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CIÊNCIA DOS MATERIAIS Síntese e Processamento Aplicação Propriedades Microestrutura e Composição (Atômica e Molecular)

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CIÊNCIA DOS MATERIAIS

Síntese e

Processamento

Aplicação

Propriedades

Microestrutura e Composição

(Atômica e Molecular)

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ARRANJAMENTO ATÔMICO

Por quê estudar?

• As propriedades de alguns materiais estão

diretamente associadas à sua estrutura cristalina

• Explica a diferença significativa nas propriedades

de materiais cristalinos e não cristalinos de mesma

composição

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ARRANJO ATÔMICO

• Os materiais sólidos podem ser classificados em cristalinos

ou não-cristalinos de acordo com a regularidade na qual os

átomos ou íons se dispõem em relação à seus vizinhos.

• Material cristalino é aquele no qual os átomos encontram-

se ordenados sobre longas distâncias atômicas formando uma

estrutura tridimensional que se chama de rede cristalina

• Todos os metais, muitas cerâmicas e alguns polímeros

formam estruturas cristalinas sob condições normais de

solidificação

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CRISTAL

• Sólido “homogêneo”

possuindo ordem interna

tridimensional que, sob

condições favoráveis, pode

manifestar-se externamente

por superfícies limitante,

planas e lisas.

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ESTRUTURA CRISTALINA

• Nos materiais não-cristalinos ou amorfos não existe ordem de

longo alcance na disposição dos átomos

• Há um número grande de diferentes estruturas cristalinas, desde

estruturas simples exibidas pelos metais até estruturas mais

complexas exibidas pelos cerâmicos e polímeros

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•ANISOTROPIA: é a característica que uma substância

possui em que uma certa propriedade física varia com a

direção.

•ISOTROPIA: é a propriedade que caracteriza as

substâncias que possuem as mesmas propriedades físicas

independentemente da direção considerada. Os líquidos, os

gases e os sólidos amorfos são exemplos de materiais

isotrópicos, enquanto os cristais, em que a estrutura é

ordenada dependendo da direção, são anisótropicos.

•Os metais geralmente são materiais isotrópicos, ainda que,

após serem sujeitos a processos de laminação essas

propriedades mecânicas passem a ser anisotrópicas.

ESTRUTURA CRISTALINA

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ESTRUTURA CRISTALINA

CÉLULA UNITÁRIA: unidade básica repetitiva da

estrutura tridimensional.

• A célula unitária é escolhida para representar a

simetria da estrutura cristalina.

•É formada pela rede geométrica + átomos

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AS 14 REDES DE BRAVAIS

Dos 7 sistemas cristalinos

podemos identificar 14 tipos

diferentes de células unitárias,

conhecidas com redes de Bravais.

Cada uma destas células unitárias

tem certas características que

ajudam a diferenciá-las das outras

células unitárias. Além do mais,

estas características também

auxiliam na definição das

propriedades de um material

particular.

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CÉLULA UNITÁRIA

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ESTRUTURA CRISTALINA

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ESTRUTURA CRISTALINA

•Alguns materiais podem ter mais de uma estrutura cristalina

dependendo da temperatura e pressão. Esse fenômeno é

conhecido como polimorfismo ou alotropia.

• Geralmente as transformações polimorficas são acompanhadas

de mudanças na densidade e mudanças de outras propriedades

físicas.

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SISTEMA CÚBICO

Os átomos podem ser agrupados dentro do sistema cúbico em 3 diferentes tipos de repetição

– Cúbico simples

– Cúbico de corpo centrado

– Cúbico de face centrada

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SISTEMA CÚBICO SIMPLES

• Apenas 1/8 de cada átomo cai dentro da célula unitária, ou seja, a célula unitária contém apenas 1 átomo.

• Essa é a razão que os metais não cristalizam na estrutura cúbica simples (devido ao baixo empacotamento atômico)

• Parâmetro de rede:comprimento dos lados da célula unitária Parâmetro de rede

a

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NÚMERO DE COORDENAÇÃO

• Número de coordenação:corresponde ao número de átomos vizinhos mais próximos

• Para a estrutura cúbica simples o número de coordenação é 6.

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RELAÇÃO ENTRE O RAIO ATÔMICO (R) E O PARÂMETRO DE REDE (a) PARA O SITEMA CÚBICO

SIMPLES

No sistema cúbico

simples os átomos

se tocam na face

a= 2 R

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Fator de empacotamento= Número de átomos x Volume dos átomos

Volume da célula unitária

Vol. dos átomos = número de átomos x Vol. Esfera (4 R3/3)

Vol. da célula = Vol. Cubo = a3

• Fator de empacotamento = 4 R3/3

(2R) 3

O FATOR DE EMPACOTAMENTO PARA A EST. CÚBICA SIMPLES É O,52

FATOR DE EMPACOTAMENTO ATÔMICO

PARA CÚBICO SIMPLES

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ESTRUTURA CRISTALINA DOS METAIS

• Como a ligação metálica é não-direcional não há

restrições quanto ao número e posições dos vizinhos

mais próximos.

• Então, a estrutura cristalina dos metais têm

geralmente um número grande de vizinhos e alto

empacotamento atômico.

• Três são as estruturas cristalinas mais comuns em

metais: Cúbica de corpo centrado, cúbica de face

centrada e hexagonal compacta.

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CUBICO DE CORPO CENTRADO

• Na estrutura CCC cada átomo dos vertices do cubo é dividido com 8 células unitárias

• Já o átomo do centro pertence somente a sua célula unitária.

• Cada átomo de uma estrutura CCC é cercado por 8 átomos adjacentes

• Há 2 átomos por célula unitária na estrutura ccc

• O Fe, Cr, W cristalizam em CCC

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• 2 átomos por célula unitária

• Número de coordenação = 8

1/8 de átomo

1 átomo inteiro

CÚBICO DE CORPO CENTRADO

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• Os átomos se cruzam na diagonal do cubo.

• d = a 3

• d = 4 R

• 4R = a 3

RELAÇÃO ENTRE O RAIO ATÔMICO (R) E O PARÂMETRO DE REDE (a) PARA O SITEMA CÚBICO DE CORPO

CENTRADO

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FATOR DE EMPACOTAMENTO ATÔMICO PARA CÚBICO DE CORPO CENTRADO

Fator de empacotamento= Número de átomos x Volume dos átomos

Volume da célula unitáriaDEMONSTRE

Vol. dos átomos = número de átomos x Vol. Esfera (4 R3/3)

Vol. da célula = Vol. a3

Fator de empacotamento = 2x 4 R3/3

(4R/ 3) 3

Cubo = O FATOR DE EMPACOTAMENTO PARA A

ESTRUTURA CCC É 0,68

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CUBICO DE FACE CENTRADA

• Na estrutura CFC cada átomo dos vertices do cubo é dividido com 8 células unitátias

• Já os átomos das faces pertencem somente a duas células unitárias

• Há 4 átomos por célula unitária na estrutura CFC

• É o sistema mais comum encontrado nos metais (Al, Fe, Cu, Pb, Ag, Ni,...)

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• 4 átomos por célula unitária

• Número de coordenação é 12

CUBICO DE FACE CENTRADA

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CÚBICO DE FACE CENTRADA

a2 + a2 = (4R)2

2 a2 = 16 R2

a2 = 16/2 R2

a2 = 8 R2

a = 2 2 R

• DEMONSTRE A RELAÇÃO ENTRE O RAIO ATÔMICO (R) E O PARÂMETRO DE REDE (a) PARA O SITEMA CÚBICO DE FACE CENTRADA

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CÚBICO DE FACE CENTRADA

DEMONSTRE QUE O FATOR DE

EMPACOTAMENTO PARA A ESTRUTURA CFC É O,74

F.E. = Número de átomos X Volume dos átomos

Volume da célula unitária

Vol. dos átomos=Vol. Esfera= 4 R3/3

Vol. da célula=Vol. Cubo = a3

Fator de empacotamento = 4 X 4 R3/3

(2R 2)3

Fator de empacotamento = 16/3 R3

16 R3

Fator de empacotamento = 0,74

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DENSIDADE DE MATERIAIS

O conhecimento da estrutura cristalina permite o

cálculo da densidade ( ):

= n.A

Vc.NA

n= número de átomos da célula unitária

A= peso atômico

Vc= Volume da célula unitária

NA= Número de Avogadro (6,02 x 1023 átomos/mol)

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DENSIDADE - EXEMPLO

• Cobre têm raio atômico de 0,128nm (1,28 Å), uma estrutura CFC, um peso atômico de 63,5 g/mol. Calcule a densidade do cobre.

• = 4 . 63,5

(2. 2 x 1,28 x 10-8 )3 x 6,02 x 1023

• Resposta: 8,89 g/cm3

• Valor da densidade medida= 8,94 g/cm3

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TABELA RESUMO PARA O SISTEMA CÚBICO

Átomos Número de Parâmetro Fator de

por célula coordenação de redeempacotamento

CS 1 6 2R 0,52

CCC 2 8 4R/(3)1/2 0,68

CFC 4 12 4R/(2)1/2 0,74

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SISTEMA HEXAGONAL SIMPLES

• Os metais não cristalizam no sistema hexagonal simples porque o fator de empacotamento é muito baixo

• Entretanto, cristais com mais de um tipo de átomo cristalizam neste sistema

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• O sistema Hexagonal Compacto é mais comum nos metais (ex: Mg, Zn)

• Na HC cada átomo de uma dada camada está diretamente abaixo ou acima dos interstícios formados

entre as camadas adjacentes

ESTRUTURA HEXAGONAL COMPACTA

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• Cada átomo tangencia 3 átomos da camada de cima, 6 átomos no seu próprio plano e 3 na camada de baixo do seu plano

• O número de coordenação para a estrutura HC é 12 e, portanto, o fator de empacotamento é o mesmo da CFC, ou seja, 0,74.

Relação entre R e a:

a= 2R

ESTRUTURA HEXAGONAL COMPACTA

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ESTRUTURA HEXAGONAL COMPACTA

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ALOTROPIA DO FERRO

• Na temperatura ambiente, o Ferro têm estrutura CCC, número de coordenação 8, fator de empacotamento de 0,68 e um raio atômico de 1,241Å.

• A 910°C, o Ferro passa para estrutura CFC, número de coordenação 12, fator de empacotamento de 0,74 e um raio atômico de 1,292Å.

• A 1394°C o ferro passa novamente para CCC.

CCC

CFC

CCC

Até 910°C

De 910-1394°C

De 1394°C-PF

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EXERCÍCIO

• O ferro passa de CCC para CFC a 910 ºC. Nesta temperatura os raios atômicos são respectivamente , 1,258Å e 1,292Å. Qual a percentagem de variação de volume percentual provocada pela mudança de estrutura?

• Vccc= 2a3Vcfc= a3

accc= 4R/ (3)1/2 acfc = 2R (2)1/2

Vccc= 49,1 Å3 Vcfc= 48,7 Å3

V%= 48,7 - 49,1 /48,7 = - 0,8% de variação

Para o cálculo foi tomado como base 2 células unitárias CCC, por isso Vccc= 2a3

uma vez que na passagem do sistema CCC para CFC há uma contração de volume

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