Ligações químicas e estrutura dos materiais

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Mafalda Cruz Diegues
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Materiais Ligações químicas e estrutura dos materiais Conceitos fundamentais sobre

1 Disciplina : - MFI Professores: Guilherme Ourique Verran - Dr. Eng. Metalúrgica Aula 02 Revisão de alguns conceitos fundamentais da Ciência dos Materiais Ligações químicas e estrutura dos materiais Conceitos fundamentais sobre estrutura atômica - Composição atômica - Número atômico - Massa atômica Caracterizam os elementos químicos 1

2 Ligações químicas e estrutura dos materiais Transições eletrônicas geram luz Comprimento de onda (nm) Ligações químicas e estrutura dos materiais 2

3 Ligações químicas e estrutura dos materiais Ligações químicas e estrutura dos materiais 3

4 Ligações químicas e estrutura dos materiais Ligações químicas e estrutura dos materiais 4

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

5 Ligações químicas e estrutura dos materiais Ligações químicas e estrutura dos materiais 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. 5

6 Ligações químicas e estrutura dos materiais Representação esquemática de diferentes ligações: a) metálica, b)iônica, c) covalente, d) Van der Waals. Ligações químicas e estrutura dos materiais Energia de Ligação 6

7 Energia de ligação e a distância entre ions Ligações químicas e estrutura dos materiais Energia de Ligação Química Ligações químicas e estrutura dos materiais 7

8 Ligações químicas e estrutura dos materiais Consequências de Energia de Ligação Ligações químicas e estrutura dos materiais Energia de Ligação e ponto de fusão de diferentes substâncias 8

Estruturas Cristalinas CRISTALINIDADE: METAIS CRISTALIZAM-SE PORQUE SOLIDIFICAM OS ÁTOMOS SE ARRANJAM NUM MODELO TRIDIMENSIONAL, ORDENADO E REPETIDO,

Estruturas cristalinas Células unitárias Apresentam ordenação de longo alcance (característica dos cristais) onde o modelo atômico é repetido

9 Estruturas Cristalinas CRISTALINIDADE: METAIS CRISTALIZAM-SE PORQUE SOLIDIFICAM OS ÁTOMOS SE ARRANJAM NUM MODELO TRIDIMENSIONAL, ORDENADO E REPETIDO, FORMANDO ELEMENTOS ESTRUTURAIS CHAMADOS DE CRISTAIS. Estruturas cristalinas 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). O tamanho da célula unitária é determinado pelo parâmetro cristalino a (parâmetro de rede, parâmetro de célula ou parâmetro de reticulado) 9

10 Estruturas cristalinas Estrutura CCC Cúbica de Corpo Centrado (a)vista esquemática assinalando os centros dos átomos. b) Modelo das Esferas Rígidas Estruturas cristalinas Estrutura CCC Num metal CCC, o parâmetro cristalino a está relacionado com o raio atômico R pela expressão: (a ccc ) metal = 4R / 3 1/2 Fator de empacotamento atômico = volume dos átomos/ volume da célula unitária = 0,68 10

11 Estruturas cristalinas Estrutura CCC Célula unitária Cúbica de Corpo Centrado Cada Átomo é cercado por 08 Átomos. 02 Átomos por Célula Unitária (01 no centro /8 nos vértices) Exemplos: Fe - W - Cr Estruturas cristalinas Estrutura CFC Cúbica de Faces Centradas (a) Vista esquemática assinalando os centros do átomo, (b) Modelo das esferas rígidas. 11

12 Estruturas cristalinas Estrutura CFC Célula unitária Cúbica de Faces Centradas 04 Átomos por Célula Unitária. Fator de Empacotamento Atômico = 0,74 Estruturas cristalinas Sistemas Cristalinos Sistema Eixos Ângulos Axiais Cúbico a 1 = a 2 = a 3 Todos os ângulos = 90 0 C Tetragonal a 1 = a 2 c Todos os ângulos = 90 0 C Ortorrômbico a b c Todos os ângulos = 90 0 C Monoclínico a b c 2 ângulos = 90 0 C 1 ângulo 90 0 C Triclínico a b c Todos os ângulos 90 0 C Hexagonal a 1 a 2 = a 3 c Ângulos = 90 0 C e C Romboédrico a 1 = a 2 = a 3 Todos os ângulos =s, mas 90 0 C 12

13 Sistemas Cristalinos Sistema: Cúbico Eixos : a 1 = a 2 = a 3 Angulos Axiais: Todos iguais a 90 0 Sistema: Tetragonal Sistemas Cristalinos Eixos : a 1 = a 2 c Ângulos Axiais: Todos iguais a

14 Sistemas Cristalinos Sistema: Ortorrombico Eixos : a b c Ângulos Axiais: Todos = 90 0 Sistemas Cristalinos Sistema: Monoclínico Eixos : a b c Ângulos Axiais: 2 ângulos = 90 0 e 1 ângulo

15 Sistemas Cristalinos Sistema: Triclínico Eixos : a b c Ângulos Axiais: Todos 90 0 Sistemas Cristalinos Sistema: Hexagonal Eixos : a 1 a 2 a 3 c Ângulos Axiais: 90 0 e

16 Sistemas Cristalinos Sistema: Romboédrico Eixos : a 1 =a 2 = a 3 Ângulos Axiais: todos iguais mas 90 0 Direções Cristalinas em Cristais Cúbicos 16

17 Planos Cristalinos em Cristais Cúbicos 17

DEFEITOS CRISTALINOS Soluções Sólidas Substitucionais (SSS) Os átomos de um elemento (Zn) substituem os de Cu na estrutura cristalina sem alterar o modelo cristalino.

18 DEFEITOS CRISTALINOS Soluções Sólidas Substitucionais (SSS) Os átomos de um elemento (Zn) substituem os de Cu na estrutura cristalina sem alterar o modelo cristalino. Condições para formação de SSS extensas Os átomos devem apresentar raios atômicos muito próximos. Elementos com a mesma estrutura cristalina e mesma valência. Não apresentar diferença apreciável de eletronegatividade. 18

19 Exemplo: Sistemas Cu-Ni e Cu-Al Ni (r a = 0,125nm) Cu (r a = 0,128nm) Al (r a =0,143nm) Ni e Cu apresentam altas solubilidades sólidas entre si Cu e Al apresentam solubilidade sólida limitada entre si. Existe um limite de solubilidade sólida acima do qual ocorre a formação de uma nova fase. 19

20 Sistema Cu-Ni Liga monofásica para qualquer proporção entre os elementos Cu e NI Solubilidade total no estado sólido 20

21 Existe um limite Máximo de Solubilide sólida do Cu no Al T ( 0 C) Sistema Al-Cu C L Liga pode ser mono ou bifásica em função de variações nas proporções entre os elementos Cu e Al Al α α+l 5,65Cu C α + CuAl 2 %Cu 33Cu Solidificação da última fração de líquido Precipitação de uma segunda fase sólida T ( 0 C) C α Líquido Primeiros cristais sólidos L α+l C 5,65Cu 33Cu α + CuAl 2 Al %Cu 21

DEFEITOS CRISTALINOS Soluções Sólidas Intersticiais (SSI) Os átomos de um elemento (soluto) entram nos interstícios da rede cristalina do outro elemento (solvente).

22 DEFEITOS CRISTALINOS Soluções Sólidas Intersticiais (SSI) Os átomos de um elemento (soluto) entram nos interstícios da rede cristalina do outro elemento (solvente). Exemplo de SSI: C em Fe (CFC) acima de C 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. No Fe (CCC) os interstícios entre átomos são muito pequenos a solubilidade do C no Fe (CCC) é muito pequena. 22

23 DEFEITOS CRISTALINOS Defeitos Pontuais Lacunas Vazios ou Vacâncias Falta de um átomo no reticulado, devido empacotamento imperfeito ou vibrações térmicas dos átomos a temperaturas elevadas. 23

24 Vazios Vacâncias - Lacunas Defeitos pontuais em cristais: (a) lacuna (b) bilacuna (c) lacuna de um par iônico (d) defeito intersticial (e) íon deslocado. Defeitos em Linha Discordância Tipo mais comum de defeito em linha num cristal. Discordância em Hélice. Discordância em Espiral. 24

25 Discordância em Aresta Existência de uma aresta de um plano extra de átomos na estrutura cristalina Formação de zonas de tração e compressão DEFEITOS CRISTALINOS Aumento de energia ao longo da linha. 25

26 DEFEITOS CRISTALINOS Discordância em Espiral O vetor deslizamento b (distância deslocamento para os átomos que circundam a discordância) é paralelo ao defeito linear. 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 onde a linha é paralela à direção de cisalhamento c) discordância em aresta onde a linha é perpendicular à direção do cisalhamento 26

27 27

28 Superfície: término da estrutura cristalina Coordenação atômica diferente dos átomos no interior do cristal DEFEITOS CRISTALINOS Átomos da superfície possuem maior energia (estão menos ligados aos átomos internos) 28

Contornos de Grão Um metal puro apresenta apenas uma fase, mas pode ser

CRISTALINOS No interior todas as células são arranjadas segundo um único

Representação Esquemática de 03 dendritas interconectadas Formação de

29 Contornos de Grão Um metal puro apresenta apenas uma fase, mas pode ser constituído por vários cristais com orientações diferentes GRÃOS DEFEITOS CRISTALINOS 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 29

Defeitos Cristalinos Defeitos Pontuais : Vacâncias e Átomos Intersticiais Defeitos em Linhas : Discordâncias Defeitos em Planos : Defeitos de

30 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 Defeitos Cristalinos Vacância Discordância Defeito de Empilhamento Vazio 30

31 Junção tripla Contorno de Grão - Superfície Defeitos Cristalinos Microestrutura do Molibdênio Puro mostrando os grãos e seus contornos 31

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