CIÊNCIA DOS MATERIAIS - CONCEITOS E DEFINIÇÕES BÁSICAS, ESTRUTURA DE SÓLIDOS CRISTALINOS E IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS

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CIÊNCIA DOS MATERIAIS: CONCEITOS E DEFINIÇÕES BÁSICAS, 
ESTRUTURA DE SÓLIDOS CRISTALINOS E IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS 
Descrição: Trata de propriedades dos materiais, materiais metálicos, cerâmicos 
e polímeros, materiais compósitos, semicondutores, biopolímeros, estrutura de 
sólidos cristalinos, desvios da perfeição cristalina, lacunas e auto intersticiais, 
impureza, defeitos pontuais, defeitos substitucionais, defeitos intersticiais, 
composição em porcentagem em peso (ou massa) e porcentagem atômica, 
natureza das discordâncias (aresta, espiral, mista), vetor de Burgers, contornos 
de grãos, contornos de macla e imperfeições volumétricas. 
CONCEITOS E DEFINIÇÕES BÁSICAS 
• Propriedade é uma peculiaridade do material em termos do tipo e 
intensidade de sua resposta a um determinado estímulo aplicado a ele. Em 
suma, a estrutura de um material está muitas vezes relacionada com a 
disposição dos seus componentes internos. 
• Os materiais sólidos podem ser convenientemente divididos em três 
categorias básicas: metais, cerâmicas e polímeros. O esquema é baseado 
principalmente na composição química e na estrutura atômica e, embora existam 
alguns materiais intermediários, a maioria dos materiais pertence a um ou outro 
grupo diferente. Além disso, existem três outras classes importantes de materiais 
na engenharia: compósitos, semicondutores e biomateriais. 
• Materiais metálicos são geralmente combinações de elementos metálicos. 
Eles têm um grande número de elétrons que não estão ligados a nenhum átomo 
em particular. Muitas propriedades dos metais são devidas diretamente a esses 
elétrons. Eles são excelentes condutores de eletricidade e calor e são muito 
fortes, mas deformáveis. 
• Os materiais cerâmicos estão entre os metálicos e não metálicos. 
Normalmente isolam eletricamente e termicamente e são mais resistentes a altas 
temperaturas e ambientes abrasivos que metais e polímeros. São firmes, mas 
quebradiços. 
• Os polímeros incluem materiais como plásticos e borracha. A maioria 
deles são compostos orgânicos e possuem estruturas moleculares muito 
grandes. Esses materiais geralmente são de baixa densidade e podem ser muito 
flexíveis. 
• A engenharia desenvolveu uma variedade de materiais compósitos, 
compostos por mais de um tipo de material e projetados para mostrar a melhor 
combinação de qualidade de cada material que o compõe. Fibra de vidro é um 
exemplo comum. 
• Os semicondutores têm propriedades elétricas intermediárias entre as dos 
condutores e isolantes elétricos. As propriedades elétricas deste material são 
muito sensíveis a pequenas concentrações de átomos de impurezas. • 
Biomateriais são usados em componentes que são implantados no corpo 
humano para substituir partes do corpo. Não devem produzir substâncias tóxicas 
e devem ser compatíveis com os tecidos do corpo. Metais, cerâmicas, polímeros, 
compósitos e semicondutores, podem ser usados como biomateriais. • Os 
materiais usados em aplicações de alta tecnologia podem ser chamados de 
materiais avançados. Geralmente são materiais tradicionais com propriedades 
aprimoradas ou materiais de alto desempenho recém-desenvolvidos. 
CIÊNCIA DOS MATERIAIS: ESTRUTURA DE SÓLIDOS CRISTALINOS 
• Algumas das principais propriedades dos materiais sólidos dependem da 
geometria dos átomos e das interações entre os átomos ou moléculas que os 
compõem. Ademais, algumas propriedades dos materiais estão diretamente 
relacionadas à sua estrutura cristalina. 
• Os materiais sólidos podem ser classificados de acordo com a 
regularidade com que os átomos ou íons estão arranjados uns em relação aos 
outros. Em materiais cristalinos, os átomos são arranjados em uma matriz 
repetida ou periódica ao longo de longos intervalos atômicos. Todos os metais, 
muitas cerâmicas e certos polímeros formam estruturas cristalinas em condições 
normais de solidificação. Naqueles que não cristalizam, ou seja, amorfos ou 
amorfos, essa ordem atômica de longo alcance não existe. 
• Na descrição das estruturas cristalinas, os átomos (ou íons) são 
considerados como se fossem esferas sólidas com diâmetros bem definidos, 
segundo o modelo de esfera atômica rígida, em que as esferas que representam 
os vizinhos mais próximos se tocam. 
• Para descrever uma estrutura cristalina, muitas vezes é útil subdividir a 
estrutura em unidades repetidas menores chamadas células unitárias. A célula 
unitária da maioria das estruturas cristalinas é um paralelepípedo ou prisma com 
três pares de faces paralelas. Uma célula unitária é a unidade estrutural básica 
ou bloco de construção de uma estrutura cristalina, que é definida por sua forma 
e pelas posições dos átomos dentro dela. 
• Nos metais, as ligações atômicas são metálicas e inerentemente não 
direcionais. Isso resulta em um número relativamente grande de átomos vizinhos 
mais próximos e um denso empacotamento atômico na maioria das estruturas 
cristalinas metálicas. Para metais, se o modelo de esfera rígida for usado para 
representar a estrutura cristalina, cada esfera representa um núcleo de íon. Os 
metais mais comuns têm três estruturas cristalinas relativamente simples. 
• Duas propriedades principais de uma estrutura cristalina são o número de 
coordenação e o fator de empacotamento atômico (FEA). Nos metais, cada 
átomo tem o mesmo número de vizinhos mais próximos ou de átomos em 
contato, o que se constitui no seu número de coordenação. O FEA representa a 
fração do volume de uma célula unitária que corresponde a esferas sólidas, 
assumindo o modelo da esfera atômica rígida. Assim, FEA = volume de átomos 
em célula unitária/volume total da célula unitária. • Estrutura cristalina cúbica de 
faces centradas (CFC): Uma célula unitária na forma de um cubo e um átomo no 
centro de cada vértice e todas as faces do cubo. Essas esferas ou núcleos de 
íons se tocam na diagonal do plano. O comprimento do lado a do cubo e o raio 
atômico R estão relacionados pela fórmula a = 2Rsqrt(2). Cada átomo de canto 
é compartilhado por oito células unitárias, enquanto o átomo no centro da face 
pertence a apenas duas células unitárias. Portanto, um oitavo dos 8 átomos nos 
cantos e metade dos 6 átomos nas faces, para um total de 4 átomos, podem ser 
atribuídos a uma determinada célula unitária. No caso das estruturas cristalinas 
cúbicas nas faces centradas, o número de coordenação é 12, o átomo na face 
frontal tem 4 átomos vizinhos mais próximos localizados nos cantos ao seu redor, 
4 átomos de faces que se encontram em contato pelo lado de trás, e 4 outros 
átomos de faces equivalentes localizados na próxima célula unitária, à frente. 
Para a estrutura CFC, o fator de empacotamento é 0,74. Este é o 
empacotamento máximo possível para um conjunto de esferas todas de mesmo 
diâmetro. Os metais geralmente têm empacotamentos atômicos relativamente 
altos para maximizar a proteção da nuvem de elétrons livres. 
• Estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC): Uma célula unitária 
cúbica. Existem átomos em todos os oito cantos e um átomo no centro do cubo. 
Os átomos do centro e dos cantos do cubo são tangentes ao longo da diagonal, 
e o comprimento da célula unitária a e o raio atômico R estão relacionados por 
a = 4R/sqrt(3). O número de coordenação da estrutura cristalina CCC é 8. Cada 
átomo central tem oito vizinhos mais próximos localizados nos vértices do cubo. 
Como o número de coordenação do CCC é menor que o do CFC, o fator de 
empacotamento atômico do CCC também é menor que o do CFC, que é 0,68. 
• Estrutura cristalina hexagonal compacta (HC): A parte superior e inferior 
da célula unitária são compostas por seis átomos formando um hexágono 
regular, que se associam em torno de um átomo central. Entre os níveis superior 
e inferior há outro nível que fornece três átomos adicionais para a célula unitária. 
Os átomos neste plano médio têm átomos que estão mais próximos de ambos 
os planos adjacentes. Cada célulaunitária contém o equivalente a seis átomos: 
Um sexto de cada um dos doze átomos nas extremidades superior e inferior, 
metade de cada um dos dois átomos centrais no topo e na base e todos os três 
átomos interiores no plano central. Os números de coordenação e os 
empacotamentos atômicos da estrutura cristalina do HC são os mesmos da 
estrutura do CFC: 12 ou 0,74. 
• A densidade verdadeira de um sólido metálico é dada por ρ = nA/VcNA, 
em que n = número de átomos associados a cada célula unitária, A = peso 
atômico, Vc = volume da célula unitária, NA = número de Avogadro (6,023 X 
IO23 átomos/mol). 
• Alguns materiais podem ter mais de uma estrutura cristalina, fenômeno 
conhecido como polimorfismo. Em sólidos elementares, esse estado é 
frequentemente chamado de alotropia. A estrutura cristalina predominante 
depende da temperatura e da pressão externa. 
• É conveniente dividir a célula unitária em grupos de acordo com a 
configuração da célula unitária e a localização dos átomos. Tais esquemas são 
baseados na geometria da célula unitária. Um sistema de coordenadas x, y, z é 
criado com a origem em um dos pontos de canto da célula unitária. Cada um dos 
eixos x, y e z coincide com um dos três vértices do paralelepípedo que se 
estende a partir desse vértice. A geometria da célula unitária é completamente 
definida por seis parâmetros: os comprimentos das três arestas a, b, c e os três 
ângulos entre os eixos α, β, γ. Estes são chamados de parâmetros de rede da 
estrutura cristalina. Essas combinações formam o sistema cristalino, e existem 
sete sistemas cristalinos: cúbico, tetragonal, hexagonal, ortorrômbico, 
romboédrico, monoclínico e triclínico. 
• Planos Cristalográficos têm como base a célula unitária e coordenadas 
em 3 eixos. São identificados pelos índices de Miller h, k e l (exceto para sistema 
hexagonal, que conta com hkil). Um plano deve satisfazer a relação: x/a + b/y + 
c/z = 1. Como a, b e c podem ser menores que 1 ou infinito no caso do plano ser 
paralelo a um eixo, adota-se o inverso dos valores de a, b e c: h = 1/a, k = 1/b e 
i = 1/c. Os pontos de cruzamento no lado negativo da origem são indicados por 
uma barra ou sinal de menos acima do índice apropriado. Em um cristal cúbico, 
os planos e direções com o mesmo índice de refração são perpendiculares entre 
si. 
• Também existem famílias de planos. Uma família é designada por índices 
que são colocados entre chaves — como {100}. 
• Direções equivalentes apresentam densidades lineares idênticas. Planos 
equivalentes tem densidades planares idênticas. As densidades linear e planar 
são estão relacionadas com o processo de deslizamento. 
• Em sólidos cristalinos, os monocristais se formam quando o arranjo 
periódico e repetitivo dos átomos é perfeito ou se espalha ininterruptamente por 
toda a amostra. Todas as células unitárias são conectadas da mesma forma e 
têm a mesma orientação. Se a aresta de um único cristal puder crescer sem 
restrições externas, o cristal terá uma forma geométrica regular com faces 
planas. 
• A maioria dos sólidos cristalinos consiste em uma coleção de muitos 
pequenos cristais ou partículas. Esses materiais são chamados de 
policristalinos. Pequenos cristais ou núcleos se formam em vários locais. Estes 
têm orientações cristalográficas aleatórias que variam de grão para grão. Os 
contornos de grão são regiões que separam grãos de diferentes orientações 
dentro de um material policristalino. 
• Muito do nosso entendimento sobre o arranjo de átomos e moléculas em 
sólidos é baseado em estudos de difração de raios-X. Além disso, os raios X 
ainda são muito importantes para o desenvolvimento de novos materiais. É uma 
técnica para determinar o arranjo de átomos, comprimentos de ligação e ângulos 
em compostos sólidos. Ocorre quando uma onda encontra uma série de 
obstáculos regularmente espaçados. Esses obstáculos devem ser capazes de 
dispersar a onda e possuir espaçamentos comparáveis em magnitude ao 
comprimento de onda. A difração é a interferência entre as ondas que ocorre 
quando um objeto está em seu caminho. Os raios X têm comprimentos de onda 
próximos à distância entre os planos atômicos, portanto, eles se difratam quando 
passam ou são refletidos por um cristal. Para a identificação de um material, uma 
amostra é analisada e seus picos são comparados com picos de materiais 
conhecidos. 
IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS 
• Muitas propriedades de materiais são altamente sensíveis a desvios da perfeição 
cristalina. Seus efeitos nem sempre são prejudiciais, e muitas vezes traços 
específicos são formados intencionalmente através da introdução de um número 
controlado ou série de defeitos específicos. 
DEFEITOS PONTUAIS 
• Lacunas e auto intersticiais: Ocorre quando um sítio que normalmente deveria 
estar ocupado está com um átomo faltando. O número de lacunas aumenta em 
função da temperatura. Todos os sólidos contêm lacunas. 
• Um auto intersticial é um átomo do cristal que se encontra comprimido no interior 
de um sítio intersticial, um pequeno espaço. Em metais, um auto intersticial 
introduz distorções relativamente grandes na rede cristalina circunvizinha, pois 
o átomo é substancialmente maior do que a posição intersticial na qual ele está 
situado. Como resultado, a probabilidade de formação de tais defeitos não é 
muito alta. 
• Impurezas em sólidos: A maioria dos metais conhecidos não são muito puros. 
Em vez disso, é uma liga na qual os átomos de impureza são adicionados 
intencionalmente para dar ao material propriedades específicas. Uma solução 
sólida é formada quando átomos de soluto são adicionados a um material 
hospedeiro, preservando a estrutura cristalina e não criando uma nova estrutura. 
Defeitos pontuais devido à presença de impurezas ocorrem em soluções sólidas 
e são de dois tipos: defeitos substitucionais e defeitos intersticiais. Para defeitos 
substitucionais, os átomos de soluto ou impureza substituem os átomos 
hospedeiros. Em soluções sólidas intersticiais, os átomos de impureza 
preenchem os vazios ou espaços entre os átomos hospedeiros. Mesmo átomos 
de impurezas muito pequenos são geralmente maiores do que os sítios 
intersticiais e, portanto, introduzem algum grau de deformação na rede cristalina 
dos átomos hospedeiros vizinhos. 
• Em muitos casos, é necessário expressar a composição (ou concentração)3 de 
uma liga em termos de seus constituintes. As duas formas mais comuns de 
expressar a composição são a porcentagem em peso (ou massa) e a 
porcentagem atômica. A base para a porcentagem em massa (%m) é o peso de 
um elemento específico em relação ao peso total da liga, C1 = (m1/( 
m1+m2))×100. A base para os cálculos da porcentagem atômica (%a) é o número 
de moles de um elemento em relação ao número total de moles de todos os 
elementos na liga, %a = (n1/ (n1+ n2))×100. Cálculos de porcentagem atômica 
também podem ser realizados usando números atômicos em vez de moles, uma 
vez que um mol de todas as substâncias contém o mesmo número de átomos. 
• Em alguns casos, pode-se querer determinar a densidade e o peso atômico de 
uma liga binária em porcentagem de peso ou porcentagem atômica de sua 
composição. 
IMPERFEIÇÕES DIVERSAS 
• Discordâncias, defeito lineares: Uma discordância é um defeito linear ou 
unidimensional em torno do qual alguns dos átomos estão desalinhados. Uma 
discordância de aresta existe quando há uma porção adicional de um plano 
atômico ou semiplano onde a aresta termina dentro do cristal. Este é um defeito 
linear que está centralizado em torno da linha que fica definida ao longo da 
extremidade do semiplano de átomos adicional, chamada de linha de distorção. 
É um defeito causado pela adição de um semi-plano extra de átomos. Os átomos 
acima da linha de discordância são pressionados uns contra os outros. Átomos 
sob uma linha de discordância se afastam um do outro. O grau dessa 
deformação diminui com a distância da linhade discordância, e a rede cristalina 
torna-se quase perfeita em distâncias maiores. Outro tipo de deslocamento é a 
espiral. Isso é gerado pela tensão de cisalhamento e causa distorção da rede. A 
maioria das discordâncias encontradas no material são mistas. 
• A magnitude e a direção da deformação da rede associada a uma discordância 
são descritas pelo vetor de Burgers, denotado por b. A natureza da discordância 
(aresta, espiral ou mista) é definida pela orientação relativa da linha de 
discordância e do vetor de Burgers. Para uma discordância aresta, eles são 
perpendiculares, enquanto para uma discordância espiral eles são paralelos. Em 
discordâncias mistas elas não são nem perpendiculares nem paralelas. Para 
materiais metálicos, o vetor de discordâncias de Burgers aponta na direção 
cristalograficamente densa e sua magnitude é igual à distância interatômica. 
Deslocamentos dentro de materiais cristalinos podem ser observados usando 
técnicas de microscopia eletrônica. Praticamente todos os materiais cristalinos 
contêm alguns deslocamentos introduzidos como resultado de tensões térmicas 
geradas durante a solidificação, durante a deformação plástica e pelo 
resfriamento rápido. 
DEFEITOS INTERFACIAIS 
• Os defeitos interfaciais são contornos que possuem bidimensionais e geralmente 
apartam as regiões dos materiais que têm diferentes estruturas cristalinas e/ou 
orientações cristalográficas. 
• Superfícies externas: Se dá no final da estrutura cristalina. Os átomos da 
superfície não estão ligados ao maior número de vizinhos mais próximos e, 
portanto, estão em estados de energia mais elevados do que os átomos nas 
posições interiores. Para reduzir essa energia, os materiais tendem a minimizar 
ao máximo a área total da superfície. 
• Contornos de grão: Este é o contorno que separa dois pequenos grãos ou 
cristais com diferentes orientações cristalográficas em um material policristalino. 
Os átomos não são tão regularmente ligados ao longo dos contornos de grão. 
Como resultado, existem energias interfaciais ou de contorno de grão 
semelhantes às energias de superfície discutidas anteriormente. Os contornos 
de grão são quimicamente mais reativos do que os próprios grãos. Como os 
átomos de impurezas estão em estados de energia mais altos, eles geralmente 
precipitam preferencialmente ao longo desses contornos. A forma do grão é 
controlada pela presença dos grãos circunvizinhos. O tamanho de grão é 
controlado pela composição química e pela taxa (velocidade) de cristalização ou 
solidificação. O tamanho de grão influencia nas características dos materiais. 
• Contornos de macla: Um contorno de macia é um tipo especial de contorno de 
grão de grão no qual existe uma simetria de espelho especial da rede cristalina. 
A região de material entre esses contornos é chamada apropriadamente de 
macla. As maclas resultam de deslocamentos atômicos causados por forças de 
cisalhamento mecânicas aplicadas e tratamento térmico de recozimento 
realizado após a deformação. 
• Imperfeições volumétricas: Implementado no processamento de materiais 
e/ou produção de peças. Eles podem ser classificados como poros, trincas, 
inclusões e outras fases. Inclusões são impurezas estranhas e podem alterar 
significativamente as propriedades elétricas, mecânicas e ópticas de um 
material. Precipitados são aglomerados de partículas cuja composição difere da 
matriz. As fases se formam devido à presença de impurezas ou elementos de 
liga (ocorre quando o limite de solubilidade é excedido). A porosidade resulta da 
presença ou formação de gases e pode alterar significativamente as 
propriedades ópticas, mecânicas e térmicas de um material. Fratura: Pode afetar 
as propriedades mecânicas do material.