UNIVERSIDA ESTADUAL DA PARABA CENTRO DE CINCIAS, TECNOLOGIA E SADE (CCTS) CURSO: ENGENHARIA CIVIL ESTRUTURAS DOS METAIS E DAS CERMICAS DANIEL BARACUY DA CUNHA CAMPOS

INTRODUO Porque estudar as estruturas dos Metais e das Cermicas?

As propriedades de alguns materiais esto diretamente relacionadas s suas estruturas cristalinas;

Ex: Grafita e Diamante;

Diferenas significativas nas propriedades apresentadas por materiais cristalinos e no-cristalinos com uma mesma composio

INTRODUO Slidos Cristalinos Estrutura Cristalina Clula Unitria;

Materias Monocristalinos, Policristalinos e No-Cristalinos.

Material Cristalino : aquele em que os tomos esto situados de acordo com uma matriz que se repete, ao longo de grandes distncias atmicas formando uma estrutura tridimensional Rede Cristalina;

Todos os metais, muitas cermicas e alguns polmeros formam estruturas cristalinas sob condies normais de solidificao ;

Materiais que no se cristalizam Ausncia de ordem atmica de longo alcande - Amorfos

Estruturas Cristalinas

As propriedades dos slidos cristalinos dependem da estrutura cristalina do material;

H um nmero grande de diferentes estruturas cristalinas, desde estruturas simples exibidas pelos metais at estruturas mais complexas exibidas pelos cermicos e polmeros;

Ao descrever as estruturas cristalinas, os tomos so considerados como se fossem esferas slidas com dimetros bem conhecidos Modelo da esfera rgida atmica

Estruturas Cristalinas

A ordenao dos tomos nos slidos cristalinos indica que pequenos grupos de tomos formam um padro repetitivo;

Para a maioria da estruturas cristalinas, as clulas unitrias consistem em : Paraleleppedos ou prismas com trs conjuntos de faces paralelas;

Clulas Unitrias

Ligao Metlica No Direcional;

Ento, a estrutura cristalina dos metais tm geralmente um nmero grande de vizinhos e alto empacotamento atmico;

Trs so as estruturas cristalinas mais comuns em metais: Cbica de corpo centrado, cbica de face centrada e hexagonal compacta;

O sistema Cbico divido em trs tipos: Cbico simples, cbico de corpo centrado e cbico de face centrada.

Estrutura Cristalina dos Metais

Sistema Cbico Simples

Parmetro de redeApenas 1/8 de cada tomo cai dentro da clula unitria, ou seja, a clula unitria contm apenas 1 tomo;

Essa a razo que os metais no cristalizam na estrutura cbica simples (devido ao baixo empacotamento atmico)

Nmero de coordenao : Corresponde ao nmero de tomos vizinhos mais prximosPara a estrutura cbica simples o nmero de coordenao 6.

vNmero de Coordenao (CS)

No sistema cbico simples os tomos se tocam na face

a= 2 RRelao entre o raio atmico e o parmetro de rede

Fator de Empacotamento Atmico para ( CS)Fator de empacotamento= (Nmero de tomos x Volume dos tomos) /Volume da clula unitriaVol. dos tomos=nmero de tomos x Vol. Esfera (4R3/3)Vol. Da clula=Vol. Cubo = a3 Fator de empacotamento = (4R3/3)/(2R3)

O Fator de empacotamento atmico para estrutura CS 0,52

Estrutura Cbica de Faces Centradas (CFC) Geometria cbica, com os tomos localizados em cada um dos vrtices e nos centros de todas as faces do cubo;

Metais mais comum: Cu, Al, Ag, Au;

As esferas ou ncleos inicos se tocam umas s outras ao longo de uma diagonal da face; O comprimento da aresta do cubo a e o raio atmico R esto relacionados atravs da expresso:

acfc = 4R/(2)1/2 =2R . (2)1/2

Estrutura Cbica de Faces Centradas (CFC) Na estrutura cfc cada tomo dos vertices do cubo dividido com 8 clulas unittias;

J os tomos das faces pertencem somente a duas clulas unitrias;

H 4 tomos por clula unitria na estrutura cfc

Nmero de Coordenao (CFC) Nmero de coordenao corresponde ao nmero de tomos vizinhos mais prximo;

Para a estrutura cfc o nmero de coordenao 12;

acfc = 4R/(2)1/2 =2R . (2)1/2Demonstre

Fator de Empacotamento (CFC)O FATOR DE EMPACOTAMENTO PARA A EST. CFC O,74

Demonstre que o fator de empacotamento da estrutura CFC 0,74.Fator de empacotamento= (Nmero de tomos x Volume dos tomos) /Volume da clula unitria

Estrutura Cbica de Corpo Centrado(CCC) Todos os oito vrtices e um nico outro tomo localizado no centro do cubo;

Na estrutura ccc cada tomo dos vertices do cubo dividido com 8 clulas unitrias;

J o tomo do centro pertence somente a sua clula unitria;

Cada tomo de uma estrutura ccc cercado por 8 tomos adjacentes;

H 2 tomos por clula unitria na estrutura ccc

O Fe, Cr, W cristalizam em ccc.

Estrutura Cbica de Corpo Centrado(CCC) O parmetro de rede e o raio esto atmico esto relacionados neste sistema por; accc= 4R /(3)1/2

Nmero de Coordenao (CCC) Para a estrutura ccc o nmero de coordenao 8;

1/8 de tomo1 tomo inteiro

Fator de Empacotamento (CCC)O FATOR DE EMPACOTAMENTO PARA A EST. CC O,68 : DemonstreFator de empacotamento= (Nmero de tomos x Volume dos tomos) /Volume da clula unitria

Sistema Hexagonal Compacta (HC) Nem todos os metais possuem clulas unitrias com simetria cbica;

As face superior e inferior da clula unitria so compostas por seis tomos que formam hexgonos regulares e que se encontram ao redor de um nico tomo central;

Ex: Mg e Zn

Sistema Hexagonal Compacta (HC) Cada tomo tangencia 3 tomos da camada de cima, 6 tomos no seu prprio plano e 3 na camada de baixo do seu plano;

O nmero de coordenao para a estrutura HC 12 e, portanto, o fator de empacotamento o mesmo da cfc, ou seja, 0,74.;

Ex: Mg e ZnRelao entre R e a :a=2R

Sistema Hexagonal Compacta (HC)

Raio Atmico e Sistema Cristalino de Alguns Metais

Os Sete Sistemas Cristalinos

As 14 Redes de BravaisDos 7 sistemas cristalinos podemos identificar 14 tipos diferentes de clulas unitrias, conhecidas com redes de Bravais. Cada uma destas clulas unitrias tem certas caractersticas que ajudam a diferenci-las das outras clulas unitrias. Alm do mais, estas caractersticas tambm auxiliam na definio das propriedades de um material particular.

Clculo da Densidade O conhecimento da estrutura cristalina de um slido metlico permite o clculo da sua densidade terica: n= nmero de tomos da clula unitriaA= peso atmicoVc= Volume da clula unitriaNA= Nmero de Avogadro (6,02 x 1023 tomos/mol)

Exemplo O Cobre tm raio atmico de 0,128nm (1,28 ), uma estrutura cfc, um peso atmico de 63,5 g/mol. Calcule a densidade do cobre.

Resposta: 8,89 g/cm3Valor da densidade medida= 8,94 g/cm3

Polimorfismo ou Alotropia Alguns metais e no-metais podem ter mais de uma estrutura cristalina dependendo da temperatura e presso. Esse fenmeno conhecido como polimorfismo;

Geralmente as transformaes polimorficas so acompanhadas de mudanas na densidade e mudanas de outras propriedades fsicas;

Exemplos : Fe, Ti, C, etc

Alotropia do Ferro Na temperatura ambiente, o Ferro tm estrutura ccc, nmero de coordenao 8, fator de empacotamento de 0,68 e um raio atmico de 1,241;

A 910C, o Ferro passa para estrutura cfc, nmero de coordenao 12, fator de empacotamento de 0,74 e um raio atmico de 1,292.

A 1394C o ferro passa novamente para ccc.

Alotropia do TitnioFase

Existe at 883CApresenta estrutura hexagonal compacta mole

Fase

Existe a partir de 883CApresenta estrutura ccc dura

Estruturas Cristalinas das Cermicas

Cermicas so compostas por pelo menos dois elementos Estruturas cristalinas so, em geral, mais complexas do que os metais;

Ligao puramente inica Totalmente Covalente Combinao dos dois tipos;

Estruturas Cristalinas das Cermicas

Ligao predominantemente inica Estruturas cristalinas compostas por ons eletricamente carregados, e no por tomos;

Ctions e os nions;

Influncia na estrutura do cristal: Magnitude da carga eltrica e tamanho relativos dos ctions e dos nions;

As cargas devem ser eletricamente neutra e todas as cargas positivas dos ctions devem ser contrabalanceadas por um nmero igual de cargas negativas.

Exemplo: Fluoreto de Clcio

Estruturas Cristalinas das Cermicas

O tamanho ou raios inicos dos ctions e dos nions, rc e ra Os ctions cedem eltrons Menores que os nions rc/ra

Mostrar que a razo mnima entre os raios do ction e do nion para um nmero de coordenao 3 de 0,155

Estruturas Cristalinas do Tipo AX Alguns materiais cermicos comuns so aqueles em que nmero iguais de ctions e de nions.

A Ctions e X nion;

Estrutura do Sal-Gema:

Estrutura Cristalina AX mais comum , Cloreto de Sdio ( Sal-Gema );

RNa / RCl =1,02/1,81 = 0,5635 NC=6;

Uma clula unitria para essa estrutura cristalina gerada a partir de um arranjo do tipo CFC para os nions, com um ction situado no centro do cubo e um ction localizado no centro de cada uma das 12 arestas do cubo.

Exemplos de materiais Cermicos : NaCl, MgO, Mns, LiF e FeO

Estrutura do Cloreto de Csio

CsCl: RCs/RCl = 1,70/1,81= 0,939 NC=8;

Os nions esto localizados em cada um dos vrtices de um cubo, enquanto o centro do cubo contm um nico ction;

No estrutura CCC ons de dois tipos diferentes

Estrutura da Blenda de Zinco

ZnS RZn/RS= 0,75/1,84= 0,407 NC=4;

Todos os vrtices e todas as posies nas faces da clula cbica esto ocupados por tomos de S, enquanto os tomos de Zn preenchem posies tetradricas no interior do cubo

Estruturas Cristalinas do Tipo AmXp

Se as cargas dos ctions e dos nions no forem as mesmas, poder existir um composto com a frmula qumica AmXp ,onde m e/ou p 1.

RCa/RF = 1,00/1,33 =0,75 NC=8;

Tipo Fluorita (CaF2);

Os ons de clcio esto posicionados nos centros de cubos, enquanto os ons flor esto localizados nos vrtices.

Estruturas Cristalinas do Tipo AmXp

Se as cargas dos ctions e dos nions no forem as mesmas, poder existir um composto com a frmula qumica AmXp ,onde m e/ou p 1.

RCa/RF = 1,00/1,33 =0,75 NC=8;

Tipo Fluorita (CaF2);

Os ons de clcio esto posicionados nos centros de cubos, enquanto os ons flor esto localizados nos vrtices.

Estruturas Cristalinas do Tipo AmBnXp

Compostos Cermicos que possuem mais de que um tipo de ction

Cermicas base de Silicatos

Muitos materiais cermicos, principalmente do grupo dos tradicionais contm silicato, pois so abundantes e baratos;

Si e O Dois elementos mais abundantes na crosta terrestre Maior parte dos solos, rochas, argilas e areia;

A unidade bsica dos silicatos o tetraedro SiO4-4 no qual um tomo de silcio cercado por quatro oxignios cada um com um eltron disponvel para realizar ligaes qumicas;

Slica

Material mais simples base de silicatos o dixido de silcio;

Existem trs formas cristalinas polimrficas : quartzo, cristobalita e tridimita;

A unidade bsica dos silicatos o tetraedro SiO4-4 no qual um tomo de silcio cercado por quatro oxignios cada um com um eltron disponvel para realizar ligaes qumicas;

As slicas cristalinas possuem densidades relativamente baixas, quartzo = 2,65g/mL.

Cristobalita

Silicatos em Camadas

Um dos minerais argilosos mais comuns, a caolinita, possui uma estrutura laminar de silicatos com duas camadas relativamente simples.

A argila caolinita Al2(Si2O5)(OH)4

Materiais Cristalinos e No - Cristalinos

Para um slido cristalino, quando o arranjo peridico e repetido dos tomos perfeito Monocristal;

A maioria dos slidos cristalinos composta por um conjunto de muitos cristais pequenos ou gros Policristalinos;

Existem alguns desencontros dos tomos dentro da regio onde dois gros se encontram Contorno de gro.

ANISOTROPIA

As propriedades fsicas dos monocristais de algumas substncias dependem da direo cristalogrfica em que as medies so feitas;

Ex: Mdulo de Elasticidade, condutividade eltrica e o ndice de refrao podem ter valores diferentes na direes [100] e [111] ANISOTROPIA;

Propriedades medidas independentes da direo de medio ISOTRPICOS;

O grau de anisotropia aumenta em funo da diminuio da simetria estrutural Triclnicas.

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