Estruturas Cristalinas e Imperfeições

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ESTRUTURAS DOS SÓLIDOS CRISTALINOS
Aula 2
Estrutura cristalinas
MATERIAIS PARA ENGENHARIA MECÂNICA
Conceitos fundamentais
SiO2
Polietileno
Alumínio
As propriedades de alguns materiais estão diretamente relacionada a estrutura cristalina.
MATERIAIS PARA ENGENHARIA MECÂNICA
Conceitos fundamentais
Os materiais sólidos podem ser classificados de acordo com a regularidade do arranjo dos átomos, íons e moléculas:
Materiais cristalinos – arranjo repetitivo ou periódico ao longo de grandes distâncias atômicas.
Materiais não-cristalinos – não existem ordenamentos de longo alcance na disposição dos átomos.
Estrutura cristalinas
MATERIAIS PARA ENGENHARIA MECÂNICA
Células unitárias
A estrutura cristalina é caracterizada quando existe uma organização na disposição espacial dos átomos que constituem determinado arranjo atômico.
Representação do Modelo da Esfera Rígida
Unidade básica ou menor unidade repetitiva da estrutura tridimensional mantendo as características gerais de todo reticulado.
Estrutura cristalinas
MATERIAIS PARA ENGENHARIA MECÂNICA
Comuns
Três são as estruturas cristalinas mais comuns em metais:
Cúbica de face centrada (CCC);
Cúbica de corpo centrado (CFC);
Hexagonal compacta (HC).
Estrutura cristalinas
MATERIAIS PRA ENGENHARIA MECÂNICA
Estrutura cristalina dos metais: CFC (cúbica de face centrada)
Sistema mais comum encontrado nos metais (Al, Cu, Pb, Au, Ag, Ni...).
Comprimento da aresta - a (relação entre o parâmetro de rede e o raio atômico).
Representação esquemática de uma célula unitária CFC: (a) posições atômicas; (b) arranjo atômico; (c) átomos dentro da célula unitária.
(a)
(b)
(c)
a = ?
Estrutura cristalinas
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MATERIAIS PARA ENGENHARIA MECÂNICA
Estrutura cristalina dos metais: CFC (cúbica de face centrada)
Número de coordenação: 12
Números de átomos inteiros na célula unitária:
Parâmetros de rede: 
Volume da célula unitária: 
FEA – Fator de empacotamento atômico:
Estrutura cristalinas
MATERIAIS PARA ENGENHARIA MECÂNICA
Estrutura cristalina dos metais: CCC (cúbica de corpo centrado)
Representação de uma célula unitária CCC: (a) posições dos átomos; (b)
arranjo atômico; (c) átomos no interior da célula unitária.
(a)
(b)
(c)
Cada átomo dos vértices do cubo é dividido com 8 células unitárias;
O átomo do centro pertence somente a sua célula unitária.
Sistema encontrado no Fe, Cr, W...
Comprimento da aresta - a (relação entre o parâmetro de rede e o raio atômico):
a = ?
Estrutura cristalinas
MATERIAIS PARA ENGENHARIA MECÂNICA
Estrutura cristalina dos metais: CCC (cúbica de corpo centrado)
Número de coordenação: 8
Números de átomos inteiros na célula unitária:
Parâmetros de rede: 
Volume da célula unitária: 
FEA – Fator de empacotamento atômico:
Estrutura cristalinas
MATERIAIS PARA ENGENHARIA MECÂNICA
Estrutura cristalina dos metais: HC (hexagonal compacta)
Metais que se solidificam na forma HC;
Cádmio (Cd);
Magnésio (Mg);
Titânio (Ti);
Zinco (Zn);
Cobalto (Co).
Número de coordenação: 12
Números de átomos inteiros na célula unitária:
Parâmetros de rede: 2r; c = 1,633a.
FEA – Fator de empacotamento atômico = 0,74
Estrutura cristalinas
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ESTRUTURAS CRISTALINAS E IMPERFEIÇÕES DOS METAIS
Sistema cristalinos – 7 sistemas cristalinos
Ortorrômbica 
abc, °
Cúbica 
a=b=c, °
Tetragonal 
a=bc, °
Romboédrica 
a=b=c, °
Monoclínica 
abc, ° 
Hexagonal* 
a=bc, °°
Triclínica 
abc, °
Parâmetros de rede
Comprimento das arestas (a, b e c);
Ângulos entre os eixos (α, β e γ).
Estrutura cristalinas
MATERIAIS PARA ENGENHARIA MECÂNICA
Sistema cristalinos - redes de Bravais
Cúbica Simples
Cúbica de Corpo Centrado
Cúbica de Face Centrada
Tetragonal 
Simples
Tetragonal de Corpo Centrado
Ortorrrômbica Simples
Ortorrrômbica de Corpo Centrado
Ortorrrômbica de Base Centrada
Ortorrrômbica de Face Centrada
Romboédrica Simples
Hexagonal
Monoclínica Simples
Monoclínica de Base Centrada
Triclínica
Estrutura cristalinas
MATERIAIS PARA ENGENHARIA MECÂNICA
Parâmetro de rede 
 A 20°C ferro apresenta estrutura CCC, sendo o raio atômico 0,124 nm. O alumínio por sua vez, apresenta estrutura CFC e raio atômico 0,143 nm. Determine o valor do parâmetro de rede desses elementos.
Estrutura cristalinas
m  nm
 x 109
nm  m
 ÷ 109 ou x 10-9 
MATERIAIS PARA ENGENHARIA MECÂNICA
Massa específica 
Densidade Verdadeira ou Massa Específica Teórica
 n = nº de átomos associados a cada célula unitária;
A = peso atômico;
Vc = volume da célula unitária;
NA = nº de Avogrado.
Exemplo
O cobre possui raio atômico de 0,128 nm, uma estrutura cristalina CFC e um peso atômico 63,5 g/mol. Calcule a sua massa específica.
Estrutura cristalinas
MATERIAIS PARA ENGENHARIA MECÂNICA
Polimorfismo e alotropia
Fenômeno no qual uma substância apresenta variações de arranjos cristalino em diferentes condições.
Polimorfismo: mudança estrutural em substâncias compostas.
Alotropia: polimorfismo em elementos puros. 
Polimorfismo do Carbono
Estrutura cristalinas
MATERIAIS PARA ENGENHARIA MECÂNICA
Alotropia do Fe
Estrutura cristalinas
MATERIAIS PARA ENGENHARIA MECÂNICA
Estrutura cristalinas
Temperatura ambiente até 882ºC.
Média resistência mecânica.
Não tratáveis termicamente.
Boa ductilidade
Temperatura ambiente até 883ºC até 1820ºC.
Resistência mecânica elevada.
Elevada endurecibilidade.
Baixa ductilidade
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=super-liga-metalica-quatro-vezes-mais-dura-titanio&id=010170160725#.WKMZnfkrK00
MATERIAIS PARA ENGENHARIA MECÂNICA
Você em ação
 CESGRANRIO - 2010 - Petrobras - Engenheiro de Equipamento Júnior - Mecânica - Biocombustível
Imperfeições dos metais
MATERIAIS PARA ENGENHARIA MECÂNICA
Principais imperfeições
Pontuais: 
Vazios 
Intersticiais 
Substitucionais
Lineares: 
Cunha 
Hélice 
Mista
Interfaciais ou superficiais: 
Contorno de grão 
Macla
 Defeito de empilhamento
Volumétricos
Poros
Trincas
MATERIAIS PARA ENGENHARIA MECÂNICA
Defeitos pontuais
Vazios: são caracterizados por falta de átomos em posições normais da rede e exercem um papel importante nos movimentos atômicos por difusão. 
N – Número de posições atômicas
Q – energia de ativação
k – Constante dos gases 
T - Temperatura 
O número de vazios ( aumenta com a temperatura
Imperfeições dos metais
Imperfeições dos metais
MATERIAIS PARA ENGENHARIA MECÂNICA
Defeitos pontuais
Substitucional: são átomos estranhos à rede podendo ser átomos de impurezas ou elementos de liga, apresentam átomos com raios próximos ao raio dos átomos que constituem a rede.
Intersticial: são átomos estranhos à rede podendo ser átomos de impurezas ou elementos de liga, apresentam átomos com raios bem menores que o raio dos átomos que constituem a rede.
Adição de impurezas:
Solução sólida
Formação de 2ª fase
Imperfeições dos metais
MATERIAIS PARA ENGENHARIA MECÂNICA
A presença de solutos altera o comportamento mecânico dos metais:
diferença entre tamanhos atômicos leva ao aumento da resistência mecânica
aumento da quantidade de soluto leva ao aumento da resistência mecânica.
 Exemplos:
liga Cu-Zn: aumento pequeno – tamanhos atômicos próximos
liga Cu-Be: aumento elevado - tamanhos atômicos diferentes
Cu-Zn
Cu-Sn
Cu-Be
Imperfeições dos metais
MATERIAIS PARA ENGENHARIA MECÂNICA
Defeitos interfaciais
Contorno de grão: corresponde a região que separa dois ou mais cristais de orientação diferente, condição encontrada nos policristalinos. 
Durante a nucleação e crescimento, podem surgir vários grãos e crescer em direções diferentes, apesar de ter o mesmo arranjo espacial dos átomos.
Menor o tamanho do grão – Maior é a resistência mecânica
- Formação de núcleos com posições e orientações cristalográficas aleatórias. 
- Crescimentos de cristalitos através da adição sucessiva de átomos vindos do líquido circunvizinho.
- Choque das extremidades adjacentes dos cristais, formando um grão.
- Contorno de grão
Imperfeições dos metaisMATERIAIS PARA ENGENHARIA MECÂNICA
Defeitos Volumétricos
Normalmente introduzidos durante as etapas de processamento e fabricação.
Poros: origina-se da presença de gases durante o processamento
Inclusões: presença de impurezas estranhas
Trincas
Você em ação 
MATERIAIS PARA ENGENHARIA MECÂNICA
INEP - 2005 - ENADE - Engenharia - Grupo VI