Engenharia de Materiais 2
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Engenharia de Materiais ESTRUTURA CRISTALINA E NÃO CRISTALINA Marcilio Cunha ESTRUTURA CRISTALINA Para a maioria dos materiais da engenharia, é cristalina. Ou seja, os átomos do material são arrumados de maneira regular e repetitiva sendo os fundamentos da geometria cristalina comuns a todos os materiais cristalinos. ESTRUTURA CRISTALINA É necessário identificar os 7 sistemas e as 14 redes cristalinas, pois cada uma das milhares de estruturas cristalinas encontradas em materiais naturais e sintéticos pode ser colocada dentro desses poucos sistemas e redes. REDES CRISTALINAS BRAVAIS A rede cúbica simples se torna a estrutura cristalina cúbica simples quando um átomo é colocado em cada ponto da rede. REDES CRISTALINAS BRAVAIS ESTRUTURA CÚBICA DE CORPO CENTRADO Estrutura : cúbica de corpo centrado (ccc) Rede de Bravais: ccc 1 Átomos por célula unitária: 1 + 8 x ---- = 2 8 Metais típicos: Fe α , Cr , Mo REDES CRISTALINAS BRAVAIS ESTRUTURA CÚBICA DE FACE CENTRADA Estrutura : cúbica de face centrada (cfc) Rede de Bravais: cfc 1 1 Átomos por célula unitária: 6 x --- + 8 x ---- = 4 2 8 REDES CRISTALINAS BRAVAIS Relação entre tamanho da célula unitária (tamanho da aresta) e raio atômico para as estruturas metálicas comuns ESTRUTURA CRISTALINA Cúbica de corpo centrado (ccc) RELACIONAMENTO ENTRE DA ARESTA,ɑ, E RAIO ATÔMICO, r ɑ = 4r / √ 3 Cúbica de face centrada (cfc) ɑ = 4r / √ 2 Hexagonal compacta (hc) ɑ = 2r 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: 7 d 4 átomos 63,55 g 10 mm = ------------------ x ---------------------- x ----------3 3 (0,362 mm ) 6,023x 10 átomos cm d = 8,89 g / cm 3 Esse resultado pode ser comparado com o valor tabelado de 8,93 g / cm 3 no apêndice (dados físicos e químicos para os elementos). A diferença seria eliminada se fosse utilizado um valor mais preciso do r átomo Cu ( ou seja,com pelo menos um valor mais significativo). ESTRUTURA CRISTALINA Os materiais sólidos podem ser classificados de acordo com a regularidade segundo a qual seus átomos ou íons (espécie carregada devido a elétron(s) adicionado(s) ou removido(s) de um átomo neutro)estão arranjados uns em relação aos outros. ESTRUTURA CRISTALINA Um material cristalino é aquele em que átomos estão situados de acordo com uma matriz que se repete, ou que é periódica, ao longo de grandes distâncias atômicas. Existe ordem de longo alcance, tal que, quando ocorre um processo de solidificação, os Átomos se posicionam de acordo com um padrão tridimensional repetitivo, onde cada Átomo está ligado aos seus vizinhos mais próximos. ESTRUTURA CRISTALINA Algumas das propriedades dos sólidos cristalinos dependem da estrutura cristalina do material, ou seja , da maneira segundo a qual os átomos,íons ou moléculas estão arranjados no espaço. ESTRUTURA CRISTALINA Existe um número extremamente grande de estruturas cristalinas diferentes, todas elas possuindo uma ordenação atômica de longo alcance. ESTRUTURA CRISTALINA As estruturas cristalinas variam desde estruturas relativamente simples, como ocorre para os metais, até estruturas complexas exibidas por alguns materiais cerâmicos e polímeros. ESTRUTURA CRISTALINA MARCILIO CUNHA ESTRUTURA CRISTALINA INTERLIGAÇÕES INTERMOLECULARES MARCILIO CUNHA ESTRUTURA CRISTALINA CÉLULA UNITÁRIA DO GRAFITE MARCILIO CUNHA ESTRUTURA CRISTALINA SISTEMAS RETICULADOS CRISTALINOS MARCILIO CUNHA ESTRUTURA CRISTALINA MARCILIO CUNHA ESTRUTURA CRISTALINA CÉLULA UNITÁRIA : é o menor reticulado cristalino Observação: os metais diferem entre si pelo tamanho do reticulado cristalino ESTRUTURA CRISTALINA ESTRUTURA CRISTALINA TIPOS DE CÉLULAS UNITÁRIAS RETICULADO CÚBICO DE CORPO CENTRADO (tem um átomo no centro do cubo) Exemplo: lítio , sódio , potássio , ferro α , ferro δ ESTRUTURA CRISTALINA RETICULADO CÚBICO DE FACES CENTRADAS ( com um átomo no centro de cada face ) Por exemplo: cobre, alumínio, prata, ouro, ferro φ MARCILIO CUNHA ESTRUTURA CRISTALINA HEXAGONAL COMPACTO Prisma hexagonal com um átomo no centro de cada uma das bases e mais três átomos centrais. Por exemplo: magnésio, zinco, MARCILIO CUNHA ESTRUTURA CRISTALINA TETRAGONAL DE CORPO CENTRADO Por exemplo: tungstênio bronze,óxido de zircônio ESTRUTURA NÃO CRISTALINA Naqueles que não se cristalizam, essa ordem atômica de longo alcance está ausente. Esses materiais são chamados de não – cristalinos e amorfos. Por exemplo: cerâmicas e vidros ESTRUTURA NÃO CRISTALINA Nada no mundo é tão perfeito. Não existe um material cristalino que não tenha pelo menos algumas falhas naturais. Com essa consideração é que nenhum material pode ser preparado sem algum grau de impureza química. ESTRUTURA NÃO CRISTALINA Os átomos ou íons de impureza na solução sólida resultante servem para alterar a regularidade estrutural do material idealmente puro. Independentemente das impurezas,existem diversas imperfeições estruturais que representam uma perda da perfeição cristalina. ESTRUTURA NÃO CRISTALINA O tipo mais simples de imperfeição é o defeito pontual, como um átomo faltando ( lacuna ou vacância ). MARCILIO CUNHA ESTRUTURA NÃO CRISTALINA Esse tipo de defeito é o resultado inevitável da vibração térmica normal dos átomos em qualquer sólido em uma temperatura acima do zero absoluto. MARCILIO CUNHA ESTRUTURA NÃO CRISTALINA Defeitos lineares, ou discordâncias, seguem um caminho longo e, as vezes, complexo através da estrutura cristalina. MARCILIO CUNHA ESTRUTURA NÃO CRISTALINA Defeitos planares, representam o limite entre uma região cristalina quase perfeita e seus arredores. MARCILIO CUNHA ESTRUTURA NÃO CRISTALINA Algumas materiais não possuem nenhuma ordem cristalina. O vidro de janela comum é um sólido não cristalino desse tipo. MARCILIO CUNHA ESTRUTURA NÃO CRISTALINA A microscopia é um conjunto de ferramentas poderosas para inspecionar a ordem ou desordem estrutural. MARCILIO CUNHA ESTRUTURA NÃO CRISTALINA A solução sólida – imperfeição química Não e possível evitar a contaminação de materiais quando se unem quimicamente. Até mesmo produtos semi-condutores de alta pureza possuem algum nível mensurável de átomos de impureza. Muitos materiais da engenharia contêm quantidades significativas de vários componentes diferentes. MARCILIO CUNHA ESTRUTURA NÃO CRISTALINA A solução sólida – imperfeição química Como resultado,todos os materiais com os quais o engenheiro lida diariamente são na realidade, soluções sólidas. A princípio, o conceito de uma solução sólida pode ser difícil de entender. MARCILIO CUNHA ESTRUTURA NÃO CRISTALINA A solução sólida – imperfeição química A solução sólida é essencialmente equivalente à solução líquida familiar,como o sistema água-álcool. H2 O C2 H5 OH MARCILIO CUNHA água álcool ESTRUTURA NÃO CRISTALINA A solução sólida – imperfeição química Formando uma solução líquida de água e álcool. A mistura ocorre em escalar molecular completa. Representa dois líquidos completamente solúveis entre si em todas as proporções. água álcool ESTRUTURA CRISTALINA A solução sólida – imperfeição química Solução sólida de níquel no cobre mostrada ao longo de um plano. Essa solução sólida substitucional com os átomos de níquel substituindo os átomos de cobre nos sítios de estrutura cúbica de face centrada ( cfc ). Cobre Níquel ESTRUTURA CRISTALINA A solução sólida – imperfeição química A figura mostra uma solução sólida de átomos de cobre e níquel compartilhando a estrutura cristalina cúbica de face centrada (cfc). O níquel atua como um soluto dissolvendo no solvente cobre. MARCILIO CUNHA ESTRUTURA CRISTALINA A solução sólida – imperfeição química Essa configuração soluto e solvente, em particular, é conhecida como solução sólida substitucional, pois os átomos de níquel estão substituindo os átomos de cobre nos sítios atômicos (cfc). Essa configuração ocorre quando os átomos não diferem muito em tamanho. Mostra uma solução sólida aleatória. ESTRUTURA CRISTALINA A solução sólida – imperfeição química Ordenação das soluções sólidas desordenadas: Na liga AuCu3 , em altas temperaturas (acima de 390º C) a agitação térmica mantém uma distribuição aleatória dos átomos de Au e Cu entre os sítios cfc. ESTRUTURA CRISTALINA A solução sólida – imperfeição química Ordenação das soluções sólidas ordenadas: Na liga AuCu3 temperaturas (abaixo de 390º C),os átomos de Cobre ocupam preferencialmente as posições nos centros das faces e átomos de Ouro ocupam preferencialmente as posições nos vértices da célula unitária. OURO COBRE MARCILIO CUNHA ESTRUTURA CRISTALINA A solução sólida – imperfeição química Átomo C dissolvido intersticialmente em uma posição na estrutura ccc de um Fe α Solução sólida intersticial do carbono no ferro α o átomo de carbono é pequeno o suficiente para caber com alguma tensão no interstício (ou abertura) entre átomos adjacentes de Fe nessa estrutura importante para a industria do aço. DEFEITOS PONTUAIS - Imperfeições de dimensão zero Os efeitos estruturais existem nos materiais independentemente das impurezas químicas. Imperfeições associadas à rede pontual cristalina são chamados defeitos pontuais. São imperfeições estruturais resultantes da agitação térmica. DEFEITOS PONTUAIS - Imperfeições de dimensão zero A figura ilustra um dos tipos comuns de defeitos pontuais associados aos sólidos elementares: A vacância ou lacuna, é simplesmente um sítio atômico não ocupado na estrutura do cristal. VACÂNCIA ou LACUNA MARCILIO CUNHA DEFEITOS PONTUAIS - Imperfeições de dimensão zero A figura ilustra um dos tipos comuns de defeitos pontuais associados aos sólidos elementares: O interstício, ou intersticialidade, é um átomo que ocupa um sítio intersticial normalmente não ocupado por um átomo na estrutura cristalina perfeita ou um átomo extra-inserido na estrutura cristalina perfeita, de modo que dois átomos ocupem posições próxima a um sítio atômico unicamente ocupado na estrutura perfeita. DEFEITOS PONTUAIS - Imperfeições de dimensão zero INTERSTĺSCIO INTERSTICIALIDADE DEFEITOS LINEARES OU DISCORDÂNCIAS Imperfeições unidimensionais Defeitos lineares,unidimensionais,são associados principalmente à deformação mecânica. Os defeitos lineares também são conhecidos como discordâncias DEFEITOS LINEARES OU DISCORDÂNCIAS Imperfeições unidimensionais O defeito linear normalmente é designado pelo símbolo de T invertido ┴ que representa a aresta de um semi - plano extra de átomos. Essa configuração serve para uma designação quantitativa simples,o vetor de Burgers. DEFEITOS LINEARES OU DISCORDÂNCIAS Imperfeições unidimensionais Vetor de Burgers Defeito linear ( ┴ ) Johannes Martins Burgers - holandês(1895-1981) mecânico dos fluídos DEFEITOS LINEARES OU DISCORDÂNCIAS Imperfeições unidimensionais Vetor de Burgers esse parâmetro é simplesmente o vetor de deslocamento necessário para completar uma trajetória fechada em torno de um defeito. No cristal perfeito,uma trajetória passando por m x n posições atômicas regressa ao ponto de partida. Na região de uma discordância, a mesma trajetória não seria fechada. Na região de uma discordância, o mesmo percurso não seria fechado e o vetor de fechamento (b) representa a magnitude do defeito estrutural. para a discordância de aresta, o Vetor de Burgers é perpendicular à linha da discordância. b DEFEITOS LINEARES OU DISCORDÂNCIAS Imperfeições unidimensionais Discordância de espiral que deriva seu nome do empilhamento espiral de planos cristalinos em torno da linha de discordância, para a discordância espiral,o Vetor Burgers é paralelo à linha de discordância. As discordâncias de aresta e espiral podem ser consideradas os extremos puros da estrutura com defeitos lineares. DEFEITOS LINEARES OU DISCORDÂNCIAS Imperfeições unidimensionais VETOR DE BURGERS (b) DEFEITOS LINEARES OU DISCORDÂNCIAS Imperfeições unidimensionais Defeito linear Escorregamento lateral DEFEITOS PLANARES Imperfeições bidimensionais Os defeitos pontuais e os defeitos lineares são confirmações de que os materiais cristalinos não podem ser isentos de falhas, pois as imperfeições existem no interior de cada um deles. DEFEITOS PLANARES Imperfeições bidimensionais Um contorno gêmeo, ou de macla, separa duas regiões cristalinas estruturalmente imagens espelho entre si. Essa descontinuidade altamente simétrica na estrutura pode ser produzida pela deformação e pelo recozimento. DEFEITOS PLANARES Imperfeições bidimensionais Contorno de grãos e fragmentos SÓLIDOS NÃO - CRISTALINOS Imperfeições tridimensionais Alguns materiais da engenharia não possuem a estrutura repetitiva,cristalina. Esses sólidos não-cristalinos ou amorfos, são imperfeitos em três dimensões. www.marciliocunha.com.br
