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Disciplina : Metalurgia Física- MFIProfessores: Guilherme Ourique Verran - Dr. Eng. Metalúrgica
Aula 02 – Revisão de alguns conceitos fundamentais da Ciência dos Materiais
Conceitos fundamentais sobre estrutura atômica
- Composição atômica
- Número atômico
- Massa atômica
Caracterizam os elementos químicos
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Comprimento de onda (nm)
Transições eletrônicas geram luz
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Ligações químicas primárias (entre átomos)
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Iônica: forte e não direcional (grande diferença de eletronegatividade)
Metálica: fraca e não direcional (nenhuma diferença de eletronegatividade e elétrons não localizados). Os átomos se comportam como esferas.
Covalente: muito forte e direcional (pequena ou nenhuma diferença de eletronegatividade e elétrons não localizados). A direção da ligação é dada pela direção dos orbitais.
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Ligações químicas e estrutura dos materiais
Representação esquemática de diferentes ligações: a) metálica, b)iônica, c) covalente, d) Van der Waals.
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Energia de Ligação
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Energia de ligação e a distância entre ions
Energia de Ligação Química
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Ligações químicas e estrutura dos materiais
Consequências de Energia de Ligação
Energia de Ligação e ponto de fusão de diferentes substâncias
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Estruturas Cristalinas
OS ÁTOMOS SE ARRANJAM NUM MODELO TRIDIMENSIONAL, ORDENADO E REPETIDO, FORMANDO ELEMENTOS ESTRUTURAISCHAMADOS DE CRISTAIS.
METAIS CRISTALIZAM-SE PORQUE SOLIDIFICAM
⇓
CRISTALINIDADE :
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• O tamanho da célula unitária é determinado pelo parâmetro cristalino a (parâmetro de rede, parâmetro de célula ou parâmetro de reticulado)
Células unitárias
Apresentam ordenação de longo alcance(característica dos cristais) onde o modelo atômico é repetido indefinidamente
• A rede cristalina é subdividida em CÉLULAS UNITÁRIAS(pequenos volumes contendo todas as características do cristal inteiro).
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Estruturas cristalinas
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(a)Vista esquemática assinalando os centros dos átomos.
b) Modelo das Esferas Rígidas
Estrutura CCC ⇒ Cúbica de Corpo Centrado
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Estruturas cristalinas
Estrutura CCC
• Num metal CCC, o parâmetro cristalino a está relacionado com o raio atômico R pela expressão:
(a ccc) metal = 4R / 31/2
• Fator de empacotamento atômico = volume dos átomos/ volume da célula unitária = 0,68
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Estruturas cristalinas
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• Cada Átomo é cercado por 08 Átomos.• 02 Átomos por Célula Unitária (01 no centro + 08 1/8 nos vértices)
Estrutura CCC
• Exemplos: Fe - W - Cr
Célula unitária Cúbica de Corpo Centrado
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Estruturas cristalinas
(b) Modelo das esferas rígidas.
Estrutura CFC ⇒ Cúbica de Faces Centradas
(a) Vista esquemática assinalando os centros do átomo,
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Estruturas cristalinas
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• Fator de Empacotamento Atômico = 0,74
Estrutura CFC
Célula unitária Cúbica de Faces Centradas
• 04 Átomos por Célula Unitária.
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Estruturas cristalinas
Sistemas Cristalinos
• Sistema Eixos Ângulos Axiais• Cúbico a1 = a2 = a3 Todos os ângulos = 900C• Tetragonal a1 = a2 ≠ c Todos os ângulos = 900C• Ortorrômbico a ≠ b ≠ c Todos os ângulos= 900C• Monoclínico a ≠ b ≠ c 2 ângulos = 900C 1 ângulo ≠ 900C• Triclínico a ≠ b ≠ c Todos os ângulos≠ 900C• Hexagonal a1 ≠ a2 = a3 ≠ c Ângulos = 900C e 1200C
• Romboédrico a1 = a2 = a3 Todos os ângulos =s , mas ≠ 900C
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Estruturas cristalinas
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Sistema: Cúbico
Eixos : a1 = a2 = a3
Sistemas Cristalinos
Angulos Axiais: Todos iguais a 900
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Sistemas Cristalinos
Sistema: Tetragonal
Eixos : a1 = a2 ≠ c
Ângulos Axiais: Todos iguais a 900
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Sistemas Cristalinos
Sistema: Ortorrombico
Eixos : a≠ b ≠ c
Ângulos Axiais: Todos = 900
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Sistemas Cristalinos
Sistema: Monoclínico
Eixos : a≠ b ≠ c
Ângulos Axiais: 2 ângulos = 900
e 1 ângulo≠ 900
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Sistemas Cristalinos
Sistema: Triclínico
Eixos : a≠ b ≠ c
Ângulos Axiais: Todos ≠ 900
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Sistemas Cristalinos
Sistema: Hexagonal
Eixos : a1 ≠ a2 ≠ a3 ≠ c
Ângulos Axiais: 900 e 1200
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Sistemas Cristalinos
Sistema: Romboédrico
Eixos : a1 =a2 = a3
Ângulos Axiais:todos iguais mas ≠ 900
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Direções Cristalinas em Cristais Cúbicos
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Planos Cristalinos em Cristais Cúbicos
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Os átomos de um elemento (Zn) substituem os de Cu na estrutura cristalina sem alterar o modelo cristalino.
Soluções Sólidas Substitucionais
(SSS)
DEFEITOS CRISTALINOS
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Condições para formação de SSSextensas
• Elementos com a mesma estrutura cristalina e mesma valência.
• Os átomos devem apresentar raios atômicos muito próximos.
• Não apresentar diferença apreciável de eletronegatividade.
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Existe um limite de solubilidade sólida acima do qual ocorre a formação de uma nova fase.
Exemplo: Sistemas Cu-Ni e Cu-Al
Ni (ra= 0,125nm) Cu (ra= 0,128nm) Al (ra=0,143nm)
Ni e Cu apresentam altas
solubilidades sólidas entre si
Cu e Al apresentam solubilidade sólida limitada entre si.
⇓
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Sistema Cu-Ni
Solubilidade total no
estado sólido
Liga monofásica para qualquer
proporção entre os elementos Cu e NI
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L
α+L
α
Al →%Cu
5,65Cu 33Cu
α + CuAl2
T (0C)
5480C
6600C
Sistema Al-CuExiste um limite Máximo de Solubilide
sólida do Cu no Al
Liga pode ser mono ou bifásica em função de
variações nas proporções entre os elementos Cu e Al
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L
α+L
α
Al →%Cu
5,65Cu 33Cu
α + CuAl2
T (0C)
5480C
6600C
Líquido
Primeiros cristais sólidos
Solidificação da última fração de líquido
Precipitação de uma segunda fase sólida
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Os átomos de um elemento (soluto) entram nos interstícios da rede cristalina do outro elemento (solvente).
Soluções Sólidas Intersticiais
(SSI)
DEFEITOS CRISTALINOS
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• Existe um “buraco” relativamente grande no centro da célula unitária do Fe (CFC) no qual o C
entra formando uma SSI de Fe e C.
Exemplo de SSI: C em Fe (CFC) ⇒ acima de 9120C
• No Fe (CCC) os interstícios entre átomos são muito pequenos ⇒ a solubilidade do C no Fe (CCC) é muito pequena.
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23
Falta de um átomo no reticulado, devido empacotamento imperfeito ou
vibrações térmicas dos átomos a temperaturas elevadas.
Defeitos Pontuais
Lacunas Vazios ou Vacâncias
⇓
DEFEITOS CRISTALINOS
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Defeitos pontuais em cristais: (a) lacuna (b) bilacuna (c) lacuna de um par iônico (d) defeito intersticial (e) íon deslocado.
Vazios – Vacâncias - Lacunas
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Tipo mais comum de defeito em linha num cristal.
Defeitos em Linha
Discordância
⇓
⇓
• Discordância em Hélice.
• Discordância em Espiral.
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Aumento de energia ao longo da linha.
Discordância em Aresta
Existência de uma aresta de um plano extra de átomos na estrutura cristalina
⇓
Formação de zonas de tração e compressão
⇓
DEFEITOS CRISTALINOS
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O vetor deslizamento b (distância deslocamento para os átomos que circundam a discordância) é paralelo ao defeito linear.
Discordância em Espiral
DEFEITOS CRISTALINOS
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c) discordância em aresta onde a linha é perpendicular à direção do cisalhamento
Formação de discordância por
cisalhamento
a) a linha de discordância D se expande através do cristal até o final do deslocamento.
b) formação de discordância em espiral ondea linha é paralela à direção de cisalhamento
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Átomos da superfície possuem maior energia (estão menos ligados aos átomos internos)
Superfície: término daestrutura cristalina
⇓
Coordenação atômicadiferente dos átomos no
interior do cristal
⇓
DEFEITOS CRISTALINOS
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Contornos de GrãoUm metal puro apresenta
apenas uma fase, mas pode
ser constituído por vários
cristais com orientações
diferentes ⇒ GRÃOS
No interior ⇒ todas as células são arranjadas segundo um único modelo (orientação) No contorno há uma
zona de transição não alinhada
DEFEITOS CRISTALINOS
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Representação Esquemática de 03 dendritas interconectadas
Formação de grãos a partir das dendritas
Durante a solidificação⇒ metal semi-sólido Estado sólido
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Defeitos Cristalinos
• Defeitos Pontuais: Vacâncias e Átomos Intersticiais
• Defeitos em Linhas : Discordâncias
• Defeitos em Planos : Defeitos de Empilhamento e Maclas
• Defeitos Volumétricos: Vazios, Bolhas de Gás e Cavidades
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Defeitos Cristalinos
Vacância
Defeito de Empilhamento
Discordância
Vazio
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Junção tripla Contorno de Grão - Superfície
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Defeitos Cristalinos
Microestrutura do Molibdênio Puro mostrando os grãos e seus contornos
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