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Curso: Engenharia Civil Disciplina: Introdução à Ciência dos Materiais Prof. Msc.: Alexssan Moura Período; terceiro (3º) sala 307 Experimento: ESTRUTURA DOS MATERIAIS Componentes da Equipe: Camylla Cavalcante Abel do Nascimento Sousa Lauricélia Silva de Oliveira Isack Thiago Alves Santos Danilo de Abreu Fernandes Queiroz Flávio Igor de Oliveira Costa São Luís 2015 1.0 OBJETIVO Montar a célula unitária e a estrutura do metal, facilitando a visualização dos tipos de retículos cristalinos estudados na teoria. 2.0 INTRODUÇÃO No estudo das estruturas dos materiais, especificamente no estado sólido, são trabalhados dois conceitos importantes, o de Cristalinidade e Não Cristalinidade. Esse conceito diz respeito à forma com que os átomos/íons estão arranjados uns aos outros a nível atômico. Material cristalino é aquele que possui um arranjo atômico periódico ou repetitivo ao longo de grandes distancias atômicas, ao contrário do não cristalino ou amorfo, que não apresenta um arranjo com uma formação periódica de seus átomos. Para os materiais sólidos cristalinos, é utilizada a ideia de Célula unitária, que é a unidade estrutural básica da formação de uma estrutura cristalina. O experimento que será realizado a seguir apresentará na prática, como se dá a formação de algumas dessas estruturas básicas chamadas de células unitárias e a importância do entendimento da mesma para o estudo dos materiais. 2.0 MATERIAIS Neste experimento foram utilizados os seguintes materiais: QTDE ITENS QTDE ITENS 2 Pacotes de esferas de isopor de 30mm 2 Caixas de palito de madeira (tam. 6.5cm) 1 Pacote de esferas de isopor de 20mm 1 Tubo de cola isopor 1 Estilete tamanho médio 1 Caixa de tinta guache 1 Pincel (7mm) 1 Transferidor de grau 1 Régua (30cm) Esferas de isopor de 30mm Caixas de palito de madeira Tubo de cola isopor Caixa de tinta guache Estilete tamanho médio Régua Esferas de isopor de 20mm Pincel Transferidor de grau 3. METODOLOGIA O experimento a seguir, consiste em realizar a montagem de 4 (quatro) células unitárias de materiais diferentes os quais demonstram a formação da estrutura dos materiais sólidos cristalinos. Montagem de uma célula unitária do tipo CS (Cúbica Simples). Este tipo de célula unitária possui 8 (oito) átomos, contudo para representar apenas uma única célula unitária, tivemos que subdividir os átomos das extremidades/vértices, ficando somente 1/8 de cada átomo. Passo 1: dividir uma esfera de 30mm em 8 partes. Passo 2: Utilizando palitos, realizar a montagem da estrutura de um cubo simples. Os palitos representam as ligações dos átomos da célula unitária. As esferas representam os átomos, divididos em 8 partes (1/8), simbolizando a estrutura ou geometria cristalina, nesse caso, do tipo cúbica simples (CS). Obs. As cores são meramente ilustrativas. Fig1. (a)-(b) Montagem de uma Célula Unitária do tipo Cúbica Simples. Fig2. (a) Representação de uma Célula Unitária do tipo Cúbica Simples. Montagem de uma célula unitária do tipo CCC (Cúbica de Corpo Centrado). Para realizar a montagem desta célula unitária, a princípio segue os mesmos passos da cúbica simples. Divide-se uma esfera (de 30mm) de isopor em 8 partes(simbolizando os átomos das dos vértices que estão ligados com os demais átomos da rede cristalina). Em seguida, posiciona-se uma esfera( de 30mm) ao centro do cubo. Esta esfera ao centro simboliza um átomo centrado. Essa estrutura é denominada estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC) Fig3. (a)-(b) Montagem de uma Célula Unitária do tipo Cúbica de Corpo Centrado. Fig4. (a) Representação de uma Célula Unitária do tipo Cúbica de Corpo Centrado. Montagem de uma célula unitária do tipo CFC (Cúbica de Faces Centrada). Passo 1: Divide-se 1 esfera (30mm) em 8 partes. Passo 2; Utiliza-se os palitos para realiza a ligação dos vértices e montar a forma de um cubo. Passo 3: Divide-se 3 esferas (30mm) em duas partes iguais. Passo 4: Coloca-se cada metade das três esferas dividas ao meio em cada face do cubo, utilizando os pálidos como ligação. Fig5. (a)-(b) Montagem de uma Célula Unitária do tipo Cúbica de Faces Centrada. Fig5. (c) Representação de uma Célula Unitária do tipo Cúbica de Faces Centrada. Montagem de uma célula unitária do tipo HC (Hexagonal Compacta). Esta célula unitária é basicamente formada por dois hexágonos e um triângulo ao centro, sendo os 3 sobrepostos (um sob o outro) como veremos abaixo. Passo 1: Montagem dos dois hexágono Dividir uma esfera de 30mm em 6 partes iguais. Dividir uma esfera de 30mm em 2 partes iguais Posicionar as 6 partes da esfera em forma de um hexágono e posicionar também ao centro de cada hexágono a esfera que foi dividida ao meio. Utilizar os palitos para realizar a ligação das 6 partes da esfera entre-se e também à metade da esfera que foi posicionada ao centro do hexágono. Passo 2: Montagem do triângulo Posicionar três esferas de 30 mm em forma de triangulo, em seguida realizar a ligação das mesma usando os palitos. Fig6. (a)(b) Posicionar as partes da esfera em forma de hexágono e realizar a ligação com os palitos. Fig7. (a) Montagem do triângulo que forma a parte interna da Célula hexagonal. Passo 3: Montagem do hexágono Para realizar a montagem completa, deve-se, posicionar um hexágono numa superfície plana, inserir 3 palitos na metade da esfera central do hexágono direcionados para cima, em seguida, posicionar o triangulo nos 3 palitos, então esta posicionado o triângulo. Após isso, realizar a sobreposição do segundo hexágono sobre o triangulo formando então a estrutura da célula hexagonal (HC). Contudo, deve-se realizar a montagem de todas as ligações usando palitos, conforme especificado no material de apoio. Fig8. (a) Montagem do triângulo nas duas estruturas hexagonais. Fig8. (b) Montagem das ligações concluindo assim, a estrutura hexagonal. 4. RESULTADOS Ao final do experimento, os objetivos foram alcançados com sucesso. Conforme visto acima, foram montados os quatro modelos de células unitárias solicitadas e foi possível através do experimento, ter uma melhor visualização da formação das estruturas cristalinas. Conforme visto em sala de aula existem 7 Sistema Cristalinos geometricamente distintos, cada um com suas particularidades. Através da discussão em equipe e apoio com material didático assim como explanado em sala de aula com o professor, ficou claro o entendimento entre sistema cristalino e estrutura cristalina. O sistema cristalino diz respeito à maneira em que os átomos, íons ou moléculas estão ordenados e Estrutura Cristalina é a maneira que os átomos, íons ou moléculas estão arranjados. Por exemplo, na estrutura cristalina C.F.C. os átomos irão se arranjar em forma de cubos com um átomo no centro de cada uma das seis faces do cubo. Contudo, sistema cristalino é a maneira em que esses átomos da estrutura estão localizados. Por exemplo, a estrutura CFC pertence ao sistema cristalino cúbico, pois os átomos ordenados tendem a criar um formato cúbico. No experimento feito a montagemde uma célula unitária do tipo CCC(cubico de corpo centrado), para fins de exemplo, o elemento Cromo tem essa forma em sua estrutura, uma célula com formato HC (Hexagonal compacta) a exemplo do Zinco, um célula unitária com formato CFC (Cúbico de faces centradas) Abaixo, relação de cada sistema Cristalino com os eixos e ângulos entre eixos Sistemas de Cristalização Sistema de cristalização Eixos Ângulos entre os eixos Cúbico a = b = c α = β = γ = 90º Tetragonal a = b ≠ c α = β = γ = 90º Ortorrômbico a ≠ b ≠ c ≠ a α = β = γ = 90º Hexagonal a = b ≠ c α = β = 90º; γ = 120º Romboédrico ou Trigonal a = b = c α = β = γ ≠ 90º Monoclínico a ≠ b ≠ c ≠ a α = γ = 90º; β ≠ 90º Triclínico a ≠ b ≠ c ≠ a α ≠ β ≠ γ (todos ≠ 90º) TABELA RESUMO DE ELEMENTOS COM AS CARACTERÍSTICAS ESTUDADAS METAIS ESTRUTURA CRISTALINA RAIO ATÔMICO RELAÇÃO DO PARÂMETRO DE REDE COM O RAIO 1. Alumínio CFC 0,1431 4R/(2)^1/2 = 0.404 2R/(2)^1/2 2. Cobalto CCC 0,1253 2R =0.250 3. Cromo CCC 0,1249 4R/(3)^1/2=0.288 4. Ferro (α) CCC 0,1241 4R/(3)^1/2=0.286 5. Nível CFC 0,1246 2R/(2)^1/2 2R=0.176 6. Zinco HC 0,1332 2R=0.266 7. Cloreto de sódio CCC 2R(2)^1/2= 8. Cloreto de Césio CFC 4R/3= 9. Magnésio HC 0.1600 2R=3.200 METAIS FEA Número de Coordenadas Volume da Célula Unitária Densidade Relativa (g/cm/³) 1. Alumínio 0,74 12 8r3. 23/2 2,70 2. Cobalto 0,74 12 8r3 | 8,83 8,83 3. Cromo 0,68 08 64r3/33/2 7,19 4. Ferro (α) 0,68 08 64r3. 33/2 7,87 5. Nível 0,74 12 8r3. 23/2 8,90 6. Zinco 0,74 12 8r3 7,13 7. Cloreto de sódio 6 2,165 8. Cloreto de Césio 8 3,99 9. Magnésio 0,74 12 1,74 Sistema de cristalização Rede de Bravais Triclínico Monoclínico Simples Centrado Ortorrômbico Simples Centrado na base Centrado no volume Centrado na face Hexagonal Romboédrico ou trigonal Tetragonal Simples Centrado no volume Cúbico ou isométrico Simples Centrado no volume Centrado na face REFERENCIAS CALLISTER, Willian D. Jr. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma introdução, 5ª edição, Rio de Janeiro: LTC, 2002. ASKELAND. DONALD R. Ciência e Engenharia dos Materiais, 1ª edição, São Paulo: CENGAGE, 2013.
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