02 Unidade 1 Elementos de ciência dos materiais

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Materiais elétricos
5MASI
Prof. Francisco Daniel
UNIDADE 1- Elementos de ciência dos materiais
Slide 2
 Unidos pela dureza
 Uma nova técnica permite depositar diamante na 
superfície do nitreto de boro cúbico (c-BN), integrando os 
dois materiais superduros em uma única estrutura 
cristalina.
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=os-brutos-tambem-amam-casamento-
diamante-nitreto-boro&id=010170160516#.V6qhuqI5uXc
A dureza é filha do casamento de dois 
brutos
Redação do Site Inovação Tecnológica -
16/05/2016
Microfotografia mostra estrutura 
cristalina do diamante depositado 
sobre o nitreto de boro. 
[Imagem: Jagdish Narayan et al. -
10.1063/1.4948688]
 "Isto pode ser usado para criar dispositivos de alta 
potência, como os transformadores de estado sólido 
necessários para criar a próxima geração de redes de 
distribuição de energia inteligentes," disse Jay Narayan, da 
Universidade do Estados da Carolina do Norte, nos EUA.
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=os-brutos-tambem-amam-casamento-
diamante-nitreto-boro&id=010170160516#.V6qhuqI5uXc
A dureza é filha do casamento de dois 
brutos
Redação do Site Inovação Tecnológica -
16/05/2016
Microfotografia mostra estrutura 
cristalina do diamante depositado 
sobre o nitreto de boro. 
[Imagem: Jagdish Narayan et al. -
10.1063/1.4948688]
 "E também poderá ser usado para criar ferramentas de 
corte e usinagem de alta velocidade e equipamentos de 
perfuração em águas profundas. 
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=os-brutos-tambem-amam-casamento-
diamante-nitreto-boro&id=010170160516#.V6qhuqI5uXc
A dureza é filha do casamento de dois 
brutos
Redação do Site Inovação Tecnológica -
16/05/2016
Microfotografia mostra estrutura 
cristalina do diamante depositado 
sobre o nitreto de boro. 
[Imagem: Jagdish Narayan et al. -
10.1063/1.4948688]
 "O diamante é duro, mas ele tende a oxidar, 
transformando-se em grafite, que é mais mole. Um 
revestimento de c-BN pode evitar a oxidação. 
 O diamante também interage com o ferro, o que torna 
difícil usá-lo com ferramentas de aço. Mais uma vez, o c-BN 
pode resolver o problema," acrescentou Narayan.
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=os-brutos-tambem-amam-casamento-
diamante-nitreto-boro&id=010170160516#.V6qhuqI5uXc
A dureza é filha do casamento de dois 
brutos
Redação do Site Inovação Tecnológica -
16/05/2016
Microfotografia mostra estrutura 
cristalina do diamante depositado 
sobre o nitreto de boro. 
[Imagem: Jagdish Narayan et al. -
10.1063/1.4948688]
 Nitreto de boro
 O c-BN é uma forma de nitreto de boro que tem uma estrutura cristalina cúbica.
 Ele tem propriedades semelhantes às do diamante, como a dureza, mas possui várias 
vantagens, como uma bandgap adequada para uso em aparelhos elétricos de alta potência. 
O c-BN também pode ser dopado para criar camadas positiva e negativamente carregadas, 
o que significa que ele pode ser usado para a fabricação de transistores.
 Para o uso em ferramentas, o c-BN forma uma camada de óxido estável sobre sua superfície 
quando exposto ao oxigênio, o que permite que ele não perca suas características 
mecânicas a altas temperaturas.
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=os-brutos-tambem-amam-casamento-
diamante-nitreto-boro&id=010170160516#.V6qhuqI5uXc
A dureza é filha do casamento de dois brutos
Redação do Site Inovação Tecnológica - 16/05/2016
Conteúdo
UNIDADE 1- Elementos de 
ciência dos materiais
Apresentação da ementa
UNIDADE 1- Elementos de 
ciência dos materiais
1.1 - Propriedades mecânicas dos materiais;
1.2 - Ligações químicas;
1.3 - Estrutura cristalina;
UNIDADE 1- Elementos de 
ciência dos materiais
1.3 - Estrutura cristalina;
1.4 - Análise geral dos metais;
1.5 - Classificação geral dos metais.
UNIDADE 1- Elementos de 
ciência dos materiais
UNIDADE 2 - Materiais 
condutores
1.5 - Classificação geral dos metais.
2.1 - Características principais dos materiais 
condutores;
2.2 - Condutividade e resistividade elétrica;
UNIDADE 2 - Materiais 
condutores
2.2 - Condutividade e resistividade elétrica;
2.3 - Condutividade térmica;
2.4 - Estudo específico dos materiais condutores.
Conteúdo
UNIDADE 1- Elementos de 
ciência dos materiais
Apresentação da ementa
UNIDADE 1- Elementos de 
ciência dos materiais
1.1 - Propriedades mecânicas dos materiais;
1.2 - Ligações químicas;
1.3 - Estrutura cristalina;
UNIDADE 1- Elementos de 
ciência dos materiais
1.3 - Estrutura cristalina;
1.4 - Análise geral dos metais;
1.5 - Classificação geral dos metais.
UNIDADE 1- Elementos de 
ciência dos materiais
UNIDADE 2 - Materiais 
condutores
1.5 - Classificação geral dos metais.
2.1 - Características principais dos materiais 
condutores;
2.2 - Condutividade e resistividade elétrica;
UNIDADE 2 - Materiais 
condutores
2.2 - Condutividade e resistividade elétrica;
2.3 - Condutividade térmica;
2.4 - Estudo específico dos materiais condutores.
• Que fatores relacionados aos materiais,
desempenharam um papel importante
no naufrágio do Titanic?
• Que fatores também relacionados com
materiais foram determinantes nos
acidentes dos ônibus espaciais
Challenger, em 1986, e Columbia, em
2003?
Titanic
A composição química do aço
empregado no Titanic e as tensões
residuais associadas ao processo de
fabricação resultaram num aço
pouco tenaz para aplicação em
águas a baixas temperaturas.
Rebites pouco resistentes e falhas no
projeto. [1]
Definição - O que é Tenacidade
Capacidade que o material possui de absorver
energia total (elástica e plástica) por unidade
de volume até atingir a ruptura (fratura).
O material capaz de absorver uma quantidade
elevada de energia nesse regime é dito tenaz.
É o oposto do material frágil, onde se tem a
fratura com pequena absorção de energia.
http://www.cimm.com.br/portal/verbetes/exibir/437-tenacidade
Ônibus espaciais
Dois acidentes relacionados ao comportamento dos
materiais:
As baixas temperaturas existentes na atmosfera
contribuíram para aumentar a fragilidade do polímero
utilizado em anéis de vedação do Challenger.
Já no Columbia o acidente se deu devido ao impacto
de fragmentos sobre as placas cerâmicas e à falha de
compósitos de carbono. [1]
Todos os brasileiros ficaram muito chocados com 
a morte de Ayrton Senna.
O acidente foi causado pela quebra da coluna 
de direção de sua Williams. 
A seguir, reproduzimos um trecho da reportagem 
da revista Veja de 3 de maio de 1995, sobre o 
acidente que matou nosso grande piloto:
Mas a ruptura da haste poderia ter sido provocada pelo 
processo de ‘fadiga do material’, expressão que se emprega 
quando um metal se rompe devido a solicitação ou esforço 
repetido. 
Se o rompimento é causado pela fadiga, há outros tipos de 
sinais característicos, as estrias.
Essas marcas surgem a cada ciclo de solicitação, isto é, a 
cada vez que o metal é submetido a um tipo de esforço como 
torção e flexão. No caso da coluna de direção do carro de 
Senna, esses dois esforços ocorriam. 
A torção se dava quando ele virava o volante para manobrar o 
carro. E a flexão era produzida pela trepidação e vibração da 
Williams.
Propriedades mecânicas.
Palavras do texto: 
"solicitação ou esforço repetido"; 
"esforço como torção ou flexão".
https://jorgeteofilo.files.wordpress.com/2011/08/epm-apostila-capitulo011.pdf
Estrutura, propriedades e processos de modificaçãode propriedades dos materiais 
Estrutura e Propriedades dos Materiais 
A natureza e o comportamento dos materiais em serviço
estão basicamente associados aos tipos de átomos
envolvidos e aos seus arranjos.
Um material pode ser constituído por um ou mais elementos
químicos; entretanto, a forma com que tais elementos se
arranjam no espaço determinará as características do
material.
Dessa forma, a 1estrutura dos materiais
pode ser estudada de acordo com quatro níveis seqüenciais, 
quais sejam: 
subatômico, atômico, microscópico e macroscópico.
. 
Estrutura e Propriedades dos Materiais 
Nível subatômico. 
O nível subatômico está relacionado à análise 
do átomo individual, o comportamento do seu 
núcleo e os elétrons de suas camadas 
periféricas, ou seja, a interação núcleo-
eletrosfera.
Existe um compromisso muito forte entre o 
comportam dentro do átomo e suas partículas 
subatômicas com as propriedades elétricas, 
térmicas e magnéticas. 
Estrutura e Propriedades dos Materiais 
Nível atômico
O nível atômico está ligado à análise do comportamento de
um átomo em relação a outro átomo, ou seja, à interação
entre átomos e ligações entre os mesmos e a formação de
moléculas.
As ligações interatômicas dependem do comportamento do
átomo ao nível subatômico.
Em função do tipo e intensidade dessas ligações, um dado
material pode apresentar-se como sólido, líquido ou gasoso
(estado de agregação), dependendo de uma determinada
condição.
Estrutura e Propriedades dos Materiais 
Nível microscópico
O nível microscópico relaciona-se à análise do arranjo
dos átomos ou suas moléculas no espaço.
Um arranjo atômico pode resultar em três tipos
estruturais: arranjo cristalino, arranjo molecular e
arranjo amorfo.
O arranjo estrutural apresentado por um material
influencia diretamente as suas propriedades e
características.
Estrutura e Propriedades dos Materiais 
Nível macroscópico
O nível macroscópico relaciona-se às
características e propriedades dos materiais
em serviço, as quais estão diretamente
ligadas à natureza do comportamento
atômico nos três níveis anteriores e à
maneira com que o material foi processado.
1.1 - Propriedades mecânicas dos materiais
As propriedades mecânicas dos materiais
dependem da composição química e da
microestrutura. [1]
http://www.tabelaperiodicacompleta.com/imagens-da-tabela-periodica
http://www.siderurgiabrasil.com.br/novosb/component/content/article/206-
ametriassb66/1852-nodulos-de-grafita-no-ferro-fundido-nodular-austemperado--parte
1
http://slideplayer.com.br/slide/2321794/#
Terminologia das propriedades 
mecânicas
Tensão: a carga mecânica que
age na unidade de área sobre a
qual a carga foi aplicada.
Terminologia das propriedades mecânicas
Deformação: é definida como a
alteração de tamanho por unidade de
comprimento.
Expressa por kgf/mm2
(Kilograma força por milímetro cúbico)
Ou PA (newton por metro quadrado)
Terminologia das propriedades mecânicas
Deformação elástica:
Deformação reversível, resultado de
uma tensão aplicada.
Terminologia das propriedades mecânicas
Comportamento Plástico:
É aquele em que a deformação é irreversível,
ou seja, as ligações químicas dos átomos do
material se moveram sofrendo algum tipo de
recombinação com outros átomos da
vizinhança, isto é, os planos cristalinos se
deslocaram uns em relação aos outros e a
força externa aplicada removeu os átomos
para fora do poço de potencial, ou seja, para
fóra da posição de equilíbrio (cessando a
causa o efeito permanece).
Ex. manteiga, pixe.
http://slideplayer.com.br/slide/1540434/
Conceitos básicos relacionados às 
propriedades mecânicas dos materiais
· resistência à tração;
· elasticidade;
· ductilidade;
· fluência;
· fadiga;
· dureza;
· tenacidade entre outras.
www.foz.unioeste.br/~lamat/downmateriais/materiaiscap10.pdf
Definição - O que é Ductilidade
Capacidade dos materiais de se deformarem sem se
romperem. Pode ser medida por meio da estricção
(redução na área da seção transversal de um corpo de
prova), ou por meio do alongamento.
Quanto mais dútil o material, maior será a redução da
área da seção transversal e maior será o alongamento
antes da ruptura. Logo, a ductilidade é uma medida da
extensão da deformação que ocorre até a fratura.
http://www.cimm.com.br/portal/verbetes/exibir/440-ductilidade
Definição - O que é Fluência
Fenômeno pelo qual metais e ligas tendem a sofrer deformações
plásticas quando submetidos por longos períodos a tensões
constantes, porém inferiores ao limite de resistência normal do
material.
Pode ser ativada pela temperatura (sua ocorrência é comum a
temperaturas elevadas), e se manifesta com o passar do tempo.
Esta deformação produz fissuras no material e pode levar à
ruptura. À temperatura ambiente, a deformação das estruturas
metálicas é muito pequena, a não ser que a carga adquira uma tal
intensidade que se aproxime da tensão de ruptura.
Entre os equipamentos que estão sujeitos a falhar por fluência estão
as turbinas a jato e os geradores a vapor.http://www.cimm.com.br/portal/verbetes/exibir/523-fluencia
Fadiga mecânica
É o fenômeno de ruptura
progressiva de materiais
sujeitos a ciclos repetidos de
tensão ou deformação.
Dureza
Na ciência dos materiais, dureza é a
propriedade característica de um material
sólido, que expressa sua resistência a
deformações permanentes e está
diretamente relacionada com a força de
ligação dos átomos.
Basicamente, a dureza pode ser avaliada a
partir da capacidade de um material "riscar"
o outro.
Deformação relativa: É a quantidade de deformação 
por unidade de comprimento.
Tensão: Força por unidade de área.
Resistência: É a medida do nível de tensão requerido 
para fazer com que um material seja rompido.
Ductilidade: identifica a quantidade de deformação 
relativa permanente anterior a fratura.
Tenacidade: total de energia absorvida por um 
material durante a solicitação que levou a ruptura.
Aço para estruturas, edifícios e pontes,
Plásticos para tubos e válvulas,
Próteses de válvulas cardíacas: grafite pirolítica, 
ligas de cobalto, cromo, tungstênio.
Fibra ótica
Ligas de titânio para implante ósseo
 Invólucros usados para encapsular chips 
semicondutores devem suportar aquecimento e 
resfriamento.
EXEMPLOS DE APLICAÇÃO
Exemplos de aplicação
 Produção de aviões: ligas de alumínio e compósitos
reforçados de carbono devem ser, leves resistentes
capazes de suportar cargas mecânicas cíclicas durante
longos períodos de tempo.
http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0104-14282007000300003&script=sci_arttext
http://www.fem.unicamp.br/~caram/capitulo1.pdf
Materiais presentes em um carro?
Materiais presentes em um carro?
http://www.fem.unicamp.br/~caram/capitulo1.pdf
Materiais presentes em um carro?
http://www.fem.unicamp.br/~caram/capitulo1.pdf
Materiais presentes em um carro?
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Materiais presentes em um carro?
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Materiais presentes em um carro?
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Materiais presentes em um carro?
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Materiais presentes em um carro?
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Materiais presentes em um carro?
http://www.fem.unicamp.br/~caram/capitulo1.pdfMateriais presentes em um carro?
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http://www.fem.unicamp.br/~caram/capitulo1.pdf
Materiais presentes em um carro?
O ensaio de tração
http://wp.ufpel.edu.br/alinepaliga/files/2013/09/Unidade-
3.pdf
O ENSAIO DE TRAÇÃO
O ENSAIO DE TRAÇÃO
O ENSAIO DE TRAÇÃO
O ENSAIO DE TRAÇÃO
O ENSAIO DE TRAÇÃO
O ENSAIO DE TRAÇÃO
O ENSAIO DE TRAÇÃO
O ENSAIO DE TRAÇÃO
O ENSAIO DE TRAÇÃO
O ENSAIO DE TRAÇÃO
O ENSAIO DE TRAÇÃO
O ENSAIO DE TRAÇÃO
O comportamento da tensão–deformação de 
materiais dúcteis e frágeis
Material que possa ser submetido a grandes
deformações antes de sofrer ruptura é
denominado material dúctil.
Material que exibe pouco ou nenhum
escoamento antes da falha são denominados
material frágil.
Ensaio de tração
Ensaio
https://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=sKBOdB0x4gk
http://slideplayer.com.br/slide/397266/
http://www.google.com.br/imgres?imgurl=http://s3.amazonaws.com/magoo/ABAAABlQkAL-14.jpg&imgrefurl=http://www.ebah.com.br/content/ABAAABlQkAL/tecnologia-
dos-materiais?part%3D2&h=295&w=696&tbnid=QJo01CdZianbvM:&docid=6Q4TzJKPqYzAwM&ei=pgLFVb_gBsaw-
QHb7aD4DA&tbm=isch&ved=0CEkQMygjMCNqFQoTCL_LrJ3Wl8cCFUZYPgod2zYIzw&biw=1252&bih=602
www.foz.unioeste.br/~lamat/downmateriais/materiaiscap10.pdf
Ensaio de tração em diferentes materiais
http://slideplayer.com.br/slide/45203/
Conteúdo
UNIDADE 1- Elementos de 
ciência dos materiais
Apresentação da ementa
UNIDADE 1- Elementos de 
ciência dos materiais
1.1 - Propriedades mecânicas dos materiais;
1.2 - Ligações químicas;
1.3 - Estrutura cristalina;
UNIDADE 1- Elementos de 
ciência dos materiais
1.3 - Estrutura cristalina;
1.4 - Análise geral dos metais;
1.5 - Classificação geral dos metais.
UNIDADE 1- Elementos de 
ciência dos materiais
UNIDADE 2 - Materiais 
condutores
1.5 - Classificação geral dos metais.
2.1 - Características principais dos materiais 
condutores;
2.2 - Condutividade e resistividade elétrica;
UNIDADE 2 - Materiais 
condutores
2.2 - Condutividade e resistividade elétrica;
2.3 - Condutividade térmica;
2.4 - Estudo específico dos materiais condutores.
Estrutura dos Átomos
núcleo: prótons (+) e neutrons
eletrosfera: elétron (-)
Definições:
a) O nº. de prótons é igual ao nº. de elétrons, logo no estado
fundamental o átomo é neutro.
b) Número atômico (Z) é o nº. de prótons do átomo.
c) Massa atômica relativa (A) é a massa, em gramas, de 6,023x1023
átomos (número de Avogrado, NA) do elemento.
Estrutura dos Átomos
Definições:
d) Elemento químico é o conjunto de átomos de mesmo número
atômico. Exemplos: Z = 1 (H), Z = 8 (O), Z = 6 (C), Z = 11 (Na)
e) Níveis quânticos são as camadas de energia resultante da
disposição dos elétrons ao redor do núcleo.
Estas órbitas podem ser caracterizadas através dos níveis
quânticos principais (n) que recebem as denominações: K(1),
L(2), M(3), N(4), O(5), P(6) e Q(7) sendo K a de menor energia,
e Q a de maior energia.
Estes níveis quânticos são divididos em subníveis designados
pelas letras s, p, d e f, em ordem crescente de energia, e podem
conter, respectivamente um máximo de 2, 6, 10, 14 elétrons.
Ligações Químicas
Os elementos químicos que apresentam o mesmo n°. de elétrons na
sua camada mais externa (camada de valência), apresentam
comportamento químico semelhante. Assim se deu origem à tabela
periódica.
Os elementos químicos que apresentam 8 elétrons na camada de
valência, como o Hélio por exemplo, são muito estáveis e não se
combinam com outros elementos. São os gases nobres: He, Ne, Ar, Kr,
Xe, Rn.
A maior parte dos outros elementos devem adquirir a configuração
altamente estável de 8 elétrons na camada de valência, através de um
dos seguintes mecanismos:
RECEBENDO ELÉTRONS
PERDENDO ELÉTRONS
COMPARTILHANDO ELÉTRONS
Ligações Químicas - Ligação Iônica ou Eletrovalente
Ligação Iônica ou Eletrovalente é o tipo de
ligação onde os elétrons são transferidos
definitivamente de um átomo para outro, dando
origem a íons positivos (cátions) e negativos
(ânions) que são atraídos por forças elétricas de
Coulomb.
Ligações Químicas - Ligação Covalente ou Molecular
Ligação Covalente ou Molecular é aquela onde
os átomos compartilham elétrons, formando
pares eletrônicos de união. Não há perda nem
ganho de elétrons, ocorrendo a formação de
compostos moleculares.
Ligações Químicas - Ligação metálica
Ligação metálica é aquela acontece entre metais.
O átomo que possui menos de quatro elétrons na
camada de valência é chamado metal.
Se um átomo apresenta poucos elétrons de
valência estes podem ser removidos com relativa
facilidade originando uma estrutura de íons
positivos e elétrons livres (nuvens eletrônicas), que
por sua vez originam forças de atração que ligam
os átomos do metal entre si.
Ligações Químicas 
Os três tipos de ligações consideradas anteriormente (iônica,
covalente e metálica) correspondem a ligações fortes.
Ligações fracas ou secundárias, agrupadas genericamente sob
o nome de Forças de Van Der Waals, também contribuem
para interações interatômicas.
Exemplos: ligação entre moléculas de gases nobres (dipolo
flutuante) e ligação entre moléculas de água ou de metano –
CH4 (dipolo permanente)
OBSERVAÇÃO
Conteúdo
UNIDADE 1- Elementos de 
ciência dos materiais
Apresentação da ementa
UNIDADE 1- Elementos de 
ciência dos materiais
1.1 - Propriedades mecânicas dos materiais;
1.2 - Ligações químicas;
1.3 - Estrutura cristalina;
UNIDADE 1- Elementos de 
ciência dos materiais
1.3 - Estrutura cristalina;
1.4 - Análise geral dos metais;
1.5 - Classificação geral dos metais.
UNIDADE 1- Elementos de 
ciência dos materiais
UNIDADE 2 - Materiais 
condutores
1.5 - Classificação geral dos metais.
2.1 - Características principais dos materiais 
condutores;
2.2 - Condutividade e resistividade elétrica;
UNIDADE 2 - Materiais 
condutores
2.2 - Condutividade e resistividade elétrica;
2.3 - Condutividade térmica;
2.4 - Estudo específico dos materiais condutores.
4.2 - Estruturas Cristalinas
Os átomos possuem a tendência a se agruparem em
posições relativamente fixas e ordenadas que se repetem
em três dimensões, formando os cristais no estado sólido.
A maioria dos metais se cristalizam nos sistemas cúbicos e
hexagonais.
OBSERVAÇÃO:
Denomina-se célula unitária a menor unidade que tenha a simetria
total do cristal.
4.2 - Estruturas Cristalinas
Cúbico Simples (CS): esta estrutura é hipotética para
metais puros. A célula unitária possui 1/8 de átomo em
cada vértice.
4.2 - Estruturas Cristalinas
Cúbico de Corpo Centrado (CCC): cada célula unitária
possui dois átomos sendo, um átomo no centro e 1/8 de
átomo em cada vértice.
O ferro tem estrutura (CCC) a temperatura ambiente
(outros exemplos Cr, W, Mo),
4.2 - Estruturas Cristalinas
Cúbico de Face Centrada (CFC): O arranjo atômico (CFC),
além de possuir 1/8 de átomo em cada vértice, possui 1/2
átomo em cada face e nenhum no centro, a célula unitária
de uma estrutura (CFC) possui um total de quatro átomos.
A estrutura (CFC) é mais comum entre os metais do que a
estrutura (CCC). Exemplos: Al, Cu, Pb, Ag, Ni, Au.
4.2 - Estruturas Cristalinas
Estrutura Hexagonal : A estrutura hexagonal (HC) possui
1/6 átomo em cada vértice e ½ átomo em cada face
inferior e superior, totalizando 3 átomos.
A estrutura HC (compacta) é presente no magnésio,
cobalto, zinco e berílio.