cm_cap_5_ - relação entre estrutura e propriedades 2014-2
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Captulo 5 -
Relao entre
Estrutura e
Propriedades
Prof. C. P. Bergmann PPGE3M - EE UFRGS - 2014
Cincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
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5. RELAO ENTRE ESTRUTURA E PROPRIEDADES
5-1 INTRODUO
5-2 PROPRIEDADES MECNICAS
5-3 PROPRIEDADES ELTRTICAS
5-4 PROPRIEDADES TRMICAS
5-5 PROPRIEDADES MAGNTICAS
5-6 PROPRIEDADES TICAS
Cincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
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5-1 INTRODUOCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
Os materiais apresentam aplicabilidade limitada devido seu
comportamento frente as propriedades de interesse
APLICAO COMPORTAMENTO
ESTRUTURAL mecnico: RM, E, y, ductilidade
TRMICA trmico: k, CP, CV,
ELTRICA eltrico: R, , semi-conduo, isolante,
ferroeltrico, piezoeltrico
TICA tico: transparente, opaco, translcido
MAGNTICA magntico: r, m, diamagntico,
paramagntico, ferromagntico,
ferrimagntico, antiferromagntico
Propriedades de interesse na utilizao de materiais
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5-1 INTRODUOCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
OBJETIVO Compreender a Engenharia pela relao
ESTRUTURA PROPRIEDADES
PROCESSO DE FABRICAO
CINCIA DOS MATERIAIS
Apresentar as principais propriedades de materiais
Relacionar propriedades com estrutura
Cincia dos Materiais
ESTRUTURA
- ATMICA
- CRISTALINA
- MICRO-
ESTRUTURA
- MACRO-
ESTRUTURA
MECNICAS
FSICAS
QUMICAS
FUNDIO
LAMINAO
EXTRUSO
METALURGIA DO P
PRENSAGEM
COLAGEM
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Cincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
5-2 PROPRIEDADES MECNICAS
5.2.1 INTRODUO
5.2.2 DIAGRAMA TENSO X DEFORMAO
5.2.3 RELAO COM A ESTRUTURA
5.2.3.1 DUREZA
5.2.3.2 FADIGA
5.2.3.3 FLUNCIA
5.2.3.4 IMPACTO
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carga aplicada - trao
- compresso
- cisalhamento
forma de aplicao varivel com o tempo
tempo de aplicao - curto
- longo
condies do meio - constante com o tempo - temperatura
- umidade
Cincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
5-2 PROPRIEDADES MECNICAS 5.2.1 Introduo
Diagrama x
Fadiga
Impacto
Fluncia
Fluncia
Fadiga esttica
Fadiga trmica
PROPRIEDADES MECNICAS: comportamento do material quando sujeito esforos
mecnicos: capacidade de resistir a estes esforos sem romper e sem se deformar de
forma incontrolvel estabelecidas por ensaios
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Cincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.2 Diagrama tenso x deformaoRESISTNCIA TRAO Medida submetendo-se o material uma carga ou fora de trao
crescente, que promove uma deformao progressiva de aumento de
comprimento do CP.
Diagrama tenso x deformao (tpico em metais)
CURVAS x CARACTERSTICAS DE METAIS, POLMEROS E
CERMICOS
Cermicos Flexo
Mquina de ensaios
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5-2 PROPRIEDADES MECNICASCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
DuctilidadeElongao(%)= ((lf-lo)/lo) x 100
Def. Elstica Def. Plstica
max
rupturaescoamento
Resilincia Tenacidade
5.2.2 Diagrama tenso x deformaoInformaes importantes a partir do diagrama x
Mdulo de resilinciaUr= y
2/2E
Energia absorvida at a ruptura
Mxima tenso=F/Ao
Tenses > escoamento Irreversvel (tomos deslocados
permanentemente de suas posies)
No desaparece quando a tenso
removida
Curva de engenharia e verdadeira
Precede def.
plstica
reversvel:
desaparece quando a
tenso removida
praticamente
proporcional tenso
aplicada (lei de Hooke)
Capacidade de um material resistir
deformao plstica
Na curva a, no observa-se nitidamente ofenmeno de escoamento, a tenso de
escoamento corresponde tenso necessria para
promover uma deformao permanente de 0,2% .
Na curva b, o limite de escoamento bemdefinido (o material escoa- deforma-se
plasticamente- sem praticamente aumento da
tenso). O serrilhado ocorre devido interao
entre tomos de soluto (no caso dos aos, C e N
principalmente) e as discordncias, ainda em
pequeno nmero. Principalmente em metais
recozidos.
Resistncia ao escoamento escoamento
No ocorre
escoamento
EscoamentoLei de Hooke: = E
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1a REGIO DO DIAGRAMA x
Regio elstica:
Deformao elstica
Mdulo de elasticidade
Coeficiente de Poisson
Mdulo de Cisalhamento
Cincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
5-2 PROPRIEDADES MECNICAS
5.2.2.1 Regio elstica5.2.2 Diagrama tenso x deformao
COEFICIENTE DE POISSON
Qualquer elongao ou compresso de uma
estrutura cristalina em uma direo produz um
ajustamento nas dimenses perpendiculares
direo da fora. Depende da rigidez do material.
= -x/z
E= 2 G (1 + )MDULO DE CISALHAMENTO
Tenses de cisalhamento produzem deslocamento de um
plano de tomos em relao ao plano adjacente . Relao entre a
tenso de cisalhamento e a deformao elstica de
cisalhamento.
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Mdulo de elasticidade E= / (GPa)
Cincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.2 Diagrama tenso x deformao5.2.2.1 Regio elstica Quanto maior o E, mais rgido o material ou
menor a sua def. elstica para uma dada tenso
Relao com nveis da estrutura
-Atmica energia de ligao
-Cristalina densidade plana/linear
-Microestrutural homogeneidade
e imperfeies
Polmeros(a) Aumento do comprimento das ligaes
(b) Endireitamento das ligaes
Mx Mn Aleatrio
Al CFC 75 60 70
Au CFC 110 40 80
CoHC 195 70 110
FeCCC 280 125 205
WCCC 345 345 345
E (GPa) Cristais Inicos
Mx Mn Aleatrio
MgO CFC 341 249 315
NaCl 33 44 37
E (GPa) Cristais Metlicos
Microestrutura
DEFORMAO PLSTICA
Estrutura cristalina
Energia de ligaes
E=E0(1-1,9P+0,9P2)
POROSIDADE
Exemplos:
whiskers em cermicos
areia no asfalto, fibra em polmero
segunda fase de gros finos
metlicos em um uma matriz metlica
REFORO POR FIBRAS Efibra = fibraEmatriz matriz
ISOTROPIA / ANISOTROPIA
RELAO DE E COM TEMPERATURA
Fe
Cu
AlMg
No modifica o E
do material (apenas
a ductilidade)
E1 = E2 = E3 = E4 = ...E9METAIS CERMICOS
[GPa]
Magnsio 45
Alumnio 69
Lato 97
Titnio 107
Cobre 110
Nquel 207
Ao 207
Tungstnio 407
E de alguns metais
-
CRISTAIS DEFORMAM-SE PELO DESLIZAMENTO DE PLANOS
CRISTALINOS EM RELAO AOS DEMAIS. Escala microscpica:
deformao plstica resulta do movimento dos tomos devido tenso
aplicada. Durante este processo ligaes so quebradas e outras refeitas.
2a REGIO DO DIAGRAMA x 5.2.2 Diagrama tenso x deformao
Cincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
5-2 PROPRIEDADES MECNICAS
Regio plstica:
Deformao plstica
Resistncia mxima
Ductilidade
Ponto de ruptura
1a Hiptese: ruptura simultnea das ligaes. A resistncia mecnica seria
extremamente elevada comparada obtida na prtica (1000 x!).
2a Hiptese: deslizamento de planos at a ruptura.
QUESTO FUNDAMENTAL: COMO OS MATERIAIS DEFORMAM (e ROMPEM)?
metais podem ser solicitados por
trao, compresso ou cisalhamento,
que podem ser decompostas em tenses
de cisalhamento puras. Cristais
apresentam menor resistncia ao
cisalhamento que trao e
compresso, logo esta a solicitao
responsvel pela deformao destes
materiais.
3a Hiptese: O DESLIZAMENTO DE PLANOS CRISTALINOS FACILITADO PELO
MOVIMENTO DE DISCORDNCIAS: resistncia mecnica da mesma ordem de
grandeza da prtica!
No entanto, a resistncia mecnica ainda bastante elevada (E/20!). Metais
no so to resistentes. Outro mecanismo!
Monocristal
TENSO CRTICA DE CISALHAMENTO
O deslizamento ocorre mais facilmente ao longo de certas direes e planos
MAIS POVOADOS. O NMERO DE SISTEMAS (plano + direo) VARIA COM
A ESTRUTURA CRISTALINA
5.2.2.2 Regio Plstica
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Cincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
Exerccio 1: Calcule a tenso tangencial resolvida no sistema de deslizamento (111)[011] de uma clula unitria de um monocristal CFC
de nquel, quando aplicada uma tenso de 13,7 MPa segundo a direo [001] da clula unitria.
5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.2 Diagrama tenso x deformao5.2.2.2 Regio plstica
Deslizamento em monocristal
Soluo:
Clula unitria CFC onde est aplicada uma tenso de trao segundo a direo [001], que origina uma tenso tangencial
resolvida no sistema de deslizamento (111) [011]
Na figura: = 45 Sistema cbico: [hkl] direo plano (hkl) Direo normal ao plano (111), o plano de deslizamento [111]
cos = a = 1 ou = 54,74a 3 3
r = cos cos =
r = (13,7MPa) (cos45) (cos 54,74)
r = 5,6MPa
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Cincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.2 Diagrama tenso x deformao5.2.2.2 Regio plstica
MOVIMENTO DE DISCORDNCIA em cunha origina um degrau unitrio de deslizamento.
Mecanismo de deslizamento associado a discordncias
Mista
Discordncia mista em um
cristal. Discordncia AB:
hlice quando entra no
cristal, e cunha quando sai
Cunha
Hlice
Nos metais deformados plasticamente cerca de 5% da energia retida internamente, o restante dissipado na forma de calor. A maiorparte desta energia armazenada est associada s tenses devido sdiscordncias. Presena de discordncias promove uma distoro darede cristalina: algumas regies ficam compridas e outrastracionadas.
IMPORTNCIA PARA AS PROPRIEDADES MECNICAS
DENSIDADES DE DISCORDNCIAS TPICASMateriais solidificados lentamente = 103 discord./mm2
Materiais deformados= 109 -1010 discord./mm2
Materiais deformados e tratados termicamente= 105 - 106 discord./mm2
Campos de deformao em torno (a) de uma discordncia em cunha (b) de uma
discordncia em hlice
REPULSO
ATRAO
O deslizamento facilitado pelo movimento de uma discordncia. A
ENERGIA (E) necessria depende:
- comprimento da discordncia (l)
- mdulo de cisalhamento (G)
- quadrado do vetor de deslizamento(b2)
E lGb2
Discordncias mais sujeitas gerao e expanso, para propiciar a
deformao plstica esto associadas ao MENOR valor de b (MAIOR
densidade linear) e MENOR valor de G (MAIOR densidade atmica planar).
PLANOS MAIS COMPACTOS NAS DIREES MAIS COMPACTAS
- Regio onde encontra-se a
discordncia deixa a rede
comprimida
- Regio abaixo da discordncia a
rede fica tracionada
- Quando a tenso de
cisalhamento aplicada, planos
interatmicos so deslocados at
quebrar, forma-se um novo plano
atmico no cristal
O serrilhado (ex.: metais recozidos) ocorre devido interao entre
tomos de soluto (no caso dos aos, C e N principalmente) e as
discordncias. Quando a tenso atinge um nvel suficiente para vencer
as barreiras (bandas de Lders ou linhas de distenso) que retm as
discordncias, define-se o limite de escoamento superior. A tenso
ento cai at o limite de escoamento inferior. A faixa se propaga ao
longo do corpo, causando alongamento durante o escoamento. Durante
esta propagao, outras barreiras aprisionam as discordncias, exigindo que a tenso
novamente venha a subir e assim sucessivamente, gerando o serrilhado.
-
Cincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGSCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.2 Diagrama tenso x deformao5.2.2.2 Regio plstica
MACLAGEM OU MACLAO Outro mecanismo, menos comum: maclas. Deformao plstica em metais CFC, como o cobre, comum ocorrer por maclao.
Produo de maclas: uma fora cisalhante age ao longo do contorno de gro,
causando o deslocamento de tomos para novas posies.
Uma parte da rede atmica deforma-se originando a sua transformao
imagem, num espelho plano, da parte no deformada da rede que lhe fica adjacente.
PLANO DE MACLA: plano cristalogrfico que separa as regies deformada e no
deformada da rede.
DIREO DE MACLAGEM: direo especfica em que ocorre a maclagem.
tomos se movem em distncias proporcionais s respectivas distncias ao plano de macla
deslizamento MACLAGEM
estrutura cristalina
microestrutura
Contorno de maclas interfere no escorregamento e RM
Diferena bsica entre o efeito do deslizamento e da maclagem na topografia da superfcie de um material metlico deformado.
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Cincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.2 Diagrama tenso x deformao
Deformao plstica em materiais cermicos5.2.2.2 Regio plstica
Cermicos cristalinos em elevadas temperaturas:
necessidade de cinco sistemas de deslizamento ativos
Ex. Al2O3 disponvel a 1550C
Plano no NaCl onde os
ons esto alinhados
(pode ocorrer
deslizamento).
Dificuldade de
deslocamento em
cermicos com
carter inico
(repulso).
Cermicos no-cristalinos (amorfos):-estrutura atmica no regular
-- deformam-se como um fluxo viscoso semelhante aos lquidos
Representao de um fluxo viscoso de um lquido ou fluido
vtreo em razo de uma fora aplicada.
Plano no MgO mostrando a direo de cisalhamento
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Cincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.2 Diagrama tenso x deformao5.2.2.2 Regio plstica
A deformao plstica ocorre por deslizamento das cadeias moleculares umas
sobre as outras, quebrando e refazendo as foras de ligao secundrias
apolares.
Deformao plstica em materiais polimricos
Curvas de tenso x deformao do
polimetacrilato de metilo, obtidas em ensaio de
trao realizados a vrias temperaturas . A transio
dctil/frgil ocorre entre 86 e 104C.
Ausncia de deformao
plstica
Deformao plstica
Curvas de tenso x deformao da borracha
natural vulcanizada e no-vulcanizada. A
formao de ligaes cruzadas entre as cadeias
polimricas pelos tomos de enxofre aumenta a
resistncia mecnica da borracha vulcanizada.
REFORO POR AUMENTO DE
CRISTALINIDADE
Curvas de tenso x deformao do
polietileno expandido de baixa e alta
densidade. O polietileno de alta
densidade mais resistente, porque
tem maior grau de cristalinidade.
REFORO POR LIGAES CRUZADAS
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Curva da resistncia mecnica em funo da temperatura
para diferentes materiais
Cincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGSCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.2 Diagrama tenso x deformao5.2.2.2 Regio plstica
EFEITO DA TEMPERATURA
Exemplo em cermicos: alumina
EFEITO DA POROSIDADE
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3a REGIO DO DIAGRAMA x OCORRE DE MANEIRA DCTIL OU FRGIL E DE FORMA DIFERENCIADA PARA CADA TIPO DE MATERIAL
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5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.2 Diagrama tenso x deformao5.2.2.3 Ruptura
METAIS: Ocorre, normalmente de maneira dctil: h um aviso do
material antes do rompimento.
A fratura dctil pode ser:
-transgranular (crescimento plstico fratura em taa ou cone)
-intergranular (presena de vazios nos contornos de gro)
-cisalhamento
-formao de um pescoo (deformao plstica)
A fratura frgil (geralmente T muito baixas):-clivagem -intergranular
Etapas da formao de uma fratura dctil em taa e cone. Fissurao interna
na zona de estrico de um corpo policristalino de cobre de elevada pureza.
FRATURA DCTIL TRANSGRANULAR
CERMICOS: Tipicamente frgil
Transgranular Intergranular
Dctil Frgil
-
OBSTRUO DO DESLIZAMENTO por:
1. Solubilizao de um segundo elemento na rede
2. Precipitao de uma segunda fase
3. Contorno de gro
4. Deformao plstica (excesso de discordncias)
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5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.3 Controle Propriedades Mecnicas
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecnicas
-
1. Solubilizao de um segundo elemento na rede
- movimento de discordncias dificultado
- segundo elemento a barreira para tal movimento
- maior a quantidade, maior o efeito
- quanto maior a diferena de tamanho de tomos, mais
acentuado o efeito
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5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.3 Controle Propriedades Mecnicas
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecnicas
INTERAO DE DISCORDNCIAS EM SOLUES SLIDAS
Quando um tomo de uma impureza est presente, o movimento da discordncia
fica restringido, ou seja, deve-se fornecer energia adicional para que continue
havendo escorregamento.
solues slidas de metais so sempre mais resistentes que metais
puros de seus constituintes
-
1. Solubilizao de um segundo elemento na rede
- Presena de um ELEMENTO INTERSTICIAL /
SUBSTITUCIONAL reduz a mobilidade de movimento de
discordncias aumenta a resistncia mecnica
-Discordncia: regies comprimidas e regies tracionadas
- Elemento intersticial compensa a regio tracionada,
aumentando a resistncia mecnica;
-Elemento substitucional maior
compensa a regio tracionada,
aumentando a resistncia mecnica;
- Elemento substitucional menor
compensa a regio comprimida,
aumentando a resistncia mecnica;
- Para deformar o material com o segundo elemento
necessita-se de maior energia. Levando ao aumento da
resistncia ao escoamento
Cincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.3 Controle Propriedades Mecnicas
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecnicas
Resistncia ao escoamento do metal puro
SOLUES SLIDAS SO MAIS RESISTENTES
QUE O METAL PURO
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2. Precipitao de uma segunda fase
- movimento de discordncias dificultado
- segunda fase a barreira para tal movimento
- maior a quantidade, maior o efeito
- comportamento similar a presena de um segundo elemento na rede
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5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.3 Controle Propriedades Mecnicas
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecnicas
Resistncia ao
escoamento do
metal puro
Aumento da resistncia ao escoamento do metal devido precipitao de uma segunda fase
Aumento da resistncia ao escoamento do metal devido formao de
uma soluo slida
MICROESTRUTURAS POLIFSICAS SO
MAIS RESISTENTES QUE O METAL PURO
Efeito da adio de P em uma liga Al-Si. (a) Si primrio, grosseiro
e (b) Si primrio refinado com fsforo.
Efeito do contedo de silcio e
modificao da tenso de trao e %
elongao para uma liga silcio-
alumnio
-
O contorno de gro interfere no movimento das discordncias. Devido s diferentes orientaes cristalinas presentes,
resultantes do grande nmero de gros, as direes de escorregamento das discordncias variam de gro para gro.
3. Contorno de gro
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5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.3 Controle Propriedades Mecnicas
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecnicas
y= o + k . d-1/2
k - constante do material
y - resistncia ao escoamento
o - resistncia inicial
d - dimetro mdio do contorno de groy
o
d-1/2
EQUAO DE HALL PETCH
menor tamanho de gro, mais descontinuidades para
travar o movimento de discordncias
gros adjacentes tem diferentes orientaes
cristalogrficas
Aumento da resistncia ao escoamento do metal devido formao de euttico
-
4. Deformao plstica ENCRUAMENTO E MICROESTRUTURA
Antes da deformao
Depois da deformao
%CW = % de trabalho a frio
Ao = rea inicial
Af = rea final
% CW = [(Ao - Af)/Ao]*100
QUANTIFICAO DA DEFORMAO PLSTICA
-a existncia de muitas discordncias impede o movimento de outras
(encruamento)
-- pode-se ter tantas discordncias que nenhuma se move e o
material rompe de forma frgil
- movimentao de discordncias aumenta a resistncia
deformao plstica
- durante a movimentao de discordncias, ocorre a multiplicao
das discordncias
o fenmeno no qual um material endurece devido
deformao plstica (realizado pelo trabalho frio)
Esse endurecimento d-se devido ao aumento de
discordncias e imperfeies promovidas pela deformao, que
impedem o escorregamento dos planos atmicos
medida que se aumenta o encruamento maior a fora
necessria para produzir uma maior deformao
O encruamento pode ser removido por tratamento trmico
(recristalizao)
Cincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.3 Controle Propriedades Mecnicas
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecnicas
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Deformao a frio em funo da tenso de
ruptura e extenso at a fratura do Cu.
4. Deformao plstica
Deformao a frio em funo da tenso de
ruptura e extenso at fratura da liga 40%Cu
30%Zn.
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5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.3 Controle Propriedades Mecnicas
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecnicas
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4. Deformao plstica ENCRUAMENTO E MICROESTRUTURAMECANISMO QUE OCORRE NO AQUECIMENTO DE UM MATERIAL ENCRUADO
ESTGIOS:
RECUPERAO
H um alvio das tenses internas armazenadas durante a deformao devido ao
movimento das discordncias resultante da difuso atmica. Reduo do nmero de
discordncias e seu rearranjo.
depois da recuperao, os gro ainda esto um pouco tensionados
diminuio da dureza. Cristais plasticamente deformados tem mais energia que os
no deformados, devido presena de discordncias e imperfeies
tomos se reacomodam sob temperatura elevada, atravs de recozimento
ocorre um rearranjo dos tomos em gros menos deformados em temperaturas
elevadas, a recristalizao, com o crescimento do gro
o nmero de discordncias reduz ainda mais e as propriedades mecnicas voltam
ao seu estado original
A temperatura de recristalizao dependente do tempo e est entre 1/2 e 1/3 da
temperatura absoluta de fuso
RECRISTALIZAO - (Processo de Recozimento para Recristalizao)
CRESCIMENTO DE GRO
Depois da recristalizao se o material permanecer por mais tempo em temperaturas
elevadas o gro continuar crescer
Em geral, quanto maior o tamanho de gro mais mole o material e menor sua
resistncia
TEMPERATURAS DE RECRISTALIZAO
Chumbo - 4CEstanho - 4CZinco 10CAlumnio de alta pureza 80CCobre de alta pureza 120CNquel 370CFerro 450CTungstnio 1200C
Deformao a quente: quando a deformao mecnico
realizado acima da temperatura de recristalizao do
material.
Deformao a frio: a baixo.
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5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.3 Controle Propriedades Mecnicas
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecnicas
-
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5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.4 Relao com a estrutura5.2.4.1 DurezaMedida da resistncia penetrao (ou ao risco). Varia com o mtodo empregado (propriedade emprica).
Metais: mede-se profundidade e largura da identao. Cermicos: mede-se microfissuras da identao.
Material Dureza Knoop
Diamante 7000
B4C 2800
SiC 2500
WT 2100
Al2O3 2100
Quartzo (SiO2) 800
Vidro 550
-
Falha que ocorre em estruturas submetidas a tenses dinmicas (cclicas) e flutuantes (trao,
compresso, toro). Ocorre aps determinado nmero de ciclos em tenses inferiores a
tenses estticas suportveis. Ocorrem em eixos, barras de ligao, engrenagens, etc. Variao
da tenso com o tempo: (a) tenses contrrias; (b) tenses repetidas; (c) tenses aleatrias.
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5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.4 Relao com a estrutura5.2.4.2 Fadiga
ENSAIO PARA DETERMINAO DA RESISTNCIA FADIGA
FATORES QUE AFETAM A RESISTNCIA FADIGA
1. Concentrao de tenso: a resistncia fadiga reduzida por
concentradores de tenso como: entalhes; irregularidades; poros.
2. Ambiente: o ataque ou interaes de natureza qumico acelera a
velocidade com que a trinca de fadiga se propaga: UMIDADE para
cermicos
-
INCIO em pontos de concentrao de tenso: incluses, porosidade acentuada, defeitos de solidificao, como segregao, concentrao de defeitos na estrutura cristalina devido a processos de conformao e pontos de corroso.
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5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.4 Relao com a estrutura5.2.4.2 Fadiga
Elementos de
nucleao de trincas
em componentes
sujeitos a esforos
cclicos e
concentradores de
tenso esto na parte
inferior
PROPAGAO FASE I: aps aplicao de um determinado nmerode ciclos de carregamento, formam-se extruses e intruses, onde intensa a concentrao de tenses. Taxa de crescimento de trinca:muito baixa (10-10 m/ciclo).
PROPAGAO FASE II: ocorre a propagao de uma trinca bem definida com velocidade elevada (ordem de m), surgindo estrias com o avano da trinca. Taxa de crescimento de trinca: muito elevada!
FRATURA FINAL (CATASTRFICA!): trinca percorreu uma rea suficiente e o material no consegue suportar a carga aplicada, ocorre a fratura.
Cobre:: extruses e intruses na superfcie
-
MATERIAIS CERMICOS: no deformao plstica, no h
deslizamento de planos h baixas temperaturas. No entanto, devido
baixa resistncia a esforos trativos (concetradores de tenso) os
materiais cermico podem romper por esforpos cclicos
(mecanismos?).
FADIGA TRMICA: corpo slido aquecido e resfriado: = E T
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5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.4 Relao com a estrutura5.2.4.2 Fadiga Mecanismos de Reforo em Materiais Cermicos
Distribuio da temperatura e
tenso para uma amostra
submetida a fadiga trmica.
FADIGA ESTTICA: rompimento do material sob um estado de tenses constante, durante um certo tempo em ambientes midos.
Visualizao de um mecanismo alternativo para explicar a
influnciada umidade no crescimento subcrtico de trincas.
-
FLUNCIA: Material submetido a uma carga ou tensoconstante pode sofrer uma deformao plstica ao longo dotempo. Variao do comprimento do corpo-de-prova ao longodo tempo em funo do tempo.
Curva de FLUNCIA: 3 estgios
I - Alongamento inicial instantneo do corpo-de-prova: taxa de fluncia diminui ao longo do tempo;
II Inclinao da curva de fluncia a taxa de fluncia, que constante nesta fase;
III Taxa de fluncia aumenta rapidamente com o tempo at a ruptura
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5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.4 Relao com a estrutura5.2.4.3 Fluncia
DEFORMAO A ALTAS TEMPERATURAS: Acima de temperaturas em que os tomos iniciam o movimento de difuso O contorno de gro uma ponte de fraqueza para o material.
Trao numa direo, contrao na outra. tomos ao longo doscontornos verticais so aglomerados; tomos ao longo dos contornoshorizontais sofrem aumento no seu espaamento. Ocorre a difuso doscontornos verticais para os horizontais e o efeito global a mudana naforma do metal.
Gros menores, maior rea de contorno, fluncia mais rpida: existemmais alapes para os tomos ao longo dos contornos horizontais e maisfontes de tomos de contornos verticais
Materiais de granulometria fina as distncias de difuso so bemmenores.
Este mecanismo no ocorre a baixas temperaturas, pois o movimento dostomos so desprezveis
Temperatura onde ocorre desses efeitos do tamanho de gro funo dotempo, da resistncia e de impurezas
Fluncia menos susceptvel em
uma palheta de turbina de um
nico cristal
-
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5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.4 Relao com a estrutura5.2.4.3 Fluncia
TEMPERATURAS DE RECRISTALIZAO
Chumbo - 4C
Estanho - 4C
Zinco 10C
Alumnio de alta pureza 80C
Cobre de alta pureza 120C
Nquel 370C
Ferro 450C
Tungstnio 1200C
-
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5-2 PROPRIEDADES MECNICAS5.2.4 Relao com a estrutura5.2.4.4 ImpactoIMPACTO: Quantidade de energia (TENACIDADE) que o material absorve at a ruptura.
Influenciado pela presena de imperfeies superficiais (trincas, ENTALHES,
concentradores de tenses e pela temperatura (TEMPERATURA de TRANSIO).
TEMPERATURA DE TRANSIO: Temperatura ondeocorre a transio dctil-frgil
Baixas temperaturas: trinca se propaga maisvelozmente que os mecanismos de deformaoplstica: pouca energia absorvida
Temperaturas elevadas: fratura precedida de umadeformao que consome energia
Mudana brusca no comportamento caractersticode metais CCC
Causa: aumento da temperatura transio numa junta
de solda devido ao crescimento de gro
EFEITO DO ENTALHE
ENSAIO
Transio dctil/frgil de um ao em
funo do teor de C.
-
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5-3 PROPRIEDADES ELTRICAS
5.3.1 INTRODUO
5.3.2 MECANISMOS DE CONDUO E BANDAS DE ENERGIA
5.3.3 RESISTIVIDADE ELTRICA DOS METAIS E LIGAS
5.3.4 CONDUTIVIDADE ELTRICA DOS MATERIAIS INICOS
5.3.5 CONDUTIVIDADE ELTRICA DOS MATERIAIS COVALENTES
5.3.6 SEMICONDUTORES
5.3.7 SUPERCONDUTIVIDADE
5.3.8 COMPORTAMENTO DIELTRICO
-
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As propriedades eltricas servem para distinguir os materiais:
- geral: metal / no-metal
- especfico: supercondutor ou no
Compreender as propriedades eltricas
METAIS
TEORIA DE BANDAS CONDUTORES
SEMICONDUTORES
ISOLANTES
Classificao geral
dos materiais
segundo suas
propriedades
eltricas
1 Introduo
5-3 PROPRIEDADES ELTRICAS
-
= condutividade eltrica (ohm-1.cm-1)
= resistividade eltrica (ohm.cm)
n= nmero de portadores de carga por cm3
q= carga carregada pelo portador (coulombs)
[q do eltron= 1,6x10-19 coulombs]
= mobilidade dos portadores de carga (cm2/V.s)
..1
qn
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1 Introduo
Resistncia eltrica (R) de
um fluxo de corrente
determinada pelas
dimenses do material e por
sua resistividade.
A
lR .
..1
qn
5-3 PROPRIEDADES ELTRICAS
Condutividade eltrica: o movimento de cargas eltricas (eltrons ou ons)
de uma posio para outra.
A condutividade eltrica do material depende:
- n de condutores ou transportadores de cargas por unidade de volume (n)
- da carga de cada condutor (q)
- da mobilidade do condutor ()
n e dependem da temperatura
condutores podem ser:
nions
ctions
eltrons
holes
-
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Resistividades eltricas e condutividades eltricas de alguns materiais
1 Introduo
RESUMINDO
Metais: > 104 -1m-1
Semicondutores: 10-3 a 104 -1m-1
Isolantes:
-
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LQUIDOS condutividade inica
SLIDOS principais transportadores de carga so os eltrons
cristal interao entre nveis de energia BANDAS
Origem das bandas de energia devido aproximao dos tomos. A banda de energia corresponde a um nvel de energia de um tomo isolado
- As bandas de energia nem sempre se sobrepem- As bandas de energia podem comportar no mximo 2e-
2 Mecanismos de conduo e bandas de energia5-3 PROPRIEDADES ELTRICAS
tomo isolado e- em nveis e subnveis de energia
Bandas de energia:
banda de valncia
banda proibida Eg: energia do gap (entre as bandas de energia. Distingue: condutor - isolante - semicondutor)
banda de conduo
Nvel de Fermi (EF): definido como o nvel de energia abaixo
do qual todos os estados de energia esto ocupados a 0K.
vibrao trmica
solutos
defeitos cristalinos
diamante - 6eV
SiC - 3eV
silcio - 1,1eV
germnio - 0,7ev
InSb - 0,18eV
Sn cinzento - 0,08eV
banda proibida muito larga
-
EFEITO DA TEMPERATURA
- metais: diminui a condutividade eltrica. T reduz o livre percurso mdio dos eltrons e sua mobilidade.- semicondutores
- isolantes
Efeito da T na condutividade eltrica em vrios materiais
aumenta. T fornece energia que liberta transportadores de cargas adicionais.
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2 Mecanismos de conduo e bandas de energia5-3 PROPRIEDADES ELTRICAS
Resistividade eltrica de metais e ligas
i = Aci (1-ci)
A - constante
ci - frao atmica de soluto
Obs.: Em ligas bifsicas uma
propriedade aditiva Variao da resistividade eltrica com a temperatura para o Cu puro e trs solues slidas Cu-Ni. O efeito da deformao na resistividade da liga
Cu 1,2Ni tambm apresentado.
-
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4 Condutividade eltrica dos materiais inicos- resultado das contribuies eletrnica e inica
- importncia de cada contribuio: pureza e temperatura
- modelo de bandas vlido, porm o n de e- na banda de conduo muito baixo: predomina a inica
- difuso dos ons depende da presena de defeitos pontuais
- condutividade eltrica de slidos inicos temperatura
abruptamente na fuso
5-3 PROPRIEDADES ELTRICAS
N - nde posies inicas de um mesmo sinal por unidade de volume
e - carga do eltron
D - difusividade
k - constante de Boltzman
T - temperatura em K
Q - energia de ativao para a difuso
i = Ne2D/kT = (Ne2/kT) D0exp(-Q/kT)
Condutividade inica: i
-
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- estrutura em bandas de polmeros tpica dos isolantes
- 10-10 a 10-17 -1m-1
- polmeros de alta pureza a conduo eletrnica
- exemplos de polmeros condutores: poliacetileno e polianilina
- conduo inica pode ser ativada pela presena de impurezas
restos de monmeros
catalisadores
aumento da temperatura
- aditivos condutores podem aumentar entre 1 e 50 -1m-1 como em borrachas de silicones
5 Condutividade eltrica dos materiais covalentes
5-3 PROPRIEDADES ELTRICAS
-
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GRAFITA: comportamento eltrico diferenciado
- plano basal (0001) de condutores metlicos
- na direo c (0001) 105 vezes menor
- conduo eletrnica origem na
mobilidade eletrnica da cada anel hexagonal de
tomos de C, ao longo de cada camada
- introduo de tomos estranhos entre as camadas
aumenta o nmero de transportadores de carga e a
condutividade eltrica
5 Condutividade eltrica dos materiais covalentes
5-3 PROPRIEDADES ELTRICAS
-
PROPRIEDADES: Tem resistividade entre metais e isolantes
10-6-10-4 .cm 1010-1020 .cm
- A condutividade aumenta com o aumento de temperatura (ao contrrio dosmetais)
- A condutividade aumenta com a adio de certas dopantes (impurezas)
- A condutividade diminui com a presena de imperfeies nos cristais.
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6 Semicondutores Condutividade eletrnica
EXEMPLOS DE SEMICONDUTORES
- silcio, germnio (Grupo IV da Tabela Peridica)
- GaAs, GaN, InP, InSb, etc. (Grupo III-V da Tabela Peridica)
- PbS, CdTe, galena, (Grupo II-VI da Tabela Peridica)
95% dos dispositivos eletrnicos so fabricados com silcio
5-3 PROPRIEDADES ELTRICAS
-
Num semicondutor, os eltrons podem ser excitados para a banda deconduo por energia eltrica, trmica ou ptica (fotoconduo)
e- excitado banda de conduo
buraco ou uma vacncia na banda de valncia
contribui para a corrente
Dois tipos de conduo
conduo intrnseca semicondutor intrnseco
conduo extrnseca semicondutor extrnseco
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vai para
deixa
UTILIZAO: FABRICAO DE DISPOSITIVOS ELETRNICOS E OPTOELETRNICOS
- Transistor
- LEDS
- Clulas solares
- Diodos
-Circuito integrado
6 Semicondutores Condutividade eletrnica5-3 PROPRIEDADES ELTRICAS
-
Conduo resultante dos movimentos eletrnicos nos materiais puros
Um semicondutor pode ser tipo p ( conduo devido aos buracos) ou tipo n (conduo devidos aos eltrons)
Este tipo de conduo se origina devido presena de uma imperfeio eletrnica ou devido presena de
impurezas residuais intrnsecas.
CONDUO INTRNSECA (SEMICONDUTOR INTRNSECO)
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6 Semicondutores Condutividade eletrnica5-3 PROPRIEDADES ELTRICAS
Quando adiciona-se intencionalmente uma impureza dopante para proporcionar eltrons ou buracos extras.
Os semicondutores extrnsecos podem ser:
Tipo p: com impurezas que proporcionam buracos extras
Tipo n: com impurezas que proporcionam eltrons extras
Os processos utilizados para dopagem: difuso e implantao inica
Deve-se considerar:
Os eltrons tem maior mobilidade que os buracos
A presena de impurezas pode alterar o tamanho do Eg
CONDUO EXTRNSECA (SEMICONDUTOR EXTRNSECO)
aceitadores
doadores
-
- ocorre quando a resistividade do material for nula
- temperatura crtica (Tc) resistividade torna-se bruscamente nula
- at 1986 melhores supercondutores Tc < 23 K material
deveria ser resfriado em hlio lquido para tornar-se supercondutor
- mais tarde: supercondutores cermicos com Tc mais altas:
Y1Ba2Cu3O7-x Tc 100K
nitrognio lquido suficiente para resfriar
- supercondutividade desaparece: acima da Tccampo magntico
corrente eltrica
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7 Supercondutividade eltrica
PARMETROS QUE DEFINEM
UM SUPERCONDUTOR
5-3 PROPRIEDADES ELTRICAS
-
- MATERIAL DIELTRICO: material isolante
- RIGIDEZ DIELTRICA: tenso mxima que o material pode suportar antes de perder as
caractersticas de ser isolante para vidros, polmeros e cermicos 10 a 40 V/mm
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8 Comportamento dieltrico5-3 PROPRIEDADES ELTRICAS
FERROELTRICOS- no tm um centro de simetria formam um momento dipolar
- polarizao permanente propriedades PIEZOLETRICAS
Estrutura do BaTiO3. (a) Acima de 120C cbica. (b) Abaixo de 120C levemente tetragonal, apresentando um momento dipolar eltrico.
Esquema dos dipolos eltricos em um material
piezoeltrico.
(a) Material em condies normais. (b) Tenso
compressiva causa uma ddp.
(c) A aplicao de uma voltagem causa uma diferena
dimensional.
-
PROPRIEDADES MAGNTICASCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
1 Introduo Materiais magnticos apresentam grande uso no cotidiano:
- carto magntico
- componentes de computadores
- geradores e transformadores de eletricidade
- motores eltricos
Vantagem deste tipo de material: armazenam muita informao em pouco espao
Propriedades magnticas esto relacionadas com a mobilidade dos eltrons, por isso propriedades eltricas
e magnticas so relacionadas. Efeitos magnticos so originados em correntes eltricas associadas a eltrons
em rbitas atmicas ou a spins de eltrons.
Propriedades magnticas so determinadas pela estrutura: eletrnica
cristalina
microestrutura
Classificao quanto resposta do material a um campo magntico:
Diamagnticos
Paramagnticos
Ferromagnticos
Ferrimagnticos
Antiferromagntico
-
PROPRIEDADES MAGNTICASCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
- Relaes entre o campo magntico aplicado (H) e a intensidade do campo magntico induzido (B)1 Introduo
Em (a) H gerado pela passagem de uma corrente i por uma espira cilndrica de
comprimento l e contendo N voltas, B (dado em Tesla) medido em termos de fluxo
magntico no vcuo B0 (Wb/m2): B0 = 0 H; 0 - permeabilidade magntica no vcuo
(4 10-7 H/m). Em (b) a densidade de fluxo magntico dentro do slido : B = H
As propriedades magnticas de um material podem ser medidas por diferentes parmetros:
Permeabilidade magntica (): = B/H a intensidade de magnetizao. Varia em funo da intensidade do campo. caracterstica do material
Permeabilidade magntica relativa (r): r= /0 permeabilidade magntica no meio considerado e a permeabilidade no vcuo.
Susceptibilidade magntica relativa (m): m = r- 1 o
inverso da permeabilidade magntica relativa.
CURVA DE MAGNETIZAO OU DE HISTERESE
Induo residual (Br) - a induo magntica que se conserva no corpo magnetizado,
depois de anulada a intensidade do campo. (Gauss)
Fora coercitiva (Hc)- a intensidade de campo que tem de ser aplicado para
desmagnetizar. (Oersted)
Material com elevado Hc: consome energia para alinhar os domnios magnticos, de
uma direo para outra. A quantidade de energia necessria para magnetizar
proporcional a rea do ciclo de histerese.
- r de alguns materiais
Fe puro (0,1% impurezas) 0,5 . 103
Ao silcio (4,25% Si) 1,5 . 103
Ao silcio (3,25% Si) gro orientados 2,0 . 103
Supermalloy (79%Ni; 16%Fe; 5%Mo) 1,0 . 104
Ferrita cermica (Mn, Zn)Fe2O4 1,5 . 103
Ferrita cermica (Ni, Zn)Fe2O4 0,3 . 103
-
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PROPRIEDADES MAGNTICAS2 Diamagnetismo
-Comportamento diamagntico ocorre quando o tomo (sem um momento magntico) aceita um
alinhamento no campo magntico, sendo a magnitude muito pequena e de direo oposta ao do
campo aplicado
-Forma muito fraca de magnetismo: persiste enquanto um campo magntico externo for aplicado: ausncia de campo externo momento magntico nulo-Todos materiais so diamagnticos muito fracos: observa-se quando no h outro tipo demagnetismo.-Susceptibilidade de materiais diamagnticos(m): -10
-6 a -10-5 (no varia com a T)
Configurao de dipolos de um material diamagnticos. (a) na ausncia de um campo externo. (b) na presena de um campo externo.
Al2O3 -1,81 . 10-5
Cobre -0,96 . 10-5
Ouro -3,44 . 10-5
Silcio -0,41 . 10-5
NaCl -1,41 .10-5
- Susceptibilidade magntica (m) de diamagnticos negativa
- Diamagnticos no apresentam Tc- Supercondutores tem comportamento diamagntico
-
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PROPRIEDADES MAGNTICAS3 Paramagnetismo
- tomos individuais possuem momentos magnticos:orientaes ao acaso magnetizao nula para
um grupo de tomos
Dipolos podem
ser alinhados
na direo do
campo aplicado
Configurao de dipolos em
um material paramagntico:
a) na ausncia de campo
externo; b) com campo
externo aplicado
- Paramagnetismo: forma muito fraca de magnetismo sem aplicao prtica
- Paramagnetismo observado: metais (ex.: Cr, Mn), gases diatmicos (O2 e NO), ons de metais
de transio, terras raras, seus sais e xidos.
- Susceptibilidade magntica: 10-5 a 10-3
(positiva e diminui com a temperatura)
m = K
TK= constante
T = temperatura
- Paramagnticos no apresentam Tc
Representao
esquemtica dos
momentos
magnticos de um
material
paramagntico.
Alumnio 2,07 10-5
Cromo 3,13 10-4
Cloreto de cromo 1,51 10-3
Sulfato de Mn 3,70 10-3
Molibdnio 1,19 10-4
Sdio 8,48 10-6
Titnio 1,81 10-4
Zircnio 1,09 10-4
-
- Materiais metlicos com momento magntico na ausncia de campo externo
- Exemplos: Fe(CCC), cobalto, nquel, gadolneo, ligas de mangans como MnBi e Cu2MnAl
- Susceptibilidade magntica (m) alta de 106
- Temperatura crtica temperatura de Currie (c), acima desta perdem o
ferromagnetismo e tornam-se paramagnticos
- c varia conforme o material: Fe (770C), Ni (358C), Co (1130C), Gd (20C), SmCo5 (720C) e
Nd2Fe14B (312C).
- Susceptibilidade magntica (m) diminui com o aumento da temperatura
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PROPRIEDADES MAGNTICAS4 Ferromagnetismo
(a) Configurao de dipolos de um material
ferromagnticos na ausncia de um campo
externo. (b) Configurao de dipolos no ferro .
m = C
T-
C = constante
T = temperatura
aproximadamente igual a c
-
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PROPRIEDADES MAGNTICAS5 Ferrimagnetismo
Ferrimagnetismo ocorre em alguns materiais cermicos que apresentam forte magnetizao
permanente ferritas (frmula geral: MFe2O4, e M um elemento metlico)
Prottipo das ferritas: Fe3O4 = Fe++O- -(Fe+++)2(O
- -)3
- Momentos
magnticos dos 2
tipos de ons no se
cancelam totalmente e
o material apresenta
magnetismo
permanente
ction Fe++ interstcios octadricos
ction Fe+++ interstcios tetradricos
nion O- - magneticamente neutro
MAGNETITA
Configurao
dos momentos
magnticos na
ferrita
- Temperatura crtica
- Susceptibilidade magntica (m)
diminui com o aumento da
temperatura (T)
m K
T
K = constante
T = temperatura
diferente de c
Ex: Fe, Ni, Mn, Co, Cu, e Mg
NiFe2O4, (Mn, Mg)Fe2O4
-
- Prottipo deste caso o MnO material cermico, com carter inico e
estrutura cristalina CFC tipo NaCl
- momento magntico O- - zero
- momento magntico M++ permanente num arranjo
que forma momentos opostos ou antiparalelo
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PROPRIEDADES MAGNTICAS6 Antiferromagnetismo
Diagrama esquemtico mostrando a
configurao de momentos magnticos no MnO
- O material como todo no apresenta momento magntico
- Alguns compostos de metais de transio apresentam este comportamento: MnO, CoO,
NiO, Cr2O3, MnS, MnSe e CuCl2
- Temperatura crtica temperatura de Nel (n)
- Susceptibilidade magntica (m) da ordem dos
materiais paramagnticos e diminui com o aumento
da temperatura (T)
m C
T
C = constante
T = temperatura
diferente de n
-
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PROPRIEDADES MAGNTICAS7 Comparao
Dependncia da temperatura na susceptibilidade magntica (a) paramagntico, (b)
ferromagntico (mostrando a transio para paramagntico), (c) antiferromagntico
(mostrando a transio para paramagntico).
a b c
(cermicos)
(cermicos)(cermicos)
(metais)
(metais)
m = r- 1
-
Cincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
PROPRIEDADES MAGNTICAS8 Magnticos moles e duros
EFEITO DA TEMPERATURA:
As caractersticas de um ferromagntico (material magntico mole) variam
com a T
T energia trmica mobilidade das paredes de Bloch dos domnios
magnticos
Paredes de Bloch: fronteira entre domnios vizinhos, regio de transio,
espessura 100 nm, onde a direo de magnetizao muda gradualmente,
um defeito bidimensional
MAGNETIZAO E DESMAGNETIZAO: So facilitadas: T > Ccomportamento ferromagntico desaparece Efeitos da T (a) ciclo de histerese, (b) magnetizao de
saturao.
MATERIAL MAGNETO MOLE: So facilmente magnetizveis e
desmagnetizaveis. Apresentam Hc de baixo valor e pequenas
perdas de histerese e baixo Br. A rea do ciclo de histerese e a
perda de energia por ciclo so pequenas. Opera na presena de
um campo magntico.
- So ligas organizadas. Geralmente metais puros com boa
qualidade estrutural.
- So empregadas como ligas a serem submetidas
magnetizao alternada (ncleos de transformadores) Ex.:
geradores, motores eltricos e transformadores (para estas
aplicaes necessrio materiais magnticos moles, de baixa
remanncia, como: Fe puro, ao ao silcio, supermalloy e ferritas
cbicas do tipo espinlio).
-
Cincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
PROPRIEDADES MAGNTICAS8 Magnticos moles e duros
MATERIAL MAGNETO DURO: magnetizado durante a fabricao
e deve reter o magnetismo aps a retirada do campo magntico.
Se caracterizam pelo grande valor de Hc e alto Br
Importante: resistncia desmagnetizao (rea BH grande)
Apresenta um ciclo de histerese grande.
So ligas endurecidas com estruturas desequilibradas,
dispersas
So utilizadas na fabricao de ims permanentes
Aplicaes: refrigeradores e fones de ouvido, utilizando-
se: ferritas cermicas, SmCo5, Sm2Co17 e NdFeB
Magnetos duros so constitudos de ferromagnticos, e
algumas ferritas hexagonais
Aumento da
eficincia (energia
magntica mxima)
dos magnetos
permanentes no
sculo XX.
EFEITO DOS ELEMENTOS LIGA
Aumentam a fora coercitiva ou dureza magntica
Diminuem o tamanho do domnio
A formao de uma segunda fase, pela adio de
elementos de liga (acima do limite de solubilidade)
contribui para o aumento do Hc. Quanto mais elevada a
disperso da segunda fase, maior o Hc.
O endurecimento causado pela transformaes de
fase ou pela diminuio do tamanho de gro aumentam
o Hc, porque evitam a redistribuio ao acaso dos
domnios magnticos.
-
5-5 PROPRIEDADES TRMICASCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
5.5.1 Introduo
Propriedades trmicas resposta ou reao de um material
aplicao do calor
Slido absorve calor sua temperatura aumenta
sua energia interna aumenta
Dois principais tipos de energia trmica em um slido:
energia vibracional dos tomos ao redor de suas
posies de equilbrio
energia cintica dos eltrons livres
-
5-5 PROPRIEDADES TRMICASCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
5.5.2 Capacidade trmica
Propriedade que indica a aptido do material em absorver calor do meio externo
Representa a quantidade de energia necessria para aumentar a temperatura de um corpo em uma unidade.
Matematicamente:
Calor especfico representa a capacidade trmica por unidade de massa. Pode ser determinado mantendo-se
o volume do material constante (cv), ou mantendo-se a presso externa constante (cp).
C = dQ
dT
C = capacidade trmica (J/molK, cal/molK)
dQ = energia necessria para produzir uma mudana dT de temperatura
CV = ( dS/dT)V e CP = (dH/dT)P E a energia interna
H a entalpia
-
5-5 PROPRIEDADES TRMICASCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
5.5.2 Capacidade trmica
Energia interna x EntalpiaH = S + PV
CP > CV para os slidos a entalpia e a energia interna so muito similares
Slidos: assimilao de energia aumento da energia vibracional dos tomos
tomos em slidos acima de 0K esto sempre vibrando com altas frequncias e baixas amplitudes
tomos + vizinhos ondas que atravessam ondas sonoras ouvibram o material elsticas
alta frequncia e velocidade do som
-
5-5 PROPRIEDADES TRMICASCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
5.5.2 Capacidade trmica
Energia trmica vibracional conjunto de ondas elsticas
em uma faixa de frequncias
a energia quantizada
FNON
Contribuio eletrnica significativa em materiais
com eltrons livres como ocorre:
absoro de energia pelos e- aumentando Ecintica
Condutores: e- com energia nvel de Fermi podem ser excitados
e super-lo.
Isolantes: contribuio eletrnica muito pequena ausncia de e- livres
-
5-5 PROPRIEDADES TRMICASCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
5.5.2 Capacidade trmica
Capacidade trmica depende da temperatura?
Experimentos de Einstein e Debye:
O calor especfico aumenta at uma certa temperatura
(temperatura de Debye =D) e aps torna-se constante.
3R 6cal/molK
No h correlao entre D e o PF dos materiais
Capacidade trmica depende pouco da estrutura e da microestrutura do
material
Porosidade influncia prtica
Material poroso exige uma menor quantidade de calor para atingir uma
determinada temperatura, do que um isento de poros.
Variao da capacidade trmica com a
temperatura para vrios materiais
cermicos policristalinos.
-
5-5 PROPRIEDADES TRMICASCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
5.5.3 Expanso trmica
Slidos: aumento de dimenses durante o aquecimento e
contrao no resfriamento, se no ocorrer transformaes de fases
L = lf - lili (Tf-Ti)
li = comprimento iniciallf = comprimento finalTi = temperatura inicialTf = temperatura final
Coeficiente de dilatao trmica volumtrica
V = Vf - ViVi (Tf-Ti)
Vi = volume inicialVf = volume finalTi = temperatura inicialTf = temperatura final
MATERIAIS
ISOTRPICOS:
V3L
Coeficiente de dilatao trmica linear
-
5-5 PROPRIEDADES TRMICASCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
5.5.3 Expanso trmica Variao da expanso trmica com o aumento da temperatura de alguns
materiais.Porosidade no influencia na expanso
trmica (o poro dilata como se fosse
o prprio material que o contm)
-
5-5 PROPRIEDADES TRMICASCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
5.5.3 Expanso trmica
Correlao entre e a energia de ligao (EL)
Materiais com ligaes qumicas fortes apresentam
Ex.: cermicos e metais com elevado PF (Mo, W)
Correlao entre e o PF de alguns materiais
Muitos materiais cristalinos apresentam anisotropia quanto a dilatao trmica, como alumina, titnia, quartzo.Exemplo extremo: grafita 27 vezes mais baixo no plano basal que na direo a ele
Dilatao trmica dos slidos tem origem na variao assimtrica da EL ou FL com a distncia interatmica.
Aquecimento: tomos aumentam a frequncia e
amplitude de vibrao, e como Fr > Fa, a
distncia mdia entre os tomos aumenta
-
5-5 PROPRIEDADES TRMICASCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
Correlao entre e a energia de ligao (EL)
5.5.3 Expanso trmica
(a) EL x a: aumento na separao interatmica com o aumento da temperatura. Com o
aquecimento, a separao interatmica aumenta de r0 para r1, para r2.
(b) Para uma curva hipottica de EL x a: simetria.
-
5-5 PROPRIEDADES TRMICASCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
Condutividade trmica a habilidade de um material para
transferir calor. Para um fluxo estacionrio de calor:
5.5.4 Condutividade trmica
onde:
q: fluxo de calor (W) Q: calor transmitido (J)
t: tempo de transmisso de calor (s)
k: condutividade trmica (W/mK)
A: rea perpendicular ao fluxo (m2)
T: temperatura (K) x: comprimento na direo do fluxo (m)
xT
Qk x
q= dQ = k A dT
dt dx
Calor transportado nos slidos de
duas maneiras: por fnons e pela
movimentao de e- livres
Analogia: eltrons ou fnons livres
como partculas de um gs. A
condutividade trmica diretamente
proporcional ao nmero de eltrons
livres ou de fnons (n); velocidade
mdia das partculas (v); ao calor
especfico (cv) e distncia mdia entre
colises ():
k n . v . Cv .
kTOTAL = kf +ke
-
5-5 PROPRIEDADES TRMICASCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
METAIS
ke >> kf pois os e- tem maior velocidade e
no so espalhados facilmente
pelos defeitos como os fnons
Nestes materiais pode-se relacionar conduo trmica e eltrica
Lei de Wiedemann-Franz:
se a conduo trmica ocorresse apenas por e- livres L seria igual
para todos os metais. Valor real entre 2 e 3 x 10-8 W/K2
5.5.4 Condutividade trmica
L = k
T
L terico = 2,44 x 10-8 W/K2
k = condutividade trmica
= condutividade eltrica
T = temperatura
-
5-5 PROPRIEDADES TRMICASCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
Elementos liga e impurezas diminuem a condutividade trmica
funcionam como pontos de espalhamento, piorando a
eficincia do transporte eletrnico
5.5.4 Condutividade trmica
Efeito do zinco em soluo
slida na condutividade
trmica do cobre
METAIS
-
5-5 PROPRIEDADES TRMICASCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
CERMICOS
ke
-
5-5 PROPRIEDADES TRMICASCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
CERMICOS
5.5.4 Condutividade trmica
onde:
k: condutividade trmica
v: volume da fase
Q: kc/kpP: quantidade de poros
K=v1k1+v2k2+...
1/k=v1/k1+v2/k2+... k= 1+2P(1-Q/2Q+1)ks 1-P(1-Q/2Q+1)
Efeito da microestrutura
ons em soluo slida
diminuem acentuadamente k
Fases amorfas so piores
condutoras que cristalinas de
igual composio qumica
Poros diminuem a
condutividade trmica de
cermicos
kP = k 1-P
1 - 0,5P
kP = condutividade trmica do material com poros
P = frao volumtrica de poros
- composio;
- condies de queima;
- quantidade e tipo de porosidade;
- quantidade e tipo de fases;
- forma e orientao de gros;
-
5-5 PROPRIEDADES TRMICASCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
POLMEROS
ke
-
5-5 PROPRIEDADES TRMICASCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
EFEITO DA TEMPERATURA
5.5.4 Condutividade trmica
Diferenas de condutividade trmica com a
temperatura no so to acentuadas quanto na
condutividade eltrica.
Materiais cermicos densos sem poros
k com TEx.: BeO, MgO e Al2O3
Explicao: k n . v . Cv .
Outros cermicos como: ZrO2 estabilizada e
densa, slica fundida e materiais refratrios com
poros k com T
Explicao: k n . v . Cv .
Efeito da temperatura na condutividade trmica
de vrios materiais
-
5-6 PROPRIEDADES TICASCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
5.6.1 Introduo
Propriedades ticas resposta de um material incidncia de luz, em particulara luz visvel
Luz onda eletromagnticamecnica clssica ondasmecnica quntica ftons
Einstein feixe de luz consiste em pequenospacotes de energia
quanta de luz: FTON
Fton incidindo na superfcie de um metal transfereenergia para o eltron, que pode escapar do material
Formas de radiao eletromagntica: luz, calor, ondas de radar, ondas de rdio e raios X
Espectro de radiaes eletromagnticas
-
5-6 PROPRIEDADES TICASCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
5.6.2 Conceitos bsicos
Todos os corpos emitem radiao eletromagntica: movimento trmico de tomos e molculas
radiao trmica visvel depende de T
Ex.: 300C radiao infravermelha
800C radiao visvel
Luz visvel espectro de radiaes pequeno 0,4m 0,7m CORES
Radiao eletromagntica atravessa o vcuo com a
velocidade da luz
c = velocidade da luz 3x108 m/s
0 = permissividade eltrica no vcuo
0 = permeabilidade magntica no vcuo
c = 1
(00)
0,40 a 0,45 m violeta0,45 a 0,50 m azul0,50 a 0,55 m verde0,55 a 0,60 m amarelo0,60 a 0,65 m laranja0,65 a 0,70 m vermelho Feixe de luz incide no slido com intensidade I0
parte transmitida Itparte absorvida Ia relacionadas por:
parte refletida Ir
I0 = It + Ia + Ir (em W/m2)
ou
T + A + R = 1T = transmitncia (It/I0)A = absorbncia (Ia/I0)
R = refletncia (Ir/I0)
Se: T >> A+R: materiais transparentes
T
-
5-6 PROPRIEDADES TICASCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
Radiao incidente com visvel: parte absorvida por e-
parte da radiao absorvida reemitida na superfcie luz visvel de = incidente
POR QU?
e- que foram promovidos acima do nvel de Fermi pela absoro de ftons de luz, decaem para nveis menores de energia e
emitem luz. Refletncia dos metais entre 0,90 e 0,95 dissipao do calor
Metais so opacos a radiaes eletromagnticas de ondas de rdio, TV, microondas, infravermelho, luz visvel
Metais so transparentes a radiaes eletromagnticas de raios X e raios
Cor do metal: distribuio dos comprimentos de onda refletidos
5.6.4 Propriedades ticas dos materiais metlicos
Ex.: o ouro reflete quase que completamente a luz
vermelha e a amarela e absorve parcialmente mais
curtos. A prata reflete eficientemente quase todos os
do espectro visvel, por isso sua cor esbranquiada.
-
5-6 PROPRIEDADES TICASCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
5.6.5 Propriedades ticas dos materiais no-metlicos
Cermicos e polmeros no apresentam e- livres (que absorvem ftons de luz) e podem ser
transparentes luz visvel. Fenmenos importantes:
REFRAO (n) E REFLEXO (R) Velocidade de propagao da luz no slido transparente () menor que no ar
feixe de luz muda de direo na interface ar/slido
ndice de refrao:
= permissividade eltrica do material = permeabilidade magntica do material
n = c = ()
(00)
ndice de refrao de alguns materiais cermicosMaterial ndice de refrao
Vidro de slica 1,458
Vidro pyrex 1,47
Vidro ptico flint 1,65
Al2O3 1,76
MgO (periclsio) 1,74
Quartzo 1,55
R
Quanto maior n do
material, maior R
-
5-6 PROPRIEDADES TICASCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
REFRAO (n) E REFLEXO(R)
5.6.5 Propriedades ticas dos materiais no-metlicos
Se um dos meios for o ar n1 = 1R = n2 - n1
n2+n1R = n2 - 1
n2+1
Variao das fraes da luz
incidente que so
transmitida, absorvida e
refletida por um determinado
vidro em funo do
comprimento de onda
Cermicos cristalinos Cbicos e vidros ndices de
refrao isotrpicos
Cristais no-cbicos ndices de refrao
maior em direes mais densas
Luz passa de um meio n1 para outro n2parte da luz refletida na interface dos meios
Como o n depende de da luz incidente, R tambm depende de
-
5-6 PROPRIEDADES TICASCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
5.6.5 Propriedades ticas dos materiais no-metlicos
ABSORO(A) E TRANSMISSO (T) Maioria dos materiais transparentes so coloridos
a cor dos materiais transparentes uma combinao dos comprimentos transmitidos
Absoro de ftons por e- da banda devalncia promovendo-os banda de conduoem no-metais tambm possvel, desde que ose- superem a banda proibida.
Energia associada com (E = hc/)
determina-se e E mximos e mnimos cedidos
aos e- pela luz visvel
min = 0,4 m Emax = 3,1eV
max = 0,7m Emin= 1,8eV
Comprimentos de onda absorvidos (nm) e cores complementares
Concluso: i) a luz pode ser absorvida por materiais com banda proibida
menor que 1,8 eV (SEMICONDUTORES) estes materiais so
opacos ex.:Si, Ge, AsGa
ii) materiais com banda proibida entre 1,8 e 3,1 eV absorvem
apenas alguns comprimentos de ondas estes materiais so
coloridos ex.:GaP, CdS
iii) a luz visvel no pode ser absorvida por este mecanismo em
materiais com banda proibida maior que 3,1 eV
-
5-6 PROPRIEDADES TICASCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
5.6.5 Propriedades ticas dos materiais no-metlicos
ABSORO(A) E TRANSMISSO (T) Impurezas podem contribuir para que alguns comprimentos de onda sejam absorvidos
Ex.: safira e rubi
Safira: cristal puro de Al2O3, isolante,
transparente
Rubi: safira onde uma pequena quantidade
de ons Cr+3 substitui o Al+3, causa
absoro na regio de luz azul do espectro
visvel. Cristal resultante: vermelho
Cor dos vidros de slica, cal, soda e chumbo pode sermodificada pela adio de xidos de elementos detransio
Ex.: adio de 0,01 a 0,03% de CoO - colorao azuladaadio de 0,2% de NiO - colorao prpuraadio de 1,0% de FeO - amarelo esverdeada
Cor pode ser resultado do desvio da estequiometriaou da presena de defeitos cristalinos
Ex.: cristais puros de NaCl, KBr e KCl so incolores seforem recozidos em atmosfera de metais alcalinos ouirradiados com raios X ou neutrnscolorao: NaCl amarelo
KBr azulKCl magenta
Criou-se defeitos:
centro de cor
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5-6 PROPRIEDADES TICASCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
5.6.5 Propriedades ticas dos materiais no-metlicos
ABSORO (A) E TRANSMISSO (T)R, A e T dependem do material, do caminho tico, incidente
Defeitos no material espalham a luz e podem torn-lo
transparente, translcido ou opaco
Ex.: monocristal de safira (Al2O3) transparente
policristal de safira sem poros translcido
policristal de safira com 5% poros opaco
Variao da transmitncia com incidente para diversos materiais.
Exemplo: lmpada de sdio (1000oC) com tubo de alumina
(100 lmens/W convencional 15 lmens/W)
Alumina convencional (opaca) Alumina translcida
porosidade: 3% porosidade: 0,3
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5-7 EXERCCIOSCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
1 Elementos de liga influem pouco no mdulo de elasticidade. Entretanto, as resistncias mecnicas so
significativamente afetadas. Porqu?
2 Porque as ligas de metais tm maior resistncia mecnica do que os metais puros?
3 Qual a dificuldade de se empregar deformao plstica para obter-se um aumento de resistncia mecnica para
metais como chumbo, zinco e estanho?
4 Qual o efeito da temperatura sobre o mdulo de elasticidade e sobre a resistncia mecnica de um metal?
5 Qual a diferena entre tenso de cisalhamento crtica e tenso de cisalhamento efetiva?
6 Porque metais com tamanho de gro pequeno possuem a temperatura ambiente maior resistncia mecnica do
que se possussem gros maiores?
7 Porque metais com tamanho de gro grande possuem a elevadas temperaturas maior resistncia mecnica do
que se possussem gros pequenos?
8 Os gros aumentam seu tamanho mdio a altas temperaturas? Porque no diminuem a baixas temperaturas?
9 Explique como um tomo de um elemento liga bloqueia uma discordncia em movimento.
10 Explique os diferentes estgios de fluncia.
11 O que recuperao, rescristalizao e crescimento de gro? Descreva esses fenmenos.
12 Qual a distino entre trabalho a frio e trabalho a quente para um metal. Para o tungstnio, por exemplo, qual
seria a temperatura limite entre um e outro?
13 Descreva a fratura dctil e a fratura frgil.
14 Qual a importncia da temperatura de transio. Que estruturas esto mais susceptveis transformao dctil-
frgil?
15 Explique porqu um metal monocristalino mais macio e dctil que um metal policristalino?
16 Qual a possvel relao entre resistncia mecnica trao de um metal e o resultado de dureza Brinell?
Porqu?
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5-7 EXERCCIOSCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
17 Qual a possvel relao entre resistncia mecnica e limite fadiga de um metal? Porqu?
18 Em que etapas pode-se dividir o processo de fadiga de um material metlico?
19 A presena de discordncia contribui positivamente ou negativamente para a deformao plstica de um metal?
20 Explique a Figura 1 abaixo.
21 Relacione a estrutura e as propriedades mecnicas apresentadas na Figura 2.
FIGURA 1 FIGURA 2
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5-7 EXERCCIOSCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
22 O cloreto de sdio isolante no estado slido. Entretanto no estado lquido, ele um bom condutor. Justifique.
23 As condutividades eltricas da maioria dos metais decrescem gradualmente com a temperatura, mas a
condutividade intrnseca dos esemicondutores sempre cresce rapidamente com a temperatura. Justifique a
diferena.
24 Por que o efeito da temperatura na condutividade eltrica , em geral, mais acentuado em um semicondutor do
que em um isolante?
25 A adio de pequenas quantidades (menos de um ppm) de arsnio no germnio aumenta drasticamente sua
condutividade eltrica (semicondutor do tipo n), enquanto que a adio de pequenas quantidades (menos de um
ppm) de glio no germnio tambm aumenta drasticamente sua condutividade eltrica (semicondutor do tipo p).
Explique estes dois comportamentos.
26 Por que a deformao plstica de um metal ou liga aumenta sua resistividade eltrica e o posterior recozimento
a diminui?
27 Por que pequenas adies de soluto aumentam a condutividade eltrica do germnio e diminuem a do cobre?
28 Pode um condutor metlico apresentar os fenmenos de ferroeletrecidade e/ou piezoeletrecidade?
29 Qual a diferena entre conduo eletrnica e conduo inica?
30 Em termos de bandas de energia eletrnica, discuta a razo para a diferena na condutividade eltrica entre
metais, semicondutores e isolantes.
31 Quais so as principais diferenas e similaridades entre um material (a) diamagntico e paramagntico e (b)
ferromagntico e ferrimagntico?
32 O que material magntico mole?
33 O que magntico duro?
34 Desenhe um ciclo de histerese para um material magntico mole (por exemplo, ferro) recozido. Como a
deformao plstica a frio altera o ciclo de histerese deste material?
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5-7 EXERCCIOSCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
35 Explique porqu materiais ferromagntico podem ser permanentemente magnetizados, enquanto materiais
paramagnticos no podem.
36 Qual a diferena entre a estrutura cristalina espinlio e espinlio inverso?
37 Explique brevemente porqu a magnitude de saturao de magnetizao diminui com o aumento da
temperatura para um material ferromagntico e porque o comportamento ferromagntico cessa acima da
temperatura de Curie.
38 Em um dia frio, as partes metlicas de um carro causam maior sensao de frio que as partes de plstico,
mesmo estando na mesma temperatura. Justifique.
39 Justifique as afirmativas a seguir (a) a condutividade trmica de um policristal ligeiramente menor que a de
um monocristal (do mesmo material). (b) uma cermica cristalina geralmente melhor condutora trmica que uma
cermica amorfa.
40 Defina nvel de Fermi.
41 A condutividade eltrica do alumnio cerca de 20 ordens de grandeza maior que a da alumina. Por outro lado,
a condutividade trmica do alumnio apenas 8 vezes maior que a da alumina. Justifique.
42 A condutividade trmica da alumina maior que a condutividade trmica de um ao inoxidvel austentico do
tipo 316 (Fe-19%Cr-11%Ni-2,5%Mo). Como voc justifica o fato de um material cermico ser melhor condutor de
calor que um material metlico?
43 Explique brevemente a expanso trmica usando a curva do potencial de energia versus a distncia
interatmica.
44 Compare o efeito da temperatura sobre a condutividade trmica e eltrica para materiais cermicos e
metlioco.
45 Para cada um dos pares de material apresentado decida qual deles tem a maior condutividade trmica.
Justifique sua resposta. (a) prata pura; prata esterlina (92,5 Ag e 7,5 Cu % em peso); (b) slica fundida; slica
policristalina.
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5-7 EXERCCIOSCincia dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
46 A pele humana relativamente insensvel luz visvel, mas a radiao ultravioleta pode ser-lhe bastante
destrutiva. Isto tem alguma relao com a energia do fton? Justifique.
47 Quais as principais diferenas e similaridades entre um fton e um fnon?
48 Quando um corpo aquecido a uma temperatura muito alta ele se torna luminoso. A medida que a temperatura
aumenta, a sua cor aparente muda de vermelho para amarelo e finalmente para azul. Explique.
49 O silcio no transparente luz visvel mas transparente radiao infravermelha. Justifique
50 Um cristal de KCl irradiado com raios e adquire a cor prpura. O cristal colocado em um dessecador na
temperatura ambiente. Com o passar do tempo, o cristal vai perdendo a cor. Justifique este comportamento.
51 Por que alguns materiais transparentes so incolores e outros so coloridos? Por que a adio de zinco muda a
cor do cobre?
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