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Arranjos atômicos
Profª Janaína Araújo
Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
• 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).
Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
• Conceito de “amorfismo”: diz respeito a uma
estrutura interna “sem forma”. Se aplicado
aos materiais em geral, em suas diversas
configurações atômicas, são amorfos:– os gases;
– os líquidos;
– os sólidos não-cristalinos, como o vidro.
• Diferentes arranjos atômicos de materiais:
a) gás inerte, sem nenhum
ordenamento regular de
átomos (estrutura amorfa);
b) e c) vapor de água e
estrutura do vidro, com
ordem em pequenas
distâncias (estruturas
amorfas);
d) metal, com um
ordenamento regular de
átomos que se estende por
todo o material (estrutura
cristalina) (ASKELAND,
1998).
Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
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;
• Material unifásico e homogêneo:– Material que possui como um todo um mesmo
arranjo atômico;
Fases dos materiais
• 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.
• Fases impuras:– soluções sólidas ou estruturas de cristais mistos:
– Fases impuras pressupõem aformação 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 dos materiais
• 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 dos materiais
• Fases impuras: soluções sólidas ou estruturas
de cristais mistos
• Solução sólida substitucional:
– Ocorre quando o átomo do soluto tem dimensões e
estruturas eletrônicas semelhantes ao átomo do
solvente. Dessa forma, podem ocorrer
substituições de alguns átomos da matriz do
solvente por átomos “semelhantes” do soluto,
formando-se uma solução sólida substitucional.
Fases dos materiais
• Fases impuras – exemplo de solução sólida em metal do tipo substitucional:
Fases dos materiais
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 (VAN VLACK, 1970)
• Fases impuras : soluções sólidas ou estruturas de
cristais mistos
• Solução sólida intersticial:– Ocorre quando a dissolução se dá não por substituição
entre átomos, mas sim pela inserção de novos átomos
do soluto em interstícios ou espaços entre átomos do
solvente.
– Assim os átomos a serem inseridos devem ter devem
ter dimensões iguais ou inferiores aos interstícios entre
os átomos do solvente.
Fases dos materiais
• Fases impuras – exemplo de solução sólida em metal do tipo intersticial:
Fases dos materiais
Solução de carbono na austenita CFC. O maior insterticio no ferro γ tem quase o tamanho de um átomo de carbono, favorecendo o estabelecimento
de uma solução sólida intersticial (VAN VLACK, 1984)
• Fases impuras – exemplo de solução sólida em metal do tipo intersticial:
Fases dos materiais
Solução sólida intersticial – carbono no ferro CFC (VAN VLACK, 1984)
Imperfeições estruturais
• O que é um defeito ?– É uma imperfeição ou um “ erro” no arranjo
periódico regular dos átomos de um cristal.
– Os defeitos podem significar irregularidades:
• na posição dos átomos;
• quanto ao tipo de átomo.
– O tipo e o número de defeitos dependem do
material, do meio ambiente, e das circunstâncias
sob as quais o cristal foi processado.
• Tipos de imperfeições em sólidos cristalinos:– Defeitos pontuais→ associados com 1 ou várias
posições atômicas;
– Tipos: vazio, átomo intersticial, átomo
substitucional, defeito de Frenkel e defeito de
Schottky;
– Defeitos de linha(discordâncias) → uma
dimensão;
– Discordância em cunha (em aresta);
– Discordância helicoidal (em aresta).
– Defeitos de superfície ou planares (fronteiras)→
duas dimensões;
Imperfeições estruturais
• Defeitos pontuais:– Descontinuidades localizadas no reticulado, envolvendo 1
ou vários átomos;
– Decorrentes do movimento atômico quando os átomos
ganham energia pelo aquecimento do material (durante
o seu processamento);
– Também podem advir de impurezas ou são criados
intencionalmente quando da produção de ligas;
– Tipos:vazio (ou vacância), presença de átomos
substitucionais ou intersticiais, defeito de Frenkel e
defeito de Schottky.
Imperfeições estruturais
• Defeito de Frenkel:– “Ocorre quando um íon se desloca de sua posição normal
no reticulado para ocupar um interstício no cristal,
deixando vazia sua posição original.”
• Defeito de Schottky:– “Trata-se de um vazio gerado não pela saída de um átomo,
mas sim pela ausência de um par de íons de cargas
elétricas opostas. Nesse caso, é gerado um par de vazios
ou formam-se vários pares de vazios no reticulado. É um
defeito típico dos materiais ligados ionicamente (com a
preservação da neutralidade elétrica no cristal).”
Imperfeições estruturais
• Defeitos pontuais - exemplos:
Imperfeições estruturais
a) Vazio ou vacância, b) átomo intersticial, c) átomo substitucional pequeno, d) átomo substicional grande, e) defeito de Frenkel , f) defeito de Schottky
(ASKELAND, 1984).
• Defeitos de linha - discordâncias:– As discordâncias estão associadas com a cristalização e
com a deformação (origem: térmica, mecânica ou devida
à supersaturação de defeitos pontuais).
– A presença desse tipo de defeito explica, em boa parte
dos casos, a deformação, a falha e a ruptura dos
materiais.
• As discordâncias podem ser:– em cunha (ou em aresta);
– helicoidais (ou em espiral);
– mistas.
Imperfeições estruturais
• Defeitos de linha - discordâncias:
Imperfeições estruturais
a) Discordância em aresta (cunha) e b) em espiral (helicoidal) (ANDERSON et al., 1997; SHACKELFORD, 2000).
• Defeitos de linha - discordâncias:
– As discordâncias têm forte relação com as
deformações plásticas (permanentes) em sólidos
cristalinos.
– O movimento de discordâncias explica um efeito
físico particularmente relevante nos metais que é o
escorregamento (de cristais), que, por sua vez,
esclarece o escoamento e a ductilidade
característicos do material metálico.
Imperfeições estruturais
• Defeitos de superfície ou planares:– Envolvem fronteiras (defeitos em duas
dimensões) e normalmente separam regiões dos
materiais de diferentes estruturas cristalinas ou
orientações cristalográficas.
– Podem ser:
• Superfície (externa) do material;
• Contorno de grão.
Imperfeições estruturais
• Defeitos de superfície ou planares – contorno de grão:
Imperfeições estruturais
Identificação de “porções” do material com orientações cristalinas particulares (grãos) e de uma região de transição entre os grãos (contornos
de grão) (CASCUDO, 2010)
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