Arranjos atômicos Profª Janaína Araújo

Arranjos atômicos – estrutura dos materiais Estrutura não cristalina – amorfa: Materiais de estrutura amorfa ou vítrea, ao nível de seus arranjos atômicos, são aqueles em que os átomos não apresentam qualquer tipo de regularidade ou organização em termos de sua disposição espacial, ou, caso exista algum ordenamento, ele ocorre a curto alcance (em pequenas distâncias).

Arranjos atômicos – estrutura dos materiais Conceito de “amorfismo”: diz respeito a uma estrutura interna “sem forma”. Se aplicado aos materiais em geral, em suas diversas configurações atômicas, são amorfos: os gases; os líquidos; os sólidos não-cristalinos, como o vidro.

Arranjos atômicos – estrutura dos materiais Diferentes arranjos atômicos de materiais: gás inerte, sem nenhum ordenamento regular de átomos (estrutura amorfa); b) e c) vapor de água e estrutura do vidro, com ordem em pequenas distâncias (estruturas amorfas); d) metal, com um ordenamento regular de átomos que se estende por todo o material (estrutura cristalina) (ASKELAND, 1998).

Fases dos materiais Fase: Material unifásico e homogêneo: trata-se de uma ou mais partes do material que resguarda homogeneidade do ponto de vista estrutural, ou seja, que mantém um arranjo atômico próprio; Material unifásico e homogêneo: Material que possui como um todo um mesmo arranjo atômico;

Fases dos materiais Material polifásico: Caso coexistam em um mesmo material partes com identidades estruturais próprias, o material será bifásico, trifásico ou, de modo genérico, polifásico (ou multifásico), em função do número de partes estruturalmente homogêneas (fases) existentes nesse material.

Fases dos materiais Fases impuras: soluções sólidas ou estruturas de cristais mistos: Fases impuras pressupõem aformação de soluções sólidas (ou estruturas de cristais mistos), na qual átomos de um soluto (em menor quantidade) conseguem se “dissolver” em uma estrutura principal, com átomos de solvente. Exemplos de soluções sólidas aplicadas aos metais: solução sólida substitucional; solução sólida intersticial.

Fases dos materiais Fases impuras: soluções sólidas ou estruturas de cristais mistos Soluções sólidas em metais: O aço é um exemplo de material que desenvolve uma solução sólida (em uma de suas formas alotrópicas), na qual átomos de carbono se dissolvem na estrutura do ferro. O aço tem maiores resistência, limite de escoamento e dureza que o ferro puro. O latão é outro exemplo de material “impuro”, em que o zinco é acrescentado à estrutura do cobre. O latão é mais duro, mais resistente e mais dúctil do que o cobre.

Fases dos materiais Fases impuras: soluções sólidas ou estruturas de cristais mistos Solução sólida substitucional: Ocorre quando o átomo do soluto tem dimensões e estruturas eletrônicas semelhantes ao átomo do solvente. Dessa forma, podem ocorrer substituições de alguns átomos da matriz do solvente por átomos “semelhantes” do soluto, formando-se uma solução sólida substitucional.

Fases dos materiais Fases impuras – exemplo de solução sólida em metal do tipo substitucional: Solução sólida substitucional característica do latão, em que se têm os átomos de zinco (soluto) substituindo, de forma aleatória, os átomos de cobre do solvente (VAN VLACK, 1970)

Fases dos materiais Fases impuras : soluções sólidas ou estruturas de cristais mistos Solução sólida intersticial: Ocorre quando a dissolução se dá não por substituição entre átomos, mas sim pela inserção de novos átomos do soluto em interstícios ou espaços entre átomos do solvente. Assim os átomos a serem inseridos devem ter devem ter dimensões iguais ou inferiores aos interstícios entre os átomos do solvente.

Fases dos materiais Fases impuras – exemplo de solução sólida em metal do tipo intersticial: Solução de carbono na austenita CFC. O maior insterticio no ferro γ tem quase o tamanho de um átomo de carbono, favorecendo o estabelecimento de uma solução sólida intersticial (VAN VLACK, 1984)

Solução sólida intersticial – carbono no ferro CFC (VAN VLACK, 1984) Fases dos materiais Fases impuras – exemplo de solução sólida em metal do tipo intersticial: Solução sólida intersticial – carbono no ferro CFC (VAN VLACK, 1984)

Imperfeições estruturais O que é um defeito ? É uma imperfeição ou um “ erro” no arranjo periódico regular dos átomos de um cristal. Os defeitos podem significar irregularidades: na posição dos átomos; quanto ao tipo de átomo. O tipo e o número de defeitos dependem do material, do meio ambiente, e das circunstâncias sob as quais o cristal foi processado.

Imperfeições estruturais Tipos de imperfeições em sólidos cristalinos: Defeitos pontuais→ associados com 1 ou várias posições atômicas; Tipos: vazio, átomo intersticial, átomo substitucional, defeito de Frenkel e defeito de Schottky; Defeitos de linha(discordâncias) → uma dimensão; Discordância em cunha (em aresta); Discordância helicoidal (em aresta). Defeitos de superfície ou planares (fronteiras)→ duas dimensões;

Imperfeições estruturais Defeitos pontuais: Descontinuidades localizadas no reticulado, envolvendo 1 ou vários átomos; Decorrentes do movimento atômico quando os átomos ganham energia pelo aquecimento do material (durante o seu processamento); Também podem advir de impurezas ou são criados intencionalmente quando da produção de ligas; Tipos:vazio (ou vacância), presença de átomos substitucionais ou intersticiais, defeito de Frenkel e defeito de Schottky.

Imperfeições estruturais Defeito de Frenkel: “Ocorre quando um íon se desloca de sua posição normal no reticulado para ocupar um interstício no cristal, deixando vazia sua posição original.” Defeito de Schottky: “Trata-se de um vazio gerado não pela saída de um átomo, mas sim pela ausência de um par de íons de cargas elétricas opostas. Nesse caso, é gerado um par de vazios ou formam-se vários pares de vazios no reticulado. É um defeito típico dos materiais ligados ionicamente (com a preservação da neutralidade elétrica no cristal).”

Imperfeições estruturais Defeitos pontuais - exemplos: a) Vazio ou vacância, b) átomo intersticial, c) átomo substitucional pequeno, d) átomo substicional grande, e) defeito de Frenkel , f) defeito de Schottky (ASKELAND, 1984).

Imperfeições estruturais Defeitos de linha - discordâncias: As discordâncias estão associadas com a cristalização e com a deformação (origem: térmica, mecânica ou devida à supersaturação de defeitos pontuais). A presença desse tipo de defeito explica, em boa parte dos casos, a deformação, a falha e a ruptura dos materiais. As discordâncias podem ser: em cunha (ou em aresta); helicoidais (ou em espiral); mistas.

Imperfeições estruturais Defeitos de linha - discordâncias: a) Discordância em aresta (cunha) e b) em espiral (helicoidal) (ANDERSON et al., 1997; SHACKELFORD, 2000).

Imperfeições estruturais Defeitos de linha - discordâncias: As discordâncias têm forte relação com as deformações plásticas (permanentes) em sólidos cristalinos. O movimento de discordâncias explica um efeito físico particularmente relevante nos metais que é o escorregamento (de cristais), que, por sua vez, esclarece o escoamento e a ductilidade característicos do material metálico.

Imperfeições estruturais Defeitos de superfície ou planares: Envolvem fronteiras (defeitos em duas dimensões) e normalmente separam regiões dos materiais de diferentes estruturas cristalinas ou orientações cristalográficas. Podem ser: Superfície (externa) do material; Contorno de grão.

Imperfeições estruturais Defeitos de superfície ou planares – contorno de grão: Identificação de “porções” do material com orientações cristalinas particulares (grãos) e de uma região de transição entre os grãos (contornos de grão) (CASCUDO, 2010)