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CINCIA DOS MATERIAIS - CALLISTER Cap. 2 Estrutura Atmica e Ligao Interatmica cap. 3 A Estrutura dos Slidos Cristalinos Prof.: M.Sc. Antonio Fernando de Carvalho Mota AmorfoCristalino CCC CFC

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Cristalografia dos Metais Os tomos so unidades estruturais de todos os materiais. So de tamanho microscpico, cerca de 2 a 5 (angstrm). 1 = 10 -10 m. tomo de Bohr em 1913 Nveis de energia dos eltrons

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tomo de Ferro: Fe= 2+8+14+2=26

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O nmero mximo de eltrons (z) em cada nvel de energia Camadan quntico principaln mximo de eltrons (z= 2n) K1z = 2 x 1 = 2 L2z = 2 x 2 = 8 M3z = 2 x 3 = 18 N4z = 2 x 4 = 32 O532 P618 Q72 P.S.: Nas ltimas camadas, o numero diferente do dado pela frmula pois nelas o nmero mximo terico, dado pela frmula, no condiz com o real, mostrado na tabela.

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GS LQUIDO SLIDO DISPOSIO DOS TOMOS NUM MATERIAL EM DIFERENTES ESTADOS

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H 4 tipos de ligaes que mantm os tomos dos slidos sempre unidos. 1- INICA 2-COVALENTE 3- WAN DER WAALS 4 METLICA Vrios desses tipos de ligaes so encontradas nos slidos; entretanto as ligaes metlicas so predominantes nos metais A eletronegatividade dos tomos o que determina o tipo de ligao. LIGAES ATMICAS:

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LIGAO INICA LIGAO INICA: Atrao mtua entre ons positivos e negativos (atrao eletrosttica) Exemplos: NaCl, Cloreto de Sdio: Na + + Cl - NaCl MgCl 2,Cloreto de Magnsio: Mg 2+ +2CL - MgCl 2 Na + + Cl - NaCl

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LIGAO COVALENTE (atrao magntica) Formada entre no metais compartilhamento de eltrons entre 2 tomos Ex: H 2 O e CH 4 Molcula de gua H 2 O O: 2,6 H: 1 Molcula de Metano CH 4 C: 2,4 H:1 Camadas com n mximo: 2,8,18,32,9,2

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Ligaes de Van der Waals: Polarizao eletrnica das molculas (ligaes covalentes) baixa T de fuso e resistncia mecnica mais fraca das ligaes Ligaes de Van der Walls tomos Ligaes covalentes

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Devido a mobilidade dos eltrons das ltimas rbitas (valncia), os metais so bons condutores de calor e eletricidade LIGAES METLICAS - ELTRONS DE VALNCIA Nuvem eletrnica Eltrons de valncia tomo+eltrons das camadas mais internas

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Os 7 sistemas cristalinos bsicos SistemasEixosngulos Axiais Cbicoa=b=cTodos os ngulos= 90 o Tetragonala=bcTodos os ngulos= 90 o OrtorrmbicoabcTodos os ngulos= 90 o Monoclnicoabc2 ngulos = 90 o 1 ngulo 90 o TriclnicoabcTodos os ngulos diferentes e nenhum = 90 o Hexagonala1=a2=a3 c3 ngulos = 90 1 ngulo = 120 o Rombodricoa=b=c 1=2=3 90 o

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12 AS 14 REDES DE BRAVAIS Dos 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. cbico simples

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CRISTALINO = ESTRUTURA COM TOMOS ORDENADOS CLULA UNITRIA = O MAIS SIMPLES MODELO CUJA REPETIO NO ESPAO GERA A ESTRUTURA CRISTALINA Sistema cbico simples a=b=c a= parmetro da rede Nenhum metal solidifica seguindo o sistema cbico simples

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SISTEMA CBICO SIMPLES - CS Relao de a com r a = parmetro da rede R = raio do tomo a = 2r volume= a 3 =8r 3 a CS = 2r

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Direes e planos atmicos Direo compacta Plano compacto?

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Direes e planos atmicos Direo compacta Plano compacto

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Sistema Cbico Simples - CS 3 direes compactas: x,y e z Nenhum plano compacto

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18 ESTRUTURA CBICA SIMPLES Apenas 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) Parmetro da rede a

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19 ESTRUTURA CBICA SIMPLES - CS Parmetro da rede a FATOR DE EMPACOTAMENTO = VOLUME DOS TOMOS VOLUME DA CLULA UNITRIA FE = 8 X 1/8 X 4/3 R 3 = 4/3 R 3 = 0,52 ou 52% a 3 8R 3

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Estrutura Cbica de Face Centrada - CFC (4R) 2 =2a 2 a CFC = 4R/ 2 ou a CFC = 2R 2

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ETRUTURA CBICA DE FACE CENTRADA - CFC FE = volume dos tomos = (8x1/8 +6x1/2) 4/3 R 3 = 0,74 ou 74% volume da clula unitria (4R/ 2) 3 6 DIREES COMPACTAS (DIAGONAIS DAS FACES) 4 PLANOS COMPACTOS

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METAIS CFC Com tantas direes e planos compactos, o cisalhamento de planos atmicos ocorre com facilidade, conseqentemente os metais CFC so menos resistentes, mais dcteis, mais condutores de calor e de eletricidade. Metais CFC : Au, Ag, Cu, Al, Ni, Pb e Fe.

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Empilhamento ABCABC... na estrutura CFC

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Sistema Cbico de Corpo Centrado- CCC (4R) 2 =a 2 + 2a 2 = 3a 2 a CCC = 4 R/ 3

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ESTRUTURA CBICA DE CORPO CENTRADO - CCC 4 DIREES COMPACTAS (DIAGONAIS DO CUBO) NENHUM PLANO COMPACTO FE = volume dos tomos volume da clula unitria FE = (8x1/8 +1)4/3 R 3 = 0,68 ou 68% (4R/ 3) 3 Fator de Empacotamento SIMNO

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METAIS CCC Como se trata de um sistema com poucas direes compactas e nenhum plano compacto, o cisalhamento de planos atmicos mais difcil, conseqentemente os metais ccc so mais resistentes, menos dcteis, menos condutores de calor e eletricidade. Metais CCC : W, Mo, Ta e Fe

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ESTRUTURA HEXAGONAL SIMPLES

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Estrutura Hexagonal Compacta - HC Empacotamento compacto HC : AB, AB... Empacotamento compacto CFC: ABC, ABC...

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SISTEMA HEXAGONAL COMPACTO- HC 3 DIREES COMPACTAS 1 PLANO COMPACTO (O PLANO DA BASE) FE = volume dos tomos = 0,74 ou 74% volume da clula unitria Portanto os metais HC so dcteis somente no plano da base e resistente em todos os outros planos (difcil de sofrer deformao) Metais HC: Be, Mg, Zn e Ti

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Estrutura Hexagonal Compacta (HC) tomos por clula unitria: 6 ndice de ocupao volumtrica: 0,74 Planos e direes de mxima densidade atmica HC empilhamento ABAB...

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Representao esquemtica de uma pea de um metal puro indicando os diferentes nveis estruturais

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Estruturas cristalinas mais comuns dos slidos metlicos. As dimenses a e c so os parmetros de rede.

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Estrutura cristalina de alguns metais puros Estrutura CristalinaExemplos CCCFe (abaixo de 910C), Cr, V, Mo, W, Nb CFCFe (entre 910 e 1390C), Al, Ag, Au, Cu, Ni, Pt H C Zn, Mg, Be, Zr, Hf Hf = Hfnio

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Tabela Peridica- aplicao Sistemas Cristalinos Dos 116 elementos conhecidos hoje, 81 so metlicos Pb n atmico 82 Au n atmico 79 (alquimia, pedra filosofal) HC CCCCFC

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ALQUIMIA Alquimia uma prtica antiga que combina elementos de Qumica, Antropologia, Astrologia, Magia, Filosofia, Metalurgia, Matemtica, Misticismo e Religio. Existem quatro objetivos principais na sua prtica. Um deles seria a transmutao dos metais inferiores ao ouro O Alquimista Pintura de Sir William Fettes Douglas (1822 1891) A transmutao do Chumbo em Ouro Au = 2, 8, 18, 32, 18, 1 Pb = 2, 8, 18, 32, 18, 4

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36 RAIO ATMICO E ESTRUTURA CRISTALINA DE ALGUNS METAIS

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Para comear.... O que so elementos de liga? So os elementos formadores das ligas metlicas, que so materiais de propriedade semelhantes s dos metais e que contm pelo menos um metal em sua composio. OuroAo inoxidvelBronze

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Qual a importncia dos elementos de liga? atravs da adio de elementos de ligas que podemos obter melhoras de algumas propriedades como diminuio ou aumento do ponto de fuso, aumento da dureza, aumento da resistncia mecnica e/ou outras caractersticas desejadas de acordo com o uso do metal. No decorrer do curso ser visto qual o efeito de alguns elementos de liga nos aos, sejam eles formadores de carbonetos ou no.

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EFEITOS DOS ELEMENTOS DE LIGA 10 ELEMENTOINFLUENCIAAPLICAESPRODUTOS NIQUELAumento da resistncia a trao Construo mecnica, ao resistente a altas temperaturas Peas para automveis, utenslios domsticos MANGANSResistncia ao choque e resistncia mecnica Ao para construo mecnica Peas para automveis e peas para uso geral em eng. Mecnica CROMOResistncia a corroso, resistncia a altas temperaturas Ao para construo mecnica, ao inox, aos ferramenta Produtos para a indstria qumica, talheres, vlvulas, peas para fornos MOLIBDNIOAumento da resistncia a trao, aumento da dureza a quente Aos-ferramenta, aos- rpidos Ferramentas de corte COBALTOAumento da dureza, da resistncia a trao e da resistncia a corroso Aos-rpidos, elementos de liga em aos magnticos Lminas de turbina de motores a jato SILCIOAumento da resistncia a oxidao em altas temperaturas Aos para fundio em areia Peas fundidas.

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INFLUNCIA DOS ELEMENTOS DE LIGA

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Diamante Grafite Diamante versos Grafite Ambos formados pelo elemento C Ligaes covalentes

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Diamond and graphite

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Slidos em uma rede cristalina QFL-4010 Prof. Gianluca C. Azzellini

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AGUARDE A PRXIMA AULA ESTAMOS PENSANDO COMO MELHOR SERVIR!

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CASAL CORDEL Macambira e Querindina so escritores de livros de cordel, do o seu recado com bom humor e irreverncia. Autores independentes, sem patrocnio, que negociam brincando com o pblico. 46

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47 ESTRUTURA CRISTALINA

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Materiais Os materiais so constitudos de tomos, e so estes que determinam se o material um plstico, madeira, metal ou ar... ( a estrutura geral do tomo que diferencia um material do outro). Os produtos so feitos de materiais que conseguem atender no s, as exigncias de mercado, mas tambm s exigncias tcnicas de adequao ao uso e ao processo de fabricao.

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PETROBRAS - 2005 36 A estrutura cristalina da austenita : (A) hexagonal simples. (B) hexagonal compacta. (C) cbica simples. (D) cbica de corpo centrado. (E) cbica de face centrada.

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7 SISTEMAS CRISTALINOSE 14 REDES BRAVAIS

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ESTRUTURA ATMICA

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TIPO DE MATERIAL CARACTERSTICASCONSTITUINTES METLICO MDIA-ALTA RESISTNCIA MECNICA ALTA DUCTILIDADE BOM CONDUTOR TRMICO E ELTRICO BAIXA-ALTA TEMPERATURA DE FUSO BAIXA-ALTA DUREZA ELEMENTOS METLICOS E NO-METLICOS POLIMRICO BOM ISOLANTE TRMICO E ELTRICO ALTA DUCTILIDADE BAIXA RESISTNCIA MECNICA BAIXA DUREZA BAIXA ESTABILIDADE TRMICA CADEIAS MOLECULARES ORGNICAS CERMICO ALTA RESISTNCIA MECNICA ALTA DUREZA ALTA FRAGILIDADE BOM ISOLANTE TRMICO E ELTRICO ALTA TEMPERATURA DE FUSO XIDOS SILICATOS NITRETOS