Please enable JavaScript.
Coggle requires JavaScript to display documents.
1.1 Estrutura Cristalina dos Metais (Ligações interatômicas (Ligação…
1.1 Estrutura Cristalina dos Metais
Ligações interatômicas
Modelos Atômicos
Thomson
Modelo do Pudim com Passas
Dalton
Modelo da Bola de Bilhar
Rutherford
Experiência
Modelo Planetário
Bohr
Modelo Nuclear
Configuração de mínima energia
A estabilidade das ligações atômicas deve-se a existência de um valor mínimo de energia (energia de ligação, E0), correspondendo a uma certa distância interatômica (distância de equilíbrio, r0), onde ocorre o balanço entre as forças de repulsão e de atração.
Ligação Covalente
Os átomos compartilham seus elétrons das camadas mais externas, formando pares de elétrons de spins opostos que pertencem aos dois átomos
Ocorre em polímeros e algumas cerâmicas
A força de atração é forte e os cristais formados apresentam alta dureza e baixa condutividade térmica e elétrica por não possuir elétrons livres
Cristais frágeis e duros, maus condutores de eletricidade, altos pontos de fusão
Ligação Metálica
Os átomos do metal perdem seus elétrons do último nível.
Os íons de carga positiva gerados formam um arranjo regular e os elétrons livres circulam entre esses íons, obedecendo a lei dos gases
A força de atração é consequência da interação entre os íons positivos e elétrons livres, que são compartilhados por todos os átomos.
Os elétrons livres explicam a elevada condutividade dos metais, pois as únicas resistências à movimentação da corrente elétrica é a colisão entre elétrons.
A condutividade térmica advém da movimentação elevada de elétrons, carregando energia térmica das regiões de temperatura mais elevada para as menos elevadas
As propriedades mecânicas dos metais estão associadas ao arranjo cristalino.
Como os elétrons absorvem energia de fótons com frequência na faixa de radiação luminosa, tem-se que os metais são opacos (para espessuras acima de algumas centenas de átomos)
Sólidos opacos e dúcteis
Cristalinidade usualmente não evidente
Bons condutores de eletricidade e calor
Pontos de fusão diversificados
Ligação de Van der Waals
São de baixa intensidade
Se originam devido vibrações, que desbalanceiam a carga elétrica num mesmo átomo ou molécula, ou seja, quando há uma separação entre a parte positiva e negativa de uma molécula
Tipos
Dipolos induzidos
Dipolos permanentes
Ligação Iônica
Ocorre entre um cátion e um ânion (ou um elemento metálico e um não metálico)
Só é possível entre átomos de elementos diferentes
As substâncias formadas geralmente possuem alta dureza, boa clivagem, alto ponto de fusão, baixo coeficiente de expansão térmica e são maus condutores de eletricidade
No estado líquido conduz corrente elétrica pela movimentação de elétrons
Ocorre em cerâmicas
Cristais transparentes e frágeis
A porcentagem de caráter iônico depende das eletronegatividades dos elementos constituintes da ligação
SIstemas Cristalinos
Reticulados espaciais
Sólidos amorfos
O volume que se encontra ordenado é pequeno
Sólidos cristalinos
O volume que se encontra ordenado é grande
Estruturas cristalinas (dos metais)
É a maneira que os átomos, íons ou moléculas estão arranjados.
Existem 14 retículos especiais entre os sistemas cristalinos.
Características principais
Número de coordenação
é o número de átomos vizinhos próximos
Fator de empacotamento atômico
a fração de volume de uma célula unitária ocupada por esferas sólidas
Tipos mais comuns
Cúbica simples (CS)
Nr. C. = 6
F.E. = 52%
1 átomo por célula unitária
Nenhum metal se cristaliza segundo a rede cúbica simples, pois a ligação metálica atua no sentido de se compactar, sendo a simples aberta demais
Cúbica de corpo centrado (CCC)
NR. C. = 8
F.E. = 68%
2 átomos por célula unitária
Ferro alfa, cromo, molibdênio, vanádio, tântalo e tungstênio
Cúbica de face centrada (CFC)
Nr. C. = 12
F.E. = 74%
4 átomos por célula unitária
Ferro gama, níquel, cobre, alumínio, prata, ouro, chumbo e platina
Hexagonal complexa (HC)
Nr. C. = 12
F.E. = 74%
6 átomos por célula unitária
Magnésio, titânio, zircônio, zinco e cádmio.
Sistemas cristalinos
É a maneira em que os átomos, íons ou moléculas estão ordenados espacialmente.
Triclínico
Monoclínico
Ortorrômbico
Tetragonal
Cúbico
Hexagonal
Romboédrico
Podem se cristalizar em função de variáveis como temperatura e pressão.
A maioria dos metais cristalizam-se nos sistemas cúbico e hexagonal.
A condição intermediária entre cristalino e amorfo ocorre nos polímeros
Monocristais
são materiais em que a ordem atômica se estende sem interrupções
A maioria dos sólidos cristalinos são policristalinos, sendo compostos por muitos grãos que possuem diferentes orientações cristalográficas.
Contorno de grão é a região de fronteira que separa dois grãos
Planos Compactos
Também chamados de planos densos, são aqueles onde os arranjos dos átomos são os mais compactos possíveis, minimizando os espaços intersticiais
CFC e HC são estruturas chamadas compactas, pois possuem o máximo de compactação.
Essas estruturas são formadas pelo empilhamento de planos compactos
Difração de Raio X
A difratometria de raios X determina a estrutura cristalina e o espaçamento interplanar.
Um feixe de raios X direcionado sobre um material cristalino pode sofrer difração (interferência construtiva) como resultado de sua interação com uma série de planos paralelos
Lei de Bragg
Célula unitária
Menor unidade de repetição da estrutura
Coordenada dos pontos
Direções cristalográficas
Anisotropia
é a dependência de propriedades em relação à direção
Isotropia
As propriedades são independentes da direção da medição
Planos cristalográficos
Densidade linear e planar
Polimorfismo e alotropia
Polimorfismo é a característica de uma material apresentar mais de uma estrutura cristalina
Alotropia é o polimorfismo para sólidos elementares
Rede cristalina
É o arranjo tridimensional de pontos que coincidem com as posições dos átomos (ou com o centro das esferas)
Defeitos na Estrutura Cristalina
Formação na Estrutura Cristalina
Núcleos de solidificação
os cristais crescem até se encontrarem na fase final de solidificação
produção de interfaces
Cada cristal individual é um grão
A superfície de encontro de dois grãos é denominada contorno.
Classificação dos Defeitos na Estrutura Cristalina
Defeitos macroscópicos
Porosidades (bolhas - gás retido; vazios - vácuo)
Trincas
Inclusões
Segregações
Defeitos microscópicos
Contornos de grão
Outros contornos
Defeitos submicroscópicos ou subestruturais
Defeitos térmicos
Lacunas
Discordâncias
Outros átomos em solução sólida
A classificação em nível macroscópico, microscópico e submicroscópico possui desvantagem pois um defeito pode tanto ser de um nível como outro
Proposta de Huntington
Defeito de ponto
São correspondentes a variações na estrutura cristalina que envolvem poucas posições atômicas englobadas num pequeno volume aproximadamente esférico
Tipos
Defeito de Schottky
São os vazios em estruturas cristalinas formadas pela ligação iônica, devido a ausência de um par de íons
Defeito de Frenkel
Presença de um íon numa posição intersticial
Átomo em interstício
Quando um átomo da matriz ocupa um interstício. É pouco provável de ocorrer devido a grande quantidade de energia necessária
Lacuna
Lacunas são espaços vazios na estrutura cristalina que poderiam ser preenchidos por um átomo
São defeitos relacionados ao fenômeno de difusão
Com o aumento da temperatura, o número de lacunas aumenta exponencialmente
Podem ocorrer associadas, em pares ou grupos maiores
Defeito de linha
As irregularidades se estendem por um volume aproximadamente cilíndrico, ao longo de uma linha reta ou curva.
Também conhecido como discordâncias ou deslocações
Possuem fundamental importância na deformação plástica dos metais em função da sua atuação no deslizamento entre porções do cristal
Interagem com os átomos solutos da matriz, pois representam locais na estrutura cristalina onde os solutos se acomodam com mais facilidade, resultando em um nível energético mais baixo e mais estável para o conjunto discordancia-atomos solutos
Relacionado ao fenômeno de cisalhamento
A força de cisalhamento produz pequenos movimento atômicos e troca de ligações entre átomos
Tipos
De aresta
É uma distorção da estrutura cristalina ao longo de uma linha correspondente à uma aresta de um semiplano inserido no cristal
Espiral
Mista
Defeito de superfície
irregularidades ao longo de uma superfície, contendo os átomos que lhe são vizinhos.
Superfícies livres
Os átomos na superfície livre encontram-se em um nível energético mais elevado, pois não estão completamente circundados por outros átomos, estão fora de posição
Causa da sinterização
estabelecimento de junções entre partículas submetidas a altas temperaturas por meio da difusão em volume e em superfície.
Contorno de grão
Atuam como barreiras para propagação de discordâncias, sítio para nucleação de fases e propagação de trincas
Podem possuir ainda outros defeitos subestruturais ou submicroscópicos, como lacunas e discordâncias
Maclas
São distorções da rede cristalina causadas por pequenos deslocamentos dos átomos de suas posições regulares, devido a tensões ou tratamento térmico, fazendo com que a parte deformada da rede pareça ser uma imagem da parte não deformada refletida em espelho.
A formação de maclas é também um mecanismo de deformação plástica. A interface entre as porções deformada e não deformada é denominada de contorno de macla
Os contornos de macla são decorrentes de um processo de deformação plástica ou recozimento
As maclas de recozimento costumam ser vistas em metais e ligas CFC
Falha de empilhamento
São falhas no empilhamento de planos compactos, tendo sua sequência alterada
Corresponde a uma discordância dissociada em duas discordâncias parciais. A região entre as discordâncias parciais é a falha de empilhamento
A superfície de falha possui energia superficial.
Se essa energia por unidade de área for baixa, como nos CFC, ocorrerá um afastamento entre as discordâncias parciais,aumentando a extensão da falha, dificultando a movimentação de discordâncias e aumentando a resistência a deformação plástica
Existem também imperfeições relacionadas à presença de átomos de outros elementos na estrutura
Esses átomos esses chamados de impurezas quando sua presença é resultado do processo de fabricação
Esses átomos esses chamados de elementos de liga quando são adicionados com propósito de obter propriedades desejadas.
Imperfeições Associadas à Composição Química
Os átomos de outros elementos podem acomodar-se na estrutura cristalina de um dado metal formando uma solução sólida
Matriz
é a estrutura cristalina do metal que é considerado solvente
Soluto
os outros elementos, cujos átomos estão na solução sólida
Podem estar em...
Solução sólida substitucional
O limite de solubilidade é função da relação entre tamanhos atômicos, número de átomos no último nível, estrutura cristalina de cada elemento e eletronegatividade
Solução sólida intersticial
Os átomos do soluto ocupam posições na estrutura cristalina onde há maior espaço para acomodação
A estrutura CFC tem maior possibilidade que a CCC de dissolver átomos de carbono ou nitrogênio em solução intersticial, mesmo sendo uma solução mais compacta
A distorção na estrutura cristalina provocada pelos átomos em solução significa um afastamento dos átomos da sua posição de equilíbrio, correspondente ao nível mínimo de energia.
Os átomos que se encontram na região de distorção possuem um nível energético mais elevados que os átomos constituintes de porções perfeitas de rede cristalina
