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Fundamentals of Materials Science and Engineering
Versão alternativa de: Materials Science and Engineering: An Introduction, Fifth Edition William D. Callister, Jr. Department of Metallurgical Engineering The University of Utah
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Apresentação do curso Capítulos do livro texto
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1 - Introdução Inicialmente se utilizavam somente materiais naturais: pedra, madeira, argila, peles. Descobrimento de técnicas para a produção de materiais: porcelana, alguns metais. Descobrimento de processos que permitiram modificar as propriedades dos materiais: mistura de diferentes materiais, tratamento térmico e termomecânico. Por volta de 1940 se iniciou o estudo sistemático da relação estrutura-propriedades.
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1 - Introdução Ciência dos materiais: estudo da relação entre estrutura e propriedades dos materiais. Engenharia de materiais: desenvolvimento ou aperfeiçoamento de técnicas de fabricação e processamento de materiais com base nas relações estrutura-propriedades.
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Classificação geral dos materiais
Metais Elétrons livres (bons condutores) Resistentes e maleáveis Cerâmicas Estão entre os metais e não metais (ametais). Ex (óxidos (FeO, Al2O3), nitretos (TiN), carbonetos, argila, cimento, vidro) Duros e frágeis Polímeros (plásticos e borrachas) Elementos orgânicos compostos por carbono, hidrogênio e outros elementos não metálicos Estruturas moleculares grandes Baixa densidade Alta flexibilidade
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Classificação geral dos materiais
Compósitos Mais de um tipo de material (fibra de vidro = cerâmica+ polímero). “Estão misturados” Combinação de propriedades Semicondutores Propriedades elétricas entre condutores e isolantes Sensíveis a quantidades mínimas de átomos de impurezas (Fabricação de circuitos integrados “chips”) Biomateriais Materiais que podem ser utilizados no corpo humano sem produzir efeitos colaterais (metais, cerâmicos, polímeros, semicondutores)
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Aplicações e Usos
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Necessidades Atuais e Desafios Futuros
Reatores nucleares: materiais para contenção de radiação e armazenamento de resíduos radioativos, novos materiais para combustíveis. Transporte: materiais leves e resistentes em altas temperaturas para otimizar o rendimento energético. Energia: novos materiais para combustível, materiais específicos para a fabricação de novos dispositivos para geração de energia usando fontes alternativas não agressivas ao meio ambiente. Busca de novos recursos para substituição de fontes não renováveis, como o petróleo, usadas na produção de polímeros. Reciclagem.
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Estruturas e ligações atômicas
Muitas das propriedades dos materiais dependem dos arranjos atômicos e das interações existentes entre átomos e/ou moléculas. Alotropia: diamante x grafite (apenas átomos de C) Diamante Grafite
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2 – Estrutura e ligações interatômicas atômicas
Modelos atômicos
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Modelo de Dalton (séc.XIX)
Dalton postulou que: A matéria é formada por pequenas partículas designadas por átomos -Os átomos são indivisíveis e indestrutíveis -Os átomos do mesmo elemento são iguais Os átomos de elementos diferentes são diferentes Átomos de elementos diferentes combinam-se entre si formando compostos
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Modelo do “Pudim com passas”
Modelo de Thomson Modelo do “Pudim com passas” O átomo era uma esfera maciça carregada positivamente, onde se encontravam incrustados, de forma mais ou menos aleatória, elétrons. A primeira partícula subatómica a ser descoberta foi o elétron, em 1897, por Thomson
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Modelo de Rutherford (1911)
O átomo é constituído por um núcleo central, à volta do qual giravam elétrons em orbitas circulares bem definidas. Rutherford descobriu experimentalmente, bombardeando uma folha de ouro com partículas alfa, que uma grande parte do átomo era espaço vazio, onde estavam os elétrons. No centro existia um núcleo muito pequeno e muito denso de carga eléctrica positiva.
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Modelo de Bohr (1913) Fóton Modelo Planetário
Só algumas órbitas são permitidas (a energia do elétron no átomo está quantificada). - O elétron pode mudar de órbita, absorvendo ou emitindo energia, correspondente à diferença de energia entre essas órbitas. Fóton
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Modelo da nuvem electrónica ou modelo quântico (atual)
Este modelo é baseado: No Princípio de Heisenberg (incerteza): não é possível saber-se ao mesmo tempo onde está o elétron e o seu estado ondulatório. Na Equação de onda de Schrödinger: considera o elétron como uma onda. A resolução matemática dessa equação fez surgir três parâmetros, designados por números quânticos, que caracterizam os orbitais dos átomos. -Orbitais: zonas em torno do núcleo onde é mais provável encontrar um elétron de determinada energia.
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Modelos atômicos (a) (b) Bohr Modelo quântico
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Números quânticos Números quânticos:
Principal (n): distância da órbita ao núcleo do átomo n = 1, 2, 3, 4... ou K, L, M, N, O... Secundário (l), formato da órbita: s, p, d, f Orbital s:
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Números quânticos Secundário (l), formato da órbita: s, p, d, f
Orbital p: -Orbital d:
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Números quânticos Número quântico terciário (ml), número de estados de energia do número quântico secundário (l). “Variações do formato num mesmo estado de energia.” Quarto número quântico (ms): spin (rotação) ( +0,5 e – 0,5)
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Números quânticos Energia dos elétrons Diagrama de (Linus) Pauling
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Distribuição eletrônica
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TABELA PERIÓDICA Grupos ou colunas: nº de elétrons na última camada
Períodos: Número quântico principal Grupos B: metais de transição. Penúltima camada parcialmente preenchidas
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Eletronegatividade Eletronegatividade
Os átomos são mais suscetíveis a receber elétrons (mais eletronegativos) se suas camadas externas estão mais preenchidas e são menos blindadas pelo núcleo (mais afastadas do núcleo)
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Energia das ligações atômicas
Potencial Lennard-Jones Potencial 6-12 r12 – repulsão (Princípio de exclusão dePauli) r6 – atração (Forças de van der Waals) Energia de atração e repulsão E0 – Estado de mínima energia Energia necessária para separar os átomos a longas distâncias
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O comprimento da ligação entre dois átomos é a distância correspondente ao ponto de mínima energia (soma dos dois raios atômicos). (a) Para metais puros, todos os átomos têm o mesmo raio atômico. (b) Para sólidos iônicos, os raios atômicos são diferentes, uma vez que íons adjacentes nunca são idênticos.
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Força das ligações atômicas
Algumas propriedades dos materiais dependem de E0 . Alta temperatura de fusão; Alto módulo de elasticidade; Estado sólido da matéria; Baixo coeficiente de expansão térmica E0
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CORRELAÇÃO DAS PROPRIEDADES COM AS CURVAS DE FORÇA E DE ENERGIA DE LIGAÇÃO
Resistência mecânica: aumenta com a força máxima e com a profundidade do poço da curva de energia de ligação. Pontos de fusão e de ebulição: aumentam com a profundidade do poço da curva de energia de ligação Coeficiente de expansão térmica: diminui com a profundidade do poço da curva de energia de ligação
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CORRELAÇÃO DAS PROPRIEDADES COM AS CURVAS DE FORÇA E DE ENERGIA DE LIGAÇÃO
Módulo de elasticidade: aumenta com a tangente da curva de força de ligação no ponto onde a força é nula, (dFN/dr), para FN=0
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CORRELAÇÃO DAS PROPRIEDADES COM AS CURVAS DE FORÇA E DE ENERGIA DE LIGAÇÃO
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Natureza das ligações atômicas
Ligações Primárias ou Químicas: iônicas, covalentes e metálicas Tendência dos átomos em completarem suas camadas eletrônicas mais externas Ligações Secundárias ou Físicas: Atração entre cargas opostas (mais fracas do que as ligações primárias)
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Ligações iônicas Os elétrons de valência são transferidos entre átomos produzindo íons Atração entre os íons negativo (ânion) e positivo (cátion). Forma-se com átomos de diferentes eletronegatividades (alta e baixa) A ligação iônica não é direcional, a atração é mútua A ligação é forte= kcal/mol (por isso o Ponto de Fusão dos materiais com esse tipo de ligação é geralmente alto)
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Ligações iônicas Fração iônica da ligação
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Ligações iônicas Em resumo: Atração mútua de cargas + e -
Envolve o tamanho de íons Elementos menos eletronegativos: cedem e- cátions Elementos mais eletronegativos: recebem e- ânions
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Ligações iônicas Propriedades de compostos iônicos
Os íons em um sólido iônico são ordenados na rede, formando uma forte atração elétrica entre eles Sais e óxidos metálicos são tipicamente compostos iônicos. A forte ligação é responsável por: Elevada dureza ( frágil) Elevado pontos de fusão e ebulição Cristalinos sólidos a Tambiente Podem ser solúveis em água Os sólidos cristalinos não conduzem eletricidade, pois os íons não estão livres para mover-se e transportar corrente elétrica. Porém, quando fundidos ou dissolvidos em água serão condutores de eletricidade, pois suas partículas iônicas estarão livres.
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Ligações covalentes Tipo de simetria em ligações covalentes A ligação covalente é forte (um pouco menos que a iônica)= kcal/mol Esse tipo de ligação é comum em compostos orgânicos, por exemplo em materiais poliméricos e diamante. Os elétrons de valência são compartilhados Forma-se com átomos de alta eletronegatividade A ligação covalente é direcional
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Ligações covalentes Em resumo:
Compartilhamento de um par de elétrons em comum Pode ser coordenada ou dativa Covalência entre ametais (Ex. F2, O2, Cl2) baixo PF Covalência entre mais átomos (Ex. Diamante) alto PF Metano
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Ligações covalentes Compostos covalentes unidades individuais: moléculas Molécula simples: pequeno grupo de átomos ligados por forças covalentes. Propriedades: - Podem ser líquidos ou sólidos(não cristalinos) a Tambiente - Insolúveis em água, mas solúveis em outros solventes - Isolantes elétricos e não eletrólitos - Apresentam baixo ponto de fusão e ebulição: forças entre átomos são fortes, mas as forças entre moléculas são fracas e facilmente quebradas no aquecimento - São más condutores de eletricidade devido a ausência de elétrons (ou íons) livres Macromolécula: moléculas grandes com um grande número de átomos ligados covalentemente em uma estrutura contínua. Propriedades: - Sólidos com alto ponto de fusão: elementos podem formar ligações simples com outros átomos, formando uma estrutura muito estável. Ex Diamante - Cristalinos, freqüentemente
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Ligações covalentes Diamante
C apresenta ligações tetraédricas: C no centro de um tetraedro regular formado de outros quatro carbonos Estrutura do diamante: molécula maciça contínua em cada cristal Dureza do diamante trincar um diamante significa quebrar milhões de ligações covalentes com energia de ligação de 711kJ/mol
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Ligação Metálica Átomos dos metais possuem de um a três elétrons de valência. A ligação resultante é não-direcional. Os elétrons de valência passam a se comportar como elétrons “livres” : Apresentam a mesma probabilidade de se associar a um grande número de átomos vizinhos. Formam uma “nuvem eletrônica” . Núcleo iônico
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LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS ou de Van der Waals (VDW) Johannes Diderik van der Waals
Ocorrem atrações entre dipolos gerados pela assimetria de cargas de átomos ou moléculas. O mecanismo dessas ligações é similar ao das ligações iônicas, porém não existem elétrons transferidos. Representação esquemática da ligação de Van der Waals entre dois dipolos. As ligações dipolares podem ser entre: (i) dipolos induzidos flutuantes, (ii) dipolos induzidos, (iii) dipolos permanentes.
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Dipolo flutuante (Dispersão de London)
Constante vibração do átomo causa a formação de um dipolo Representação esquemática de (a) um átomo eletricamente simétrico e (b) um dipolo atômico flutuante. Ex. Liquefação, ou até a solidificação em alguns casos, de gases inertes ou moléculas simétricas (H2, Cl2) se dão com esse tipo de ligação É o tipo de ligação atômica mais fraca de todas. Temperaturas de fusão ou evaporação são bastante baixas
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Dipolo de molécula polar induzida
Dipolo induzido Dipolo de molécula polar induzida Moléculas polares Tamanho e posição dos átomos geram um desequilíbrio na molécula causando acúmulo de carga
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Dipolo Permanente Ponte de hidrogênio
É um caso especial de ligação entre moléculas polares. É o tipo de ligação secundária mais forte. Ocorre entre moléculas em que o H está ligado covalentemente ao F (HF), O (H2O) ou N (NH3).
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Ligações secundárias Água PVC
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MATERIAIS SEGUNDO O TIPO DE LIGAÇÃO
Tetraedro que representa a contribuição relativa dos diferentes tipos de ligação para as quatro categorias fundamentais de materiais de engenharia (metais, cerâmicas, polímeros e semi-condutores)
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Comparação entre o tipo de ligação e propriedades esperadas
gelo,sólidos orgânicos (cristais) Cu, Ag, Au, outros metais diamante, oxigênio, moléculas orgânicas muitos minerais Exemplos solúveis em solventes orgânicos insolúveis solubilidade muito baixa solúvel em solventes polares Solubilidade baixo geralmente alto moderado a alto Ponto de fusão isolantes no estado sólido e líquido bom condutor por transporte de elétrons isolante em sólido e líquido condução por transporte de íons, somente quando dissociado Condutividade elétrica mole e plástico baixa a moderada; dúctil e maleável muito duro, frágil moderada a alta Dureza fraca moderada e variável muito forte forte Intensidade de ligação Intermolecular Metálica Covalente Iônica Exceção do diamante
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Trabalho 1 Exercícios 1. Quais os tipos de ligações químicas existentes nos materiais metálicos, cerâmicos e poliméricos? 2. Relacione o ponto de fusão de um material com a sua energia de ligação. 3. Por que o diamante tem alto ponto de fusão enquanto o ponto de fusão do polietileno é muito mais baixo? (Os dois materiais apresentam ligações covalentes fortes!). 4. Por que o diamante é duro e o polietileno é mole? 5. Por que o diamante é frágil e o polietileno é maleável? 6. Por que os sólidos iônicos são freqüentemente frágeis enquanto os metais são maleáveis? 7. Relacione o módulo de elasticidade de um material com a sua energia de ligação.
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Estruturas de metais e cerâmicas
Estruturas cristalinas Os átomos estão organizados em um arranjo periódico de longo alcance (grande distâncias atômicas) Ex. metais, alguns cerâmicos, alguns polímeros Estruturas não cristalinas ou Amorfas Não possuem um arranjo ordenado por longas distâncias interatômicas Ex polímeros, cerâmicos Amorfo Cristalino
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Reticulado cristalino
Nos materiais cristalinos, denomina-se estrutura cristalina à maneira como átomos, moléculas ou íons se encontram espacialmente arranjados. Modelo de esferas rígidas: Os átomos ou íons são representados como esferas de diâmetro fixo. Reticulado: Arranjo tridimensional de pontos em que cada ponto tem a mesma vizinhança. Célula unitária: É o menor agrupamento de átomos representativo de uma determinada estrutura cristalina específica. Número de coordenação: É o número de vizinhos de um átomo no reticulado
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Estruturas cristalinas
Célula unitária: unidade que se repete na estrutura Estrutura CFC Parâmetro de rede: - Distância e inclinação entre átomos vizinhos
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Reticulado cristalino
Sólido cristalino no qual os átomos são representados por esferas rígidas No reticulado cristalino dois pontos quaisquer têm a mesma vizinhança.
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Célula Unitária Sólido cristalino CFC Célula unitária representada por esferas rígidas Célula unitária de um reticulado cristalino. O conceito de célula unitária é usado para representar a simetria de uma determinada estrutura cristalina. Qualquer ponto da célula unitária que for transladado de um múltiplo inteiro de parâmetros de rede ocupará uma posição equivalente em outra célula unitária.
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Parâmetros de rede Geometricamente uma célula unitária pode ser representada por um paralelepípedo. A geometria da célula unitária é univocamente descrita em termos de seis parâmetros: o comprimento das três arestas do paralelepípedo (a, b e c) e os três ângulos entre as arestas (, e ). Esses parâmetros são chamados parâmetros de rede.
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Sistemas cristalinos Existem somente sete diferentes combinações dos parâmetros de rede. Cada uma dessas combinações constitui um sistema cristalino.
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Sistema Cúbico a = b = c = = = 900 cúbico simples
cúbico de corpo centrado (CCC) cúbico de faces centradas (CFC)
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Sistema Hexagonal a = b c = = 900 e = 1200
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tetragonal de corpo centrado
Sistema Tetragonal a = b c = = = 900 tetragonal de corpo centrado tetragonal simples
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Sistema Romboédrico a = b = c = = 900 romboédrico (R)
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Sistema Ortorrômbico a b c = = = 900
ortorrômbico de corpo centrado ortorrômbico de faces centradas ortorrômbico de bases centradas ortorrômbico simples
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monoclínico de bases centradas
Sistema Monoclínico a b c = = 900 monoclínico simples monoclínico de bases centradas
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Sistema Triclínico a b c triclínico
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Cúbica de Face Centrada (CFC)
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Empilhamento Atômico - CFC
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Cúbica de Face Centrada (CFC)
A relação entre o raio atômico, R, e a aresta do cubo, a, é dada por: O número de átomos por célula unitária é igual a 4. O número de coordenação é igual a 12. Exemplo de metais CFC: cobre, alumínio, ouro, chumbo.
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Cúbica de Corpo Centrado (CCC)
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Cúbica de Corpo Centrado (CCC)
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Cúbica de Corpo Centrado (CCC)
A relação entre o raio atômico, R, e a aresta do cubo, a, é dada por: O número de átomos por célula unitária é igual a 2 O número de coordenação é igual a 8 Exemplo de metais CCC: Fe-, cromo, tungstênio, molibdênio
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Fator de empacotamento atômico (FEA)
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Hexagonal Compacta (HC)
c/a = 1,633 (ideal) O número de átomos por célula unitária é igual a 6 O número de coordenação é igual a 12 O FEA é igual a 0,74 Exemplo de metais HC: cádmio, cobalto, zinco
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Cálculo teórico da densidade
Cálculo da densidade teórica do cobre: Estrutura: CFC N átomos: 4 Massa atômica (tabela periódica): 63,5 g/mol Vc – calculado: ( ) Raio atômico: RESULTADO = 8,89 g/cm3
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Estruturas Cristalinas
Cúbica Simples CC Cúbica de Corpo Centrado - CCC Cúbica de Faces Centradas - CFC
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Estruturas Cristalinas de Alguns Metais
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Células e Átomos 4 átomos 2 átomos
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Alotropia e polimorfismo
Polimorfismo: fenômeno no qual um sólido (metálico ou não metálico) pode apresentar mais de uma estrutura, dependendo da temperatura e da pressão (por exemplo, Al2O3 como alumina-a e alumina-g). Alotropia: polimorfismo em elementos puros. Exemplo: o diamante e o grafite são constituídos por atómos de carbono arranjados em diferentes estruturas cristalinas. Diamante Grafite
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Alotropia e polimorfismo
Alotropia: Dos elementos químicos conhecidos, 40% apresentam variações alotrópicas
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Alotropia do Ferro
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Alotropia do Ferro Martensita
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Alotropia do Carbono
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Estruturas poliméricas
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Estruturas de Polímeros
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Materiais monocristalinos e policristalinos
Monocristalinos: apresentam a mesma estrutura cristalina em toda a extensão do material sem interrupções. Policristalinos: constituído de vários cristais ou grãos. Material policristalino Os contornos de grão são regiões separando cristais de diferentes orientações em um material policristalino.
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Materiais monocristalinos e policristalinos
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Materiais monocristalinos e policristalinos
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Índices de Miller: direções cristalográficas
Direção cristalográfica: vetor que une dois pontos da rede cristalina. Procedimento para determinação dos índices de Miller de uma direção cristalográfica: transladar o “vetor direção” de maneira que ele passe pela origem do sistema de coordenadas. determinar a projeção do vetor em cada um dos três eixos de coordenadas. Essas projeções devem ser medidas em termos dos parâmetros de rede (a,b,c) multiplicar ou dividir esses três números por um fator comum, tal que os três números resultantes sejam os menores inteiros possíveis. representar a direção escrevendo os três números entre colchetes: [u v w].
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Direções cristalográficas : exemplo
y z projeções ½ x a 1 x b O x c projeções em termos de a,b e c 1 redução a mínimos inteiros 2 notação [120] Nota: uma família de direções, por exemplo [100], [100], [010], [010], [001] e [001] é representada por <100>
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Direções cristalográficas : exemplo
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Índices de Miller: Planos Cristalográficos
Determinação dos índices de Miller de um plano cristalográfico: Determinar os interceptos do plano com os eixos do sistema de coordenadas em termos dos parâmetros de rede a,b e c. Se o plano passar pela origem, transladar o plano para uma nova posição no sistema de coordenadas. Obter os recíprocos desses três interceptos. Se o plano for paralelo a um dos eixos, considera-se o intercepto infinito e o seu recíproco zero. Representar na forma ( h k l ) Nota: Às vezes é necessário multiplicar ou dividir esses três recíprocos por um fator comum, tal que os três números resultantes sejam os menores inteiros possíveis.
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Planos cristalográficos
Nota: uma família de planos, como por exemplo (111), (111), (111), (111), (111), (111), (111) e (111) é representada por {111}
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Planos cristalográficos - Exemplos
1 intercepto recíproco =
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Planos cristalográficos - Exemplos
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Planos cristalográficos - Exemplos
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Planos cristalográficos - Exercícios
Desenhar células unitárias cúbicas indicando as seguintes direções: [110] [121] [133] [123] [122] [103]
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Planos cristalográficos - Exercícios
Indicar os índices de direções na seguinte célula unitária cúbica indicando as seguintes direções:
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Planos cristalográficos - Exercícios
Desenhar células unitárias cúbicas indicando os seguintes planos: (011) (112) (123)
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Planos cristalográficos - Exercícios
Indicar os índices dos planos nas seguintes células unitárias cúbica:
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