CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS

ARRANJOS ATÔMICOS E ESTRUTURA (MICROESTRUTURA) DOS MATERIAIS

Profª MSc. Régia Avancini

ARRANJOS ATÔMICOS

Os arranjos atômicos, que propiciam a formação dos materiais, podem ser de três tipos básicos, gerando, então, três classes estruturais principais:

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Estruturas moleculares = materiais moleculares

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Estruturas cristalinas = materiais cristalinos

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Estruturas amorfas = materiais amorfos

Estrutura Molecular

Arranjos atômicos – estrutura dos materiais

Estrutura molecular

A estrutura molecular pode ser genericamente caracterizada por um agrupamento de átomos;

Existem grupos limitados de átomos fortemente ligados entre si, formando moléculas, e essas moléculas se ligam entre si por meio de ligações secundárias.

Materiais típicos com estrutura molecular

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Gases: O_{2 ,} N_{2 ,} CO₂

Água: H₂O

Ácido nítrico: (HNO₃ )

Materiais betuminosos

Polímeros (em geral)

Estrutura molecular�Característica principal dos materiais de estrutura molecular

Apresentam forças de atração intramoleculares (ligações quimicas interatômicas – na grande maioria covalentes) muito fortes, ao passo que as ligações intermoleculares são do tipo forças de van der Waals (muito fracas).

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Estrutura cristalina

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A estrutura cristalina é caracterizada quando existe uma organização na disposição espacial dos átomos que constituem determinado arranjo atômico.

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Há uma regularidade estrutural, com a repetição, nas três dimensões, de uma unidade básica, chamada de célula unitária.

ESTRUTURA CRISTALINA

Cristalinidade:

O conceito de cristalinidade se aplica à estrutura interna de um material cujo arranjo atômico gera um modelo tridimensional ordenado e repetitivo.

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Há, dessa forma, uma regularidade na estrutura interna do material, com a repetição, nas três dimensões, de uma unidade básica, chamada de célula unitária.

CÉLULA UNITÁRIA

Célula Unitária é uma subdivisão do reticulado cristalino, na qual são mantidas as características gerais de todo o reticulado. Em outras palavras, trata-se de um pequeno volume (a unidade básica) que contém todas as características encontradas no cristal como um todo.

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CÉLULA UNITÁRIA

Ilustração esquemática de um reticulado cristalino com o destaque para a célula unitária (região em azul)

ASKELAND, 1998).

SISTEMAS CRISTALINOS

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Arranjo atômico ordenado e regular permitindo que configurações atômicas gerem reticulados cuja unidade básica forme uma figura geométrica geométrica.

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SETE SISTEMAS CRISTALINOS

SISTEMAS CRISTALINOS

SISTEMAS CRISTALINOS

Sistemas e reticulados cristalinos

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Os 7 diferentes sistemas cristalinos possuem variações de sua configuração básica, de modo que mais 7 possibilidades de configuração atômica se somam às 7 opções básicas (vistas

anteriormente), gerando então 14 tipos Possíveis de reticulados cristalinos, aos quais se dá o nome de reticulados de Bravais.

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RETICULADOS DE BRAVAIS

PLANOS CRISTALINOS

Direções de planos cristalinos:

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A descrição mais completa da estrutura cristalina passa pela identificação das direções e dos planos no cristal, o que se faz por meio de um sistema de eixos cartesianos aplicados na célula unitária.

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Descrição das direções no cristal

Descrição das direções no cristal, utilizando-se como exemplo um reticulado ortorrômbico simples (VAN VLACK, 1970).

Arranjos atômicos – estrutura dos materiais�• Ilustrações esquemáticas dos planos:

Ilustrações esquemáticas dos planos (regiões sombreadas em vermelho), respectivamente partes (a) e (b) da figura, para o sistema cristalino cúbico simples (adaptada de VAN VLACK, 1970).

Alotropia e Polimorfismo

Polimorfismo: fenômeno no qual um sólido (metálico ou não metálico) pode apresentar mais de uma estrutura cristalina, dependendo da temperatura e da pressão.

Exemplo: a sílica (SiO₂) como quartzo, cristobalita e tridimita.

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Quartzo (a) Cristobalita e Tridimita (b)

SÍLICA

ALOTROPIA CRISTALINA

Alotropia: polimorfismo em elementos puros.

Exemplos: o diamante e o grafite são constituídos por átomos de carbono arranjados em diferentes estruturas cristalinas; o ferro com as variações de sua estrutura entre o sistema cúbico de corpo centrado (ccc) e cúbico de faces centradas (cfc).

DIAMANTE E GRAFITE

(a) Diamante (b) Grafite

FORMAS ALOTRÓPICAS DO FERRO

Alguns exemplos significativos de alotropia cristalina:

• Ferro: Fe (CCC) → 910ºC Fe (CFC) → 1400 C Fe (CCC)
• Titânio: Ti (HC) → 880ºC Ti (CCC)
• Zircinio: Zr (HC) → 860ºC Zr (CCC)
• Urânio: U (orto) → 775ºC U (CCC)
• Cobalto: Co (HC) → 417ºC Co (CFC)
• Estanho: Sn (diam) → 15ºC Sn (tetra)

Materiais típicos de estrutura cristalina:

• Alguns exemplos:

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O ferro e os aços de construção: são exemplos clássicos de materiais cristalinos, que se alternam entre as formas alotrópicas estruturais cúbicas de corpo centrado (ccc) – em temperatura ambiente – e de face centrada (cfc);

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• A areia natural: constituída essencialmente de sílica em sua forma cristalina, que é o quartzo de estrutura trigonal (romboédrica), a areia constitui um exemplo de material natural cristalino;

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• Os compostos principais do cimento Portland, assim como seus derivados hidratados: em geral, são fases cristalinas - silicatos de cálcio anidros C3S e C2S; as fases aluminato e ferroaluminato C3A e C4AF; compostos hidratados da pasta de cimento - o hidróxido de cálcio, a etringita, o monossulfato, e alguns tipos de C – S – H.

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).
• Conceito de “amorfismo”: diz respeito a uma estrutura interna “sem forma”. Se aplicado aos materiais em geral, em suas diversas configurações atômicas, são amorfos:

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• os gases;
• os líquidos;
• os sólidos não-cristalinos (amorfos) como o vidro

FASES DOS MATERIAIS

• Fase : 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;

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• •Material unifásico e homogêneo: material que possui como um todo um mesmo arranjo atômico;

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• •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.

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Fases impuras

• soluções sólidas ou estruturas de cristais mistos:
• Fases impuras pressupõem a formação 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 IMPURAS

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• 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 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 (modelo de descrição planar, sendo os átomos de zinco os círculos escuros e os átomos de cobre os círculos claros) (VAN VLACK, 1970).

IMPERFEIÇÕES OU DEFEITOS

IMPERFEIÇÕES OU DEFEITOS MICROESTRUTURAIS

IMPERFEIÇÕES OU DEFEITOS MICROESTRUTURAIS

EXPERIMENTO

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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS

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