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◼1 Materiais e suas Propriedades Aula 02 – Estrutura Cristalina Parte 2 ◼2 Algumas definições.... - Polimorfismo - Densidade - Cristais como blocos construtivos - Mono e policristais ◼3 Polimorfismo • Pode haver duas ou mais estruturas cristalinas distintas para um mesmo material (alotropia para elementos simples) • Ferro , e carbono diamante, grafite CCC CFC CCC 1538ºC 1394ºC 912ºC -Fe -Fe -Fe líquido Sistema do Ferro ◼4 Densidades das Classes de Materiais rmetais > rcerâmicas> rpolímeros Por quê? Dados de densidade extraídos da tabela B1, Callister 7e. inglês – material de apoio r (g /c m ) 3 Graphite/ Ceramics/ Semicond Metals/ Alloys Composites/ fibers Polymers 1 2 20 30 Based on data in Table B1, Callister *GFRE, CFRE, & AFRE are Glass, Carbon, & Aramid Fiber-Reinforced Epoxy composites (values based on 60% volume fraction of aligned fibers in an epoxy matrix).10 3 4 5 0.3 0.4 0.5 Magnesium Aluminum Steels Titanium Cu,Ni Tin, Zinc Silver, Mo Tantalum Gold, W Platinum Graphite Silicon Glass -soda Concrete Si nitride Diamond Al oxide Zirconia HDPE, PS PP, LDPE PC PTFE PET PVC Silicone Wood AFRE* CFRE* GFRE* Glass fibers Carbon fibers Aramid fibers * Metais possuem... • empacotamento fechado (ligação metálica) • massas atômicas maiores * Cerâmicas possuem... • menor densidade de empacotamento • elementos mais leves * Polímeros têm... • baixa densidade de empacotamento (geralmente amorfo) • elementos mais leves(C,H,O) * Compósitos... • valores Intermediários De maneira geral a densidade de ◼5 • Algumas aplicações de engenharia requerem monocristais: • Propriedades de materiais cristalinos são frequentemente relacionadas com sua estrutura. --Ex: Fratura no quartzo ocorre mais facilmente ao longo de certos planos cristalinos do que em outros – planos de clivagem. --monocristais de diamantes para abrasivos --lâminas de turbinas Fig. 8.33, Callister 7e. (GE Superabrasivos) Ideia de Cristais como blocos construtivos Fluorita – - https://commons.wikimedia.org/ wiki/File:Fluorita_green.jpeg https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fluorita_green.jpeg ◼6 • Maioria dos materiais de engenharia são policristalinos. • Placa de Nb-Hf-W resultante da solda por feixe de elétrons. • Cada grão é um único cristal • se os grãos estão orientados aleatoriamente, as propriedades gerais do componente não são direcionais. • Tamanho de grãos típicos: faixa de 1 nm até 2 cm (i.e., de alguns até milhões/bilhões de planos atômicos). Adaptado do Callister 5ed. 1 mm Policristais Grãos Isotrópicos Grãos Anisotrópicos ◼7 • Monocristais -Para materiais anisotrópicos Propriedades variam com a direção: -Exemplo: módulo de elasticidade (E) no Fe CCC: • Policristais -Propriedades podem ou não variar com a direção. -se os grãos estão orientados aleatoriamente: isotrópico. (Epoli ferro = 210 GPa) -se os grãos estão texturizados, logo anisotrópico 200 mm Dados da tabela 3.3, Callister 7e. (Fonte R.W. Hertzberg, Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials, 3rd ed., John Wiley and Sons, 1989.) Adaptado da Fig. 4.14(b), Callister 7e. (Fig. 4.14(b) is courtesy of L.C. Smith and C. Brady, the National Bureau of Standards, Washington, DC [now the National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD].) Monocristais vs Policristais E (diagonal) = 273 GPa E (lateral) = 125 GPa ◼8 Pontos, direções e planos Cristalográficos envolvendo Células Unitárias ◼9 Coordenadas ou ponto de rede As coordenadas de rede para um dos cantos da C.U. : 111 As coordenadas de rede para o centro de uma C.U. são: a/2, b/2, c/2 ½ ½ ½ Translação: múltiplo inteiro das constantes de rede → posição idêntica em outra célula unitária z x y a b c 000 111 y z • 2c • • • b b c Coordenadas ou pontos de rede ◼10 Extraído do Callister 7 ed. Planos e Direções Cristalográficas • Terminologia – Direções: [ ] – Planos: ( ) – Famílias de direções: < > – Famílias de planos equivalentes: {} VETORES!!!! ◼[110] CCC ◼[110] CFC ◼12 Direções Cristalográficas 1. Reposicionar o Vetor (se necessário) para passar através da origem 0,0,0. 2. Leia as projeções em termos das dimensões da célula unitária a, b e c 3. Ajuste aos menores valores inteiros (aqui no exemplo multiplicou-se por 2) 4. Coloque entre colchetes, sem vírgula [uvw] ex: 1, 0, ½ => 2, 0, 1 => [ 201 ] -1, 1, 1 Família de direções <uvw> z x Algoritmo Onde o tracejado representa um número negativo [ 111 ]=> y x y z Sistema para classificação de direções cristalográficas Eixo x y z Projeção a b/2 0 Projeção (em termos de a =1, b = 1, c=1 1 1/2 0 Ajuste (menores valores inteiros) 2 1 0 Classificação [2 1 0] a b/2 c b/2 Como representar as direções na célula unitária? • [100] [110] [111] [021] z 1. Desenhe a célula + origem 2. Desenhe o vetor 3. “reduza” aos menores valores inteiros 4. [xyz] x y [Direções] • [100] • [100] • [011] • [011] x y z ◼0,0,1 ◼1,1, 0 ◼1,1,1 ◼1,1,2 ◼[001] ◼[112] ◼[111] ◼[110] ◼Esboçar as direções [001], [112], [111] e [110] • <100> • [100] • [010] • [001] • [100] • [010] • [001] x y z Uma <família de direções> inclui todas as direções possíveis com as mesmas coordenadas básicas <Família de Direções> x y z ◼[111] ◼[111] ◼[111] ◼[111] ◼[111] ◼[111] ◼[111] ◼[111] ◼Família <111> ◼19 Direções Cristalográficas Densidade Linear DL = Número de átomos centrados sobre o vetor direção Comprimento do vetor direção Exemplo- Determinar a DL na direção [110] para a estrutura cristalina CFC RR átomos DL 2 1 4 2 110 == - Direções equivalentes possuem densidades lineares idênticas. [110] ◼21 ex: densidade linear do Al na direção [110] a = 0.405 nm Densidade Linear • Densidade atômica linear DL = a [110] Unidade de comprimento do vetor direcional Número de Átomos No. átomos comprimento 13.5 nm a2 2 DL -== ◼22 HCP – Direções Cristalográficas 1. Reposicionar o Vetor (se necessário) para passar através da origem. 2. Leia as projeções em termos das dimensões da célula unitária a1, a2 , a3 e c 3. Ajuste aos menores valores inteiros 4. Coloque entre colchetes, sem vírgula [ 1120 ]ex: ½, ½, -1, 0 => As linhas tracejadas indicam projeções nos eixos a1 e a2 a1 a2 a3 -a3 2 a2 2 a1 - a3 a1 a2 z Algoritmo ◼23 • Cristais Hexagonais – 4 parâmetros Miller-Bravais de coordenadas de rede estão relacionados com os indíces (i.e., u'v'w') como se segue: – Verificar a conversão de [010] -> [1210] = = = 'ww t v u )vu( +- )'u'v2( 3 1 - )'v'u2( 3 1 -= ]uvtw[]'w'v'u[ → - a3 a1 a2 z HCP – Direções Cristalográficas ◼24 Planos Cristalográficos • Índices de Miller: Recíprocos dos interceptos axiais, livre de frações e múltiplos. Todos os planos equivalentes têm os mesmos índices de Miller. • Algoritmo 1. Leia os interceptos do plano com os eixos em termos de a, b, c 2. Pegue os recíprocos dos interceptos; 3. Reduza para o menor valor inteiro 4. Coloque entre parênteses, sem vírgulas i.e., (hkl) Planos Cristalográficos • Especificados através dos índices de Miller (h k l) • Basicamente é o inverso de onde se cruzam os eixos x,y e z. • Índice de Miller desse plano (012) ◼25 Extraído do Callister ◼26 Planos Cristalográficos z x y a b c 4. Índices de Miller (110) exemplo a b c z x y a b c 4. Índices de Miller (100) 1. Interceptos 1 1 2. Inverso 1/1 1/1 1/ 1 1 0 3. Redução 1 1 0 1. Interceptos 1/2 2. Recíproco 1/½ 1/ 1/ 2 0 0 3. Redução 2 0 0 exemplo a b c Adaptado do Callister 7e. ◼27 Planos Cristalográficos z x y a b c • • • 4. Índices de Miller(634) exemplo 1. Interceptos 1/2 1 3/4 a b c 2. Recíprocos 1/½ 1/1 1/¾ 2 1 4/3 3. Redução 6 3 4 (001)(010), Família de Planos {hkl} (100), (010),(001),Ex: {100} = (100), Adaptado do Callister 7e. ◼28 Planos Cristalográficos (HCP) • Em células unitárias Hexagonais, o mesmo princípio é aplicado examplo a1 a2 a3 c 4. Índices Miller-Bravais (1011) 1. Interceptos 1 -1 1 2. Recíprocos 1 1/ 1 0 -1 -1 1 1 3. Redução 1 0 -1 1 a2 a3 a1 z Adaptado da Fig. 3.8(a), Callister 7e. ◼29 Planos Cristalográficos ◼Verifique para a figura ao lado Adaptado do Callister 7e. ◼30 Planos Cristalográficos Adaptado da Fig. 3.9, Callister 7e. ◼y ◼z Sistema para classificação de planos cristalográficas Eixo x y z Projeção a b C Projeção (em termos de a =1, b = 1, c=1 1 1 1 Redução 1 1 1 Classificação-índice de Miller (1 1 1) ◼a ◼c ◼b ◼Como representar as posições dos planos cristalinos? Sistema para classificação de direções cristalográficas Eixo x y z Projeção a b C Projeção (em termos de a =1, b = 1, c=1 1 1 1 Redução 1 1 1 Classificação [1 1 1] (Perpendicular ao plano (1 1 1)) (Planos) • (xyz) • (100) (110) • (111) (100) (040) (020) x y z 1. Desenhe a origem e a célula unitária. 2. O plano (x,y,z) interceptará os eixos em (1/x, 1/y, 1/z)Índices de Miller {Famílias de Planos} • {xyz} • {100} • {110} • {100} x y z Arranjo atômico em um sistema cúbico simples • Ao longo do plano (xyz) • (100) • (110) • (111) x y z ± ± - ++ Exercício: Desenhar o arranjo atômico para o plano (110), porém em sistemas CFC e CCC ◼Resposta ◼36 Planos Cristalográficos • Às vezes é necessário calcular o empacotamento atômico para os planos cristalográficos • Uma folha de ferro pode ser usado como catalisador. O empacotamento atômico dos planos expostos é importante. a) Desenhe os planos cristalográficos (100) e (111) para o Fe. b) Calcule a densidade para cada um desses planos. ◼37 Densidade planar para o Fe (100) Solução: em T < 912C o ferro tem a estrutura CCC structure. (100) Raio do Fe R = 0.1241 nm R 3 34 a = Adaptado da Fig. 3.2(c), Callister 7e. 2D unidade de repetição = Densidade planar= a2 1 átomos 2D unid. Repet. = nm2 Atms 12.1 m2 átomos = 1.2 x 1019 1 2 R 3 34área 2D unid. repetição ◼38 Densidade Planar para Fe (111) Solução (cont): plano(111) 1 átomo no plano/ unid. superfície 33 3 2 2 R 3 16 R 3 42 a3ah2área = === Átomos no plano átomos acima do plano átomos abaixo do plano ah 2 3 = a2 1 = = nm2 átomos 7.0 m2 átomos 0.70 x 1019 3 2R 3 16 Densidade planar = átomos 2D Unid. Repet. área 2D unid.repet. Densidades Planar ◼- Planos cristalográficos equivalentes possuem densidades planares idênticas. DP= Número de átomos centrados sobre um plano Área do plano 24 1 28 2 22110 RR átomos DP == Bibliografia • W.D. Callister Jr., Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. Trad. Murilo Stamile Soares, 5ª Edição, LTC, Rio de Janeiro, 2002. • L.H. Van Vlack, Princípios de Ciências dos Materiais: Uma Introdução, 5ª Edição, LTC, Rio de Janeiro, 2002. • J.F. Schackelford, Introduction to Materials Science for Engineers, Prentice Hall, 6th Edition, 2004. • J.C.Anderson, K.D.Leaver, P.Leevers, R.D.Rawlings, Materials Science for Engineers, 5th Edition • Material de aula dos professores Sandra e Márcio. ◼40
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