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Ciência dos Materiais
 
 Prof. William Pires
Estrutura dos Sólidos Cristalinos (parte I) 
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Por Que Estudar?
As propriedades dos materiais estão diretamente relacionadas às suas estruturas.
Há diferenças significativas entre as propriedades de materiais de mesma composiçaõ, por exemplo nos materiais Cerâmicas e Polímeros :
 -Estrutura não cristalina: Em geral, transparentes
 -Estrutura cristalina/semicristalina: opacos,translúcidos
O sistema de escorregamento, responsável pelo nível de deformações nos materias ( frágil, dúctil,..), depende da sua estrutura cristalina 
 
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Conceitos Fundamentais
Material cristalino: átomos posicionados num arranjo periódico/repetitivo ao longo de grandes distâncias atômicas. Ocorrendo solidificação, há um posicionamento em padrão tridimensional repetitivo, no qual o átomo está ligado ao seu vizinho mais próximo.
Todos metais,vários cerâmicos e certos polímeros, formam estruturas cristalinas .
Nos materiais não cristalinos, não há ordem atômica de longo alcance.
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O modelo representativo da estrutura cristalina adota esferas sólidas e diâmetros bens definidos, representando os átomos (ou íons), chamado de modelo atômico de esfera rígida. Neste modelo as esferas, representando átomos, se tocam umas nas outras.
Em muitos casos este modelo é apresentado com esferas reduzidas para melhor visão perspectiva da posição dos átomos
Célula unitária é a unidade estrutural básica, ou bloco construtivo da estrutura cristalina. Representa a simetria da estrutura cristalina .
 
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Número de Coordenação
Todos átomos de um metal tem o mesmo número de vizinhos próximos ou em contato. Este número define o número de coordenação. O número de coordenação para estruturas CFC é 12, isto significa que cada átomo tem 12 átomos vizinhos.
Fator de Empacotamento Atômico (FEA)
O FEA é a soma dos volumes das esferas de todos átomos, no interior de uma célula unitária, dividida pelo volume da célula unitária. 
 
 Volume dos átomos (célula unitária)
 Volume total da célula unitária
FEA =
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Estrutura cristalina dos metais
Devido à ligação atômica dos metais ser não direcional (ligação metálica), tendo um mar de elétrons presente, há muitos vizinhos/próximos, tornado o arranjo atômico bem compacto para a maioria dos metais.
No modelo de arranjo atômico dos metais, cada esfera representa o núcleo iônico (ligação metálica).
A maioria dos metais mais comuns apresentam estruturas cristalinas relativamente simples, chamadas: 
 Cúbica de faces centradas,
 Cúbica de corpo centrado
 Hexagonal compacta
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Cúbica de Faces Centradas (CFC)
Possui uma célula unitária com geometria cúbica, na qual os átomos estão situados em cada um dos vértices e no centro de todas as faces.
Estrutura CFC
Compartilhamento: Cada vértice ---- 8 células unitárias
 Centro da face ---- 2 células unitárias
Portanto: 8 vértices x 1/8 átomo ----- 1 átomo
 6 lados x 1/2 átomo ----- 3 átomos
 Cada célula unitária- CFC ----- 4 átomos
 
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Cúbica de Faces Centradas- CFC
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Cúbica de Corpo Centrado- CCC
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Hexagonal Compacta- HC
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Materiais cristalinos e não cristalinos
Monocristal
Caracterizado por um arranjo periódico e repetido dos seus átomos estendendo-se por toda amostra sem interrupção. Todas células unitárias mantém o mesmo formato e possuem a mesma orientação.
Os monocristais existem na natureza. As superfícies planas dos cristais de pedras preciosas são manifestações externas dos arranjos cristalinos internos.
Podem ser produzidos artificialmente, exigindo alta tecnologia num ambiente cuidadosamente controlado.
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Materiais Policristalinos
Representam a maioria dos sólidos cristalinos, que são compostos por um conjunto de cristais pequenos(grãos). 
Durante a solidificação, vários cristais/núcleos se formam e crescem a partir da fase líquida. Cada pequeno cristal com sua orientação cristalográfica, cresce aleatoriamente e quando se encontram, criam uma região chamada de “contorno de grão” delimitando grãos com orientações cristalográficas diferentes.
O contorno de grão, bem como as imperfeições ocorridas na estrutura cristalina, impactam fortemente as propriedades dos materiais. 
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Estágios na solidificação de material policristalino
 a) Núcleos, b) Crescimento, c) Grãos irregulares, c) Contorno grão
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Sólidos não cristalinos
Também chamados de Amorfos (sem forma), ou também de líquidos super resfriados, pois são materiais que carecem de um arranjo atômico regular e sistemático ao longo da distâncias atômicas grandes.
Materiais amorfos tem estruturas atômicas/moleculares relativamente complexas que se ordenam com muita dificuldade. Além disto, o resfriamento rápido favorece a formação de sólido não cristalino, devido pouco tempo para o processo de ordenação.
Alguns materiais cerâmicos são cristalinos, outros como os vidros inorgânicos são amorfos; Os polímeros tem estruturas cristalinas e semicristalinas.
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Volume Célula Unitária CFC
Cálculo FEA Estrutura CFC
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Geometrias de Células Unitárias
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Geometrias de Células Unitárias (Cont.)
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Cálculo da Massa Específica
2R √2
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Polimorfismo e Alotropia
Metais e não metais que possuem mais de um tipo de estrutura cristalina , constitui um fenômeno conhecido como: Polimorfismo.
O polimorfismo encontrado em sólidos elementares é chamado de Alotropia.
A estrutura cristalina estável do material depende tanto da temperatura quanto da pressão externa, por exemplo:
Carbono: Grafita é polimorfo estável/condições ambientes e Diamante formado sob pressão extremamente elevada.
Ferro puro: Estrutura CCC- temperatura ambiente e altera para estrutura CFC a 912º C. Alteração nas propriedades magnéticas devido mudança na estrutura cristalina.
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Austenita -CFC
Cementita
Ferrita-CCC
Ferrita-CCC
Diagrama de Fases Ferro- Carbono
Estrutura cristalina : Ferro alfa X Temperatura
Transformação alotrópica do estanho
Estanho branco (tetragonal de corpo centrado) 
 
Estanho cinza (estrutura cúbica do diamante)
Transformação em 13,2ºC (lenta, porém acelera com diminuição da temperatura)
Transformação: Volume aumenta 27%- desintegração do estanho branco para pó grosseiro do alótropo cinza. 
Doença do estanho: Botões de uniformes de soldados russos e tubos de órgãos de igrejas, desfizeram-se em temperaturas extremamente frias, sendo este problema conhecido como “doença do estanho”.
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Transformação Alotrópica Estanho
Aspecto do estanho branco e do cinza desintegrado
Estrutura cristalina do estanho
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1-A prata é um metal de transição que ocorre naturalmente em sua forma pura e entre suas propriedades é brilhante e um ótimo condutor elétrico. Estrutura CFC, massa específica de 10,5 g/cm³ e peso atômico de 107,87 g/mol.
Pode-se afirmar que o volume das célula unitária em m³ da prata é :
Exercícios sobre Estrutura cristalina
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2-A célula HC é formada por camadas atômicas alternadas, na qual a primeira e terceira camadas ocupam os vazios tetrédicos onde cada átomo toca seis átomos no seu próprio plano e três átomos acima e três átomos abaixo do seu plano. Dessa forma é correto afirmar que o número de coordenação da célula hexagonal compacta é igual :
3- Calcular a fórmula do volume da célula CCC em função do raio atômico.
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