Estrutura CM

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Departamento de Engenharia Mecânica. 
CM – Ciências dos Materiais 
Estrutura de Sólidos Cristalinos 
Aula 2 
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CM – Ciências dos Materiais 
Materiais sólidos podem ser classificados de acordo com a 
regularidade segundo a qual seus átomos ou íons estão arranjados 
um em relação ao outro. 
 
• Material Cristalino: os átomos estão situados em arranjos que se 
repetem ao longo de grandes distâncias atômicas; 
• Exemplos: Metais, diamante. 
 
• Material Não-Cristalino ou amorfo: não há ordenação espacial a 
longa distância; 
• Exemplos: Plástico, vidro. 
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 Várias propriedades de um sólido cristalino dependem da 
estrutura cristalina do material, ou seja, da maneira segundo a qual 
os átomos, íons ou moléculas estão arranjados espacialmente. 
 Existem um número extremamente grande de estruturas 
cristalinas diferentes, desde estruturas relativamente simples, como 
ocorre para os metais, até estruturas extremamente complexas 
(cerâmicas e polímeros). 
 Numa tentativa de descrever estas estruturas cristalinas, os 
átomos (ou íons) são considerados como se fossem esferas sólidas 
com diâmetro bem definidos (Modelo de esferas rígidas). 
 
Célula unitária de um cristal 
de sal (NaCl). 
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Células Unitárias 
 São pequenas entidades que se repetem. É escolhida para 
representar a simetria da estrutura cristalina, onde todas as 
posições dos átomos no cristal podem ser geradas mediante 
translações proporcionais às distâncias inteiras da célula unitária ao 
longo de cada uma de suas arestas. 
 Para os metais as três estruturas mais comumente 
encontradas são: 
• Estrutura Cristalina Cúbica de Faces Centradas (CFC) 
• Estrutura Cristalina Cúbica de Corpo Centrado (CCC) 
• Estrutura Cristalina Hexagonal Compacta (HC) 
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Raios Atômicos 
 
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Estrutura Cristalina Cúbica de Faces Centradas (CFC) 
 
a 
a 
a = 2 R √2 
Número de coordenação: 12 
Fator de empacotamento atômico: 0,74 
Exemplos: Alumínio, Chumbo, Cobre, Níquel, Ouro. 
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Estrutura Cristalina Cúbica de Corpo Centrado (CCC) 
 
a 
a 
a = 4 R / √3 
Número de coordenação: 8 
Fator de empacotamento atômico: 0,68 
Exemplos: Ferro (α), Cromo, Molibdênio, Tungstênio. 
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Estrutura Cristalina Hexagonal Compacta (HC) 
 
a 
a 
a/c = 1,633 
Número de coordenação: 12 
Fator de empacotamento atômico: 0,74 
Exemplos: Titânio (α), Zinco, Cobalto. 
c 
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Exercício 
 
 Mostre que o fator de empacotamento para uma célula 
cristalina CCC é 0,68. 
 
Célula Cristalina Cúbica de Corpo Centrado 
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Direções e Planos Cristalográficos 
 
 Foram estabelecidas convenções de identificação de plano e 
direção cristalográfica, este consiste de 3 números inteiros (também 
chamados de índices). 
 Para definição de direção se usa colchetes e para planos 
cristalográficos se usa parênteses. 
 
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Materiais Cristalinos e Não-Cristalinos 
 Monocristal é resultado de um arranjo periódico e repetido de átomos 
que se estende em toda uma totalidade da amostra. Existe na natureza e podem 
ser produzidos artificialmente, porém é complicado devido ao controle de 
parâmetros do processo. 
 
Materiais Policristalinos 
 A maioria dos sólidos cristalinos é composta por vários cristais pequenos 
ou grãos, tais materiais são chamados de policristalinos. 
 
Estágios de solidificação de um 
material policristalino 
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Sólidos Não-Cristalinos 
 Este tipo estrutura não possui um arranjo atômico regular e sistemático 
ao longo de distâncias atômicas relativamente grandes, podendo ser chamados 
também de materiais amorfos. 
 
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Imperfeições nos sólidos 
 Todos os materiais possuem grandes números de uma variedade de 
defeitos e imperfeições. Muitas das propriedades dos materiais são 
profundamente sensíveis a desvios. 
 
Defeitos Pontuais ou Puntiformes 
Lacunas e Átomos intersticiais 
 Consiste num sítio vago na estrutura cristalina onde habitualmente seria 
ocupado por um átomo. Todos os sólidos cristalinos contém lacunas. 
 
 
 
Onde: Nv: Número de vazios; 
 N: Número total de sítios atômicos; 
 Qv: Energia necessária para a formação de uma lacuna; 
 k: Constante de Boltzmann ou dos gases; 
 T: Temperatura absoluta, em kelvin. 
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Defeitos tipo lacuna e auto-intersticial 
 
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Impurezas nos sólidos 
 As impurezas sempre estarão presentes nos sólidos e em alguns casos 
estarão presentes como defeitos pontuais. Muitas vezes outros átomos são 
adicionados intencionalmente para conferir características específicas ao 
material. 
 A formação de ligas em metais é muito utilizada para aumentar a 
resistência mecânica e à corrosão. 
 A adição de átomos de impureza num metal irá resultar na formação de 
uma solução sólida e/ou de uma segunda fase, dependendo do tipo de impureza, 
de sua concentração e da temperatura da liga. 
 
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Impurezas nos sólidos 
 
 Existem várias características dos átomos do soluto e do solvente que 
determinam o grau segundo o qual o primeiro se dissolve no segundo. Existem 
algumas regras para formação de solução sólida substitucional: 
1. Fator do tamanho atômico: Diferença dos raios atômicos menor que 15%; 
2. Estrutura Cristalina: Mesma estrutura cristalina para uma solubilidade 
apreciável; 
3. Eletronegatividade: Quanto maior for a diferença de eletronegatividade 
maior será a tendência a estes formarem um composto intermetálico em 
lugar de uma solução sólida substitucional; 
4. Valências: Um metal terá maior tendência de dissolver um outro metal de 
maior valência que um de menor valência. 
 
 
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Soluções sólidas intersticiais 
CFC CCC 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Os átomos intersticiais causam grande distorção na rede cristalina. 
Eles causam acentuadas expansão no parâmetro de rede. O seu efeito nas 
propriedades mecânicas é também muito maior que o efeito dos átomos 
substitucionais, para a mesma concentração. 
 As soluções sólidas intersticiais são em geral mais diluídas que as 
soluções sólidas substitucionais. Raramente são encontradas soluções sólidas 
com mais de 10% (em átomos) de soluto intersticial. 
 
 
 
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Principais elementos de liga do aço (ferro). As concentrações são 
dadas em % em peso. 
 
 
 
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Defeitos Lineares - Discordâncias 
 
 É um defeito linear ou unidimensional em torno do qual alguns átomos 
estão desalinhados. 
 
 
 
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Defeitos Lineares - Discordâncias 
 
 A discordância é a fronteira entre a parte do cristal que deslizou ou 
escorregou e a parte que ainda não escorregou, conforme ilustra a figura abaixo. 
Ela não pode terminar no interior do cristal. 
 Agora podemos afirmar que a deformação plástica ocorre pelo 
movimento de discordâncias “varrendo” os planos de escorregamento. O 
movimento das discordâncias envolve o rearranjo de apenas alguns átomos ao 
seu redor. Os planos de escorregamento, isto é, os planos onde as discordâncias 
se movimentam, são normalmente aqueles de maior densidade atômica. 
 
 
 
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Defeitos Lineares - Discordâncias 
 
 A deformação plástica é enormemente facilitada por meio da movimentação 
de discordâncias, duas possibilidades decorrem imediatamente para aumentar a 
resistência mecânica de um material: 
 • reduzir drasticamente a densidade de discordâncias do material, se 
possível eliminando-as e 
 • dificultar o movimento das discordâncias. 
 Para dificultar o movimento das discordâncias os seguintes obstáculos ou 
mecanismos de endurecimento são utilizados: 
 • outras discordâncias (endurecimento por deformação ou encruamento); 
 • átomos de soluto (endurecimento por solução sólida); 
 • precipitados coerentes com a matriz (endurecimento por precipitação); 
 • partículas incoerentes com a matriz (endurecimento por dispersão) e 
 • contornos de grão e de subgrão (endurecimento por refino de grão). 
 
 
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Defeitos Lineares – Contornos de Grão 
 
 É um defeito interfacial que separam dois grãos ou cristais que possuem 
orientações cristalográficas distintas em materiais policristalinos. Na região do 
contorno de grão, equivalente à distância de alguns átomos, existem alguns 
desencontros atômicos na transição da orientação cristalina de um grão para 
aquela de outro grão adjacente. 
 
 
 
 
Contorno de Grão 
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Difusão no estado sólido 
 
 Numerosos fenômenos em ciência dos materiais ocorrem mais 
rapidamente quando a temperatura é aumentada. Em muitos casos, a 
dependência da velocidade de reação ou transformação (V) segue uma equação 
do tipo Arrhenius (1859-1927): 
 
 
 
 
 
 
 Acima de 0 K, os átomos vibram em torno das suas posições de equilíbrio 
no reticulado e, além disto, trocam frequentemente de posição entre si. Este 
último fenômeno é denominado autodifusão. 
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Difusão no estado sólido 
 
Mecanismos de difusão em um metal 
 
 
 
 
 
Coeficiente de difusão 
 
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Difusão no estado sólido