Engenharia de Materiais
ESTRUTURA CRISTALINA E NÃO CRISTALINA
Marcilio Cunha
ESTRUTURA CRISTALINA
Para a maioria dos materiais da
engenharia, é cristalina.
Ou seja, os átomos do material são
arrumados de maneira regular e
repetitiva sendo os fundamentos da
geometria cristalina comuns a todos
os materiais cristalinos.
ESTRUTURA CRISTALINA
É necessário identificar os 7 sistemas e as 14 redes
cristalinas, pois cada uma das milhares de estruturas
cristalinas encontradas em materiais naturais e
sintéticos pode ser colocada dentro desses poucos
sistemas e redes.
REDES CRISTALINAS BRAVAIS
A rede cúbica simples se torna a estrutura
cristalina cúbica simples quando um átomo
é colocado em cada ponto da rede.
REDES CRISTALINAS BRAVAIS
ESTRUTURA CÚBICA
DE CORPO CENTRADO
Estrutura : cúbica de corpo centrado (ccc)
Rede de Bravais: ccc
1
Átomos por célula unitária: 1 + 8 x ---- = 2
8
Metais típicos: Fe α , Cr , Mo
REDES CRISTALINAS BRAVAIS
ESTRUTURA CÚBICA
DE FACE CENTRADA
Estrutura : cúbica de face centrada (cfc)
Rede de Bravais: cfc
1
1
Átomos por célula unitária: 6 x --- + 8 x ---- = 4
2
8
REDES CRISTALINAS BRAVAIS
Relação entre tamanho da célula unitária
(tamanho da aresta) e raio atômico para
as estruturas metálicas comuns
ESTRUTURA
CRISTALINA
Cúbica de corpo centrado
(ccc)
RELACIONAMENTO
ENTRE DA ARESTA,ɑ,
E RAIO ATÔMICO, r
ɑ = 4r / √ 3
Cúbica de face centrada
(cfc)
ɑ = 4r / √ 2
Hexagonal compacta (hc)
ɑ = 2r
EXEMPLO DE PROBLEMA
Usando os dados do Cobre,calcule a sua densidade.
Dados: metal de estrutura cúbica de face centrada (cfc)
átomos/célula unitária: 4
raio atômico: 0,128mm
massa atômica (uma): 63,55 g
o tamanho, t , da diagonal da face na célula unitária
é:
t = 4r átomo Cu = √ 2a
ou
4
ɑ = ------- r átomo Cu
√2
4
ɑ = --------- (0,128mm) = 0,362 mm
√2
EXEMPLO DE PROBLEMA
A densidade da célula unitária (contendo 4 átomos) é:
7
d
4 átomos
63,55 g
10 mm
= ------------------ x ---------------------- x ----------3
3
(0,362 mm )
6,023x 10 átomos
cm
d = 8,89 g / cm 3
Esse resultado pode ser comparado com o valor
tabelado de 8,93 g / cm 3 no apêndice (dados físicos
e químicos para os elementos). A diferença seria
eliminada se fosse utilizado um valor mais preciso
do r átomo Cu ( ou seja,com pelo menos um valor mais
significativo).
ESTRUTURA CRISTALINA
Os materiais sólidos podem ser classificados
de acordo com a regularidade segundo a qual
seus átomos ou íons (espécie carregada devido
a elétron(s) adicionado(s) ou removido(s) de um
átomo neutro)estão arranjados uns em relação
aos outros.
ESTRUTURA CRISTALINA
Um material cristalino é aquele em que átomos
estão situados de acordo com uma matriz que
se repete, ou que é periódica, ao longo de
grandes distâncias atômicas.
Existe ordem de longo alcance, tal que,
quando ocorre um processo de solidificação,
os Átomos se posicionam de acordo com
um padrão tridimensional repetitivo, onde
cada Átomo está ligado aos seus vizinhos
mais próximos.
ESTRUTURA CRISTALINA
Algumas das propriedades dos sólidos cristalinos
dependem da estrutura cristalina do material, ou
seja , da maneira segundo a qual os átomos,íons
ou moléculas estão arranjados no espaço.
ESTRUTURA CRISTALINA
Existe um número extremamente grande de
estruturas cristalinas diferentes, todas elas
possuindo uma ordenação atômica de longo
alcance.
ESTRUTURA CRISTALINA
As estruturas cristalinas variam desde estruturas
relativamente simples, como ocorre para os
metais,
até estruturas complexas exibidas por
alguns materiais cerâmicos e polímeros.
ESTRUTURA CRISTALINA
MARCILIO CUNHA
ESTRUTURA CRISTALINA
INTERLIGAÇÕES
INTERMOLECULARES
MARCILIO CUNHA
ESTRUTURA CRISTALINA
CÉLULA UNITÁRIA DO GRAFITE
MARCILIO CUNHA
ESTRUTURA CRISTALINA
SISTEMAS RETICULADOS CRISTALINOS
MARCILIO CUNHA
ESTRUTURA CRISTALINA
MARCILIO CUNHA
ESTRUTURA CRISTALINA
CÉLULA UNITÁRIA : é o menor reticulado cristalino
Observação: os metais diferem entre si pelo tamanho do reticulado cristalino
ESTRUTURA CRISTALINA
ESTRUTURA CRISTALINA
TIPOS DE CÉLULAS UNITÁRIAS
RETICULADO CÚBICO DE CORPO CENTRADO
(tem um átomo no centro do cubo)
Exemplo: lítio , sódio , potássio , ferro α , ferro δ
ESTRUTURA CRISTALINA
RETICULADO CÚBICO DE FACES CENTRADAS
( com um átomo no centro de cada face )
Por exemplo: cobre, alumínio, prata, ouro, ferro φ
MARCILIO CUNHA
ESTRUTURA CRISTALINA
HEXAGONAL COMPACTO
Prisma hexagonal com um átomo no centro
de cada uma das bases e mais três átomos
centrais.
Por exemplo: magnésio, zinco,
MARCILIO CUNHA
ESTRUTURA CRISTALINA
TETRAGONAL DE CORPO CENTRADO
Por exemplo: tungstênio bronze,óxido de zircônio
ESTRUTURA NÃO CRISTALINA
Naqueles que não se cristalizam, essa ordem
atômica de longo alcance está ausente.
Esses materiais são chamados de
não – cristalinos e amorfos.
Por exemplo: cerâmicas e vidros
ESTRUTURA NÃO CRISTALINA
Nada no mundo é tão perfeito.
Não existe um material cristalino que não tenha
pelo menos algumas falhas naturais.
Com essa consideração é que nenhum material
pode ser preparado sem algum grau de impureza
química.
ESTRUTURA NÃO CRISTALINA
Os átomos ou íons de impureza na solução sólida
resultante servem para alterar a regularidade
estrutural do material idealmente puro.
Independentemente das impurezas,existem diversas
imperfeições estruturais que representam uma perda
da perfeição cristalina.
ESTRUTURA NÃO CRISTALINA
O tipo mais simples de imperfeição é o defeito pontual,
como um átomo faltando ( lacuna ou vacância ).
MARCILIO CUNHA
ESTRUTURA NÃO CRISTALINA
Esse tipo de defeito é o resultado inevitável da
vibração térmica normal dos átomos em qualquer
sólido em uma temperatura acima do zero absoluto.
MARCILIO CUNHA
ESTRUTURA NÃO CRISTALINA
Defeitos lineares, ou discordâncias, seguem um
caminho longo e, as vezes, complexo através da
estrutura cristalina.
MARCILIO CUNHA
ESTRUTURA NÃO CRISTALINA
Defeitos planares, representam o limite entre uma
região cristalina quase perfeita e seus arredores.
MARCILIO CUNHA
ESTRUTURA NÃO CRISTALINA
Algumas materiais não possuem nenhuma ordem
cristalina.
O vidro de janela comum é um sólido não cristalino
desse tipo.
MARCILIO CUNHA
ESTRUTURA NÃO CRISTALINA
A microscopia é um conjunto de ferramentas poderosas
para inspecionar a ordem ou desordem estrutural.
MARCILIO CUNHA
ESTRUTURA NÃO CRISTALINA
A solução sólida – imperfeição química
Não e possível evitar a contaminação de materiais
quando se unem quimicamente.
Até mesmo produtos semi-condutores de alta pureza
possuem algum nível mensurável de átomos de
impureza.
Muitos materiais da engenharia contêm quantidades
significativas de vários componentes diferentes.
MARCILIO CUNHA
ESTRUTURA NÃO CRISTALINA
A solução sólida – imperfeição química
Como resultado,todos os materiais com os quais
o engenheiro lida diariamente são na realidade,
soluções sólidas.
A princípio, o conceito de uma solução sólida pode
ser difícil de entender.
MARCILIO CUNHA
ESTRUTURA NÃO CRISTALINA
A solução sólida – imperfeição química
A solução sólida é essencialmente equivalente
à solução líquida familiar,como o sistema
água-álcool.
H2 O
C2 H5 OH
MARCILIO CUNHA
água
álcool
ESTRUTURA NÃO CRISTALINA
A solução sólida – imperfeição química
Formando uma solução líquida de água e álcool.
A mistura ocorre em escalar molecular completa.
Representa dois líquidos completamente solúveis
entre si em todas as proporções.
água
álcool
ESTRUTURA CRISTALINA
A solução sólida – imperfeição química
Solução sólida de níquel no cobre mostrada ao longo
de um plano.
Essa solução sólida substitucional com os átomos
de níquel substituindo os átomos de cobre nos
sítios de estrutura cúbica de face
centrada ( cfc ).
Cobre
Níquel
ESTRUTURA CRISTALINA
A solução sólida – imperfeição química
A figura mostra uma solução sólida de átomos de
cobre e níquel compartilhando a estrutura cristalina
cúbica de face centrada (cfc).
O níquel atua como um soluto dissolvendo no solvente
cobre.
MARCILIO CUNHA
ESTRUTURA CRISTALINA
A solução sólida – imperfeição química
Essa configuração soluto e solvente, em particular,
é conhecida como solução sólida substitucional, pois
os átomos de níquel estão substituindo os átomos de
cobre nos sítios atômicos (cfc).
Essa configuração ocorre quando
os átomos não diferem muito em
tamanho.
Mostra uma solução sólida aleatória.
ESTRUTURA CRISTALINA
A solução sólida – imperfeição química
Ordenação das soluções sólidas desordenadas:
Na liga AuCu3 , em altas temperaturas (acima de 390º C)
a agitação térmica mantém uma distribuição aleatória
dos átomos de Au e Cu entre os sítios cfc.
ESTRUTURA CRISTALINA
A solução sólida – imperfeição química
Ordenação das soluções sólidas ordenadas:
Na liga AuCu3 temperaturas (abaixo de 390º C),os átomos
de Cobre ocupam preferencialmente as posições nos
centros das faces e átomos de Ouro ocupam
preferencialmente as posições nos vértices da célula
unitária.
OURO
COBRE
MARCILIO CUNHA
ESTRUTURA CRISTALINA
A solução sólida – imperfeição química
Átomo C dissolvido
intersticialmente em
uma posição na
estrutura ccc de
um Fe α
Solução sólida intersticial do carbono no
ferro α o átomo de carbono é pequeno
o suficiente para caber com alguma tensão
no interstício (ou abertura) entre átomos
adjacentes de Fe nessa estrutura importante
para a industria do aço.
DEFEITOS PONTUAIS - Imperfeições de dimensão zero
Os efeitos estruturais existem nos materiais
independentemente das impurezas químicas.
Imperfeições associadas à rede pontual cristalina
são chamados defeitos pontuais.
São imperfeições estruturais
resultantes da agitação térmica.
DEFEITOS PONTUAIS - Imperfeições de dimensão zero
A figura ilustra um dos tipos comuns de defeitos
pontuais associados aos sólidos elementares:
A vacância ou lacuna, é simplesmente um sítio atômico
não ocupado na estrutura do cristal.
VACÂNCIA
ou
LACUNA
MARCILIO CUNHA
DEFEITOS PONTUAIS - Imperfeições de dimensão zero
A figura ilustra um dos tipos comuns de defeitos
pontuais associados aos sólidos elementares:
O interstício, ou intersticialidade, é um átomo que
ocupa um sítio intersticial normalmente não ocupado
por um átomo na estrutura cristalina perfeita ou um
átomo extra-inserido na estrutura cristalina perfeita,
de modo que dois átomos ocupem posições próxima
a um sítio atômico unicamente ocupado na estrutura
perfeita.
DEFEITOS PONTUAIS - Imperfeições de dimensão zero
INTERSTĺSCIO
INTERSTICIALIDADE
DEFEITOS LINEARES OU DISCORDÂNCIAS
Imperfeições unidimensionais
Defeitos lineares,unidimensionais,são associados
principalmente à deformação mecânica.
Os defeitos lineares também são conhecidos como
discordâncias
DEFEITOS LINEARES OU DISCORDÂNCIAS
Imperfeições unidimensionais
O defeito linear normalmente
é designado pelo símbolo de
T invertido ┴ que representa
a aresta de um semi - plano
extra de átomos.
Essa configuração serve para
uma designação quantitativa
simples,o vetor de Burgers.
DEFEITOS LINEARES OU DISCORDÂNCIAS
Imperfeições unidimensionais
Vetor de Burgers
Defeito linear ( ┴ )
Johannes Martins Burgers - holandês(1895-1981) mecânico dos fluídos
DEFEITOS LINEARES OU DISCORDÂNCIAS
Imperfeições unidimensionais
Vetor de Burgers esse parâmetro é simplesmente
o vetor de deslocamento necessário para completar
uma trajetória fechada em torno de um defeito.
No cristal perfeito,uma trajetória passando por m x n
posições atômicas regressa ao ponto de partida.
Na região de uma discordância, a mesma trajetória não
seria fechada.
Na região de uma
discordância, o
mesmo percurso
não seria fechado
e o vetor de
fechamento (b)
representa a
magnitude do
defeito estrutural.
para a discordância
de aresta, o Vetor
de Burgers é
perpendicular à
linha da discordância.
b
DEFEITOS LINEARES OU DISCORDÂNCIAS
Imperfeições unidimensionais
Discordância de espiral que deriva seu nome
do empilhamento espiral de planos cristalinos
em torno da linha de discordância, para a
discordância espiral,o Vetor Burgers é paralelo
à linha de discordância.
As discordâncias de aresta e espiral podem ser
consideradas os extremos puros da estrutura
com defeitos lineares.
DEFEITOS LINEARES OU DISCORDÂNCIAS
Imperfeições unidimensionais
VETOR DE BURGERS (b)
DEFEITOS LINEARES OU DISCORDÂNCIAS
Imperfeições unidimensionais
Defeito linear
Escorregamento lateral
DEFEITOS PLANARES
Imperfeições bidimensionais
Os defeitos pontuais e os defeitos lineares são
confirmações de que os materiais cristalinos
não podem ser isentos de falhas, pois as
imperfeições existem no interior de cada um
deles.
DEFEITOS PLANARES
Imperfeições bidimensionais
Um contorno gêmeo,
ou de macla, separa
duas regiões cristalinas
estruturalmente imagens
espelho entre si.
Essa descontinuidade
altamente simétrica
na estrutura pode ser
produzida pela deformação
e pelo recozimento.
DEFEITOS PLANARES
Imperfeições bidimensionais
Contorno de grãos e fragmentos
SÓLIDOS NÃO - CRISTALINOS
Imperfeições tridimensionais
Alguns materiais da engenharia não
possuem a estrutura repetitiva,cristalina.
Esses sólidos não-cristalinos ou amorfos,
são imperfeitos em três dimensões.
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