Marcilio Cunha Marcilio Cunha ESTRUTURA CRISTALINA E NÃO CRISTALINA Engenharia de Materiais

Marcilio Marcilio Cunha Cunha

ESTRUTURA CRISTALINA E NÃO CRISTALINAESTRUTURA CRISTALINA E NÃO CRISTALINA

Engenharia de MateriaisEngenharia de Materiais

Para a maioria dos materiais da Para a maioria dos materiais da engenharia, é cristalina.engenharia, é cristalina.

Ou seja, os átomos do material sãoOu seja, os átomos do material sãoarrumados de maneira regular e arrumados de maneira regular e repetitiva sendo os fundamentos darepetitiva sendo os fundamentos dageometria cristalina comuns a todosgeometria cristalina comuns a todosos materiais cristalinos.os materiais cristalinos.

ESTRUTURA CRISTALINAESTRUTURA CRISTALINA


É necessário identificar os 7 sistemas e as 14 redesÉ necessário identificar os 7 sistemas e as 14 redescristalinas, pois cada uma das milhares de estruturascristalinas, pois cada uma das milhares de estruturascristalinas encontradas em materiais naturais ecristalinas encontradas em materiais naturais esintéticos pode ser colocada dentro desses poucossintéticos pode ser colocada dentro desses poucossistemas e redes.sistemas e redes.

A rede cúbica simples se torna a estruturacristalina cúbica simples quando um átomoé colocado em cada ponto da rede.

REDES CRISTALINAS BRAVAISREDES CRISTALINAS BRAVAIS

Estrutura : cúbica de corpo centrado (ccc)Estrutura : cúbica de corpo centrado (ccc)Rede de Bravais: ccc 1Rede de Bravais: ccc 1Átomos por célula unitária: 1 + 8 x ---- = 2Átomos por célula unitária: 1 + 8 x ---- = 2 88Metais típicos: Fe Metais típicos: Fe αα , Cr , Mo , Cr , Mo


ESTRUTURA CÚBICA ESTRUTURA CÚBICA DE CORPO CENTRADODE CORPO CENTRADO

Estrutura : cúbica de face centrada (cfc)Estrutura : cúbica de face centrada (cfc)Rede de Bravais: cfc 1 1Rede de Bravais: cfc 1 1Átomos por célula unitária: 6 x --- + 8 x ---- = 4Átomos por célula unitária: 6 x --- + 8 x ---- = 4 2 82 8


ESTRUTURA CÚBICADE FACE CENTRADA


ESTRUTURA ESTRUTURA CRISTALINACRISTALINA

RELACIONAMENTO RELACIONAMENTO ENTRE DA ARESTA,ɑ,ENTRE DA ARESTA,ɑ,E RAIO ATÔMICO, rE RAIO ATÔMICO, r

Cúbica de corpo centrado (ccc)

Cúbica de face centrada (cfc)

Hexagonal compacta (hc)

ɑ = 4r / √ 3

ɑ = 4r / √ 2

ɑ = 2r

Relação entre tamanho da célula unitáriaRelação entre tamanho da célula unitária(tamanho da aresta) e raio atômico para(tamanho da aresta) e raio atômico paraas estruturas metálicas comunsas estruturas metálicas comuns

EXEMPLO DE PROBLEMA

Usando os dados do Cobre,calcule a sua densidade.

Dados: metal de estrutura cúbica de face centrada (cfc) átomos/célula unitária: 4 raio atômico: 0,128mm massa atômica (uma): 63,55 g o tamanho, t , da diagonal da face na célula unitária é: t = 4r átomo Cu = √ 2a ou 4 ɑ = ------- r átomo Cu

√2 4 ɑ = --------- (0,128mm) = 0,362 mm

√2

EXEMPLO DE PROBLEMA

A densidade da célula unitária (contendo 4 átomos) é:

4 átomos 63,55 g 10 mm d = ------------------ x ---------------------- x ----------- (0,362 mm ) 6,023x 10 átomos cm

d = 8,89 g / cm

Esse resultado pode ser comparado com o valortabelado de 8,93 g / cm no apêndice (dados físicose químicos para os elementos). A diferença seriaeliminada se fosse utilizado um valor mais preciso do r r átomo Cu átomo Cu ( ou seja,com pelo menos um valor maissignificativo).

3

7

3

3

3


Os materiais sólidos podem ser classificadosde acordo com a regularidade segundo a qualseus átomos ou íons (espécie carregada devidoa elétron(s) adicionado(s) ou removido(s) de umátomo neutro)estão arranjados uns em relaçãoaos outros.


Um Um material cristalino material cristalino é aquele em que átomosé aquele em que átomosestão situados de acordo com uma matriz queestão situados de acordo com uma matriz quese repete, ou que é periódica, ao longo dese repete, ou que é periódica, ao longo degrandes distâncias atômicas.grandes distâncias atômicas.

Existe ordem de longo alcance, tal que,Existe ordem de longo alcance, tal que,quando ocorre um processo de solidificação,quando ocorre um processo de solidificação, os Átomos se posicionam de acordo comos Átomos se posicionam de acordo comum padrão tridimensional repetitivo, onde um padrão tridimensional repetitivo, onde cada Átomo está ligado aos seus vizinhoscada Átomo está ligado aos seus vizinhosmais próximos.mais próximos.


Algumas das propriedades dos sólidos cristalinosAlgumas das propriedades dos sólidos cristalinosdependem da dependem da estrutura cristalina estrutura cristalina do material, oudo material, ouseja , da maneira segundo a qual os átomos,íonsseja , da maneira segundo a qual os átomos,íonsou moléculas estão arranjados no espaço.ou moléculas estão arranjados no espaço.


Existe um número extremamente grande deExiste um número extremamente grande deestruturas cristalinas estruturas cristalinas diferentes, todas elasdiferentes, todas elaspossuindo uma ordenação atômica de longopossuindo uma ordenação atômica de longoalcance.alcance.


As estruturas cristalinas estruturas cristalinas variam desde estruturasrelativamente simples, como ocorre para osmetais,

até estruturas complexas exibidas poralguns materiais cerâmicos e polímeros.

MARCILIO CUNHA


MARCILIO CUNHAMARCILIO CUNHA


INTERLIGAÇÕESINTERLIGAÇÕESINTERMOLECULARESINTERMOLECULARES



CÉLULA UNITÁRIA DO GRAFITE



SISTEMAS RETICULADOS CRISTALINOS



CÉLULA UNITÁRIA : é o menor reticulado cristalinoCÉLULA UNITÁRIA : é o menor reticulado cristalino

ESTRUTURA CRISTALINA

Observação: os metais diferem entre si pelo tamanho do reticulado cristalino


ESTRUTURA CRISTALINAESTRUTURA CRISTALINAESTRUTURA CRISTALINAESTRUTURA CRISTALINA

TIPOS DE CÉLULAS UNITÁRIASTIPOS DE CÉLULAS UNITÁRIAS

RETICULADO CÚBICO DE CORPO CENTRADORETICULADO CÚBICO DE CORPO CENTRADO (tem um átomo no centro do cubo)(tem um átomo no centro do cubo)

Exemplo: lítio , sódio , potássio , ferro α , ferro δ


MARCILIO CUNHA

RETICULADO CÚBICO DE FACES CENTRADASRETICULADO CÚBICO DE FACES CENTRADAS ( com um átomo no centro de cada face )( com um átomo no centro de cada face )

Por exemplo: cobre, alumínio, prata, ouro, ferro φ

ESTRUTURA CRISTALINA


HEXAGONAL COMPACTOHEXAGONAL COMPACTO

Prisma hexagonal com um átomo no centroPrisma hexagonal com um átomo no centrode cada uma das bases e mais três átomosde cada uma das bases e mais três átomoscentrais.centrais.

Por exemplo: magnésio, zincoPor exemplo: magnésio, zinco,


TETRAGONAL DE CORPO CENTRADOTETRAGONAL DE CORPO CENTRADO

Por exemplo: tungstênio bronze,óxido de zircônioPor exemplo: tungstênio bronze,óxido de zircônio

ESTRUTURA NÃO CRISTALINAESTRUTURA NÃO CRISTALINA

Naqueles que não não se cristalizam, essa ordematômica de longo alcance está ausente.

Esses materiais são chamados de não – cristalinos não – cristalinos e amorfosamorfos.

Por exemplo: cerâmicas e vidrosPor exemplo: cerâmicas e vidros


Nada no mundo é tão perfeito.Nada no mundo é tão perfeito.

Não existe um material cristalino que não tenhaNão existe um material cristalino que não tenhapelo menos algumas falhas naturais.pelo menos algumas falhas naturais.

Com essa consideração é que nenhum materialCom essa consideração é que nenhum materialpode ser preparado sem algum grau de impurezapode ser preparado sem algum grau de impurezaquímica.química.


Os Os átomosátomos ou ou íonsíons de impureza na de impureza na solução sólidasolução sólidaresultante servem para alterar a regularidaderesultante servem para alterar a regularidadeestrutural do material idealmente puro.estrutural do material idealmente puro.

Independentemente das impurezas,existem diversasIndependentemente das impurezas,existem diversasimperfeições estruturais que representam uma perdaimperfeições estruturais que representam uma perdada perfeição cristalina.da perfeição cristalina.

MARCILIO CUNHA


O tipo mais simples de imperfeição é o defeito pontual,como um átomo faltando átomo faltando ( lacuna ou vacância ).

MARCILIO CUNHA


Esse tipo de Esse tipo de defeito defeito é o resultado inevitável daé o resultado inevitável davibração térmica normal vibração térmica normal dos átomos em qualquerdos átomos em qualquersólido em uma sólido em uma temperatura acima do zero absolutotemperatura acima do zero absoluto.



Defeitos lineares, ou Defeitos lineares, ou discordânciasdiscordâncias, seguem um, seguem umcaminho longo e, as vezes, complexo através dacaminho longo e, as vezes, complexo através daestrutura cristalinaestrutura cristalina.



Defeitos planaresDefeitos planares, representam o limite entre uma, representam o limite entre umaregião cristalina quase perfeita e seus arredores.região cristalina quase perfeita e seus arredores.

MARCILIO CUNHA


Algumas materiais não possuem nenhuma ordemAlgumas materiais não possuem nenhuma ordemcristalina.cristalina.

O vidro de janela comum é um O vidro de janela comum é um sólido não cristalinosólido não cristalinodesse tipo.desse tipo.

MARCILIO CUNHA


A A microscopia microscopia é um conjunto de ferramentas poderosasé um conjunto de ferramentas poderosaspara inspecionar a ordem ou desordem estrutural.para inspecionar a ordem ou desordem estrutural.



A solução sólida – imperfeição química A solução sólida – imperfeição química

Não e possível evitar a contaminação de materiaisNão e possível evitar a contaminação de materiaisquando se unem quimicamente.quando se unem quimicamente.

Até mesmo produtos semi-condutores de alta purezaAté mesmo produtos semi-condutores de alta purezapossuem algum nível mensurável de átomos depossuem algum nível mensurável de átomos deimpureza.impureza.

Muitos materiais da engenharia contêm quantidadesMuitos materiais da engenharia contêm quantidadessignificativas de vários componentes diferentes.significativas de vários componentes diferentes.




Como resultado,todos os materiais com os quaisComo resultado,todos os materiais com os quaiso engenheiro lida diariamente são na realidade,o engenheiro lida diariamente são na realidade,soluções sólidassoluções sólidas..

A princípio, o conceito de uma solução sólida podeA princípio, o conceito de uma solução sólida podeser difícil de entender.ser difícil de entender.




A A solução sólida solução sólida é essencialmente equivalenteé essencialmente equivalenteà solução líquida familiar,como o sistema à solução líquida familiar,como o sistema água-álcool.água-álcool.

água álcoolH O2

C H OH2 5



Formando uma solução líquida de água e álcool.Formando uma solução líquida de água e álcool.

A mistura ocorre em escalar molecular completa.A mistura ocorre em escalar molecular completa.

Representa dois líquidos completamente solúveisRepresenta dois líquidos completamente solúveisentre si em todas as proporções.entre si em todas as proporções.

água álcool



Solução sólida de níquel no cobre mostrada ao longoSolução sólida de níquel no cobre mostrada ao longode um plano.de um plano.

Essa solução sólida Essa solução sólida substitucionalsubstitucional com os átomos com os átomosde níquel substituindo os átomos de cobre nosde níquel substituindo os átomos de cobre nossítios de estrutura cúbica de face sítios de estrutura cúbica de face centrada ( cfc ).centrada ( cfc ).

Cobre Cobre

Níquel Níquel




A figura mostra uma solução sólida de átomos deA figura mostra uma solução sólida de átomos decobre e níquel compartilhando a estrutura cristalinacobre e níquel compartilhando a estrutura cristalinacúbica de face centrada (cfc).cúbica de face centrada (cfc).

O níquel atua como um O níquel atua como um solutosoluto dissolvendo no dissolvendo no solventesolventecobre.cobre.



Essa configuração Essa configuração solutosoluto e e solventesolvente, em particular,, em particular,é conhecida como solução é conhecida como solução sólida substitucional, sólida substitucional, poispoisos átomos de níquel estão substituindo os átomos deos átomos de níquel estão substituindo os átomos decobre nos sítios atômicos (cfc). cobre nos sítios atômicos (cfc).

Essa configuração ocorre quandoEssa configuração ocorre quandoos átomos não diferem muito emos átomos não diferem muito emtamanho.tamanho.

Mostra uma Mostra uma solução sólida aleatóriasolução sólida aleatória..



Ordenação das Ordenação das soluções sólidas desordenadas: soluções sólidas desordenadas:

Na liga AuCu , em altas temperaturas (acima de 390º C)Na liga AuCu , em altas temperaturas (acima de 390º C)a agitação térmica mantém uma distribuição aleatóriaa agitação térmica mantém uma distribuição aleatóriados átomos de Au e Cu entre os sítios cfc.dos átomos de Au e Cu entre os sítios cfc.

3




Ordenação das Ordenação das soluções sólidas ordenadas: soluções sólidas ordenadas:

Na liga AuCu temperaturas (abaixo de 390º C),os átomos Na liga AuCu temperaturas (abaixo de 390º C),os átomos de Cobre ocupam preferencialmente as posições nos de Cobre ocupam preferencialmente as posições nos centros das faces e átomos de Ouro ocupam centros das faces e átomos de Ouro ocupam preferencialmente as posições nos vértices da célulapreferencialmente as posições nos vértices da célulaunitária.unitária.

33

OUROOURO

COBRECOBRE



Átomo Átomo CC dissolvido dissolvido intersticialmente emintersticialmente em uma posição na uma posição na estrutura ccc de estrutura ccc de um um Fe Fe αα

Solução sólida intersticial do carbono noSolução sólida intersticial do carbono no ferro ferro αα o átomo de carbono é pequenoo átomo de carbono é pequenoo suficiente para caber com alguma tensãoo suficiente para caber com alguma tensãono interstício (ou abertura) entre átomosno interstício (ou abertura) entre átomosadjacentes de adjacentes de FeFe nessa estrutura importante nessa estrutura importantepara a industria do aço. para a industria do aço.

DEFEITOS PONTUAIS - Imperfeições de dimensão zeroDEFEITOS PONTUAIS - Imperfeições de dimensão zero

Os efeitos estruturais existem nos materiais Os efeitos estruturais existem nos materiais independentemente das impurezas químicas.independentemente das impurezas químicas.

Imperfeições associadas à rede pontual cristalinaImperfeições associadas à rede pontual cristalinasão chamados são chamados defeitos pontuaisdefeitos pontuais..

São imperfeições estruturais São imperfeições estruturais resultantes da agitação térmica.resultantes da agitação térmica.

A figura ilustra um dos tipos comuns de defeitosA figura ilustra um dos tipos comuns de defeitospontuais associados aos sólidos elementares:pontuais associados aos sólidos elementares:

A A vacância vacância ou ou lacunalacuna, é simplesmente um sítio atômico, é simplesmente um sítio atômiconão ocupado na estrutura do cristal.não ocupado na estrutura do cristal.

MARCILIO CUNHA


VACÂNCIAVACÂNCIA ouou LACUNALACUNA


A figura ilustra um dos tipos comuns de defeitosA figura ilustra um dos tipos comuns de defeitospontuais associados aos sólidos elementares:pontuais associados aos sólidos elementares:

O O interstíciointerstício, , ou intersticialidadeou intersticialidade, é um átomo que, é um átomo queocupa um sítio intersticial normalmente não ocupadoocupa um sítio intersticial normalmente não ocupadopor um átomo na estrutura cristalina perfeita ou umpor um átomo na estrutura cristalina perfeita ou umátomo extra-inserido na estrutura cristalina perfeita, átomo extra-inserido na estrutura cristalina perfeita, de modo que dois átomos ocupem posições próximade modo que dois átomos ocupem posições próximaa um sítio atômico unicamente ocupado na estruturaa um sítio atômico unicamente ocupado na estruturaperfeita. perfeita.


INTERSTĺSCIOINTERSTĺSCIO

INTERSTICIALIDADEINTERSTICIALIDADE

Defeitos lineares,Defeitos lineares,unidimensionais,sãounidimensionais,são associadosassociadosprincipalmente à deformação mecânica.principalmente à deformação mecânica.

Os defeitos lineares também são conhecidos comoOs defeitos lineares também são conhecidos comodiscordânciasdiscordâncias

DEFEITOS LINEARES OU DISCORDÂNCIASDEFEITOS LINEARES OU DISCORDÂNCIAS

Imperfeições unidimensionaisImperfeições unidimensionais

O defeito linear O defeito linear normalmentenormalmenteé designado pelo símbolo deé designado pelo símbolo deTT invertido invertido ┴┴ que representa que representaa aresta de um semi - plano a aresta de um semi - plano extra de átomos.extra de átomos.Essa configuração serve paraEssa configuração serve parauma designação quantitativauma designação quantitativasimples,o simples,o vetor de Burgersvetor de Burgers. .



Defeito linear ( ┴ )Defeito linear ( ┴ )

Vetor de BurgersVetor de Burgers



Johannes Martins Burgers - holandês(1895-1981) mecânico dos fluídos

Vetor de Burgers Vetor de Burgers esse parâmetro é simplesmenteo vetor de deslocamento necessário para completaruma trajetória fechada em torno de um defeito.

No cristal perfeito,uma trajetória passando por m x nm x nposições atômicas regressa ao ponto de partida.

Na região de uma discordância, a mesma trajetória nãoseria fechada.



b

Na região de umaNa região de umadiscordância, odiscordância, omesmo percursomesmo percursonão seria fechadonão seria fechadoe o e o vetor de vetor de fechamento (b)fechamento (b)representa arepresenta amagnitude domagnitude dodefeito estrutural.defeito estrutural.para a discordânciapara a discordânciade aresta, o de aresta, o VetorVetorde Burgersde Burgers é é perpendicular àperpendicular àlinha da discordância.linha da discordância.

Discordância de espiral Discordância de espiral que deriva seu nomeque deriva seu nomedo empilhamento espiral de planos cristalinosdo empilhamento espiral de planos cristalinosem torno da linha de discordância, em torno da linha de discordância, para apara adiscordância espiral,o Vetor Burgers é paralelodiscordância espiral,o Vetor Burgers é paraleloà linha de discordância.à linha de discordância.

As discordâncias de aresta e espiral podem serAs discordâncias de aresta e espiral podem serconsideradas os extremos puros da estruturaconsideradas os extremos puros da estruturacom defeitos lineares.com defeitos lineares.





VETOR DE BURGERS (b)VETOR DE BURGERS (b)



Defeito linearDefeito linear

Escorregamento lateralEscorregamento lateral

DEFEITOS PLANARESDEFEITOS PLANARES

Imperfeições bidimensionaisImperfeições bidimensionais

Os Os defeitos pontuais defeitos pontuais e os e os defeitos lineares defeitos lineares sãosãoconfirmações de que os materiais cristalinosconfirmações de que os materiais cristalinosnão podem ser isentos de falhas, pois asnão podem ser isentos de falhas, pois asimperfeições existem no interior de cada um imperfeições existem no interior de cada um deles.deles.



Um Um contorno gêmeocontorno gêmeo,,ou de ou de maclamacla, separa , separa duas regiões cristalinasduas regiões cristalinasestruturalmente imagensestruturalmente imagensespelho entre si.espelho entre si.

Essa descontinuidadeEssa descontinuidadealtamente simétrica altamente simétrica na estrutura pode serna estrutura pode serproduzida pela produzida pela deformaçãodeformaçãoe pelo e pelo recozimentorecozimento..

Contorno de grãos e fragmentosContorno de grãos e fragmentos



SÓLIDOS NÃO - CRISTALINOSSÓLIDOS NÃO - CRISTALINOS

Imperfeições tridimensionaisImperfeições tridimensionais

Alguns materiais da engenharia não Alguns materiais da engenharia não possuem a estrutura repetitiva,cristalina.possuem a estrutura repetitiva,cristalina.

Esses Esses sólidos não-cristalinos sólidos não-cristalinos ou ou amorfosamorfos,,são imperfeitos em três dimensões.são imperfeitos em três dimensões.

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