AULA 03 - Estruturas_Cristalinas

Prof. Sandro R. Zang Departamento das Engenharias de Telecomunicaes e Mecatrnica (DETEM)

Universidade Federal de So Joo del-Rei (UFSJ) Campus Alto Paraopeba - Ouro Branco/MG

Disciplina: Materiais Eltricos e

Magnticos.

Introduo

2 Materiais Eltricos e Magnticos Prof. Sandro R. Zang

Caracterizao dos materiais usados na Engenharia;

A maioria dos materiais da engenharia possuem escala atmica cristalina. Ou seja, os tomos dos materiais so arrumados de maneira regular e repetitiva em 3 dimenses;

Os fundamentos da geometria cristalina so comuns a todos;

7 sistemas e 14 redes cristalinas (Definidos por Auguste Bravais);

A estrutura cristalina da maioria dos metais pertencem a um de trs tipos relativamente simples;

Introduo


Compostos cermicos possuem grande variedade de estruturas cristalinas, algumas simples, mas muitas como os silicatos so bastante complexas;

O vidro no-cristalino, ou seja, AMORFO;

Os polmeros possuem caractersticas das cermicas e vidros. Sua estruturas cristalinas relativamente complexas, e os polmeros comuns podem ter de 50% a 100% de seu volume no-cristalino;

Introduo


Semicondutores: Os elementares como o Silcio exibem uma

estrutura caracterstica (diamante cbico); Outros Composto semicondutores so

semelhantes aos cermicos.

Como descrever a posio dos tomos, as direes cristalinas e o plano do cristal?

Ou seja, como determinar a Estrutura Cristalina de um material ? Difrao de Raio X

Estrutura Cristalina


Caracterstica central est na sua forma regular e repetitiva;

Para quantificar essa repetio temos que determinar qual unidade estrutural repetida;

Estrutura Cristalina


Clula Unitria Referncia de repetividade da estrutura cristalina (Unidade estrutural mais simples);

Contem a descrio completa da estrutura como um todo (gerada a partir do empilhamento das clulas unitrias).

Vantagem: todas as estruturas possveis se reduzem a um pequeno nmero de geometrias bsicas de clulas unitrias.

Parmetros da Rede so:

Tamanho das arestas da clula unitria;

Os ngulos entre os eixos cristalogrficos;

Parmetros de Rede Clula Unitria


S existem 7 formas exclusivas de clulas unitrias: Sete sistemas cristalinos de Auguste Bravais

Arranjos Cristalinos


Existem 14 formas de distribuio dos tomos nas clulas unitrias

que formam os 14 arranjos cristalinos.

Sistema 1 Cbico: a = b = c = = = 90

existem 3 formas de distribuio dos tomos sobre essa geometria.

Cbico simples Cbico de corpo Cbico de face centrado centrada

Sistemas de Rede


Sistema 2 Tetragonal: a = b c = = = 90


Tetragonal simples Tetragonal de corpo centrada

Sistemas de Rede


Sistema 3 Ortorrmbica: a b c = = = 90


Ortorrmbica Ortorrmbica de Ortorrmbica de Ortorrmbica de simples corpo centrado base centrada face centrada

Sistemas de Rede


Sistema 4 Monocclico: a b c = = 90


Monocclica simples Monocclica de base centrada

Sistemas de Rede


Sistema 5 Tricclico: a b c 90

existe 1 forma de distribuio dos tomos sobre essa geometria.

Tricclica simples

Sistemas de Rede


Sistema 6 Hexagonal: a = b c = = 90, = 120


Hexagonal

Sistemas de Rede


Sistema 7 Rombodrico: a = b = c = = 90


Rombodrico

Sistemas de Rede


Exemplo 1


Esboce as seguintes redes pontuais bidimensionais:

Quadrado simples

Retngulo simples

Retngulo de rea centrada

Paralelograma

Hexgono de rea centrada

Estruturas Metlicas


14 tipos de arranjos cristalinos;

Alguns ocorrem com maior frequncia do que outros;

Os metais em temperatura ambiente so encontrados em uma das trs estruturas cristalinas: Cbica de Corpo Centrado CCC

Cbica de Face Centrada CFC

Hexagonal Compacta HC

Cbica de Corpo Centrado - CCC


Um tomo centralizado em cada ponto da rede;

Existe um tomo no centro da clula unitria e um oitavo de tomo em cada um dos oito cantos da clula unitria;

Cada tomo de canto compartilhado por oito clulas unitrias adjacentes.

Assim, existem dois tomos em cada clula unitria CCC.

Cbica de Corpo Centrado - CCC


Fator de empacotamento atmico FEA: representa a frao do volume da clula unitria ocupado pelos tomos;

Para os CCC a FEA corresponde a 0,68.

Metais Tpicos: Ferro (Fe forma estvel na temp ambiente), Cromo (Cr), Molibdnio (Mo), Tungstnio (W), Vandio (V).

Uma liga formada por um desses metais tambm tende a apresentar essa estrutura.

A presena de elementos de liga diminui a perfeio cristalina.

Cbica de Face Centrada - CFC


Existe meio tomo (um tomo

compartilhado por duas clulas) no

centro de cada face da clula

unitria;

Existe tambm, um oitavo de tomo

em cada canto da clula unitria;

Fator de empacotamento atmico

FEA = 0,74, valor mais alto possvel

para preencher o espao

empilhando as esferas rgidas do

mesmo tamanho (Tambm

chamada de cbica compacta CC).

Exemplos: Alumnio (Al), Niquel (Ni),

Cobre (Cu), Prata (Ag), Ouro (Au),

Platina (Pt), Ferro (Fe estvel de

912 a 1394 C)

Hexagonal Compacta - HC


Estrutura um pouco mais

complicada;

Dois tomos associados a cada

ponto da rede, um tomo

centralizado dentro da clula e

diversos tomos fracionados

nos cantos da clula unitria.

Dois tomos por clula

unitria.

Fator de empacotamento

atmico FEA = 0,74.

Exemplos: Berilio (Be),

Magnsio (Mg)Titnio (Ti),

Zinco (Zn) e Zircnio (Zr).

Carbono Diamante x Grafite


Umas contra as outras:

Lubrificante seco.

Diamante:

Forma estabilizada do grafite em

alta presso.

Onde, cada atomo de carbono (C)

est localizada em uma estrutura

tetradrica com 4 outros tomos.

Grafite:

Os tomos de carbono (C) esto

dispostos em camadas.

Os aneis exagonais so fortemente

unidos por ligao covalente.

A ligao entre as camadas, porm,

so do tipo van de Waals.

resultando na natureza frgil do

grafite, que deslizam facilmente

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