Cristalografia -EstruturasCristalinas

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Estruturas cristalinas
Alotropia do ferro puro
Ferro ( metal alotrópico ( apresenta mais de uma estrutura cristalina de acordo com a temperatura.
Solidificação: 1538oC ( estrutura cristalina cúbica de corpo centrado ( ferro-( ou fase-( (ferrita-().
1394oC ( mudança de fase ( átomos de Fe sofrem um rearranjo para uma estrutura cúbica de face centrada ( ferro-( ou fase-( (austenita).
912oC ( volta a ccc (cúbica de corpo centrado) ( ferro-( ou fase-( (ferrita). Abaixo de 786oC (ponto Curie) ( comportamento magnético.
Estas diversas transformações fazem com que os aços apresentem-se com uma classe de materiais extremamente versáteis atendendo a um grande espectro de propriedades mecânicas.
Reticulado cristalino
Reticulado cristalino é uma rede de pontos que se prolonga infinitamente nas três direções do espaço (ver Figura 1).
Figura 1 - Representação de uma rede de pontos que serve de base para o estudo das estruturas cristalinas.
Geometria da rede espacial pode ser caracterizada por três vetores.
Comprimento dos vetores ( a, b, c
Ângulo entre vetores ( (, (, (
O comprimento e o ângulo entre os vetores representam as constantes de rede, as quais nos permitem definir exatamente como os pontos se distribuem no espaço.
Estrutura cristalina
Nada mais é do que uma rede de pontos regularmente espaçados com uma distribuição regular dos átomos.
Materiais cristalinos são aqueles que possuem uma distribuição característica e regular dos seus átomos. Devido a esta regularidade, a estrutura cristalina de um material não precisa ser representada por todos os seus átomos, mas por apenas um conjunto de átomos que possam definir a sua distribuição no espaço. A esta pequena porção do reticulado cristalino que tem a propriedade de representar todo o cristal chamamos de célula unitária.
Célula unitária ( associada a uma figura geométrica e a distribuição característica dos átomos.
Existem apenas sete figuras geométricas ( representam sete sistemas cristalinos, que por sua vez irão formar quatorze distribuições características dos átomos, produzindo quatorze estruturas cristalinas (ver Tabela 1).
Tabela 1 - Classificação das estruturas cristalinas dentro dos sistemas cristalinos.
	Sistema cristalino
	Parâmetro de rede e ângulo entre os eixos
	Estrutura cristalina
	Cúbico
	Três eixos iguais em ângulo reto
	Cúbica simples
	
	a=b=c, (=(=(=90(
	Cúbica de corpo centrado
	
	
	Cúbica de faces centradas
	Tetragonal
	Três eixos em ângulo reto, dois iguais
	Tetragonal simples
	
	a=b(c, (=(=(=90(
	Tetragonal de corpo centrado
	Ortorrômbico
	Três eixos desiguais em ângulo reto
	Ortorrômbico simples
	
	a(b(c, (=(=(=90(
	Ortorrômbico de corpo centrado
	
	
	Ortorrômbico de bases centradas
	
	
	Ortorrômbico de faces centradas
	Romboédrico
	Três eixos iguais, ângulos iguais
	Romboédrico simples
	
	a=b=c, (=(=((90(
	
	Hexagonal
	Dois eixos iguais a 120(, terceiro eixo a 90(
	Hexagonal simples
	
	a=b(c, (=(=90(, (=90(
	
	Monoclínico
	Três eixos desiguais, um ângulo diferente
	Monoclínico simples
	
	a(b(c, (=(=90(, ((90
	Monoclínico de bases centradas
	Triclínico
	Três eixos desiguais, ângulos desiguais
	Triclínico simples
	
	a(b(c, ((((((90
	
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Figura 2 – Estruturas cristalinas.
Sistemas cristalinos mais importantes ( Sistema cúbico e tetragonal.
Estruturas cristalinas mais importantes ( cúbica de corpo centrado, cúbico de face centrada e tetragonal de corpo centrado (ver Figura 3).
Sistema cristalino ( cúbico
Estrutura cristalina ( cúbica de corpo centrado (ccc) e cúbica de face centrada (cfc).
Sistema cristalino ( tetragonal
Estrutura cristalina ( tetragonal de corpo centrado
Figura 3 - Representação esquemática das células unitárias das estruturas cúbica de corpo centrado, cúbica de faces centradas e tetragonal de corpo centrado.
Parâmetros característicos 
Medidas características dos vetores ( parâmetros de rede
Número de átomos por célula unitária
Número de vizinhos que cada átomo possui ( número de coordenação
Relação entre o volume ocupado pelos átomos e o volume da célula unitária ( fator de empacotamento
Estrutura cúbica de corpo centrado (ccc)
a = b = c e ( = ( =( =90o ( parâmetros geométricos
Célula unitária ( caracterizada pela figura de um cubo
Os átomos estão localizados nos vértices e no centro da célula (ver Figura 4).
Figura 4 - Representação do modelo de esferas das estruturas cúbica de corpo centrado e cúbica de faces centradas.
Átomos nos vértices ( existe apenas 1/8 do seu volume ocupando espaço na célula unitária.
Parâmetro de rede ( lado do cubo = (4R/31/2); onde R = raio atômico.
Número de átomos por célula unitária = 2
Número de coordenação = 8
Fator de empacotamento = 0,68
Estrutura cúbica de faces centradas (cfc)
Possui os mesmos parâmetros geométricos da ccc, porém a distribuição dos átomos é um pouco diferente (ver Figura 4).
Os átomos estão localizados nos vértices e no centro das faces da célula.
Átomos nas faces ocupam apenas metade do seu volume dentro da célula.
Parâmetro de rede ( lado do cubo = (4R/21/2)
Número de átomos = 4
Número de coordenação = 12
Fator de empacotamento = 0,74
A estrutura cfc é mais compacta do que a estrutura ccc, isto é, os seus átomos ocupam o espaço da célula de uma maneira mais eficiente.
Interstícios
O fator de empacotamento é sempre menor do que um (1). Isto quer dizer que os átomos não ocupam todo o espaço da célula.
Espaços vazios entre os átomos da estrutura ( interstícios
( Fator de empacotamento ( ( volume destinado aos interstícios
Tamanha dos interstícios ( depende ( raios atômico e estrutura cristalina.
cfc ( ( interstícios do que ccc, embora o fator de empacotamento seja maior (ver figura 5 e 6).
Figura 5 - Interstícios octaédricos (a) e insterstícios tetraédricos (b) em uma estrutura cúbica de corpo centrado.
Figura 6 - Interstícios octaédricos (a) e insterstícios tetraédricos (b) em uma estrutura de faces centradas.
Conseqüência ( átomos de soluto se colocam em posições intersticiais, como é o caso de uma liga Fe-C.
( Interstícios ( ( Solubilidade para o soluto!
Interstícios tetraédricos e octaédricos ( um interstício é sempre denominado pela figura poliédrica formada pelos átomos que estão em volta do espaço vazio.
Direções e planos atômicos
Existem planos e direções características para cada estrutura. Estes influem no comportamento do material ( deformação.
Deformação ( ocorre segundo determinadas direções e planos particulares para cada estrutura. Existe uma maior densidade de átomos em determinadas direções, gerando planos de escorregamento capazes de serem acionados durante o processo de deformação plástica. Para a determinação exata das direções e planos, foi criada uma notação apropriada que é chamada de Índices de Miller. Nas figuras 7 e 8, são mostradas direções e planos característicos para as estrutura cristalina cúbia.. Os índices de uma direção estão relacionados com as coordenadas de um ponto com relação à origem do sistema de eixos. Assim, a direção [100] corresponde a um vetor paralelo ao eixo x, enquanto que a direção [010] corresponde a um vetor paralelo ao eixo y. No caso dos planos, os índices correspondem ao inverso do valor das interseções do plano com os eixos. Deste modo um plano (100) corresponde a um plano paralelo aos eixos y e z enquanto que um plano (010) corresponde a um plano paralelo aos eixos x e z.
Figura 7 – Direções cristalinas em uma estrutura cristalina cúbia.
Figura 8 – Planos cristalinos em uma estrutura cristalina cúbica.
Defeitos na estrutura cristalina
Todos os materiais cristalinos possuem um certo número de defeitos, os quais podem influir decisivamente em suas propriedades.
Defeitos pontuais
Lacunas ( Ausência de um átomo em uma posição que deveria ser ocupada na estrutura cristalina. Este defeitogera uma deficiência de ligações entre os átomos fazendo com que os mesmos tendam a se aproximar, o que provoca uma distorção na rede e produz acúmulo de energia naquele ponto (Figura 9).
Intersticiais ( Caracteriza-se pela presença de um átomo em um interstício da estrutura cristalina.
( Auto-intersticial ( próprio elemento que forma a estrutura (ver Figura 9)
( Impureza intersticial ( átomo estranho ao reticulado cristalino (ver Figura 9).
obs.: Interstícios ( são pequenos em relação aos átomos que abrigam. Ocorre, então, a distorção da rede cristalina e um acúmulo de energia muito maior do que em uma lacuna.
Figura 9 - Representação dos defeitos de lacuna, defeito auto-intersticial e defeito de impureza intersticial.
Defeitos em linha ou planares
Discordância ( é um defeito planar que envolve o posicionamento de uma série de átomos. Mais comum é a discordância em cunha (ver Figura 10).
Figura 10 – Representação esquemática de uma discordância em cunha.
Esta discordância pode ser entendida como um plano extra de átomos, produzindo um efeito de cunha no reticulado. Existe então, um acúmulo muito maior de energia do que em um defeito de lacuna ou intersticial.
Discordâncias ( grande influência ( deformação plástica ( estes defeitos cristalinos são os responsáveis pela deformação plástica ou permanente. Se estes não existissem, a deformação dos metais seria tremendamente mais difícil.
Defeitos de fronteira
Os contornos de grão representam a transição entre duas orientações de empilhamento dos átomos. Portanto, nesta regiões de contorno, os átomos não possuem uma organização definida, sendo que também são áreas de acúmulo de energia. Estes defeitos de fronteira são importantes nas transformações de fase (maior energia favorece a nucleação) e na deformação plástica (restringir o movimento de discordâncias).