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CIÊNCIA DOS MATERIAIS - CALLISTER Cap. 2 Estrutura Atômica e Ligação Interatômica cap. 3 A Estrutura dos Sólidos Cristalinos Prof.: M.Sc. Antonio Fernando.

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1 CIÊNCIA DOS MATERIAIS - CALLISTER Cap. 2 Estrutura Atômica e Ligação Interatômica cap. 3 A Estrutura dos Sólidos Cristalinos Prof.: M.Sc. Antonio Fernando de Carvalho Mota AmorfoCristalino CCC CFC

2 Cristalografia dos Metais Os átomos são unidades estruturais de todos os materiais. São de tamanho microscópico, cerca de 2 a 5 Å (angström). 1 Å = m. Átomo de Bohr em 1913 Níveis de energia dos elétrons

3 Átomo de Ferro: Fe= =26

4 O número máximo de elétrons (z) em cada nível de energia Camadanº quântico principalnº máximo de elétrons (z= 2n²) K1z = 2 x 1² = 2 L2z = 2 x 2² = 8 M3z = 2 x 3³ = 18 N4z = 2 x 4² = 32 O532 P618 Q72 P.S.: Nas últimas camadas, o numero é diferente do dado pela fórmula pois nelas o número máximo teórico, dado pela fórmula, não condiz com o real, mostrado na tabela.

5 GÁS LÍQUIDO SÓLIDO DISPOSIÇÃO DOS ÁTOMOS NUM MATERIAL EM DIFERENTES ESTADOS

6 Há 4 tipos de ligações que mantém os átomos dos sólidos sempre unidos. 1- IÔNICA 2-COVALENTE 3- WAN DER WAALS 4 – METÁLICA Vários desses tipos de ligações são encontradas nos sólidos; entretanto as ligações metálicas são predominantes nos metais A eletronegatividade dos átomos é o que determina o tipo de ligação. LIGAÇÕES ATÔMICAS:

7 LIGAÇÃO IÔNICA LIGAÇÃO IÔNICA: Atração mútua entre íons positivos e negativos (atração eletrostática) Exemplos: NaCl, Cloreto de Sódio: Na + + Cl - NaCl MgCl 2,Cloreto de Magnésio: Mg 2+ +2CL - MgCl 2 Na + + Cl - NaCl

8 LIGAÇÃO COVALENTE (atração magnética) Formada entre não metais compartilhamento de elétrons entre 2 átomos Ex: H 2 O e CH 4 Molécula de água H 2 O O: 2,6 H: 1 Molécula de Metano – CH 4 C: 2,4 H:1 Camadas com nº máximo: 2,8,18,32,9,2

9 Ligações de Van der Waals: Polarização eletrônica das moléculas (ligações covalentes) baixa T de fusão e resistência mecânica mais fraca das ligações Ligações de Van der Walls Átomos Ligações covalentes

10 Devido a mobilidade dos elétrons das últimas órbitas (valência), os metais são bons condutores de calor e eletricidade LIGAÇÕES METÁLICAS - ELÉTRONS DE VALÊNCIA Nuvem eletrônica Elétrons de valência Átomo+elétrons das camadas mais internas

11 Os 7 sistemas cristalinos básicos SistemasEixosÂngulos Axiais Cúbicoa=b=cTodos os ângulos= 90 o Tetragonala=bcTodos os ângulos= 90 o OrtorrômbicoabcTodos os ângulos= 90 o Monoclínicoabc2 ângulos = 90 o 1 ângulo 90 o TriclínicoabcTodos os ângulos diferentes e nenhum = 90 o Hexagonala1=a2=a3 c3 ângulos = 90 º 1 ângulo = 120 o Romboédricoa=b=cα 1=α2=α3 90 o

12 12 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. cúbico simples

13 CRISTALINO = ESTRUTURA COM ÁTOMOS ORDENADOS CÉLULA UNITÁRIA = O MAIS SIMPLES MODELO CUJA REPETIÇÃO NO ESPAÇO GERA A ESTRUTURA CRISTALINA Sistema cúbico simples a=b=c a= parâmetro da rede Nenhum metal solidifica seguindo o sistema cúbico simples

14 SISTEMA CÚBICO SIMPLES - CS Relação de a com r a = parâmetro da rede R = raio do átomo a = 2r volume= a 3 =8r 3 a CS = 2r

15 Direções e planos atômicos Direção compacta Plano compacto?

16 Direções e planos atômicos Direção compacta Plano compacto

17 Sistema Cúbico Simples - CS 3 direções compactas: x,y e z Nenhum plano compacto

18 18 ESTRUTURA CÚBICA 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 da rede a

19 19 ESTRUTURA CÚBICA SIMPLES - CS Parâmetro da rede a FATOR DE EMPACOTAMENTO = VOLUME DOS ÁTOMOS VOLUME DA CÉLULA UNITÁRIA FE = 8 X 1/8 X 4/3 R 3 = 4/3 R 3 = 0,52 ou 52% a 3 8R 3

20 Estrutura Cúbica de Face Centrada - CFC (4R) 2 =2a 2 a CFC = 4R/ 2 ou a CFC = 2R 2

21 ETRUTURA CÚBICA DE FACE CENTRADA - CFC FE = volume dos átomos = (8x1/8 +6x1/2) 4/3 R 3 = 0,74 ou 74% volume da célula unitária (4R/ 2) 3 6 DIREÇÕES COMPACTAS (DIAGONAIS DAS FACES) 4 PLANOS COMPACTOS

22 METAIS CFC Com tantas direções e planos compactos, o cisalhamento de planos atômicos ocorre com facilidade, conseqüentemente os metais CFC são menos resistentes, mais dúcteis, mais condutores de calor e de eletricidade. Metais CFC : Au, Ag, Cu, Al, Ni, Pb e Fe.

23 Empilhamento ABCABC... na estrutura CFC

24 Sistema Cúbico de Corpo Centrado- CCC (4R) 2 =a 2 + 2a 2 = 3a 2 a CCC = 4 R/ 3

25 ESTRUTURA CÚBICA DE CORPO CENTRADO - CCC 4 DIREÇÕES COMPACTAS (DIAGONAIS DO CUBO) NENHUM PLANO COMPACTO FE = volume dos átomos volume da célula unitária FE = (8x1/8 +1)4/3 R 3 = 0,68 ou 68% (4R/ 3) 3 Fator de Empacotamento SIMNÃO

26 METAIS CCC Como se trata de um sistema com poucas direções compactas e nenhum plano compacto, o cisalhamento de planos atômicos é mais difícil, conseqüentemente os metais ccc são mais resistentes, menos dúcteis, menos condutores de calor e eletricidade. Metais CCC : W, Mo, Ta e Fe

27 ESTRUTURA HEXAGONAL SIMPLES

28 Estrutura Hexagonal Compacta - HC Empacotamento compacto HC : AB, AB... Empacotamento compacto CFC: ABC, ABC...

29 SISTEMA HEXAGONAL COMPACTO- HC 3 DIREÇÕES COMPACTAS 1 PLANO COMPACTO (O PLANO DA BASE) FE = volume dos átomos = 0,74 ou 74% volume da célula unitária Portanto os metais HC são dúcteis somente no plano da base e resistente em todos os outros planos (difícil de sofrer deformação) Metais HC: Be, Mg, Zn e Ti

30 Estrutura Hexagonal Compacta (HC) Átomos por célula unitária: 6 Índice de ocupação volumétrica: 0,74 Planos e direções de máxima densidade atômica HC – empilhamento ABAB...

31 Representação esquemática de uma peça de um metal puro indicando os diferentes níveis estruturais

32 Estruturas cristalinas mais comuns dos sólidos metálicos. As dimensões a e c são os parâmetros de rede.

33 Estrutura cristalina de alguns metais puros Estrutura CristalinaExemplos CCCFe (abaixo de 910ºC), Cr, V, Mo, W, Nb CFCFe (entre 910 e 1390ºC), Al, Ag, Au, Cu, Ni, Pt H C Zn, Mg, Be, Zr, Hf Hf = Háfnio

34 Tabela Periódica- aplicação – Sistemas Cristalinos Dos 116 elementos conhecidos hoje, 81 são metálicos Pb nº atômico 82 Au nº atômico 79 (alquimia, pedra filosofal) HC CCCCFC

35 ALQUIMIA Alquimia é uma prática antiga que combina elementos de Química, Antropologia, Astrologia, Magia, Filosofia, Metalurgia, Matemática, Misticismo e Religião. Existem quatro objetivos principais na sua prática. Um deles seria a transmutação dos metais inferiores ao ouro O Alquimista – Pintura de Sir William Fettes Douglas (1822 – 1891) A transmutação do Chumbo em Ouro Au = 2, 8, 18, 32, 18, 1 Pb = 2, 8, 18, 32, 18, 4

36 36 RAIO ATÔMICO E ESTRUTURA CRISTALINA DE ALGUNS METAIS

37

38 Para começar.... O que são elementos de liga? São os elementos formadores das ligas metálicas, que são materiais de propriedade semelhantes às dos metais e que contêm pelo menos um metal em sua composição. OuroAço inoxidávelBronze

39 Qual a importância dos elementos de liga? É através da adição de elementos de ligas que podemos obter melhoras de algumas propriedades como diminuição ou aumento do ponto de fusão, aumento da dureza, aumento da resistência mecânica e/ou outras características desejadas de acordo com o uso do metal. No decorrer do curso será visto qual o efeito de alguns elementos de liga nos aços, sejam eles formadores de carbonetos ou não.

40 EFEITOS DOS ELEMENTOS DE LIGA 10 ELEMENTOINFLUENCIAAPLICAÇÕESPRODUTOS NIQUELAumento da resistência a tração Construção mecânica, aço resistente a altas temperaturas Peças para automóveis, utensílios domésticos MANGANÊSResistência ao choque e resistência mecânica Aço para construção mecânica Peças para automóveis e peças para uso geral em eng. Mecânica CROMOResistência a corrosão, resistência a altas temperaturas Aço para construção mecânica, aço inox, aços ferramenta Produtos para a indústria química, talheres, válvulas, peças para fornos MOLIBDÊNIOAumento da resistência a tração, aumento da dureza a quente Aços-ferramenta, aços- rápidos Ferramentas de corte COBALTOAumento da dureza, da resistência a tração e da resistência a corrosão Aços-rápidos, elementos de liga em aços magnéticos Lâminas de turbina de motores a jato SILÍCIOAumento da resistência a oxidação em altas temperaturas Aços para fundição em areia Peças fundidas.

41 INFLUÊNCIA DOS ELEMENTOS DE LIGA

42 Diamante Grafite Diamante versos Grafite Ambos formados pelo elemento C Ligações covalentes

43 Diamond and graphite

44 Sólidos em uma rede cristalina QFL-4010 Prof. Gianluca C. Azzellini

45 AGUARDE A PRÓXIMA AULA ESTAMOS PENSANDO COMO MELHOR SERVIR!

46 CASAL CORDEL Macambira e Querindina são escritores de livros de cordel, dão o seu recado com bom humor e irreverência. Autores independentes, sem patrocínio, que negociam brincando com o público. 46

47 47 ESTRUTURA CRISTALINA

48 Materiais Os materiais são constituídos de átomos, e são estes que determinam se o material é um plástico, madeira, metal ou ar... (é a estrutura geral do átomo que diferencia um material do outro). Os produtos são feitos de materiais que conseguem atender não só, as exigências de mercado, mas também às exigências técnicas de adequação ao uso e ao processo de fabricação.

49 PETROBRAS A estrutura cristalina da austenita é: (A) hexagonal simples. (B) hexagonal compacta. (C) cúbica simples. (D) cúbica de corpo centrado. (E) cúbica de face centrada.

50 7 SISTEMAS CRISTALINOSE 14 REDES BRAVAIS

51 ESTRUTURA ATÔMICA

52 TIPO DE MATERIAL CARACTERÍSTICASCONSTITUINTES METÁLICO MÉDIA-ALTA RESISTÊNCIA MECÂNICA ALTA DUCTILIDADE BOM CONDUTOR TÉRMICO E ELÉTRICO BAIXA-ALTA TEMPERATURA DE FUSÃO BAIXA-ALTA DUREZA ELEMENTOS METÁLICOS E NÃO-METÁLICOS POLIMÉRICO BOM ISOLANTE TÉRMICO E ELÉTRICO ALTA DUCTILIDADE BAIXA RESISTÊNCIA MECÂNICA BAIXA DUREZA BAIXA ESTABILIDADE TÉRMICA CADEIAS MOLECULARES ORGÂNICAS CERÂMICO ALTA RESISTÊNCIA MECÂNICA ALTA DUREZA ALTA FRAGILIDADE BOM ISOLANTE TÉRMICO E ELÉTRICO ALTA TEMPERATURA DE FUSÃO ÓXIDOS SILICATOS NITRETOS


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