve retrospectiva.

J.J. Thomson, em 1897, descobre experimentalmente que o tomo era composto de

partculas com carga eltrica positiva, chamada depois de prtons e de partculas

carregadas negativamente, as quais ele deu o nome de eltrons. Este mesmo J.J.

Thomson, induzido por Lord Kelvin, formulou, em 1904, um modelo que descrevia o

tomo como uma esfera de eletricidade positiva e no seu interior estava distribuda os

eltrons. Como a matria , via de regra, eletricamente neutra, considerou-se que a

carga eltrica dos prtons e dos eltrons devia ser a mesma a fim de se cancelarem.

Entretanto, em 1911 este modelo foi derrubado pelas experincias de Ernest

Rutherford com o espalhamento de partculas alfa (ncleos de hlio) quando


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bombardeava lminas finas de vrios materiais. Rutherford props assim um novo

modelo, no qual a carga eltrica positiva estava concentrada numa regio central do

tomo, muito pequena, chamada de ncleo, e os eltrons girariam em torno do ncleo,

atrados eletricamente. Um modelo bastante similar ao sistema planetrio. Veja a Fig.

2.1 (a).

Contudo este novo modelo de Rutherford apresentava uma seria dificuldade:

se os eltrons giravam em torno do ncleo, de acordo com a teoria clssica do

magnetismo, irradiavam energia sob forma de ondas eletromagnticas; assim sendo os

eltrons perderiam energia neste movimento de rotao e se precipitariam sobre o

ncleo do tomo. Veja a Fig. 2.1(b).

A resposta para este impasse foi concebida por Niels Bohr (1913) quando

afirmou que os eltrons de um tomo s podem mover-se em determinadas rbitas ao

redor do ncleo, sem absorverem, nem emitirem energia. Segundo Bohr o numero

dessas rbitas podia ser at 7 (para tomos maiores) e receberam o nome de nveis ou camadas eletrnicas .

Fig. 2.1 (a) Modelo do tomo de Rutherford. (b) O eltron precipitando-se sobre o ncleo do tomo. (adaptado do livro de ngelo Fernando Padilha Materiais de Engenharia - Microestrutura e Propriedades Edt. Hemus SP).

Foram designadas a partir do ncleo pelas letras K,L,M,N,O,P e Q. Niels

Bohr tambm afirmava, em um segundo postulado, que um eltron pode passar de um

nvel para outro, bastando para tanto o fornecimento de energia (por exemplo calor)

para que um ou mais eltrons absorvam esta energia passando para estgios

energticos mais elevados. Se o tomo adquire energia suficiente, o eltron pode at

separar-se do tomo, ficando este ionizado.

Em caso contrrio, se o eltron passa de uma rbita de maior energia para uma

de menor energia, como decorrncia deste movimento o eltron emitir radiao.

A energia radiante emitida ou absorvida surgir como um fton, de freqncia , de acordo com a equao:

Ei Ef = h (2.1) Ei = energia inicial

Ef = energia final

h = constante de Planck (6,6262 x 10-34

Js) e a freqncia da radiao.


15

Se Ef > Ei, o tomo absorver um fton; se, ao contrrio, Ei >Ef ele emitir um

fton.

Entretanto, a teoria de Bohr no foi capaz de explicar diversos problemas

relevantes levantados pelos cientistas. Na verdade Bohr usava os conhecimentos da

mecnica clssica de Newton e estes eram insuficientes para esclarece-los.

Novas contribuies foram sendo propostas e a teoria de Bohr foi modificada

com base na mecnica quntica.

Entre as novas contribuies importantes tais como a proposio de

Sommerfeld, em 1916, afirmando que os eltrons de um mesmo nvel no esto

igualmente distanciados do ncleo, porque as rbitas alm de circulares podem ser

elpticas.

Esta abordagem sugere que todos os eltrons de uma mesma camada no so

iguais. Esses eltrons se subdividem em subcamadas energticas ou subnveis.. Esses

subnveis podem ser de 4 tipos: s, p, d e f. Estas designaes derivam do ingls: s de

sharp; p de principal; d de difuse e f de fine.

Fig. 2,2 Representao do tomo de alumnio segundo modelo de Bohr. (adaptado de Angelo Fernando Padilha Materiais de Engenharia Microestrutura e Propriedades- Edt. Hemus SP.

As camadas ou nveis eletrnicos K,L.M... etc, anteriormente citadas, podem

tambm ser identificadas em funo do seu numero de ordem (n), a partir do ncleo,

conforme indicado abaixo

K L M N O P Q

n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 n=6 n=7

Cada capa limitada a um nmero mximo de eltrons dado por 2.n2

, onde n

tambm denominado de NMERO QUNTICO PRINCIPAL. De acordo com

esta restrio so preenchidas as diversas camadas, at que o tomo alcance o seu

nmero total de eltrons. A tabela abaixo mostra a seqncia de preenchimento de

conformidade com a equao 2n2.

Camada Num. Mx.. Eltrons

K 2

L 8

M 18

N 32

O 50

P 72


16

Q 98

Por sua vez o numero mximo de eltrons em cada subnvel 2, 6, 10 e 14. A

representao mais usada a seguinte:

s2 , p

6 , d

10 e f

14

No sentido de melhor entender a redistribuio de energia nos subnveis das

camadas eletrnicas uma boa ajuda prestada pelo PRINCPIO DA EXCLUSO

DE PAULI, o qual postula que cada um destes subestados energticos no pode ser

ocupado por mais de que dois eltrons, e assim mesmo de spins opostos. O conceito de spin est relacionada com o movimento de rotao que o

eltron tem em torno de si mesmo, alm daquele movimento de translao ao redor do

ncleo.

Este spin gera um campo magntico quntico denominado de MAGNETO DE BOHR e cujo valor 9,29 x 10

-24 amp.m

2.

2.2 A DUALIDADE DO ELTRON

Mas a revoluo produzida pela mecnica quntica foi mais alm ao ser

estabelecido por Louis de Broglie, em 1924 a dualidade sobre a natureza do eltron.

De Broglie props que em determinadas circunstncias os eltrons poderiam

se comportar como ondas. Assim foi demonstrado experimentalmente que um feixe

de eltrons ao atingir a superfcie de um cristal apresentava uma difrao semelhante

a uma onda.

Ao interpretar esta dualidade onda-partcula do eltron Werner Karl

Heisenberg formulou o princpio da incerteza, segundo o qual no possvel

determinar com preciso a posio e a quantidade de movimento de um eltron em

um tomo.

Assim, na mecnica clssica pode-se falar em raio do tomo, enquanto na

mecnica quntica diz-se valor mais provvel do raio, ou seja, esta varivel tratada

em termos de probabilidade.

No modelo quntico, o eltron pode ser visualizado como uma nvoa de eletricidade ao invs de uma simples partcula. Veja a Fig. 2.3.

2.3 CARACTERSTICAS IMPORTANTES DAS PARTCULAS

SUBATMICAS

Observou-se que todos os tomos, com exceo do tomo de hidrognio,

possuem uma massa maior do que teriam se fosse levado em conta apenas o nmero

de prtons de seus ncleos. Tal observao conduziu a descoberta de outra partcula

no ncleo, chamada de nutron, Sua descoberta creditada a James Chadwick, em

1932.

Resumindo-se: cada tomo constitudo de um ncleo muito pequeno

composto de prtons e nutrons, envolvido pelos eltrons.


17

Os eltrons e prtons tm carga eltrica idntica, ou seja, de 1,6022 x10-19

coulomb, mas de sinais opostos. Os nutrons so eletricamente neutros. Prtons e

nutrons tm aproximadamente a mesma massa (1,6725 x 10-27

kg), a qual cerca de

1836 vezes maior que a massa do eltron (9,1095 x 10-31

kg)

O ncleo muito pequeno (10-13

cm), extraordinariamente denso e carregado

positivamente. Em um tomo eletricamente neutro o numero de prtons igual ao

nmero de eltrons.

O numero de prtons de um tomo identifica o elemento qumico e

chamado de numero atmico (representado pela letra Z). Por definio o numero de

massa de um tomo (representado pela letra A) a soma das massas de seus prtons e

nutrons. Na realidade a massa mdia dos tomos neutros de um elemento e resulta

na maioria dos casos de vrios istopos (tomos com o mesmo numero de prtons,

porm com um numero de nutrons diferentes; notar ainda que a palavra istopo

significa iso=igual e topo=lugar, ou seja, elementos istopos tm mesmo numero

atmico e esto no mesmo lugar na classificao peridica de Mendeleyev.) Os

istopos de um elemento tm as mesmas propriedades qumicas, mas tm massas

diferentes.

O raio do ncleo aproximadamente de 10-4

a 10-5

do raio do tomo. Isso leva

a crer que a matria praticamente um grande vazio. O cho sob os ps de uma

pessoa consiste em tomos que, em mais de 99,9 %, so espaos vazios. Em

proporo ao tamanho de seu ncleo o sistema atmico to vazio quanto o vazio

csmico.

Outra constante muito importante o numero de Avogadro (6,0220 x 1023

)

que representa a quantidade de tomos que h em um tomo-grama de um elemento.

Representa tambm o numero de molculas que h em uma molcula-grama.

Fig. 2.3 Comparao entre o modelo clssico de Bohr (a) e o modelo quntico (b) em termos de probabilidade. (adapatado de Z.D. Jastrzebsky The nature and Properties of Engineering Materials- Edt. John Wiley & Sons- NY US


18

2.4 A TABELA PERIDICA DE MENDELEYEV

A tabela peridica dos elementos foi criada por Dimitri Ivanovich

Mendeleyev, em 1869. Naquela poca eram conhecidos apenas 63 elementos, hoje

so conhecidos 107, sendo 92 naturais. O princpio bsico que norteou Mendeleyev

foi de que as propriedades dos elementos so funes peridicas de seus nmeros

atmicos.

A grande contribuio da tabela peridica dos elementos para a qumica foi a

sua capacidade em prever a existncia de elementos desconhecidos, para os quais

Mendeleyev deixou posies vagas na sua tabela.

Com o auxlio da tabela peridica, o estudo da qumica tornou-se muito

sistemtico. A organizao da tabela est relacionada com a configurao eletrnica

dos tomos. A seqncia dos elementos disposta na ordem crescente de seus

nmeros atmicos, em linhas horizontais, denominadas perodos. Tomou-se o cuidado de deixar na mesma coluna, elementos de propriedades qumicas

semelhantes, ou seja, os elementos que esto na mesma coluna vertical formam

compostos semelhantes.

De forma mais descritiva a tabela peridica de Mendeleyev apresenta-se

composta de 7 perodos, duas sries ou famlias de terras raras e de dezoito colunas,

conforme a Fig. 2.4. Existem ainda duas sries ou famlias de terras raras,

denominadas de Lantandeos e de Actindeos. A primeira citada compreende 15 elementos (La ao Lu). Esses quinze

elementos deveriam ficar na terceira casa do sexto perodo, entretanto, por

comodidade foram discriminados numa linha fora da tabela.

A segunda srie, tambm com 15 elementos (Ac ao Lw) deveria ficar na

terceira casa do stimo perodo, mas costuma-se coloc-los numa linha parte.

Cada uma das dezoito colunas rene os elementos qumicos que mais se

assemelham entre si na formao de compostos.

Fig. 2.4 Tabela Perdica de Mendeleyev


19

2.5 - AS LIGAES ATMICAS

Os tomos raramente podem ser encontrados isoladamente., com exceo dos

gases nobres.. Geralmente os tomos tendem a agrupar-se para formar agregados dos

quais resultam as estruturas dos materiais. O estado de agregao pode ser slido,

lquido ou gasoso, dependendo do tipo de direcionalidade e da intensidade das foras

de coeso atmica denominadas de ligaes interatmicas. As foras de ligao interatmica podem ser classificadas segundo sua intensidade em ligaes primrias ou fortes e ligaes secundrias ou fracas, sendo aquelas dez vezes mais intensas que estas. As energias de ligao primrias so da ordem de 100 kcal/mol, enquanto

as consideradas fracas envolvem energia de coeso da ordem de 10 kcal/mol.

As ligaes primrias podem ser de trs tipos:

2.5.1 LIGACES INICAS

A ligao inica, tambm conhecida como eletrovalente, resulta da atrao

entre ons positivos e negativos. Os eltrons de valncia cedidos pelo tomo ionizado

positivamente passam a orbitar na camada de valncia do tomo ionizado

negativamente, formando plos eletrostticos de atrao coulombiana. Um exemplo

tpico de ligao inica o da formao de cristais de cloreto de sdio, o conhecido

sal de cozinha. Assim o tomo do sdio que possui um nico eltron na sua camada

externa, cede este eltron ao tomo de cloro, o qual por sua vez j continha sete

eltrons em sua camada externa. Por meio desta transferncia, a partcula do sdio

fica com a camada externa completa e estvel (igual camada do nenio); a partcula

de cloro tambm fica com a camada externa completa (igual camada de argnio). As

partculas produzidas por transferncias de eltrons, tal como descrito, so conhecidas

como ons. Veja a Fig. 2.5.

As ligaes inicas so caractersticas nos cristais de sais inorgnicos em

geral (cloreto de sdio, cloreto de magnsio, fluoreto de ltio etc) e de certos

compostos cermicos, tais como xido de alumnio, xido de magnsio etc.

Vale observar que neste tipo de ligao h um comprometimento total de todos

eltrons constituintes da ltima camada dos tomos envolvidos na ligao.

2.5.2 LIGAES COVALENTES

Na ligao covalente, um ou mais eltrons so compartilhados, entre dois

tomos gerando uma fora de atrao entre os tomos que participam da ligao.

Nestas condies, seus eltrons de valncia passam a orbitar indiferentemente nas

camadas externas dos tomos envolvidos. Este tipo de ligao muito comum na

maioria das molculas orgnicas.

Ligao Inica

Ligao Covalente

Ligao Metlica


20

Suponha-se, para ilustrar: dois tomos do gs flor combinam-se por meio de

compartilhamento de um par de eltrons, conforme fig.2.6 (d) para formao da

molcula do flor.

. Fig. 2.5 - A transferncia de eltrons na formao do NaCl produz camadas externas estveis. Os ons

negativos e positivos que se formam se atraem mutuamente atravs de foras coulombianas,

constituindo assim as ligaes inicas. ( Adaptado de Maurcio Prates de Campos Filho - "A estrutura

da matria" - Editora da Unicamp - 1991 - SP)

Desta maneira cada tomo fica com a sua camada externa composta por oito

eltrons, como se fosse o gs nenio. Os dois tomos mantm-se ligados por meio das

foras eltricas envolvidas pelo compartilhamento dos eltrons que pertencem aos

orbitais externos de ambos os tomos. Por esta razo, a ligao covalente uma

ligao qumica forte e estvel. Dois tomos de hidrognio combinam-se de forma

similar, assim como o oxignio e nitrognio (Fig. 2.6). A partcula formada pela

combinao de tomos chamada de molcula.Esta combinao pode conter mais de

dois tomos e pode tambm ser constituda de tomos de elementos distintos. Desta

forma a gua formada pela ligao covalente de dois tomos de hidrognio e um

tomo de oxignio

A ligao covalente apresenta freqentemente caractersticas de

direcionalidade preferencial. Em outras palavras, ela geralmente resulta em um

determinado ngulo de ligao, como indicado na Fig. 2.7 que representa a formao

da molcula de gua. Numa ligao covalente ideal, os pares de eltrons so

igualmente compartilhados. Na ligao covalente da gua, por exemplo, ocorre uma

transferncia parcial de carga fazendo com que o hidrognio fique levemente positivo


21

e o oxignio levemente negativo. Este compartilhamento desigual resulta numa

ligao polar. Somente nos casos onde os dois lados da molcula so idnticos, como no H2 e no N2, a ligao totalmente apolar.

A ligao entre tomos distintos tem sempre algum grau de polaridade. Nas

ligaes covalentes observa-se tambm um comprometimento total dos eltrons das

ltimas camadas dos tomos envolvidos.

.

Fig. 2.6 Arranjo esquemtico dos eltrons da camada mais externa, nas ligaes covalentes para: (a) Oxignio; (b) Nitrognio; (c) Hidrognio; (d) flor; (e) Hidreto de flor. (adaptado de Lawrence H. Van Vlack Princpios de Cincia dos Materiais - Edt. Edgard Blcher-SP).

Fig. 2.7 Formao da molcula polar da gua por meio da ligao covalente (Adaptado de Maurcio Prates de Campos Filho A estrutura dos Materiais Editora da Unicamp- 1991 SP)


22

2.5.3 LIGAES METLICAS

A ligao metlica resulta da interao de tomos iguais ou muito similares

que apresentam a tendncia de se ionizar positivamente. Nestas condies os tomos

perdem seus eltrons de valncia e formam ons positivos. Os eltrons assim

liberados, denominados de eltrons livres, formam uma espcie de gs ou nuvem

eletrnica ao redor dos ons, criando um aglomerante eletro-magntico que atrai os

ons positivos em todas direes do espao, mantendo-os ligados fortemente entre si.

Veja a Fig. 2.8.

Fig. 2.8 Representao simplificada da natureza da ligao metlica. A nuvem eletrnica funciona como um aglomerante, mantendo os ncleos positivos unidos.(Adaptado de R. Higgins Propriedades e Estruturas dos Materiais em Engenharia- Difel SP)

Este tipo de ligao peculiar dos metais, como o prprio nome indica. Os

metais tm um, dois ou no mximo trs eltrons de valncia. Estes eltrons

fracamente presos ao ncleo no esto ligados a um nico tomo, mais esto mais ou

menos livres para se movimentar por todo o metal, formando o gs eletrnico. A Fig.

2.9 ilustra a explicao enunciada.

Fig. 2.9 Formao da estrutura do cristal de sdio por meio de uma ligao metlica. (Adaptado de Maurcio Prates de campos Filho A Estrutura dos Materiais- Edit. da Unicamp- SP)

Os tomos de um metal, assim ligados esto distribudos de tal maneira, que

seus ons se posicionam segundo uma configurao cristalina regular. Este tipo de


23

ligao interatmica peculiar dos metais, que constituem cerca de trs quartos dos

elementos existentes. Apenas uma oitava parte dos elementos so no metais (a outra oitava parte so os metalides).

So os eltrons livres, resultantes da ligao metlica, que concedem aos

metais suas principais caractersticas: alta condutividade eltrica e trmica, opacidade,

brilho superficial e deformabilidade plstica.

2.5.4 LIGAES SECUNDRIAS OU FRACAS

As ligaes secundrias ou fracas esto associadas a ligaes primrias

covalentes, como por exemplo, nas estruturas moleculares e recebem a denominao

de foras de van der Waals. Em homenagem ao fsico holands que estudou este tipo

de interao entre as molculas.

A direcionalidade caracterstica das ligaes covalentes causa um

desbalanceamento de carga eltrica, fazendo com que as molculas atuem como

dipolos eltricos e se atraiam entre si , como no caso das molculas de gua, ilustrada

na Fig. 2.10(a).

Os polmeros em geral tm sua estrutura formada por longas molculas

covalentes unidas entre si por meio de ligaes dipolares fracas fornecidas por pontes

de hidrognio e outros radicais. A Fig. 2.10 (b). Ilustra a ligao entre duas cadeias

do polmero PVC.

Por fim deve ser destacado o fato de que em geral, mais de um tipo de ligao estar

atuando na formao da estrutura de um material, podendo haver, isto sim, a

predominncia de um determinado tipo.

Fig. 2.10 (a) Ligaes secundrias entre molculas de gua (Adaptado de Maurcio Prates Campos Filho A Estrutura dos Materiais- Edt. da Unicamp SP) - (b) Ligao secundria entre duas cadeias de PVC ( Adaptado de Angelo Fernando Padilha Materiais de Engenharia- Microestrutura e Propriedades-Edt. Hemus- SP)


24

No caso dos metais, quanto menor o numero de eltrons de valncia do tomo

maior ser a predominncia das ligaes metlicas. o caso do Sdio, Potssio,

Cobre, Prata e Ouro, que apresentam elevada condutividade eltrica e trmica, devido

a alta mobilidade de eltrons livres na formao de suas estruturas cristalinas. No caso

dos metais com elevado numero de eltrons de valncia nos tomos, como o caso do

Nquel, Ferro, Titnio, Tungstnio e Vandio, j aparece uma parcela aprecivel de

ligaes covalentes atuando em conjunto com as ligaes metlicas. Isto tambm

explica a menor condutividade eltrica e trmica destes metais, assim como a sua

maior resistncia mecnica (ligaes reforadas) e seu maior ponto de fuso. A

predominncia das ligaes covalentes em relao s ligaes metlicas j aparece

nos materiais semicondutores como o Germnio, Silcio e Selnio.

De uma maneira generalizada pode-se afirmar que as ligaes metlicas so

tpicas nas estruturas dos elementos esquerda da tabela Peridica de Mendeleyev e

as ligaes covalentes dos elementos direita da mesma, havendo uma proporo

varivel dos dois tipos de ligaes nos elementos intermedirios.

Da mesma forma, as ligaes inicas so peculiares da formao da estrutura

de compostos resultantes da combinao de elementos opostamente situados nos

extremos da tabela Peridica. Se o material composto de elementos no situados nas

extremidades da tabela, haver uma proporo varivel de ligaes inicas e

covalentes na sua estrutura.

Por outro lado combinao de elementos situados direita da tabela pode resultar

em molculas por meio de ligaes covalentes (compostos orgnicos em geral).

Nestas condies as ligaes secundrias surgem para manter as molculas unidas

entre si na estrutura como um todo.

Outra observao importante: a ligao metlica no existe na formao de

compostos orgnicos e inorgnicos. Os compostos cermicos so formados por

ligaes inicas coadjuvadas por ligaes covalentes. Nos compostos cermicos as

ligaes covalentes reforam as ligaes inicas, concedendo a estes materiais alta

dureza e alto ponto de fuso.

No caso dos compostos orgnicos, em particular os polmeros que formam os

plsticos e borrachas, predominam totalmente as ligaes covalentes coadjuvadas

pelas ligaes secundrias (fracas). Observe-se que a ausncia de ligaes metlicas

na formao estrutural dos materiais cermicos e polimricos (ausncia de eltrons

livres) explica a baixa condutividade eltrica e trmica destes materiais, utilizados

muitas vezes como isolantes trmicos e eltricos.

Leitura para reflexo

EM BUSCA DOS TIJOLOS FUNDAMENTAIS DA

MATRIA

Desde Demcrito sabe-se que tudo no mundo feito de tomos. Embora o tomo dos gregos

seja diferente do tomo moderno, a idia de que a matria e feita de entidades fundamentais

indivisveis sobreviveu at hoje como uma das heranas culturais da Grcia Antiga.

O tomo moderno no indivisvel como o dos gregos antigos. Os tomos tm um ncleo

composto pro prtons e nutrons, por sua vez orbitado por eltrons. O mais simples dos tomos o do

hidrognio, cujo ncleo tem apenas um prton e um eltron, enquanto o de urnio tem 92 prtons e 92 eltrons e pode ter at 146 nutrons ! Os fsicos estudaram esse assunto nas dcadas de 30 a 50 e

empregaram processos envolvendo as partculas em nveis de energia cada vez maiores. A idia do

processo fazer colidir objetos coma energias altssimas em fantsticas mquinas denominadas de


25

aceleradores de partculas e ver o que acontece. Por exemplo, a coliso de um prton e um ncleo de um tomo de ouro observada por meio de detectores de partculas, que so mquinas capazes de

fotografar o que acontece durante e aps a coliso. Os resultados surpreenderam os cientistas. Esses

experimentos revelaram a existncia de centenas de outras partculas elementares, resultados da transformao entre energia e massa, prevista pela teoria da relatividade especial de Einstein. A energia

de movimento das partculas transformada em matria, em novas partculas, durante a coliso. A descoberta dessas centenas de partculas conduziu os fsicos a questionar o prprio conceito

de partcula elementar, dado originalmente ao eltron, prton e nutron. Afinal, os fsicos se depararam com uma embaraosa situao; a matria feita de centenas de tijolos fundamentais. Nos

anos 60 o fsico americano Murray Gell-Mann sugeriu de que essas partculas eram compostas por

outras menores que ele chamou de quarks, expresso tirada de um romance do famoso escritor ingls Charles Dickens. A idia proposta por Murray Gell-Mann simples. Do mesmo modo que os

vrios tomos podem ser explicadas por combinaes de prtons, neutros e eltrons, essas vrias

partculas podem ser explicadas por combinaes de apenas alguns quarks. Com isso, os fsicos

chegaram a uma nova classificao das partculas fundamentais da matria: as que so compostas por

quarks e as que no so compostas por eles. As partculas que no so compostas por quarks so

chamadas de lpton, do grego leve. O eltron, por exemplo, um lpton. Os lpton so partculas que

viajam sozinhas. Por sua vez todas as partculas compostas por quarks interagem atravs da fora nuclear forte, responsvel pela coeso do ncleo atmico. Como o ncleo feito de prtons e nutrons,

os prtons sofrem uma repulso eltrica e algo mais forte que essa repulso tem de estar agindo para

manter a coeso do ncleo. Essa cola nuclear a fora nuclear forte e deriva dos quarks que constituem o ncleo atmico. Portanto, prtons e nutrons so feitos por quarks, trs para ser preciso.

Outra caracterstica dos quarks que eles so partculas que esto presas no interior de partculas

maiores e nunca so encontradas isoladamente.

Sabe-se que existem seis quarks, todos observveis em aceleradores de partculas. O mais

pesado o top quark, foi observado em 1996 no Fermilab, notvel laboratrio de pesquisas fsicas existente perto de Chicago EUA. A esses seis quarks so acrescentados seis lptons e com isso chegamos aos 12 tijolos fundamentais da matria, em sua verso atual. Fica no ar a seguinte indagao:

o que acontecer quando os aceleradores de partculas desenvolverem maiores nveis de energia em seus experimentos ?

RESUMO: OS DOZE TIJOLOS FUNDAMENTAIS DA MATRIA

LPTONS QUARKS

Partculas que viajam sozinhas Partculas que esto presas no interior de

outras partculas maiores e nunca so

encontradas isoladamente.

Toda matria

comum formada por este

grupo

ELTRON

Gira em torno do

ncleo atmico e

responsvel pela

eletricidade.

ELTRON-

NEUTRINO

Neutrinos so

partculas sem

carga; bilhes de

eltrons-neutrinos

atravessam o corpo humano a

cada segundo

UP

O prton contm

dois; o nutron

contm apenas um.

DOWN

O nutron contm

dois; o prton

contm apenas um.

A maioria dessas

partculas s existiu

depois do Big Bang

e hoje produzida

apenas em

aceleradores

A matria formada

dessas partculas

chamada de

MON

Parente mais pesado do eltron

TAU

Mais pesado ainda

MON-

NEUTRINO

Surgem em

algumas

desintegraes de

partculas

TAU-

NEUTRINO

CHARM

Parente mais pesado do up

TOP

Recentemente

descoberto

STRANGE

Parente mais prximo do down

BOTTOM

Mais pesado ainda


26

matria extica. Ainda no descoberto, s

existe na teoria

OBSERVAES:

1) ANTIMATRIA: A cada uma das 12 partculas indicadas no quadro anterior, corresponde uma

antipartcula gmea (com a mesma massa e carga trocada). Oantigmeo do eltron o psitron, porque tem carga eltrica positiva.

2) Recomenda-se a leitura dos livros de Marcelo Gleiser: Retalhos Csmicos e A dana do Universo, ambos editados pela Edt. Companhia das Letras. Outro livro interessante e Gigantes da Fsica, de Richard Brennan, capitulo 8, que trata das teorias de Murray Gell-Mann, editado pela Jorge Zahar Editor

CONCEITOS CHAVES

tomo Eltron, prton e nutron

Camadas ou capas eletrnicas Numero quntico principal

Princpio de excluso de Pauli Spin

Magneto de Bohr Numero atmico

Numero de massa Numero de Avogadro

Tabela Peridica de Mendeleyev Ligao inica

Ligao covalente Ligao metlica

Ligao secundria ( van der Waals) Livre percurso mdio

QUESTES PARA ESTUDOS

2.1 Sob o ponto de vista cientifico e tecnolgico explique o que se entende por propriedade de um material e qual a importncia do seu conhecimento, tanto qualitativo, como quantitativo, no estudo da engenharia dos materiais.

2.2 De onde derivam as propriedades dos materiais?

2.3 Enumere a natureza das principais propriedades que interessam mais de perto a tecnologia dos materiais?

2.4 Quais so os critrios utilizados para uma seleo criteriosa dos materiais?

2.5 De quantos modos os tomos se ligam na constituio interna da matria?

2.8 Qual a caracterstica principal apresentada pela estrutura interna de um material gasoso?

2.9 No estado gasoso da matria o que se entende por livre percurso mdio de uma partcula?


27

2.10 A prata cristaliza-se no sistema CFC e seu raio atmico 1,444 A . Qual o comprimento do lado de sua clula unitria?

2.11 Dadas s configuraes eletrnicas abaixo apresentadas, identifique os elementos qumicos que os caracterizam:

a) 1s22s

22p

63s

23p

5

b) 1s22s

22p

63s

23p

64s

1

c) 1s22s

22p

4


28

CAPITULO III

Neste capitulo abordado os diversos estados da matria. Todos os elementos

e seus compostos podem existir sob a forma de gases, lquidos e slidos. O estado no

qual um elemento ou um composto existe, depende da combinao de temperatura e

presso a que o mesmo est submetido Em especial ser discutido neste captulo as

estruturas cristalinas e no cristalinas dos slidos.

3.1 O ESTADO GASOSO

Neste estado os tomos ou molculas do composto esto em movimento

contnuo e aleatrio e colidem entre si e com as paredes do recipiente que os contm.

As colises contra as paredes do recipiente do origem presso exercida pelo gs.

Considerando o volume do gs constante, devido expanso restringida, o resultado

que a presso ir aumentar com o aumento das colises com as paredes do recipiente.

Esse movimento randmico das partculas deve sua descoberta ao botnico

Robert Brown, em 1827 e so peculiares nos gases e nos lquidos, tendo isto levado

formulao da teoria cintica da matria.

Este estado da matria , portanto, caracterizado pela desordem total ou

caos.A velocidade mdia dos tomos ou molculas de um gs proporcional a

temperatura absoluta e pode ser encontrada pela frmula:

______

Vm = 3kT/m m/s (3.1) Onde:

Vm = velocidade mdia m/s

k = constante de Boltzman (1,38 x 10-23

J/K)

T = temperatura absoluta Kelvin

m = massa molecular do gs, gramas.

Exemplo: o hidrognio a 300 K, a velocidade mdia de suas partculas de

1600 m/s. Na sua catica e permanente agitao trmica os tomos ou molculas do

gs esto tambm continuamente colidindo umas com as outras.A distncia mdia que

uma molcula do gs poder percorrer antes de colidir com outra molcula chamada

de livre percurso mdio (). O caminho mdio livre depender da densidade do gs. Exemplo: um gs posto a 1 atmosfera de presso (que corresponde a 101.300

pascal unidade de presso do SI) e a uma temperatura de 273 K apresenta um livre percurso mdio de 10-5 cm.

3.2 O ESTADO LQUIDO

Se no estado gasoso a temperatura baixar a energia mdia dos tomos decresce

e pode-se atingir um nvel de energia mdia, no qual as foras de Van der Waals que

atuam entre os tomos so capazes de sobrepor-se ao movimento cintico dos tomos.

Ento, aqueles tomos que estiverem em nvel energtico menor que a energia

cintica mdia, atraem-se mutuamente, de tal maneira, que se juntam. Deste modo

eles se condensam, formando gotas de lquidos que caem sob a ao da gravidade.

Neste ponto, o restante da energia cintica transforma-se em calor (calor latente de


29

vaporizao). Nos lquidos no existe arranjo ordenado dos tomos ou molculas;

estas partculas ainda esto livres para movimentar-se, isto , um lquido possui

mobilidade. Nos lquidos, os tomos ou molculas resvalam umas sobre as outras e

variam algo em suas localizaes mtuas Continuam estando juntas, mas no detm

uma disposio regular determinada; em lugar disso o agrupamento de molculas

varia continuamente em torno de uma posio dada.

A natureza da agitao trmica de uma molcula no lquido difere daquela no

gs, no obstante as molculas de um lquido se moverem em zig-zag, contudo, elas

demoram-se por um certo tempo em cada ponto de mudana de direo, onde vibram

com a uma freqncia de 1012

a 1013

c/s. So vibraes trmicas dadas pela expresso:

F = kT/ h onde: (3.2)

h= constante de Planck (6,6262 x 10-34

J.s)

k=constante de Boltzman (1,38 x 10-23

J/K)

T=temperatura absoluta Kelvin

A mais importante caracterstica dos lquidos a viscosidade e esta resulta do

atrito interno entre as partculas que oferecem ao escorregamento de umas sobre as

outras. A viscosidade pode ser concebida como o coeficiente de resistncia ao

escoamento. Os lquidos so mais viscosos que os gases, pois aqueles tm uma

densidade muito maior.

A viscosidade pode ser definida a partir da lei de Stockes, cuja expresso

formulada a seguir:

v = F / 6r (3.3)

v a velocidade desenvolvida por um corpo esfrico de raio r, impelido por uma

fora F num lquido cuja viscosidade dinmica . No SI a viscosidade dinmica expressa em Pa.s, e no sistema CGS medida em Poise. Denomina-se viscosidade

cinemtica dos lquidos o quociente da sua viscosidade dinmica pela sua densidade.

As unidades usadas para viscosidade cinemtica nos sistemas SI e CGS so

respectivamente m2/s e cm

2/s, esta ltima tambm chamada de stocke,

abreviadamente St. O inverso da viscosidade denominado de fluidez.Na Tabela 3.1 esto indicados os valores da viscosidade dinmica de alguns lquidos

A viscosidade dos lquidos pode ser medida por vrios processos empricos.

Um mtodo clssico baseado na medida do tempo despendido para uma certa

quantidade de lquido fluir atravs de um orifcio. Usando o viscosmetro de Engler

verifica-se quanto mais lento

Tabela 3.1

103 Pa.s 10

3 Pa.s

gua 1,01 lcool metilico 0,59

Mercrio 1,69 lcool etlico 1,19

Benzeno 0,65 ter 0,23

Glicerina 850

Temperatura considerada de 20oC

o lquido se escoa em relao a uma mesma quantidade de gua a 20oC. O resultado

expresso em grau Engler, o qual apresenta o inconveniente de no poder ser utilizado


30

nos clculos de viscosidade, segundo as definies dadas anteriormente. Entretanto,

conduz a uma melhor avaliao fsica desta grandeza. Veja a ilustrao da Fig. 3.1.

Existem outros tipos de viscosmetros, tais como o de Sherwood (usado na Gr-

Bretanha) e o de Saybolt, empregado nos Estados Unidos. O viscosmetro de Engler

muito utilizado na.Europa

Continental.

Fig. 3.1 Viscosmetro de Engler (adaptado de A. Remy/ M. Gay e R. Gonthier Materiais -Edt. Hemus - SP).

O recipiente em lato A contm o lquido do qual se quer conhecer a viscosidade. O recipiente B contm

gua. Um corpo de aquecimento (resistncia) C permite levar a gua temperatura desejada, com ajuda do termmetro D. o termmetro e indica a temperatura de ensaio do lquido a medir.

Quando esta temperatura atingida eleva-se a haste F. o lquido escorre pelo bocal G na proveta I. Duas marcas H1 e H2 indicam um volume de 200 cm

3. Desde que o nvel atinja H1, aperta-se um cronmetro, e depois se desliga quando o lquido chega a H2. Os graus de Engler representam o quociente do tempo de escoamento de 200 cm3 do lquido considerado pelo tempo de escoamento de 200 cm3 de gua a 20oC, sendo as duas medidas feitas atravs de um mesmo orifcio de 2,8 mm de dimetro interno.

Tendo assim o tempo de escoamento T de 200 cm3 de lquido temperatura de toC, dividimos este tempo pelo tempo de escoamento Te de 200 cm

3 de gua destilada a 20oC. Este ltimo tempo dado por um nmero que caracterstico do viscosmetro; este valor prximo de 51,65 s. Assim temos; oEt = T / Te.

3.3 O ESTADO SLIDO

A uma temperatura mais baixa, o lquido comea a solidificar-se. Este um

processo onde os tomos ou as molculas passam de um estado desordenado para um

estado de arranjo no espao, ou seja, as partculas ocupam posies definidas no

espao, porm vibram em torno de uma posio de equilbrio. A natureza dos

deslocamentos das molculas ou tomos diversa daquela apresentada pelos lquidos

e gases

Os slidos so divididos em trs grupos, de acordo com o arranjo da sua

estrutura interna: cristais, amorfos e mistos.


31

Os cristais so caracterizados por uma rigorosa e regular ordem de arranjo das

suas partculas constituintes no espao, formando as denominadas estruturas

cristalinas.

Os slidos amorfos so caracterizados pela falta de uma ordem regular das

posies relativas no espao das suas partculas constituintes. O prprio vocbulo

amorfo significa sem forma.

Costuma-se denominar os slidos amorfos de lquidos super resfriados.

Exemplos: o vidro, as resinas etc. O material amorfo difere do cristalino porque no

tem ponto de fuso definido. Por fim os slidos de estrutura mista so aqueles em que seus elementos

constituintes esto na fase cristalina e amorfa. Exemplo: os materiais cermicos.

3.3.1 AS ESTRUTURAS CRISTALINAS

A maioria dos materiais usados pela engenharia, em particular os metais

apresenta-se sob a forma de estrutura cristalina. Isto , segundo um arranjo atmico

no qual os tomos (ons) se agrupam ordenadamente no espao, obedecendo a um

padro repetitivo e sistemtico nas trs dimenses, dando lugar formao de um ou

mais cristais. O material de estrutura cristalina pode ser monocristalino (um nico

cristal) ou policristalino (constitudos de diversos cristais unidos entre si pelos seus

limites). A forma policristalina a mais freqentemente encontrada.

O trabalho mais importante descrevendo e classificando os reticulados

cristalinos deve-se ao fsico francs Auguste Bravais. Segundo este fsico existem sete

sistemas primrios de reticulados, a seguir enumerados: cubico, hexagonal,

tetragonal, ortorrmbico, rombodrico, monoclnico e triclnico. Observe a Fig. 3.2

Estes sistemas podem estar arranjados de 14 maneiras diferentes. Assim tem-

se o sistema cubico de corpo centrado (CCC) e o sistema cbico de face centrado

(CFC), ilustrados na Fig. 3.3.

Um dos parmetros que determinam o tipo de estrutura cristalina o nmero

de coordenao, definido como o nmero de tomos vizinhos a qualquer tomo da

estrutura. Os nmeros de coordenao das estruturas CFC e CCC da fig 3.3 so 12 e 8

respectivamente. Numa rede cristalina, a menor unidade geomtrica tridimensional

que se repete denominada de clula elementar da rede.

Grande parte dos slidos se apresenta sob forma cristalina, em especial a

maioria dos metais comuns se cristaliza no sistema cubico.

CFC (cubo de face centrada) Ag, Al, Au, Cu, Ni, Pt , Fe- etc.

CCC (cubo de corpo centrado) Cr, K, Li, W, Mo, Na, Fe- etc. No sistema hexagonal (H) temos os seguintes metais: Be, Cd, Mg, Zn etc.

Veja a Fig. 3.4:

Um exemplo muito lembrado do cristal de cloreto de sdio, cristalizado no

sistema cbico de face centrada (CFC), veja Fig. 3.5.

As substncias cristalinas exibem anisotropia de varias propriedades, tais

como: constantes elsticas, constantes ticas, condutividade eltrica e trmica,

dilatao trmica e at a reatividade qumica de suas superfcies depende da

orientao cristalina (anisotropia significa que o material tem propriedades variveis

com a direo).


32

Fig. 3.2 Os 14 reticulados de Bravais. (Adaptado de Lawrence Van Vlack Princpios de Cincia dos Materiais Edt. Edgard Blcher SP).

3.3.2 ESTRUTURAS AMORFAS

Como foi salientado nem todos slidos so cristalinos. Assim alguns

apresentam um arranjo de seus tomos ou molculas com uma configurao

geomtrica irregular, decorrendo da o uso da expresso amorfo, ou seja, sem forma

definida. Situam-se nesta classificao os vidros e as resinas termofixas. Costuma-se

chamar os slidos amorfos como lquidos super esfriados e de fato, sob o ponto de

vista estrutural no existem diferenas significativas entre um slido amorfo e um

lquido. Por conveno, a viscosidade utilizada para distinguir um vidro de um

lquido; acima de 1015

poise, a substncia considerada amorfa.

Estes slidos amorfos no se fundem a uma temperatura definida, como no

caso dos materiais cristalinos. Ao contrrio, eles amolecem, gradualmente, tornando-

se mais fludos e com o aspecto de lquidos com elevada viscosidade. .As substncias

amorfas so habitualmente isotrpicas.

Fig. 3.3 Clulas unitrias, supondo-se serem os tomos esferas rgidas: a) cubica de faces centradas e b) cbicas de corpo centrado (Adaptado de ngelo Fernando Padilha Materiais de Engenharia Microestruturas propriedades da Edt). Hemus SP)


33

Fig. 3.4 Fig. 3.5

Fig. 3.4 Estrutura hexagonal compacta. (a) Vista esquemtica, mostrando a localizao dos centros dos tomos. (b) Modelo de esferas rgidas. Fig. 3.5 Estrutura tridimensional do cloreto de sdio. O ction de sdio igualmente atrado por todos os seis nions de clore que o cercam. (Ambas figuras adaptadas de Lawrence Van Vlack Princpios de Cincia dos Materiais - Edt. Edgard Blcher SP).

3.3.3 ESTRUTURAS MISTAS

Classificam-se neste grupo as resinas termoplsticas e as cermicas. Nestes

materiais ocorrem regies cristalinas em uma matriz amorfa, ou seja, apresentam um

certo grau de cristalinidade.

3.4 CLASSIFICAO DOS MATERIAIS SLIDOS

Os diversos materiais slidos podem ser classificados segundo suas

composies, suas microestruturas ou por suas propriedades.

Normalmente so considerados trs grandes grupos de materiais:

Os metais e suas ligas

Os polmeros orgnicos

As cermicas.

Esta classificao pode ser mais bem entendida com a ajuda da Tabela Peridica

de Mendeleyev, na Fig. 2.4. parte da esquerda e centro da Tabela esto ocupados

pelos metais, ou seja, quase 2/3. A parte da direita preenchida pelos denominados

no-metais, como por exemplo, o oxignio.

No domnio intermedirio, entre os metais e no metais, encontram-se um certo

numero de elementos como o carbono, silcio e germnio, chamados de

semicondutores e que escapam a uma classificao mais simples.

Os metais, na temperatura ambiente so slidos atmicos (a exceo do mercrio

que se apresenta no estado lquido na temperatura ambiente). Os metais mais

utilizados so o ferro, alumnio e o cobre. As ligas metlicas so em geral

combinaes de dois, ou de vrios elementos como, por exemplo, o lato (liga de


34

cobre e zinco) e o bronze (liga de cobre e estanho), entretanto, as ligas podem conter

elementos no metlicos. Entre estes ltimos encontra-se, por exemplo, os aos que

so ligas de ferro e carbono.

Os metais se caracterizam por sua alta condutividade eltrica e trmica. So

opacos luz visvel e podem receber polimento at que assumem grande brilho. Alm

do mais so freqentemente duros e rgidos e plasticamente deformveis. O que faz

com o que os metais apresentem tais caractersticas? Isso se deve ao fato de que os

metais perdem com facilidade os eltrons a fim de formar a ligao metlica. Ou seja,

os eltrons so deslocveis e podem facilmente transferir carga eltrica e energia

trmica.

Os polmeros orgnicos so materiais compostos de molculas que formam

geralmente longas cadeias de tomos de carbono sobre as quais esto fixados

elementos tais como o hidrognio e o cloro, ou de agrupamentos de tomos como o

radical metil (-CH3). Outros elementos podem, como o enxofre, nitrognio, silcio

etc., podem igualmente integrar a composio da cadeia. Diferentemente dos metais,

os quais dispem de eltrons migrantes (livres), os elementos no metlicos do canto

superior direito da Tabela Peridica tm uma afinidade para atrair ou compartilhar

eltrons, portanto apresentam ligaes predominantemente covalentes.

Os polmeros orgnicos apresentam propriedades bastante diversificadas

(vidros plsticos, borrachas etc.) So quase todos isolantes eltricos e trmicos,

so leves e fceis de serem moldados. Contrariamente aos metais eles so pouco

rgidos e no suportam, maior parte do tempo, a temperaturas superiores a

200oC.

Os polmeros mais conhecidos so o polietileno, policloreto de vinila (PVC),

poliamidas (nylon), o poliestireno, o metacrilato de metila (Plexiglass) de

politetrafluoretileno (teflon) entre outros numerosos polmeros.

As cermicas so materiais inorgnicos e que resultam da combinao de um certo

numero de elementos metlicos (Mg, Al, F...) com elementos no metlicos, onde o

mais correntemente encontrado o oxignio. Tais compostos apresentam tanto

ligaes inicas como covalentes. Originariamente o termo cermica ara reservado

aos xidos de silcio e alumnio (SiO2 e Al2O3), contudo, de mais a mais a tendncia

alargar esta classificao e incluir entre elas as combinaes de tomos como carbono

e tungstnio (WC) ou (SiC), obtidos por meio de processos de aglomerao trmica

(sinterizao).

Os materiais cermicos se distinguem por suas caractersticas de refratarias,

ou seja, eles so materiais que apresentam alta resistncia a temperaturas

elevadas e boas propriedades mecnicas. A maior parte deles so isolantes

eltricos e trmicos, muito embora, entre eles se encontrem os melhores condutores

trmicos (exemplos; o diamante, o grafite etc.) As cermicas so em geral muito

duras e frgeis. Os vidros minerais, que so combinaes de xidos (SiO2 + Na2O +

CaO) e tem uma estrutura amorfa, pertencem igualmente a classe dos materiais

cermicos.


35

Os trs tipos de materiais podem ser combinados para formar uma nova classe

chamada de compsitos. So materiais constitudos de dois ou de vrios outros

materiais diferente, que se combinam de forma sinrgica as suas propriedades

especificas.A palavra sinergia deriva do grego, que significa cooperao. Sinergia , portanto, a associao simultnea de vrios fatores que contribuem para uma ao

coordenada. Um interessante exemplo de compsito a associao de resinas de

epoxy (polmeros) com fibras de vidro e que formam um compsito leve e de alta

resistncia mecnica, encontrada em algumas estruturas de automveis. O concreto

armado outro compsito muito usado e que resulta da combinao de cimento, ferro

e brita.

A diviso dos materiais nas trs classes aqui apresentadas baseada, sobretudo

em suas caractersticas atmicas, estruturais e sobre suas propriedades. Ela

evidentemente cmoda, mas arbitrria. As trs categorias no so nitidamente

delineadas. Assim so encontrados certos materiais, os silicones, por exemplo, cuja

natureza intermediria entre os materiais cermicos e polimricos; analogamente

materiais como o GaAs (arsenieto de glio) que um semicondutor pode ser

METAIS E LIGAS METALICAS Fe, Al, Cu, lato, aos, bronze.

CERAMICAS POLIMEROS

AL2O3, SiC ORGANICOS

Vidros

Concreto

Armado

Fios de ao +

borracha

(pneumticos)

Fibras de vidro + epoxy

Fibras de carbono + epoxy


36

classificado quer seja como metal, quer seja como material cermico. Finalmente o

grafite que no se encaixa em nenhuma das trs categorias, j que apresenta

propriedades comuns com as trs. A condutividade eltrica no apangio dos metais,

desde que certos xidos como o xido de vandio (que um material cermico)

conduz eletricidade, bem como alguns polmeros orgnicos.

3.5 - ALGUMAS CONCLUSES

A engenharia lida basicamente com materiais e energia sob as suas mais

diversas formas. Cabe ao engenheiro adaptar materiais e energia visando a obteno

de utilidades para a sociedade. Para isso esfora-se em selecionar materiais com

propriedades timas e que atendam de forma mais adequada possvel aos seus

propsitos, tanto em termos tcnicos como econmicos.

Para efetuar este processo seletivo dos materiais, de forma criteriosa, ele

precisa ter um ntimo conhecimento das propriedades e caractersticas dos materiais

que ele se propem a usar.

As propriedades so as reaes que os materiais oferecem aos estmulos externos e

so fatores limitadores do seu prprio campo de aplicao.

Como j citado anteriormente, as propriedades dos materiais podem ser

agrupadas em seis categorias de acordo com a natureza do estmulo (ou agente

externo atuante sobre os materiais), conforme quadro abaixo apresentado:

As propriedades e o comportamento de um material originam-se na sua

estrutura interna, onde os eltrons, particularmente os mais afastados do ncleo, so

os que mais afetam a maioria dessas caractersticas. So esses eltrons da ultima

camada do tomo que determinam as propriedades qumicas, estabelecem a natureza

das ligaes interatmicas, controlam o tamanho do tomo, afetam a condutividade

eltrica e influenciam as caractersticas ticas dos materiais.

PROPRIEDADES

ESTMULOS

(AGENTES

EXTERNOS) Mecnicas Foras aplicadas

Trmicas Excitao trmica (calor)

Eltricas Campos eltricos

Magnticas Campos magnticos

ticas Radiaes eletromagnticas

(luz)

Qumicas Reatividade dos elementos

qumicos

Em decorrncia disso o engenheiro pode selecionar e tambm modificar as

estruturas internas dos materiais, visando o atendimento das exigncias do projeto

desejado, da mesma forma que o projetista de um circuito eltrico altera seus


37

componentes eltricos. Entretanto, para fazer isso necessrio conhecer as relaes

entre as estruturas internas dos materiais e as suas propriedades.

Os materiais necessitam ser processados para atingir as especificaes que o

engenheiro requer para o produto projetado. O processamento usualmente envolve

mais do que uma simples mudana de forma seja por tratamentos trmicos, mecnicos

e qumicos. No raro, o processo de fabricao muda s propriedades de um material.

Modificaes das propriedades devem ser esperadas sempre que o processo de

fabricao alterar a estrutura interna do material.

Por fim, um material, na forma de produto acabado, possui um conjunto de

propriedades, escolhidas para atender as exigncias do projeto. Ele manter essas

propriedades indefinidamente, desde que no haja mudana na sua estrutura interna.

Esse aspecto caracteriza o desempenho esperado do material. Entretanto, se o material

for submetido a uma condio de servio capaz de alterar sua estrutura interna, deve-

se esperar que as propriedades e o seu desempenho mudem.

CONCEITOS CHAVES

Viscosidade Estrutura cristalina

Sistemas cristalinos Estrutura amorfa

Estrutura Estrutura mista

QUESTES PARA ESTUDO

3.1 possvel calcular a velocidade de deslocamento de uma partcula do gs?

3.2 Qual a caracterstica principal que um material no estado lquido apresenta?

3.3 Enuncie a lei de Stockes. E qual a unidade usada no SI para medir a viscosidade?

3.4 Explique o funcionamento do viscosmetro de Engler?

3.5 Baseado no funcionamento do viscosmetro de Engler indique (explicando) qual dos lquidos A ou B apresenta maior fluidez, sabendo-se que o lquido A tem uma

viscosidade de 2,5 graus Engler e o lquido B de 1,8 grau Engler.

3.6 O que se entende por viscosidade cinemtica e quais as unidades usadas para medi-la?

3.7 Em qual sistema cristalino a maioria dos metais se organiza espacialmente?


38

3.8 A prata cristaliza-se no sistema CFC e seu raio atmico 1,44 A. Qual o comprimento do lado de sua clula unitria?

3.9 Quais os tipos de ligaes qumicas existentes nos materiais metlicos, cermicos e polimricos?

3.10 O que so compsitos? D alguns exemplos.

Tecnologia Dos Materias - Prof. Aelfo Luna Marques

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