Apostila sobre Estruturas Cristalinas

Apostila sobre Estruturas Cristalinas

Estruturas cristalinas e Defeitos

ESTRUTURA CRISTALINA DOS METAIS

  • Três são as estruturas cristalinas mais comuns em metais: Cúbica de corpo centrado, cúbica de face centrada e hexagonal compacta.

SISTEMA CÚBICO

    • Os sistema cúbico pode se apresentar em 3 diferentes tipos de repetições, ou seja:

Defeitos na estrutura cristalina

  • Devido à agitação térmica, os átomos de um cristal real estão sempre vibrando.

  • Quanto maior a energia térmica (ou temperatura), maior será a chance de átomos saírem de suas posições, deixando um vazio (vacância) em seu lugar.

  • Por outro lado, dentro da rede cristalina existem inúmeros interstícios, espaços vazios entre os átomos, nos quais é possível alojar outros átomos.

  • Finalmente, é praticamente impossível obter um material infinitamente puro. Sempre haverá impurezas presentes na rede cristalina.

Defeitos Pontuais

  • Defeitos Pontuais:

    • Vázio- ausência de um átomo
    • Schottky -ausência de um par de ion

Defeitos Pontuais

  • Defeito intersticial → Presença de um átomo no interstício

  • Defeito de Frenkel → Presença de um par de ion no interstício

Defeitos Pontuais

Solução Sólida

  • Quando os elementos adicionados passam a fazer parte integral da fase sólida, obtém-se uma solução sólida. O elemento presente em maior quantidade denomina-se solvente ou matriz da solução sólida, enquanto o elemento em menor quantidade corresponde ao soluto.

  • Objetivo: melhorar as propriedades ou conferir alguma característica especial ao material.

Ferrita Austenita

Solução Solida Interticial

  • Limite de solubilidade

    • É a concentração máxima de soluto que pode ser adicionada sem que ocorra a formação de uma nova fase

Aço eutetóide (% de carbono igual a 0,76%)

Solução Sólida

  • Regra de Rumy Rothery

    • Os átomo devem possuir tamanhos próximos,
    • Eletronegatividade próximas
    • Mesma Valência
    • Mesma estrutura cristalina
    • Exemplo de solução sólida substitucional:
    • -liga cobre – níquel (monel)

Solução Sólida

  • – Efeito da relação das dimensões atômicas sobre a solubilidade sólida.

Defeitos de linha

  • O principal defeito de linha de um cristal é a discordância, considerada a responsável pelo fenômeno de escorregamento (ou deslizamento), segundo o qual se deforma a maioria dos metais.

Defeitos de linha

Defeitos de linha

  • A discordância em cunha é o tipo mais simples de discordância, e corresponde à presença de um plano extra de átomos no reticulado cristalino

  • Discordância em hélice

    • Ocorre quando a parte superior do cristal sofre um deslocamento em relação à parte inferior na direção do vetor deslizamento

Defeitos de superfície

  • São as imperfeições de fronteira (superfícies adjacentes), ou seja,

    • Própria superfície externa do cristal
    • Contorno de grão

Deformação dos metais

  • Deformação elástica →Na região de comportamento elástico, a deformação é resultante de uma pequena elongação ou de uma pequena contração da célula unitária na direção da tensão de tração ou de compressão, respectivamente. Com a remoção da carga, o corpo de prova retorna às suas dimensões e formas originais

Deformação dos metais

  • Na região elástica a deformação é proporcional à tensão aplicada, e a relação de proporcionalidade é dada pelo módulo de elasticidade (ou módulo de Young), característico de cada material. O módulo de elasticidade é maior quanto mais intensas forem as forças de atração entre os átomos.

  • O módulo de elasticidade é uma propriedade anisotrópica.

    • . Por exemplo, o ferro CCC possui um valor máximo para o módulo de elasticidade na direção [111] e um valor mínimo na direção [100].

Deformação dos metais

  • Deformação plástica - deformação permanente. Os metais se caracterizam pela capacidade de serem deformados com relativa facilidade, ou seja, por apresentarem plasticidade.

  • A plasticidade permite a conformação dos metais no estado sólido, através de processos como forjamento, laminação e estiramento entre outros.

Deformação dos metais

  • O principal mecanismo de deformação plástica dos metais é o escorregamento dos planos cristalinos em relação aos demais. A deformação por escorregamento é provocada por esforços de cisalhamento.

Deformação dos metais

  • O sistema de escorregamento do cristal.

  • Combinação de um plano de escorregamento e de uma direção de escorregamento

Deformação dos metais

  • O reticulado CFC: número de possíveis sistemas de escorregamento - 12,

  • O reticulado HC: número de possíveis sistemas de escorregamento - 3,

  • O reticulado CCC: apresenta número bem maior de sistemas de escorregamento, ou seja 48,

    • mas não apresentam densidade atômica tão elevada.
  • Obs- Os metais com estrutura CCC exigem maior esforço de deformação para provocar o escorregamento.

DIREÇÕES DE MAIOR DENSIDADE ATÔMICA NO SISTEMA CCC

  • Os átomos se tocam ao longo da diagonal do cubo, que corresponde a família de direções <111>

  • Logo, a direção <111> é a de maior empacotamento atômico para o sistema ccc

PLANOS DE MAIOR DENSIDADE ATÔMICA NO SISTEMA CCC

  • A família de planos {110} no sistema ccc é o de maior densidade atômica

DIREÇÕES DE MAIOR DENSIDADE ATÔMICA NO SISTEMA CFC

  • Os átomos se tocam ao longo da diagonal da face, que corresponde a família de direções <110>

  • Então, a direção <110> é a de maior empacotamento atômico para o sistema cfc

PLANOS DE MAIOR DENSIDADE ATÔMICA NO SISTEMA CFC

  • A família de planos {111} no sistema cfc é o de maior densidade atômica

Comparação: estrutura cristalina X Prop. Mecânicas

Como podemos aumentar a resistência de um material?

  • A partir da restrição do movimento das discordâncias, atraves dos seguintes mecânismos:

    • Adição de atomos estranhos no reticulado- ex. solução sólida
    • Encruamento- ex. deformação a frio
    • Diminuição do tamanho do grão – tratamento térmico

ALOTROPIA DO FERRO

  • -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 1390°C o ferro passa novamente para ccc.

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