Ligações químicas e estrutura dos materiais - UDESC · 5 Metalurgia Física Revisão Ciência...

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Disciplina : Metalurgia Física- MFIProfessores: Guilherme Ourique Verran - Dr. Eng. Metalúrgica

Aula 02 – Revisão de alguns conceitos fundamentais da Ciência dos Materiais

Conceitos fundamentais sobre estrutura atômica

- Composição atômica

- Número atômico

- Massa atômica

Caracterizam os elementos químicos

Metalurgia FísicaRevisão Ciência dos Materiais

Ligações químicas e estrutura dos materiais

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Comprimento de onda (nm)

Transições eletrônicas geram luz





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Ligações químicas primárias (entre átomos)



Iônica: forte e não direcional (grande diferença de eletronegatividade)

Metálica: fraca e não direcional (nenhuma diferença de eletronegatividade e elétrons não localizados). Os átomos se comportam como esferas.

Covalente: muito forte e direcional (pequena ou nenhuma diferença de eletronegatividade e elétrons não localizados). A direção da ligação é dada pela direção dos orbitais.

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Representação esquemática de diferentes ligações: a) metálica, b)iônica, c) covalente, d) Van der Waals.



Energia de Ligação

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Energia de ligação e a distância entre ions

Energia de Ligação Química


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Consequências de Energia de Ligação

Energia de Ligação e ponto de fusão de diferentes substâncias



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Estruturas Cristalinas

OS ÁTOMOS SE ARRANJAM NUM MODELO TRIDIMENSIONAL, ORDENADO E REPETIDO, FORMANDO ELEMENTOS ESTRUTURAISCHAMADOS DE CRISTAIS.

METAIS CRISTALIZAM-SE PORQUE SOLIDIFICAM

⇓

CRISTALINIDADE :


• O tamanho da célula unitária é determinado pelo parâmetro cristalino a (parâmetro de rede, parâmetro de célula ou parâmetro de reticulado)

Células unitárias

Apresentam ordenação de longo alcance(característica dos cristais) onde o modelo atômico é repetido indefinidamente

• A rede cristalina é subdividida em CÉLULAS UNITÁRIAS(pequenos volumes contendo todas as características do cristal inteiro).


Estruturas cristalinas

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(a)Vista esquemática assinalando os centros dos átomos.

b) Modelo das Esferas Rígidas

Estrutura CCC ⇒ Cúbica de Corpo Centrado



Estrutura CCC

• Num metal CCC, o parâmetro cristalino a está relacionado com o raio atômico R pela expressão:

(a ccc) metal = 4R / 31/2

• Fator de empacotamento atômico = volume dos átomos/ volume da célula unitária = 0,68



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• Cada Átomo é cercado por 08 Átomos.• 02 Átomos por Célula Unitária (01 no centro + 08 1/8 nos vértices)

Estrutura CCC

• Exemplos: Fe - W - Cr

Célula unitária Cúbica de Corpo Centrado



(b) Modelo das esferas rígidas.

Estrutura CFC ⇒ Cúbica de Faces Centradas

(a) Vista esquemática assinalando os centros do átomo,



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• Fator de Empacotamento Atômico = 0,74

Estrutura CFC

Célula unitária Cúbica de Faces Centradas

• 04 Átomos por Célula Unitária.



Sistemas Cristalinos

• Sistema Eixos Ângulos Axiais• Cúbico a1 = a2 = a3 Todos os ângulos = 900C• Tetragonal a1 = a2 ≠ c Todos os ângulos = 900C• Ortorrômbico a ≠ b ≠ c Todos os ângulos= 900C• Monoclínico a ≠ b ≠ c 2 ângulos = 900C 1 ângulo ≠ 900C• Triclínico a ≠ b ≠ c Todos os ângulos≠ 900C• Hexagonal a1 ≠ a2 = a3 ≠ c Ângulos = 900C e 1200C

• Romboédrico a1 = a2 = a3 Todos os ângulos =s , mas ≠ 900C



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Sistema: Cúbico

Eixos : a1 = a2 = a3


Angulos Axiais: Todos iguais a 900



Sistema: Tetragonal

Eixos : a1 = a2 ≠ c

Ângulos Axiais: Todos iguais a 900


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Sistema: Ortorrombico

Eixos : a≠ b ≠ c

Ângulos Axiais: Todos = 900



Sistema: Monoclínico


Ângulos Axiais: 2 ângulos = 900

e 1 ângulo≠ 900


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Sistema: Triclínico


Ângulos Axiais: Todos ≠ 900



Sistema: Hexagonal

Eixos : a1 ≠ a2 ≠ a3 ≠ c

Ângulos Axiais: 900 e 1200


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Sistema: Romboédrico

Eixos : a1 =a2 = a3

Ângulos Axiais:todos iguais mas ≠ 900


Direções Cristalinas em Cristais Cúbicos


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Planos Cristalinos em Cristais Cúbicos



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Os átomos de um elemento (Zn) substituem os de Cu na estrutura cristalina sem alterar o modelo cristalino.

Soluções Sólidas Substitucionais

(SSS)

DEFEITOS CRISTALINOS


Condições para formação de SSSextensas

• Elementos com a mesma estrutura cristalina e mesma valência.

• Os átomos devem apresentar raios atômicos muito próximos.

• Não apresentar diferença apreciável de eletronegatividade.


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Existe um limite de solubilidade sólida acima do qual ocorre a formação de uma nova fase.

Exemplo: Sistemas Cu-Ni e Cu-Al

Ni (ra= 0,125nm) Cu (ra= 0,128nm) Al (ra=0,143nm)

Ni e Cu apresentam altas

solubilidades sólidas entre si

Cu e Al apresentam solubilidade sólida limitada entre si.

⇓



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Sistema Cu-Ni

Solubilidade total no

estado sólido

Liga monofásica para qualquer

proporção entre os elementos Cu e NI


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L

α+L

α

Al →%Cu

5,65Cu 33Cu

α + CuAl2

T (0C)

5480C

6600C

Sistema Al-CuExiste um limite Máximo de Solubilide

sólida do Cu no Al

Liga pode ser mono ou bifásica em função de

variações nas proporções entre os elementos Cu e Al


L

α+L

α

Al →%Cu

5,65Cu 33Cu

α + CuAl2

T (0C)

5480C

6600C

Líquido

Primeiros cristais sólidos

Solidificação da última fração de líquido

Precipitação de uma segunda fase sólida


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Os átomos de um elemento (soluto) entram nos interstícios da rede cristalina do outro elemento (solvente).

Soluções Sólidas Intersticiais

(SSI)



• Existe um “buraco” relativamente grande no centro da célula unitária do Fe (CFC) no qual o C

entra formando uma SSI de Fe e C.

Exemplo de SSI: C em Fe (CFC) ⇒ acima de 9120C

• No Fe (CCC) os interstícios entre átomos são muito pequenos ⇒ a solubilidade do C no Fe (CCC) é muito pequena.


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Falta de um átomo no reticulado, devido empacotamento imperfeito ou

vibrações térmicas dos átomos a temperaturas elevadas.

Defeitos Pontuais

Lacunas Vazios ou Vacâncias

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Defeitos pontuais em cristais: (a) lacuna (b) bilacuna (c) lacuna de um par iônico (d) defeito intersticial (e) íon deslocado.

Vazios – Vacâncias - Lacunas


Tipo mais comum de defeito em linha num cristal.

Defeitos em Linha

Discordância

⇓

⇓

• Discordância em Hélice.

• Discordância em Espiral.


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Aumento de energia ao longo da linha.

Discordância em Aresta

Existência de uma aresta de um plano extra de átomos na estrutura cristalina

⇓

Formação de zonas de tração e compressão

⇓



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O vetor deslizamento b (distância deslocamento para os átomos que circundam a discordância) é paralelo ao defeito linear.

Discordância em Espiral



c) discordância em aresta onde a linha é perpendicular à direção do cisalhamento

Formação de discordância por

cisalhamento

a) a linha de discordância D se expande através do cristal até o final do deslocamento.

b) formação de discordância em espiral ondea linha é paralela à direção de cisalhamento


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Átomos da superfície possuem maior energia (estão menos ligados aos átomos internos)

Superfície: término daestrutura cristalina

⇓

Coordenação atômicadiferente dos átomos no

interior do cristal

⇓



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Contornos de GrãoUm metal puro apresenta

apenas uma fase, mas pode

ser constituído por vários

cristais com orientações

diferentes ⇒ GRÃOS

No interior ⇒ todas as células são arranjadas segundo um único modelo (orientação) No contorno há uma

zona de transição não alinhada



Representação Esquemática de 03 dendritas interconectadas

Formação de grãos a partir das dendritas

Durante a solidificação⇒ metal semi-sólido Estado sólido


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Defeitos Cristalinos

• Defeitos Pontuais: Vacâncias e Átomos Intersticiais

• Defeitos em Linhas : Discordâncias

• Defeitos em Planos : Defeitos de Empilhamento e Maclas

• Defeitos Volumétricos: Vazios, Bolhas de Gás e Cavidades



Vacância

Defeito de Empilhamento

Discordância

Vazio


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Junção tripla Contorno de Grão - Superfície



Microestrutura do Molibdênio Puro mostrando os grãos e seus contornos


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