aula 04 - arranjos atômicos

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).


• 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).


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;


• 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.


• 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).”


• Defeitos pontuais - exemplos:


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.


• Defeitos de linha - discordâncias:


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.


• 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.


• Defeitos de superfície ou planares – contorno de grão:


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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