Capitulo 2 Estrutura atomica e estrutura cristalina dos materiais

Prévia do material em texto

Prof.ª Tâmara Esteves 
Estrutura atômica 
Estrutura dos sólidos cristalinos 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 
Engenharia de Produção 
FACIG 
Ementa: 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 2 
 Introdução à Ciência dos Materiais. 
 Tipos de materiais. Estrutura dos materiais (estrutura 
atômica, estrutura cristalina, microestrutura, 
macroestrutura). 
 Propriedades. Processos de fabricação e desempenho dos 
diferentes materiais utilizados em engenharia. 
Objetivo da aula 
Ao final desta aula, você deverá conhecer: 
1. Estrutura da Matéria; 
2. A malha cristalina; 
3. Tipos principais de estruturas cristalinas; 
4. Estrutura cristalina dos Metais. 
 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 3 
 Importância das ligações metálicas, iônicas e 
covalentes, na classificação dos metais, cerâmicos e 
polímeros; 
INTRODUÇÃO 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 4 
 Importância das ligações metálicas, iônicas e 
covalentes, na classificação dos materiais: metais, 
cerâmicos e polímeros. 
 Conhecer as estruturas cristalinas dos materiais. 
Relacionar esta análise com o comportamento 
mecânico durante seu emprego; 
INTRODUÇÃO 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 5 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 6 
 As propriedades macroscópicas dos materiais dependem 
essencialmente do tipo de ligação entre os átomos. 
 O tipo de ligação depende fundamentalmente dos 
elétrons (camada de valência). 
 Os elétrons são influenciados pelos prótons e nêutrons 
que formam o núcleo atômico. 
 Os prótons e nêutrons caracterizam quimicamente o 
elemento e seus isótopos. 
LIGAÇÃO ATÔMICA 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 7 
• Os materiais são constituídos por átomos que, no estado 
sólido, se mantêm unidos por ligações químicas primárias 
e secundárias. 
• Esse tipo de ligação afeta as propriedades químicas e 
físicas do material. 
 
CONSTITUIÇÃO DOS MATERIAIS 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 8 
• O conhecimento das forças interatômicas que ligam os 
átomos entre si nos permitem entender muitas das 
propriedades físicas dos materiais. 
 
Forças de ligação e energias de ligação 
• Sua magnitude varia com a 
distância. 
 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 9 
FORÇAS DE LIGAÇÃO E ENERGIAS DE LIGAÇÃO 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 10 
• Basicamente toda matéria é constituída de Moléculas; 
• o átomo é a unidade fundamental do material; 
• a estrutura do átomo segue o modelo de Bohr: 
 
 
 
CONSTITUIÇÃO DA MATÉRIA 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 11 
CONSTITUIÇÃO DA MATÉRIA 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 12 
LIGAÇÕES QUÍMICAS 
• Representam a união entre os átomos de um mesmo 
elemento ou de elementos diferentes. 
• Quando os átomos se unem, modificam sua eletrosfera, 
ganhando, perdendo ou compartilhando elétrons. 
• Dependendo dos átomos que se unem, as ligações 
podem ser iônicas, covalentes, metálicas. 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 13 
• Iônica 
• Covalente 
• Metálica 
• Van Der Waal 
 
ASSOCIAÇÃO DE ÁTOMOS 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 14 
Ligação Iônica 
• Elétrons sendo liberados pelas 
camadas de valência; 
ASSOCIAÇÃO DE ÁTOMOS 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 15 
Ligação iônica 
 Resulta da atração entre cátions e ânions. 
 Todas as substâncias iônicas são sólidas. 
 Apresentam-se na forma de cristais. 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 16 
Covalente 
• Elétrons sendo compartilhados com 
átomos adjacentes (hidrogênio, 
ametais e semimetais). Esse tipo de 
ligação é comum em compostos 
orgânicos, por exemplo em materiais 
poliméricos e diamante. 
 
ASSOCIAÇÃO DE ÁTOMOS 
• Quando os átomos se unem por ligação covalente formam 
as substâncias covalentes ou moleculares. 
 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 17 
LIGAÇÃO COVALENTE 
Representação estrutural 
plana. 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 18 
Van Der Waal 
• Elétrons não são compartilhados, apenas, há influência 
mútua das ondas eletrônicas estacionarias; 
ASSOCIAÇÃO DE ÁTOMOS 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 19 
Van Der Waal 
• São ligações secundárias ou físicas 
• A polarização (formação de dipólos) devido a estrutura da 
ligação produz forças atrativas e repulsivas entre átomos 
e moléculas 
• A ligação é fraca 
 
• Exemplo desse tipo de ligação acontece entre átomos de 
H e em estruturas moleculares polares 
ASSOCIAÇÃO DE ÁTOMOS 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 20 
Metálica 
• Elétrons sendo compartilhados pelos átomos 
adjacentes; 
ASSOCIAÇÃO DE ÁTOMOS 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 21 
LIGAÇÃO METÁLICA 
 Um metal é formado por um conjunto de átomos 
iguais, dispostos em camadas superpostas. 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 22 
 O que mantém os átomos unidos em um metal é a 
atração elétrica entre o conjunto dos elétrons 
praticamente livres e o conjunto dos cátions. 
 As substâncias que se ligam através de ligações 
metálicas são os metais, e estes apresentam as 
propriedades de ductibilidade, maleabilidade e 
condutividade elétrica 
LIGAÇÃO METÁLICA 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 23 
 Forma-se com átomos de baixa eletronegatividade 
(apresentam no máximo 3 elétrons de valência) 
 Os elétrons de valência são divididos com todos os 
átomos (não estão ligados a nenhum átomo em 
particular) e assim eles estão livres 
 A ligação metálica não é direcional porque os elétrons 
livres protegem o átomo carregado positivamente das 
forças repulsivas eletrostáticas 
LIGAÇÃO METÁLICA 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 24 
• O modelo resultante dessa disposição típica dos átomos 
é chamado reticulado; 
• Estes sistemas admitem 14 combinações conhecidas 
como Rede de Bravais. 
REDES BRAVAIS 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 25 
AS 14 REDES DE BRAVAIS 
•Dos 7 sistemas cristalinos 
podemos identificar 14 tipos 
diferentes de células unitárias, 
conhecidas com redes de Bravais. 
•Cada uma destas células unitárias 
tem certas características que 
ajudam a diferenciá-las das outras 
células unitárias. 
•Estas características também 
auxiliam na definição das 
propriedades de alguns materiais. 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 26 
• As redes cristalinas mais importantes: 
 Cúbica: 
- Cúbica de corpo centrado (CCC); 
- Cúbida de face centrada (CFC). 
 
 Hexagonal: 
- Hexagonal compacta (HC). 
 
REDES BRAVAIS 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 27 
• A rede cúbica de corpo centrado é uma rede cúbica na 
qual existe um átomo em cada vértice e um átomo no 
centro do cubo. Os átomos se tocam ao longo da 
diagonal. 
REDE CÚBICA DE CORPO CENTRADO (CCC) 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 28 
REDE CÚBICA DE CORPO CENTRADO (CCC) 
NC: Número de Coordenação, 
que corresponde ao número de 
átomos vizinhos mais próximos. 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 29 
• Fator de empacotamento atômico (APF= atomic 
packing factor) 
REDE CÚBICA DE CORPO CENTRADO (CCC) 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 30 
• A rede cúbica de face centrada é uma rede cúbica na 
qual existe um átomo em cada vértice e um átomo no 
centro de cada face do cubo. Os átomos se tocam ao 
longo das diagonais das faces do cubo. 
REDE CÚBICA DE FACE CENTRADA (CFC) 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 31 
a=4R 
REDE CÚBICA DE FACE CENTRADA (CFC) 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 32 
a=4R 
REDE CÚBICA DE FACE CENTRADA (CFC) 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 33 
• A rede hexagonal compactapode ser representada por 
um prisma com base hexagonal com átomos na base e 
no topo e um plano de átomos no meio da altura. 
• O sistema Hexagonal Compacto é mais comum nos 
metais (ex: Mg, Zn, Be, Cd). 
REDE HEXAGONAL COMPACTA (HC) 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 34 
REDE HEXAGONAL COMPACTA (HC) 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 35 
REDE HEXAGONAL COMPACTA (HC) 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 36 
TABELA RESUMO PARA O SISTEMA CÚBICO 
 
 Átomos Número de Parâmetro Fator de 
 por célula coordenação de rede empacotamento 
 
CCC 2 8 4R/(3)1/2 0,68 
CFC 4 12 4R/(2)1/2 0,74 
 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 37 
A temperaturas acima de 912° o Fe apresenta-se na 
forma alotrópica (CCC); Acima de 912° até 
1394° (CFC); Acima de 1394° até 1538° (CCC). 
 
 
A alotropia do Fe é importante porque a forma 
alotrópica pode dissolver o Carbono (C) até 2,11% a 
1148o, o que tem grande significado no tratamento 
térmico dos aços. 
 
 
ALOTROPIA DO FERRO PURO 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 38 
CALLISTER JR, WILLIAN, D. Ciência e engenharia de 
materiais: uma introdução. 7ª Ed. Rio de Janeiro: LTC, 
2008 
 
 
Referências 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 39