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AULA 01 - INTRODUÇÃO A CIÊNCIAS DOS MATERIAIS CONTEÚDO PROGRAMÁTICO História Classificação Dos Materiais 1. HISTÓRIA Habilidades de manuseio de materiais: ▪Idade das Pedras; ▪Idade do Bronze; ▪Idade do Ferro; Hoje em dia. 2. CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS...

AULA 01 - INTRODUÇÃO A CIÊNCIAS DOS MATERIAIS CONTEÚDO PROGRAMÁTICO História Classificação Dos Materiais 1. HISTÓRIA Habilidades de manuseio de materiais: ▪Idade das Pedras; ▪Idade do Bronze; ▪Idade do Ferro; Hoje em dia. 2. CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS METAIS: Materiais que contêm um ou mais elementos metálicos, como ferro, alumínio, cobre, titânio, ouro e níquel. Características: ○ Rígidos e resistentes a fraturas. ○ Dúcteis (capacidade de serem deformados sem quebrar). ○ Excelentes condutores de eletricidade e calor. ○ Não são transparentes à luz visível. ○ Alguns possuem propriedades magnéticas desejáveis. Aplicações comuns incluem construção civil, engenharia mecânica, elétrica e em dispositivos eletrônicos. CERÂMICAS: São compostos formados entre elementos metálicos e não metálicos, geralmente óxidos, nitretos e carbetos. Exemplos incluem óxido de alumínio, dióxido de silício, carbeto de silício, nitreto de silício, minerais argilosos (porcelanas), cimento e vidro. Características: ○ Rígidas e resistentes, mas extremamente frágeis. ○ Isolantes de calor e eletricidade. ○ Podem ser transparentes, translúcidos ou opacos. ○ Alguns cerâmicos, como o Fe3O4, exibem comportamento magnético. POLÍMEROS: Incluem materiais plásticos e borracha, compostos principalmente de elementos orgânicos como carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e silício. Características: ○ Pouco rígidos e pouco resistentes em comparação com metais e cerâmicas, mas apresentam densidade reduzida. ○ São extremamente dúcteis e flexíveis. ○ Muitos polímeros são quimicamente inertes e não reagem em muitos ambientes. ○ Baixa condutividade elétrica. ○ Podem ser transparentes, translúcidos ou opacos. ○ Desvantagem: amolecem ou decompõem em temperaturas moderadas. COMPÓSITOS: Compostos por dois ou mais materiais diferentes, combinando-os para obter propriedades superiores. Exemplo: Fibra de vidro, onde pequenas fibras de vidro são inseridas em uma matriz polimérica (como epóxi ou poliéster), resultando em um material resistente e rígido. Outro exemplo: Fibra de carbono, conhecida pela alta resistência e leveza, usada em aplicações de alta performance.  AULA 02 - CIÊNCIAS DOS MATERIAIS CONTEÚDO PROGRAMÁTICO Estrutura Atômica e Ligação Atômica; Ligações Metálicas; Estrutura dos Sólidos Cristalinos; Cálculo de massa específica. 1. POR QUE ESTUDAR AS LIGAÇÕES ATÔMICAS? As ligações atômicas influenciam diretamente nas propriedades dos materiais, como resistência, ductilidade, condutividade térmica e elétrica, entre outros. Por exemplo, a diferença nas propriedades entre o grafite e o diamante, embora ambos sejam compostos por átomos de carbono, deve-se à forma como os átomos estão ligados: Grafite: os átomos de carbono formam camadas que deslizam facilmente, o que resulta em um material macio. Diamante: os átomos de carbono estão fortemente ligados em uma estrutura tridimensional, resultando em um material extremamente duro. Essa diferença na organização atômica explica o comportamento distinto entre materiais com a mesma composição química. 2. ESTRUTURA ATÔMICA Os átomos são compostos por um núcleo central contendo prótons e nêutrons, circundado por elétrons em movimento. Prótons possuem carga positiva e os elétrons, carga negativa, enquanto os nêutrons são neutros. As massas aproximadas de cada partícula são: Prótons: 1,673.10⁻²⁴g Nêutrons: 1,675.10⁻²⁴g Elétrons: 9,109.10⁻²⁸g As cargas elétricas são: Prótons: +1,602.10⁻¹⁹ C Elétrons: -1,602.10⁻¹⁹ C Modelo Atômico de Bohr O modelo de Bohr propõe que os elétrons ocupam órbitas definidas ao redor do núcleo, com cada órbita associada a um nível de energia. Mudanças de energia ocorrem quando os elétrons saltam entre esses níveis: Absorção de energia ocorre ao saltar para um nível mais alto. Emissão de energia ocorre ao saltar para um nível mais baixo, emitindo fótons. Tabela Periódica Os elementos são organizados conforme sua configuração eletrônica. Elementos em um mesmo grupo (coluna) possuem elétrons de valência similares, o que lhes confere propriedades químicas parecidas. Eletronegatividade A eletronegatividade é a capacidade de um átomo de atrair elétrons e varia de 0 a 4,1. Ela explica a natureza das ligações entre átomos, como ligações covalentes ou iônicas. Características dos Elementos Químicos Número Atômico (Z): Número de prótons no núcleo, o que define o elemento.  Massa Atômica (A): Soma de prótons e nêutrons no núcleo (A = P + N). Isótopos têm o mesmo número de prótons, mas diferentes números de nêutrons. Exemplo: Hidrogênio (¹H): 1 próton, 0 nêutrons. Deutério (²H): 1 próton, 1 nêutron. Trítio (³H): 1 próton, 2 nêutrons. Um átomo é neutro quando o número de prótons é igual ao número de elétrons. Exemplos: Hidrogênio (Z = 1): 1 próton e 1 elétron. Carbono (Z = 6): 6 prótons e 6 elétrons. A massa atômica é a massa de 1 mol de átomos de um elemento, onde 1 mol contém 6,02×1023 átomos (Número de Avogadro). A densidade de um material depende de sua massa atômica e do arranjo atômico, e a temperatura de fusão e ebulição relaciona-se ao peso molecular das moléculas. O peso atômico (ou massa atômica) é a média ponderada das massas dos isótopos de um elemento. A unidade de medida é a unidade de massa atômica (u), onde 1 u = 1,66053906660.10−27 kg. Por exemplo, o peso atômico do hidrogênio é 1,008 u, e sua massa é aproximadamente 1,674×10−24 gramas. 3. ESTRUTURA DOS SÓLIDOS CRISTALINOS A estrutura cristalina de um sólido refere-se ao arranjo periódico de átomos ou íons em uma rede tridimensional. No caso dos metais, a organização dos átomos em estruturas cristalinas influencia diretamente propriedades como densidade, condutividade e resistência. Existem três principais tipos de redes cristalinas nos metais: Cúbica de Face Centrada (CFC): ○ Exemplo: cobre, alumínio, ouro. ○ Cada célula unitária possui átomos nos vértices e nas faces de um cubo. ○ Comprimento da aresta de uma célula unitária: a = 2R√2 ○ Número de coordenação: 12 ○ Nos metais, todos os átomos possuem o mesmo número de vizinhos mais próximos ou átomos em contato. ○ Fator de empacotamento atômico (FEA): 0,74. ○ É a soma dos volumes das esferas de todos os átomos no interior de uma célula unitária 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑜𝑠 á𝑡𝑜𝑚𝑜𝑠 𝑒𝑚 𝑢𝑚𝑎 𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎 𝑢𝑛𝑖𝑡á𝑟𝑖𝑎 𝐹𝐸𝐴 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑎 𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎 𝑢𝑛𝑖𝑡á𝑟𝑖𝑎 Cúbica de Corpo Centrado (CCC): ○ Exemplo: ferro à baixa temperatura (ferrita-α), tungstênio. ○ Possui átomos nos vértices e um átomo no centro da célula unitária. ○ Comprimento da aresta de uma célula unitária: a = 4R/√3 ○ Número de coordenação: 8 ○ Nos metais, todos os átomos possuem o mesmo número de vizinhos mais próximos ou átomos em contato. ○ Fator de empacotamento atômico (FEA): 0,68.  Hexagonal Compacta (HC): ○ Exemplo: titânio, magnésio. ○ Estrutura mais densa, com arranjo hexagonal. ○ Comprimento da aresta de uma célula unitária: a = 4R/√3 ○ Número de coordenação: 12 ○ Nos metais, todos os átomos possuem o mesmo número de vizinhos mais próximos ou átomos em contato ○ Fator de empacotamento atômico (FEA): 0,74 Essas estruturas são cruciais para entender transformações de fase em metais. O ferro, por exemplo, sofre mudanças alotrópicas: De 0 a 912°C, apresenta estrutura CCC (ferrita-α). De 912 a 1394°C, adota a estrutura CFC (austenita). De 1394 a 1536°C, retorna à estrutura CCC (ferrita-δ). 4. CÁLCULO DE MASSA ESPECÍFICA A massa específica ou densidade de um material cristalino depende da estrutura atômica e do arranjo dos átomos na célula unitária. A fórmula para calcular a densidade é: 𝑁×𝐴 ρ = 𝑉 ×𝑁 𝐶 𝐴 Onde: N é o número de átomos na célula unitária. A é a massa atômica do elemento. VC​é o volume da célula unitária. NA​ é o número de Avogadro (6,022.1023 átomos/mol). Esse cálculo é importante para prever a densidade teórica dos materiais e compará-la com valores experimentais, como no caso do cobre, cuja densidade teórica e experimental são comparadas para validar o modelo.  AULA 03 - CIÊNCIAS DOS MATERIAIS CONTEÚDO PROGRAMÁTICO Alotropia e Polimorfismo. Sistemas Cristalinos. Pontos, Direções e Planos Cristalográficos. Densidade Linear e Planar. Imperfeições nos sólidos. ▪ Solidificação e Contornos de grãos. ▪ Defeitos Pontuais. ▪ Defeitos Lineares. ▪ Defeitos Interfaciais. ▪ Microscopia. 1. ALOTROPIA E POLIMORFISMO Alotropia refere-se à capacidade de um elemento químico existir em mais de uma forma estrutural no estado sólido, com diferentes arranjos atômicos. Por exemplo, o carbono pode existir como diamante (estrutura cristalina cúbica) ou grafite (estrutura hexagonal). Polimorfismo é o fenômeno semelhante, mas aplicado a compostos, onde uma substância pode ter mais de uma forma cristalina. Um exemplo é o óxido de ferro, que pode ter diferentes estruturas cristalinas dependendo da temperatura e da pressão. 2. SISTEMAS CRISTALINOS Os sistemas cristalinos descrevem o arranjo tridimensional de átomos em uma rede. Existem sete sistemas cristalinos principais, que descrevem a forma como os átomos se organizam no espaço: Cúbico Tetragonal Ortorômbico Hexagonal Romboédrico Monoclínico Triclínico Esses sistemas são fundamentais para entender as propriedades anisotrópicas dos materiais, onde as propriedades variam dependendo da direção em que são medidas. 3. PONTOS, DIREÇÕES E PLANOS CRISTALOGRÁFICOS Pontos Cristalográficos são usados para descrever a posição de átomos ou íons dentro de uma célula unitária. Direções Cristalográficas referem-se a linhas entre dois pontos em uma célula unitária e são descritas por vetores. Planos Cristalográficos são superfícies planas que cortam a célula unitária. Estes são definidos pelos índices de Miller, que representam a orientação dos planos em uma estrutura cristalina. Essas direções e planos são importantes em fenômenos como deformações plásticas e a difração de raios-X. 4. DENSIDADE LINEAR E PLANAR  Densidade Linear refere-se ao número de átomos ao longo de uma direção específica em uma estrutura cristalina. Densidade Planar é o número de átomos por unidade de área em um plano específico da célula unitária. Esses conceitos são importantes na determinação de propriedades mecânicas, como a resistência e a ductilidade dos materiais. 5. IMPERFEIÇÕES NOS SÓLIDOS Imperfeições ou defeitos nos sólidos podem ocorrer em diferentes escalas, e influenciam diretamente as propriedades dos materiais, como a resistência e a capacidade de deformação. TIPOS DE IMPERFEIÇÕES ➔ DEFEITOS PONTUAIS Os defeitos pontuais são imperfeições localizadas em um ou poucos átomos na estrutura cristalina. Eles podem ocorrer naturalmente ou devido a processos como deformações, tratamentos térmicos ou a adição de impurezas. a) Lacuna (Vacância) Uma lacuna é um defeito em que um átomo que normalmente ocuparia um sítio cristalino está ausente, deixando um "espaço vazio". As lacunas afetam propriedades como a difusão e a condutividade. A quantidade de lacunas em equilíbrio (NL) para uma dada quantidade de material depende da temperatura, e sua formação segue a equação: 𝑄𝐿 𝑁𝐿 = 𝑁 ⋅ 𝑒𝑥𝑝⁡(− 𝑘𝑇) Onde: N é o número total de sítios atômicos. QL é a energia necessária para a formação de uma lacuna. T é a temperatura absoluta em Kelvin. k é a constante de Boltzmann (1,38.10-23 J/átomo·K ou 8,62.10-5 eV/átomo·K). A equação mostra que o número de lacunas aumenta exponencialmente com a temperatura. b) Auto-intersticial Um auto-intersticial é um defeito onde um átomo do material ocupa um sítio intersticial (um espaço entre os átomos da estrutura cristalina que normalmente estaria vazio). Como esses átomos são comprimidos em uma área pequena, eles causam grandes distorções na rede e são raros em metais devido ao custo energético alto. c) Impurezas A maioria dos metais não é completamente pura, apresentando impurezas que podem alterar significativamente suas propriedades. Em certos casos, impurezas são adicionadas de forma intencional, como em ligas metálicas, para melhorar a resistência ou outras características. Existem dois tipos de impurezas importantes: Defeitos substitucionais: Os átomos de impureza substituem os átomos hospedeiros na rede cristalina. Defeitos intersticiais: Os átomos de impureza se posicionam nos espaços intersticiais da rede. Um exemplo comum é o ferro com carbono: o carbono, com um raio atômico de 0,071 nm, se aloja nos interstícios da estrutura do ferro (raio atômico de 0,124 nm), formando a austenita ou o ferro-carbono, um dos componentes do aço. ➔ DEFEITOS LINEARES Os defeitos lineares, ou discordâncias, são imperfeições que ocorrem ao longo de uma linha na estrutura cristalina. Eles são cruciais para o comportamento mecânico dos materiais, especialmente na deformação plástica. a) Discordância de aresta Uma discordância de aresta ocorre quando um semiplano extra de átomos é inserido em uma estrutura cristalina, criando uma descontinuidade no arranjo atômico. A linha da discordância é a borda do semiplano extra. b) Discordância espiral Uma discordância espiral surge devido à aplicação de uma força de cisalhamento que distorce a estrutura, formando um plano helicoidal em torno da linha da discordância. c) Discordância mista A discordância mista combina as características tanto da discordância de aresta quanto da discordância espiral. Na maioria dos casos, as discordâncias reais em materiais cristalinos não são puramente de um tipo, mas uma combinação de ambos.  ➔ DEFEITOS INTERFACIAIS Os defeitos interfaciais são regiões entre diferentes áreas de um material, onde há uma variação na estrutura cristalina ou orientação. Esses defeitos têm duas dimensões e podem influenciar fenômenos como a resistência à fratura e a difusão. a) Superfícies externas São as superfícies onde termina a estrutura cristalina do material. Essas regiões estão expostas a forças externas e influenciam as reações com o ambiente, como a oxidação. b) Contornos de grão Os contornos de grão separam cristais individuais, ou grãos, dentro de um material policristalino. Esses contornos são regiões de alta energia e podem servir como barreiras ao movimento de discordâncias, afetando a resistência e a ductilidade. c) Contorno de fase Nos materiais multifásicos, os contornos de fase separam regiões com diferentes fases ou composições. Cada fase tem suas propriedades químicas e físicas distintas, e esses contornos desempenham um papel importante em processos como a corrosão e a fragilidade. d) Contorno de macla Um contorno de macla ocorre quando duas regiões da estrutura cristalina têm uma simetria em espelho uma em relação à outra. Esses contornos são comumente formados durante a deformação plástica ou a solidificação. 6. MICROSCOPIA Como visto anteriormente, a microscopia é uma técnica crítica para a observação dessas imperfeições em materiais. As técnicas de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET) são especialmente eficazes na visualização de defeitos pontuais, lineares e interfaciais, proporcionando uma análise detalhada da microestrutura do material.  AULA 04 - CIÊNCIAS DOS MATERIAIS CONTEÚDO PROGRAMÁTICO Microscopia; Difusão. 1. MICROSCOPIA ÓPTICA A microscopia óptica é uma técnica essencial no estudo da microestrutura dos materiais, permitindo observar as características superficiais com grande ampliação. Ela utiliza luz visível e sistemas de lentes ópticas para formar imagens dos materiais, especialmente para metais, cerâmicos e polímeros que são opacos à luz visível. Componentes e Funcionamento Sistemas óptico e de iluminação: O microscópio óptico conta com um sistema de lentes e uma fonte de luz. A luz é projetada na amostra e a imagem é formada pela luz refletida ou transmitida, dependendo da natureza do material. Modo de reflexão: Para materiais opacos como metais, utiliza-se a luz refletida, onde a superfície da amostra reflete a luz, formando a imagem. Esse modo é comum em investigações metalográficas, já que os metais foram os primeiros materiais a serem estudados com essa técnica. Limite de Ampliação A ampliação máxima de um microscópio óptico é de cerca de 2000x, permitindo o estudo detalhado da superfície do material, embora não seja possível observar a estrutura atômica. PREPARO DA AMOSTRA A preparação adequada da amostra é crucial para garantir uma imagem clara e precisa da microestrutura: 1. Corte e embutimento: Pequenas amostras do material são retiradas, sem causar danos térmicos, e são embutidas em resina para facilitar o manuseio. 2. Lixamento e polimento: A amostra é lixada com diferentes granulações de lixas, de 100 a 2000, e polida com abrasivos finos como alumina, até obter uma superfície perfeitamente lisa e espelhada. Essa etapa é essencial para eliminar rugosidades e permitir uma observação clara. 3. Ataque químico: Após o polimento, a amostra é submetida a um ataque químico. Nesse processo, um reagente químico reage com a superfície do material, revelando os contornos dos grãos e fases presentes. A reatividade dos grãos depende da sua orientação cristalográfica, criando variações visuais que facilitam a observação. ANÁLISE DA MICROESTRUTURA A microscopia óptica é usada para analisar características como: Contornos de grão: Visíveis após o ataque químico, representam a separação entre cristais ou grãos de diferentes orientações. Fases e inclusões: As diferentes fases no material podem ser identificadas por variações de cor ou textura após o ataque. Defeitos de fabricação: O uso de técnicas adequadas pode revelar defeitos, como trincas ou inclusões indesejadas. Defeitos no processo de preparo Durante o preparo, podem surgir defeitos como riscos de lixamento, que interferem na análise precisa da microestrutura. Por isso, o polimento fino é crucial para evitar essas imperfeições. METALOGRAFIA DE CAMPO Quando não é possível remover a amostra do local, como em estruturas grandes, utiliza-se a metalografia de campo. Isso envolve a criação de réplicas da superfície usando acetato ou resina, permitindo que a análise seja feita posteriormente no laboratório. MICROSCOPIA ELETRÔNICA (COMPARAÇÃO) Embora a microscopia óptica seja eficaz para ampliações moderadas, para estudos mais detalhados é utilizada a Microscopia Eletrônica. Nessa técnica, um feixe de elétrons é usado em vez de luz, o que permite ampliar até 1.000.000x. Existem dois tipos principais: Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET): O feixe de elétrons atravessa a amostra, que precisa ser extremamente fina. Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV): Um feixe de elétrons varre a superfície, coletando os elétrons retroespalhados para formar uma imagem detalhada. MICROSCOPIA DE VARREDURA POR SONDA (MVS) Além das técnicas mencionadas, existe a Microscopia de Varredura por Sonda (MVS), que permite a análise topográfica da superfície em escala atômica. A MVS é notável pela sua resolução nanométrica, que pode atingir ampliações de até 109x, com imagens tridimensionais detalhadas da superfície da amostra. Esta técnica é amplamente usada em áreas como nanotecnologia e ciência dos materiais, onde a análise em nível atômico é essencial. CONCLUSÃO A microscopia óptica continua sendo uma ferramenta essencial para o estudo da microestrutura dos materiais, especialmente em aplicações metalúrgicas e cerâmicas. Embora tenha limitações em termos de ampliação, seu processo de preparo e análise oferece uma visão crítica das características de superfície e dos defeitos de fabricação. Quando combinada com técnicas avançadas, como a microscopia eletrônica, ela permite uma compreensão mais profunda das propriedades dos materiais. 2. DIFUSÃO A difusão é o fenômeno que descreve o transporte de matéria por meio do movimento atômico. Esse processo é fundamental em muitos tratamentos de materiais, onde a transferência de massa ocorre tanto dentro de sólidos quanto entre fases líquidas, gasosas ou sólidas. A difusão é crucial para uma variedade de processos industriais, como o endurecimento de superfícies e a fabricação de semicondutores. TIPOS DE DIFUSÃO 1. Autodifusão: Refere-se ao movimento de átomos dentro de um material puro, sem a presença de outros elementos. 2. Interdifusão ou difusão de impurezas: Ocorre quando átomos de diferentes materiais migram entre si, como no caso da junção entre Cobre (Cu) e Níquel (Ni). MECANISMO DE DIFUSÃO Para que ocorra difusão, duas condições principais devem ser atendidas: 1. Presença de uma posição adjacente vazia: O átomo deve ter uma vaga para se mover. 2. Energia suficiente: O átomo precisa de energia para quebrar suas ligações com os átomos vizinhos e superar a resistência oferecida pela rede cristalina. Existem dois mecanismos principais de difusão: Difusão por lacunas: Os átomos movem-se de uma posição para outra através de lacunas no material. Difusão intersticial: Átomos menores, como o carbono, se movem através dos espaços intersticiais da estrutura cristalina. APLICAÇÕES PRÁTICAS DA DIFUSÃO Um exemplo prático de difusão é o endurecimento superficial de engrenagens por meio da difusão intersticial de carbono. Nesse processo, átomos de carbono são introduzidos na superfície do aço, tornando-o mais duro e resistente ao desgaste e à fadiga. Um método comum para esse tratamento é a cementação, especialmente em aços de baixo carbono, que resulta em uma peça com uma camada superficial endurecida. DIFUSÃO EM REGIME ESTACIONÁRIO A difusão pode ocorrer em diferentes regimes, sendo o regime estacionário caracterizado por um fluxo constante de átomos ao longo do tempo. Fluxo difusional (J) em (kg/m2s) ou (átomos /m2s): 𝑀 𝐽 = 𝐴· 𝑡 Onde: M é a massa ou número de átomos que se difunde (kg ou átomos). A é a área através da qual a difusão está ocorrendo (m2). t é o tempo (s). Outra equação que descreve esse processo é a primeira lei de Fick: 𝑑𝐶 𝐽 =− 𝐷⋅ 𝑑𝑥 Onde: J é o fluxo difusional (em kg/m²·s ou átomos/m²·s);  D é o coeficiente de difusão (m²/s); C é a concentração (kg/m³); x é a distância percorrida. Essa lei mostra que o fluxo de átomos é diretamente proporcional ao gradiente de concentração, ou seja, à diferença de concentração entre duas regiões de um material. Na maioria dos casos práticos, a difusão ocorre em regime não estacionário, onde tanto o fluxo quanto o gradiente de concentração variam com o tempo. A equação que descreve essa situação é a segunda lei de Fick: 2 ∂𝐶 ∂𝐶 ∂𝑡 = 𝐷⋅ 2 ∂𝑥 Essa equação permite calcular como a concentração de átomos muda ao longo do tempo em um material. FATORES QUE INFLUENCIAM A DIFUSÃO 1. Coeficiente de Difusão (D): Depende do tipo de átomo e do material através do qual ocorre a difusão. Átomos menores e em redes cristalinas mais abertas tendem a difundir-se mais rapidamente. 2. Temperatura: A difusão é fortemente influenciada pela temperatura. Quanto mais alta a temperatura, maior será o movimento atômico, facilitando a difusão. A dependência da difusão com a temperatura é descrita pela equação: 𝑄𝑑 𝐷 = 𝐷0⋅ 𝑒𝑥𝑝⁡ − 𝑅𝑇 D0 é uma constante pré-exponencial independente da temperatura (m2/s); Qd é a energia de ativação para a difusão (J/mol ou eV/átomo); R é a constante dos gases, 8,31 J/mol ⋅ K ou 8,62.10-5 eV/átomos ⋅ K; T é Temperatura absoluta (K). DIFUSÃO EM MATERIAIS SEMICONDUTORES Na fabricação de circuitos integrados, a difusão é utilizada para controlar a distribuição de impurezas no silício. Isso é feito em duas etapas: 1. Pré-deposição: Os átomos de impureza são introduzidos no silício a partir de uma fase gasosa, sendo controlada a pressão parcial do gás. 2. Redistribuição: Os átomos de impureza são redistribuídos no interior do silício para gerar uma concentração mais homogênea. Os materiais semicondutores também utilizam difusão controlada para evitar que metais como alumínio, usados nas interconexões, se difundam no silício, o que poderia comprometer o funcionamento dos dispositivos eletrônicos. CONCLUSÃO A difusão é um processo essencial para o comportamento dos materiais em várias aplicações, desde tratamentos térmicos até a fabricação de semicondutores. A compreensão dos mecanismos de difusão e das leis que regem esse fenômeno é crucial para o desenvolvimento de materiais avançados com propriedades mecânicas e elétricas otimizadas. A temperatura, a estrutura cristalina, e a energia de ativação são fatores que determinam a taxa e a extensão da difusão nos materiais.  AULA 05 - CIÊNCIAS DOS MATERIAIS CONTEÚDO PROGRAMÁTICO Propriedades Mecânicas dos Metais. PROPRIEDADES MECÂNICAS NOS METAIS Introdução Ao projetar componentes, é essencial entender como os materiais respondem às cargas. Muitas vezes, os materiais são submetidos a forças que podem levar à deformação ou fratura. Portanto, é importante conhecer suas propriedades mecânicas por meio de ensaios padrões em laboratório, o que permite selecionar o material adequado para cada aplicação. CONCEITO DE TENSÃO E DEFORMAÇÃO Tensão: Força aplicada sobre uma superfície, que pode ser: ○ Tração; ○ Compressão; ○ Cisalhamento. Deformação: Alteração na geometria do material quando submetido a cargas. ENSAIOS MECÂNICOS 1. Ensaio de Tração: ○ Um dos ensaios mais comuns para determinar a resistência de um material. ○ Fórmulas: Tensão de engenharia (σ): 𝐹 σ= 𝐴0 F: Força aplicada [N] A₀: Área da seção transversal inicial [m²] Deformação de engenharia (ε): 𝑙𝑖 − 𝑙0 ​ε = 𝑙0 l₀: Comprimento inicial [mm] lᵢ: Comprimento no instante avaliado [mm] 2. Ensaio de Cisalhamento: ○ Mede a resistência a forças cortantes. ○ Fórmula: Tensão de Cisalhamento (τ): 𝐹 τ= 𝐴0 3. Ensaio de Compressão: ○ Avalia a resistência a forças compressivas, resultando em uma contração do material. ○ Fórmulas semelhantes ao ensaio de tração, porém com sinais negativos. 4. Ensaio de Torção: ○ Mede a resistência a forças torcionais. ○ Fórmula: Tensão de Torção (τ): 𝐹 τ= 𝐴0 COMPORTAMENTO TENSÃO-DEFORMAÇÃO 1. Comportamento Elástico: ○ O material retorna à sua forma original após a remoção da carga. ○ Lei de Hooke: σ=E⋅ε σ: Tensão [Pa] E: Módulo de Elasticidade ou Módulo de Young [Pa] ε: Deformação específica [mm/mm] ○ Coeficiente de Poisson (ν): Razão entre a deformação lateral e longitudinal. ε𝑙𝑎𝑡 ν =− ε𝑙𝑜𝑛𝑔 ​ 2. Escoamento: ○ Ocorre quando a tensão ultrapassa o limite elástico, resultando em deformação permanente. 3. Endurecimento por Deformação: ○ Após o escoamento, a aplicação de mais carga resulta em uma resistência crescente até atingir a tensão máxima. 4. Estricção: ○ Após atingir a tensão máxima, a área da seção transversal começa a diminuir até a fratura. 5. Diagrama Tensão-Deformação Real: ○ Utiliza a tensão e deformação reais, ao invés das medições de engenharia. PROPRIEDADES EM TRAÇÃO 1. Escoamento e Limite de Escoamento: ○ Marca o início da deformação plástica. ○ O ponto de escoamento é identificado com uma linha paralela à curva elástica a partir de ε = 0,002 mm/mm. 2. Limite de Resistência à Tração: ○ É a tensão máxima que o material pode suportar antes de iniciar a estricção. 3. Ductilidade: ○ Mede a capacidade de um material de se deformar plasticamente até a fratura. ○ Expressa em termos de: Alongamento percentual: 𝑙𝑓 − 𝑙0 %𝐴𝐿 = 𝑙0 ⋅ 100 Redução percentual de área: 𝐴0 − 𝐴𝑓 %𝑅𝐴 = 𝐴0 ⋅ 100 4. Resiliência: ○ Capacidade de um material de absorver energia elástica e se recuperar após a remoção da carga: 2 σ𝑙 𝑈𝑟 = 2𝐸 5. Tenacidade: ○ Refere-se à capacidade de um material absorver energia antes de fraturar. A tenacidade é representada pela área sob a curva tensão-deformação até o ponto de fratura. 6. Recuperação Elástica: ○ Propriedade de alguns materiais de se recuperar parcialmente após a deformação plástica. DUREZA 1. Definição: ○ Resistência de um material à deformação plástica localizada (como uma pequena impressão ou risco). 2. Métodos de Ensaio: ○ Rockwell ○ Brinell ○ Microdureza Knoop  ○ Microdureza Vickers 3. Relação Dureza-Tração: ○ A dureza pode ser relacionada ao limite de resistência à tração (LRT) para a maioria dos aços: LRT (MPa) = 3,45 ・ HB LRT (psi) = 500 ・ HB FATORES DE PROJETO E SEGURANÇA 1. Tensão de Projeto (σp): ○ A tensão aplicada ao material deve ser reduzida por um fator de segurança. σp = N′ ⋅ σc​ 2. Tensão Admissível (σt): ○ Relacionada ao limite de escoamento do material: σ𝑙 σ𝑡 = 𝑁 CONCLUSÃO Compreender as propriedades mecânicas dos metais é essencial para garantir a integridade estrutural em diversas aplicações. Ensaios como os de tração, cisalhamento, compressão e dureza são ferramentas fundamentais para avaliar o comportamento dos materiais sob diferentes condições de carregamento. A aplicação de fatores de segurança assegura que os projetos sejam robustos e confiáveis mesmo em situações adversas.  AULA 06 - CIÊNCIAS DOS MATERIAIS CONTEÚDO PROGRAMÁTICO Discordâncias e Mecanismos de Aumento de Resistência ▪ Discordância e deformação plástica ▪ Mecanismos de Aumento da Resistência em Metais DISCORDÂNCIA E DEFORMAÇÃO PLÁSTICA INTRODUÇÃO A deformação plástica nos metais ocorre devido ao movimento de discordâncias, que são defeitos cristalinos lineares. Essas discordâncias interagem com as estruturas cristalinas dos materiais, influenciando suas propriedades mecânicas. DISCORDÂNCIAS Definição: Um defeito linear no arranjo atômico de cristais. Discordância de Aresta: Movimenta-se em resposta à tensão de cisalhamento, perpendicular à sua linha. Movimento das Discordâncias: Comparado ao movimento de uma lagarta, em que o defeito se move ao longo da estrutura cristalina. ESCORREGAMENTO O escorregamento é o processo pelo qual a deformação plástica é produzida pelo movimento das discordâncias. A deformação permanente é o resultado do movimento dessas discordâncias em resposta a uma tensão de cisalhamento. DEFORMAÇÕES AO REDOR DAS DISCORDÂNCIAS A presença de um semiplano extra de átomos cria distorções na rede atômica, resultando em deformações compressivas, de tração e cisalhamento ao redor da linha da discordância. Interação entre Discordâncias: Campos de deformação em torno de discordâncias vizinhas podem interagir, gerando forças sobre as discordâncias, influenciando suas movimentações. PLANOS E SISTEMAS DE ESCORREGAMENTO Plano de Escorregamento: Plano preferencial onde o movimento das discordâncias ocorre. Sistema de Escorregamento: Combinação de um plano e direção de escorregamento, sendo responsável pela deformação plástica. ESCORREGAMENTO EM MONOCRISTAIS Em monocristais, a tensão mínima para causar escoamento ocorre quando o cristal está orientado de forma que os ângulos φ e λ são iguais a 45°. c​σ𝑙 = 2τ𝑡𝑐𝑟𝑐 DEFORMAÇÃO EM MATERIAIS POLICRISTALINOS Devido à orientação aleatória dos grãos, a deformação plástica nos materiais policristalinos é mais complexa, com variação da direção de escorregamento entre os grãos. DEFORMAÇÃO POR MACLAÇÃO A deformação plástica também pode ocorrer pela formação de maclas de deformação, onde uma força de cisalhamento cria deslocamentos atômicos que resultam em uma configuração de espelho entre os átomos de um lado do plano de maclação em relação ao outro. 2. DISCORDÂNCIAS E MECANISMOS DE AUMENTO DE RESISTÊNCIA MECANISMOS DE AUMENTO DE RESISTÊNCIA NOS METAIS A capacidade de um metal se deformar plasticamente está diretamente relacionada ao movimento das discordâncias. Ao restringir esse movimento, aumenta-se a resistência e a dureza do metal. Quanto mais difícil for o movimento das discordâncias, mais resistente e menos dúctil o metal se torna. PRINCIPAIS MECANISMOS DE AUMENTO DE RESISTÊNCIA: 1. Redução do Tamanho do Grão: ○ O contorno dos grãos atua como uma barreira ao movimento das discordâncias por: A diferença de orientação cristalográfica entre os grãos. A desordem atômica nos contornos de grão. ○ O limite de escoamento varia com o tamanho do grão conforme a Equação Hall-Petch: −1/2 σ𝑙 = σ0 + 𝑘𝑙𝑑 Onde: d: Diâmetro médio do grão. σ₀ e kl: Constantes específicas para o material. 2. Solução Sólida: ○ A resistência dos metais pode ser aumentada pela formação de ligas, onde átomos de impurezas participam da solução sólida (substitucional ou intersticial). ○ Essas impurezas impõem deformações na rede cristalina, interagindo com as discordâncias e dificultando seu movimento. 3. Encruamento (Endurecimento por Trabalho a Frio): ○ O metal se torna mais duro e resistente à medida que é deformado plasticamente. ○ A deformação a frio ocorre em temperaturas abaixo da temperatura de fusão do metal, sendo a maioria dos metais encruada à temperatura ambiente. ○ A porcentagem de trabalho a frio é dada por: 𝐴0 − 𝐴𝑑 %𝑇𝐹 = ( 𝐴0 )×100 Onde: A₀: Área original da seção transversal. Ad: Área da seção transversal após a deformação. CONCLUSÃO Os mecanismos de deformação plástica e as discordâncias desempenham um papel crucial na determinação das propriedades mecânicas dos metais. O controle desses fatores, através de métodos como a redução do tamanho do grão, a solução sólida e o encruamento, permite ajustar a dureza e a resistência dos materiais, tornando-os mais adequados para diferentes aplicações industriais.