Capítulo 3: Estrutura dos materiais Questões a abordar... • Como é que os átomos se organizam em estruturas sólidas? • Quais as estruturas mais comuns em materiais metálicos? • Como é que a densidade de um material depende da sua estrutura? • Quando é que as propriedades do material variam com a orientação? Capítulo 3 - 1 Energia e arranjo atómico • Arranjo aleatório, não denso Energia distância interatómica Energia de ligação • Arranjo ordenado, denso r Energia distância interatómica Energia de ligação r Estruturas densas, ordenadas tendem a ter energia menor. Capítulo 3 - 2 Estrutura dos Materiais Materiais cristalinos... • átomos arranjam-se periodicamente no espaço, 3D • típico de: - metais - muitos cerâmicos - alguns polímeros SiO2 cristalina Si Oxigénio Materiais não-cristalinos... • átomos não têm arranjo periódico • ocorre em: - estruturas complexas - por arrefecimento rápido Não cristalino = "Amorfo" SiO2 amorfa Capítulo 3 - 3 Estruturas cristalinas de materiais metálicos • Como se podem empilhar átomos metálicos minimizando o espaço vazio? 2-dimensões vs. Empilhando estas camadas 2-D geram-se estruturas 3-D Capítulo 3 - 4 Estrutura Cristalina Célula unitária a , b , c vectores da rede a, b, c α, β, γ c a b constantes ou parâmetros de rede Célula unitária: qualquer célula que contém o padrão completo da rede e que se repete no espaço a 3 dimensões, gerando a rede cristalina Capítulo 3 - 5 7 Sistemas Cristalográficos e 14 Redes de Bravais Capítulo 3 - 6 Rede Cristalina e Estrutura Cristalina Rede Cristalina + Motivo (Unidade estrutural) = Estrutura Cristalina Capítulo 3 - 7 Estruturas cristalinas de materiais metálicos • Tendem a ser densas devido a: • Tipicamente, apenas um elemento está presente - todos os raios atómicos são iguais • Ligação metálica não é direccional • Distâncias aos vizinhos mais próximos tendem a ser pequenas de modo a minimizar a energia de ligação • Nuvem electrónica protege os núcleos uns dos outros • Apresentam as estruturas cristalinas mais simples Capítulo 3 - 8 Estrutura Cúbica Simples (CS) • Rara devido à baixa densidade atómica (apenas Po) • Direcções de máxima compacidade são as arestas do cubo • Nº Coordenação (NC) = 6 (nº vizinhos mais próximos) (Courtesy P.M. Anderson) Capítulo 3 - 9 Factor de Compacidade Atómica (FCA) Volume dos átomos na célula unitária* FCA = Volume da célula unitária *considerados esferas rígidas • FCA para a estrutura CS = 0,52 nº átomos a célula unitária R=0.5a FCA = direcções de máxima compacidade 1 4 3 volume átomo π (0.5a) 3 a3 volume célula unitária 1 átomo/célula unitária = 8 vértices x 1/8 Capítulo 3 - 10 Estrutura Cúbica de Corpo Centrado (CCC) • Átomos tocam-se segundo as diagonais do cubo ex: Cr, W, Fe (α), Ta, Mo • Nº Coordenação (NC) = 8 (Courtesy P.M. Anderson) 2 átomos/célula unitária = 8 vértices x 1/8 + 1 centro Capítulo 3 - 11 Factor de Compacidade Atómica: CCC • FCA da estrutura CCC = 0,68 3a a 2a R nº átomos célula unitária 2 FCA = Direcções de máxima compacidade: comprimento = 4R = 3 a a 4 3 π ( 3a/4 ) 3 a3 volume átomo volume célula unitária Capítulo 3 - 12 Estrutura Cúbica de Faces Centradas (CFC) • Átomos tocam-se segundo as diagonais das faces ex: Al, Cu, Au, Pb, Ni, Pt, Ag • Nº Coordenação (NC) = 12 (Courtesy P.M. Anderson) 4 átomos/célula unitária: 8 vértices x 1/8 + 6 faces x 1/2 Capítulo 3 - 13 Factor de Compacidade Atómica: CFC • FCA da estrutura CFC = 0,74 (máximo) Direcções de máxima compacidade: comprimento = 4R = 2 a 2a Célula unitária contém: 8 x 1/8 + 6 x 1/2 = 4 átomos/célula unitária a átomos 4 4 célula unitária 3 FCA = π ( 2a/4 ) 3 a3 volume átomo volume célula unitária Capítulo 3 - 14 Sequência de empilhamento CFC Capítulo 3 - 15 Sequência de empilhamento CFC • Sequência de empilhamento ABCABC... • Projecção 2D Posições A Posições B B A B Posições C • Célula unitária CFC C B C B B C B B A B C Capítulo 3 - 16 Estrutura Hexagonal Compacta (HC) Capítulo 3 - 17 Estrutura Hexagonal Compacta (HC) • Projecção 3D • Projecção 2D Posições A 3ª camada Posições B 2ª camada Posições A 1ª camada • Nº Coordenação (NC) = 12 6 átomos/célula unitária = 12 x 1/6 + 2 x 1/2 + 3 c a • FCA = 0,74 • c/a = 1,633 ex: Cd, Mg, Ti, Zn Capítulo 3 - 18 Estrutura Hexagonal Compacta (HC) Sequência de empilhamento ABAB... Capítulo 3 - 19 Densidade Teórica, ρ Densidade = ρ = ρ = Massa dos átomos da célula unitária Volume total da célula unitária nM VC NA n = número de átomos/célula unitária M = peso atómico VC = Volume da célula unitária = a3 (no sistema cúbico) NA = Número de Avogadro = 6,023 x 1023 átomos/mol Capítulo 3 - 20 Densidade Teórica, ρ • Ex: Cr (CCC) M = 52,00 g/mol R = 0,125 nm n=2 R átomos cél. unit. ρ= volume cél. unit. a 2 52,00 a3 6,023 x 1023 a = 4R/ 3 = 0,2887 nm g mol ρteórica = 7,18 g/cm3 ρreal = 7,19 g/cm3 átomos mol Capítulo 3 - 21 Densidades das Classes de Materiais Em geral ρmetais > ρcerâmicos> ρpolímeros 30 Porquê? Metais têm... • FCA menor • elementos mais leves Polímeros têm... ρ (g/cm3 ) • elevado FCA (ligação metálica) • massa atómica elevada Cerâmicos têm... • FCA baixo (geralmente amorfos) • elementos leves (C,H,O) Compósitos têm... • valores intermédios Metais/ Ligas 20 Platinum Gold, W Tantalum 10 Silver, Mo Cu,Ni Steels Tin, Zinc 5 4 3 2 1 0.5 0.4 0.3 Titanium Aluminum Magnesium Grafite/ Cerâmicos/ Polímeros Semicond Compósitos/ fibras *GFRE, CFRE, & AFRE are Glass, Carbon, & Aramid Fiber-Reinforced Epoxy composites (values based on 60% volume fraction of aligned fibers in an epoxy matrix). Zirconia Al oxide Diamond Si nitride Glass -soda Concrete Silicon G raphite PTFE Silicone PVC PET PC HDPE, PS PP, LDPE Glass fibers GFRE* Carbon fibers CFRE* A ramid fibers AFRE * Wood Capítulo 3 - 22 Cristais • Algumas applicações em engenharia requerem monocristais: - monocristais de diamante para abrasivos - pás de turbina (Martin Deakins, GE Superabrasives, Worthington, OH.) • Propriedades dos materiais cristalinos relacionadas com estrutura cristalina - Ex: Quartzo fractura mais facilmente ao longo de alguns planos cristalinos do que noutros. (Pratt and Whitney). (P.M. Anderson) Capítulo 3 - 23 Policristais • A maioria dos materiais usados em engenharia são policristais. Anisotropo 1 mm • Soldadura por feixe de electrões em chapa de Nb-Hf-W (Paul E. Danielson, Teledyne Wah Chang Albany) Isotropo • Cada "grão" é um monocristal. • Se os grãos estão orientados aleatoriamente, as propriedades globais do componente são não directionais. • Tamanhos de grão variam tipicamente entre 1 nm e 2 cm (i.e., de algumas camadas atómicas até milhões delas). Capítulo 3 - 24 Monocristais vs Policristais • Monocristais E (diagonal) = 273 GPa -Propriedades variam com a direcção: anisotropo. -Exemplo: o módulo de elasticidade (E) do Fe CCC: • Policristais E (aresta) = 125 GPa 200 µm -Propriedades podem ou não variar com a direcção. -Se os grãos estiverem orientados aleatoriamente: isotropo. (Epoli Fe = 210 GPa) -Se os grãos estiverem orientados segundo direcção preferencial (textura), anisotropo. (L.C. Smith and C. Brady, the National Bureau of Standards, Washington, DC [now National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD].) Capítulo 3 - 25 Capítulo 3 - 26 Polimorfismo ou alotropia • Capacidade de um mesmo material apresentar mais do que uma estrutura cristalina ferro Ex: titânio: α-Ti, β-Ti líquido CCC 1538ºC δ-Fe CFC 1394ºC γ-Fe CCC 912ºC α-Fe carbono: diamante, grafite Capítulo 3 - 27 Coordenadas de Pontos z 1,1,1 Coordenadas de pontos para o centro da célula unitária são: c a/2, b/2, c/2 a 0,0,0 b ½, ½ ,½ y x Índices de Miller Notação para: • Planos cristalinos: (h k l) • Direcções cristalográficas: [u v w] h, k ,l nºs inteiros u, v, w nºs inteiros Capítulo 3 - 28 Direcções Cristalográficas Algoritmo z y x 1. Deslocar o vector (se necessário) de modo a passar na origem 2. Determinar as projecções do vector em termos de dimensões da célula unitária a, b e c (segundo x, y e z) 3. Reduzir a valores inteiros 4. Usar a notação [uvw] ex: 1, 0, ½ => 2, 0, 1 => [ 201 ] -1, 1, 1 => [ 111 ] A barra superior representa um índice negativo Famílias de direcções <uvw> Capítulo 3 - 29 Direcções cristalográficas no sistema hexagonal cz Algoritmo: a2 - a3 1. Deslocar o vector (se necessário) de modo a passar na origem 2. Determinar as projecções do vector em termos de dimensões da célula unitária segundo a1, a2, a3 e c 3. Reduzir a valores inteiros 4. Usar a notação [uvtw] a2 t = -(u+v) a1 -a3 a2 2 ex: ½, ½, -1, 0 => [ 1120 ] a3 a1 2 Linhas a vermelho são as projecções segundo os eixos a1 e a2 a1 Capítulo 3 - 30 Direcções cristalográficas no sistema hexagonal • Cristais Hexagonais – Índices de Miller-Bravais (4 parâmetros [uvtw]) estão relacionados com a notação de Miller [u'v'w ]: [ u 'v 'w ' ] → [ uvtw ] cz a2 - a3 1 u = (2 u ' - v ') 3 1 v = (2 v ' - u ') 3 t = - (u +v ) w = w' a1 Fig. 3.8(a), Callister 7e. Capítulo 3 - 31 Densidade Atómica Linear, ρL ρL = Número de diâmetros de átomos intersectados Comprimento do vector direcção [110] ex: densidade linear do Al na direcção [110] Nº φ átomos a a = 0.405 nm ρL = 2 2a = 3.5 at.nm-1 comprimento do vector Capítulo 3 - 32 Planos Cristalográficos Capítulo 3 - 33 Planos Cristalográficos • Índices de Miller: Inversos das intersecções do plano com os eixos do sistema de coordenadas. Planos paralelos têm os mesmos índices de Miller. • Algoritmo: 1. Determinar as intersecções do plano com os eixos em termos de x, b, c (segundo x, y e z) 2. Determinar os inversos dessas intersecções 3. Reduzir a valores inteiros 4. Usar a notação (hkl) Capítulo 3 - 34 Planos Cristalográficos z exemplo 1. Intersecções 2. Inversos 3. Redução a int. x 1 1/1 1 1 4. Índices Miller (110) exemplo 1. Intersecções 2. Inversos 3. Redução a int. x 1/2 1/½ 2 2 4. Índices Miller (200) y 1 1/1 1 1 z ∞ 1/∞ 0 0 c b a x y ∞ 1/∞ 0 0 y z z ∞ 1/∞ 0 0 c a b y x Capítulo 3 - 35 Planos Cristalográficos exemplo x y z 3. Redução a int. 1/2 1/½ 2 6 1 1/1 1 3 3/4 1/¾ 4/3 4 4. Índices Miller (634) 1. Intersecções 2. Inversos z c • a • • b y x Família de Planos {hkl} Ex: {100} = (100), (010), (001), (100), (010), (001) Capítulo 3 - 36 Planos Cristalográficos no Sistema Hexagonal cz exemplo a1 a2 a3 c 1. Intersecções 1 ∞ -1 1 2. Inversos 1 1 1 1/∞ 0 0 -1 -1 -1 1 1 1 3. Redução a int. a2 a3 4. Índices de Miller-Bravais (1011) a1 Capítulo 3 - 37 Densidade Atómica Planar, ρP ρP = Número de átomos do plano Área do plano ex: densidade planar no plano (110) do W (cúbico de corpo centrado) z c a b y Nº átomos no plano = 4x1/4+1 ρP = x 2 2 a2 = 14,16 at.nm-2 área do plano ! Capítulo 3 - 38 Densidade Atómica Planar Filmes de ferro podem ser usadas como catalizadores de reações. Para tal o empacotamento atómico dos planos expostos à reacção é importante. Sabendo que o raio atómico do ferro é 0.1241 nm: a) Desenhe os planos cristlográficos (100) e (111) do ferro. b) Calcule a densidade atómica planar para cada um dos planos. Capítulo 3 - 39 Densidade Planar de Ferro (100) Solução: a T < 912°C o Ferro tem a estrutura ccc. célula unitária a 2D (100) a= 4 3 R 3 Raio atómico do Ferro R = 0.1241 nm átomos célula unitária a 2D Planar Density = área célula unitária a 2D 1 a2 = 1 4 3 R 3 átomos átomos 19 = 1.2 x 10 2 = 12.1 2 nm m2 Capítulo 3 - 40 Densidade Planar de Ferro (111) Solução: 1 átomo no plane/ célula unitária a 2D 2a átomos no plano átoms acima do plano átomos abaixo do plano h= 3 a 2 2 átomos célula unitária a 2D Planar Density = área célula unitária a 2D ⎛ 4 3 ⎞ 16 3 2 2 area = 2 ah = 3 a = 3 ⎜⎜ R ⎟⎟ = R 3 ⎝ 3 ⎠ 1 16 3 3 = 7.0 R2 átomos = nm2 0.70 x 1019 átomos m2 Capítulo 3 - 41 Difracção de Raios-X • Não resolve espaçamentos interplanares < λ • Espaçamento interplanar é a distância entre planos paralelos de átomos. Capítulo 3 - 42 Distância Interplanar d d Sistema cúbico: d= a h2 + k 2 + l 2 Capítulo 3 - 43 Determinação de Estruturas Cristalinas • raios-X incidentes são difractados em planos cristalinos Reflexões têm que estar em fase para gerar um sinal detectável distância extra viajada pela onda 2 n=1 θ θ λ d n=2 distância entre planos Sistema cúbico: d= Intensidade de raios-X a h2 + k 2 + l 2 Lei de Bragg (difractados) ! n " = 2 d sen# θ θ ! n=1, 2, ... Capítulo 3 - 44 Ordem de difração 1ª, 2ª, 3ª and 4th ordens de “reflexão”. Por convenção as ordens de relexão designam-se por 111, 222, 333, 444, etc. (sem parenteses) Capítulo 3 - 45 Diagrama de difracção de raios-X (difractograma) z z Intensidade (relativa) c a x c z b c y (110) a x b y a x b y (211) (200) Ângulo de difracção, 2θ Difractograma de Fe-α policristalino (CCC) Capítulo 3 - 46 RESUMO • Os átomos em sólidos podem agrupar-se em estruturas cristalinas ou amorfas. • As estruturas cristalinas mais comuns nos metais são CFC, CCC e HC. O nº de coordenação e o factor de compacidade atómica são os mesmos nas estruturas CFC e HC. • É possível prevêr a densidade de um material, sabendo a sua massa atómica, raio atómico e a estrutura cristalina. • Direcções cristalográficas e planos são especificados em termos de índices de Miller. • As direcções cristalográficas e os planos estão relacionados com densidade atómica linear e densidade atómica planar. Capítulo 3 - 47 RESUMO • Os materiais podem ser monocristalinos ou policristalinos. As propridades geralmete variam com a orientação do cristal (i.e., são anisotrópicos), mas são geralmente não-direccionais (i.e., são isotrópicos) em policristais com grãos orientados aleatoriamente. • Alguns materiais podem ter mais d que uma estrutura cristalina -> polimorfismo ou alotropia. • A difracção de raios X é usada para determinação de estruturas cristalinas e distâncias interplanares. Capítulo 3 - 48