Aula 2 - Ciência dos Materiais

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Ciência dos Materiais
Prof. Felipe Tsuruta
Cristalinidade e Imperfeições 
Cristalinas
Introdução
Essencialmente, todos os materiais que possuem uma estrutura
atômica organizada devem ter uma atenção especial quanto ao estudo
da sua estrutura cristalina. Nessa unidade, vamos abordar como a
estrutura cristalina se organiza no nível atômico e qual é o reflexo
dessas caracteriísticas nas propriedades dos materiais de engenharia.
E como nem tudo é perfeito, os materiais cristalinos também não são.
Por isso, vamos investigar quais são os tipos de defeitos cristalinos e
quais são os reflexos nos materiais usados pelos engenheiros.
Objetivo
Você será capaz de analisar os tipos de imperfeições que
existem e os papéis que elas representam ao afetar o
comportamento dos materiais.
Conceitos Fundamentais
Os materiais sólidos podem ser classificados de acordo com a
regularidade pela qual seus átomos ou íons estão arranjados em
relação aos outros. Um material cristalino é um material no qual os
átomos estão posicionados segundo um arranjo periódico ou
repetitivo ao longo de grandes distâncias atômicas, ou seja, existe uma
ordem a longo alcance, tal que, quando ocorre o fenômeno da
solidificação, os átomos se posicionam num padrão tridimensional
repetitivo, no qual cada átomo está ligado aos seus átomos vizinhos
mais próximos (CALLISTER; RETHWISCH, 2012).
Por que devemos saber?
Algumas das propriedades dos sólidos cristalinos dependem da
estrutura cristalina do material, ou seja, como os átomos, íons ou
moléculas estão arranjados será decisivo para a caracterização dessas
propriedades.
Célula Unitária
ü Padrões repetidos muitas e muitas vezes por toda a estrutura do material;
ü Desenvolvidos também quando apenas um tipo do átomo está presente;
ü Como esse é repetido indefinidamente, torna-se conveniente dividir o que
chamamos de rede cristalina em células unitárias - pequenos volumes, cada um
tendo todas as características encontradas no cristal inteiro;
ü São pequenas entidades que se repetem ao longo da estrutura cristalina.
Geometria
Sistemas Cristalinos
ü Representam grupos distintos de acordo com os arranjos atômicos;
ü Podemos considerar que há somente sete geometrias de células unitárias que podem
ser empilhadas para preencher o espaço tridimensional.
Sistemas Cristalinos
E como é geometria de cada sistema cristalino?????
Polimorfismo e 
Alotropia
Polimorfismo e Alotropia
Alguns materiais, sejam eles metais, não metais, sejam metaloides, podem ter mais
de uma estrutura cristalina. Esse fenômeno é tecnicamente nominado como
polimorfismo. Se considerarmos esses sólidos na forma elementar, podemos
nomear esse fenômeno de alotropia. Um exemplo clássico é encontrado com o
carbono, que possui o grafite, que é polimorfo nas condições ambientais, diferente
do diamante, que é produzido em condições de pressão altíssimas.
Polimorfismo e Alotropia
[...] um metal comum que apresenta uma mudança alotrópica é o estanho. O estanho
branco (ou β), que possui estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado à
temperatura ambiente, transforma-se a 13,2 C no estanho cinza (ou α), que possui
cristalina semelhante á do diamante (estrutura cubica do diamante). A taxa na qual essa
mudança ocorre e ́ bem lenta, porém, quanto menor a temperatura, mais rápida e ́ a taxa
de transformação. Acompanhando essa transformação do estanho branco para o cinza,
ocorre um aumento no volume (27%); de maneira correspondente, ocorre uma
diminuição na massa específica 7,30 g/cm3 para 5,77 g/cm3. Consequentemente, essa
diminuição no volume resulta na desintegração do estanho branco metálico em pó́
grosseiro alotrópico cinza. Essa transição de estranho branco em estanho cinza produziu
alguns resultados dramáticos na Rússia em 1850.
Fonte: Callister e Rethwisch (2016)
Polimorfismo e Alotropia
O inverno daquele ano foi particularmente frio, com a ocorrência de temperaturas
mínimas recordes durante longos períodos de tempo. Os uniformes de alguns soldados
russos tinham botões de estanho, muitos dos quais se desfizeram em razão dessas
condições extremamente frias, assim como também ocorreu com muitos tubos de
estanho usados em instalações hidráulicas. Esse problema veio a ser conhecido como a
“doença do estanho”
Polimorfismo e Alotropia
Polimorfismo e Alotropia
Polimorfismo e Alotropia
Fonte: https://www.crq4.org.br/qv_variedades_alotropicas_carbono
Imperfeições 
Cristalinas
ü Defeitos pontuais
ü Defeitos lineares
ü Defeitos superficiais
ü Defeitos volumétricos
Imperfeições Cristalinas
Imperfeições Cristalinas
Classificação dos Defeitos de acordo com as 
dimensões
Imperfeições Cristalinas
Defeitos Pontuais
São descontinuidades localizadas nos arranjos atômicos ou iônicos, teoricamente
perfeitos, de uma estrutura cristalina. Os defeitos pontuais envolvem uma única posição
específica na rede. O defeito pontual mais simples e ́ a lacuna. A necessidade da existência
de lacunas é explicada considerando os princípios da termodinâmica, ou seja, se há
lacunas há aumento da entropia.
Imperfeições Cristalinas
Defeitos Pontuais
Impureza intersticial e substitucional Ex: austenita, que é um tipo de aço de
estrutura CFC (Cúbica de Faces
Centradas) que contém até 2,0% de
carbono intersticial. Esse aço tem
vasta aplicação, conforme podemos ver
o trecho extraído do site da Tuper.com.
Fonte: https://www.tuper.com.br/tuper-
explica-as-diferencas-entre-os-principais-
tipos-de-aco-inox/
https://www.tuper.com.br/tuper-explica-as-diferencas-entre-os-principais-tipos-de-aco-inox/
Imperfeições Cristalinas
Defeitos Pontuais
Impureza intersticial e substitucional Um exemplo de material bastante
comum para a sociedade e que a
engenharia tem participação fundamental
no seu processo produtivo é o latão.
ü material metálico formado por
aproximadamente 60% de cobre e
30% de zinco substitucional.
Imperfeições Cristalinas
Defeitos Lineares
Um defeito linear acontece normalmente alguns átomos estão desalinhados. Esse
desalinhamento nós chamaremos de discordância. As discordâncias são geradas
durante o processo de cristalização do material ou quando o material sofre algum
processo de deformação por esforço físico. Mesmo que as discordâncias estejam
presentes em todos os materiais, essas são particularmente aplicáveis no processo de
compreensão da deformação e no aumento da resistência mecânica dos metais.
Imperfeições Cristalinas
Defeitos Lineares
Em regra, onde há maior densidade de átomos, há maior deslizamento, pois há menor energia
necessária para esse processo acontecer.
Característica importante dos metais CFC (Cúbica de Faces Centradas) e que possuem alta
ductilidade, pois há uma densidade maior de átomos, ao passo que estruturas como HC
(Hexagonal compacta) não têm uma densidade de átomos tão grande.
Imperfeições Cristalinas
Defeitos Superficiais
Os defeitos superficiais ou interfaciais, segundo Callister e Rethwisch (2012), são
contornos que possuem duas dimensões e que normalmente separam regiões dos
materiais que possuem estruturas cristalinas e/ou orientações cristalográficas
diferentes. Vamos citar como exemplo de imperfeições o contorno de grão..
Exemplo prático: para ajustar as
propriedades de uma liga metálica, há
possibilidade de controlar e saber o
tamanho do grão por meio de métodos
analíticos, para determinar o tamanho
médio de grãos. Com isso, é possível, por
exemplo, controlarmos a quantidade de
áreas de contorno de grãos em aços
austeníticos e, com isso, elevar a
resistência mecânica desse material.
Imperfeições Cristalinas
Defeitos Volumétricos
São agregados tridimensionais dos átomos ou poros. É comum dividi-los em três
categorias.
1) “Porosidades”: causadas principalmente por gases que participam do processo de
solidificação. O efeito desejado e ́ produzir uma diminuição na resistência
mecânica, porém, também pode provocar fraturas devido a pequenas tensões.
2) Os “precipitados” são aglomerados de partículas cuja composição difere da
composiçãooriginal. São pequenas partículas que são introduzidas na matriz por
reações normalmente no estado sólido. Como aplicação, pode aumentar a
resistência de ligas estruturais, funcionando como um obstáculo para o movimento
das discordâncias.
Imperfeições Cristalinas
Defeitos Volumétricos
3) “Inclusões” são partículas indesejáveis ou grandes partículas de precipitados. São
geralmente defeitos indesejáveis na microestrutura, uma vez que sua presença provoca
efeitos prejudiciais nas propriedades mecânicas, elétricas e óticas.