Metalurgia e Metalografia - Aula 1

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Metalurgia e

Metalografia

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O Átomo

A intuição da existência de partículas indivisíveis que constituem todas as coisas foi relatada pelo filósofo grego Demócrito em aproximadamente 540 a.C.

Com o estudo da eletrólise por Michael Faraday, na década de 1830, descobriu-se que os átomos se constituíram de partículas de carga elétrica negativa e de carga elétrica positiva

Thomson criou um modelo atômico, apresentado na Figura ao lado, onde numa massa de material de carga positiva estavam encravados os elétrons, como passas em um bolo.

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Modelo de Rutherford

 Este modelo foi rapidamente superado em função da experiência de Ernest Rutherford e Ernest Mardsen realizada em 1911, que se constituía no bombardeio de uma finíssima folha de ouro com partículas alfa, de carga positiva.

Caso o modelo de Thomson fosse verdadeiro, as partículas alfa se dispersariam pouco ao atravessar a folha de ouro.

Modelo atômico de Rutherford onde o átomo é visto como um sistema solar em miniatura, com elétrons girando em tomo do núcleo, de carga positiva.

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Modelo de Bohr

Em 1912 o físico dinamarquês Niels Bohr propôs que os elétrons deveriam girar somente a determinadas distâncias do núcleo

Os elétrons irradiariam energia ao saltar de uma órbita de maior energia, situada mais próxima do núcleo, para outra de menor energia. No deslocamento no sentido contrário os elétrons absorveriam energia

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Configuração de Mínima Energia

A Tabela a seguir apresenta a tabela periódica dos elementos, indicando, entre outras informações, seu número atômico e massa atômica (massa, em gramas, correspondente a 6,02 x 1023 átomos do elemento).

Os gases nobres (hélio, neônio, argônio, criptônio, xenônio e radônio) possuem um arranjo muito estável de oito elétrons na última camada (dois elétrons no caso do hélio), correspondendo a um baixo nível de energia.

Os outros elementos, para adquirir a configuração altamente estável de oito elétrons no nível mais externo, devem:

 a) Receber elétrons

 b) Perder elétrons

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Estes três processos produzem fortes ligações entre os átomos, conhecidas como ligação iônica, ligação covalente e ligação metálica. Outro tipo de ligação, mais fraca, é a ligação de Van der Waals.

A estabilidade das ligações atômicas deve-se à existência de um valor mínimo de energia, correspondente a uma certa distância interatômicas, onde ocorre um balanço entre as forças de atração e de repulsão. A natureza das forças de atração entre os átomos depende do tipo de ligação atômica. As forças de repulsão crescem à medida que os átomos aproximam suas camadas de elétrons mais externas, que se repelem por serem ambas de carga negativa.

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Ligação Iônica

A ligação iônica é estabelecida entre um cátion (elemento que cede elétrons com facilidade) e um anion (elemento com grande afinidade pelos elétrons).

A atração entre íons de cargas positivas e negativas produz a chamada ligação iônica, evidentemente só possível entre átomos de elementos diferentes.

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Ligação Covalente

Na ligação covalente os átomos compartilham seus elétrons das órbitas mais externas, formando pares de elétrons (com spins opostos) que pertencem aos dois átomos.

O intercâmbio oscilatório do par de elétrons entre os dois átomos, pertencendo ora a um, ora a outro, gera uma atração eletrostática, pois momentaneamente os átomos tomam-se ionizados.

Um mesmo átomo pode participar de mais de uma ligação covalente. De um modo geral, o número de ligações será igual ao número de elétrons necessários para completar o último nível.

No caso da molécula de água, por exemplo o átomo de oxigênio compartilha 2 pares de elétrons com 2 átomos de hidrogênio

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Ligação Metálica

Os íons de carga positiva assim gerados formam um arranjo regular e os elétrons livres, que não se encontram ligados a nenhum átomo em particular, circulam entre esses íons.

A força de atração é conseqüência da interação entre os íons positivos e os elétrons livres, que são compartilhados por todos os átomos.

Os elétrons livres explicam a elevada condutividade elétrica dos metais, pois as únicas resistências à movimentação da corrente elétrica são as colisões com os outros elétrons.

A condutividade térmica dos metais advém da movimentação elevada dos elétrons, carregando energia térmica das regiões de temperatura mais elevada para regiões de temperatura mais baixa.

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Sistemas Cristalinos

Os sistemas cristalinos contêm os reticulados espaciais conhecidos como redes de Bravais. Através de apenas 14 reticulados espaciais é possível descrever todos os cristais que podem ocorrer na natureza.

Na figura a seguir estão apresentadas as células unitárias convencionais de cada rede espacial. Através da sua repetição no espaço reproduz-se todo o reticulado espacial.

Note-se que qualquer ponto destes reticulados espaciais apresenta a mesma vizinhança, isto é, os outros pontos à sua volta situam-se na mesma posição relativa.

O conceito de reticulado ou rede espacial é geométrico, As estruturas cristalinas materiais são constituídas pela repetição de um modelo atômico ou base, sobre cada ponto da rede espacial.

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Estrutura cristalina cúbica simples (CS)

Nenhum metal cristaliza-se segundo a rede cúbica simples, pois esta estrutura é muito aberta e a ligação metálica atua no sentido de mais aproximar os átomos, formando malhas mais compactas.

A célula unitária da rede cristalizada cúbica simples está indicada na figura 1.15, onde cada átomo ocupa o vértice de um cubo cuja aresta (a) é igual a 2 raios atômicos (r).

O número de coordenação desta estrutura é igual a 6, isto é, cada átomo possui 6 átomos vizinhos.

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Estrutura cristalina cúbica de corpo

centrado (CCC)

A estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC) apresenta um átomo em cada vértice da célula unitária e um átomo no centro

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Estrutura cristalina cúbica de face

centrada (CFC)

A célula unitária da estrutura cristalina cúbica de face centrada (CFC) que possui um átomo em cada vértice do cubo e um átomo no centro de cada face

verifica-se que o número de coordenação da estrutura CFC é igual a 12 e também que a vizinhança de cada átomo é a mesma

Cada célula unitária possui quatro átomos, um devido à soma das frações de um oitavo, correspondentes aos átomos nos vértices, e mais três devido à soma das metades dos átomos dos centros das faces. O fator de empacotamento desta estrutura é igual a:

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Estrutura cristalina hexagonal

compacta (HC)

A figura a seguir apresenta a célula unitária da estrutura cristalina hexagonal compacta, que possui um átomo em cada vértice do prisma hexagonal, um átomo no centro das bases e três átomos no centro do prisma.

O número de átomos na célula unitária é igual a: 2 x 1/2 = 1 (átomos dos centros das bases) 12 x 1/3 x 1/2 = 2 (átomos dos vértices do prisma) 3 (átomos no centro do prisma) Total de átomos na célula unitária = 1 + 2 + 3 = 6

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O número de coordenação de estrutura HC é igual a 12, pois cada átomo possui 12 vizinhos.

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DEFEITOS NA ESTRUTURA

CRISTALINA



Defeito cristalino: imperfeição do reticulado cristalino



Classificação dos defeitos cristalinos:

• Defeitos puntiformes (associados com uma ou duas posições

atômicas): lacunas e átomos intersticiais.

• Defeitos de linha (defeitos unidimensionais): discordâncias

• Defeitos bidimensionais (fronteiras entre duas regiões com

diferentes estruturas cristalinas ou diferentes orientações

cristalográficas): contornos de grão, interfaces, superfícies livres,

contornos de macla, defeitos de empilhamento.

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Defeitos puntiformes :Lacunas e

Auto-Intersticiais

• Lacuna (“vacancy”): ausência de um átomo em um ponto do

reticulado cristalino.

• Podem ser formadas durante a solidificação ou como

resultado de vibrações atômicas.

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Defeitos puntiformes : Lacunas

e Auto-Intersticiais

• Auto-intersticial: é um átomo que ocupa um interstício da estrutura cristalina.

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Impurezas

• É impossível existir um metal consistindo de um só tipo de átomo (metal puro)

• As técnicas de refino atualmente disponíveis permitem obter metais com um grau de pureza no máximo de 99,9999%.

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Defeitos puntiformes em sólidos

iônicos



A neutralidade elétrica tende a

ser respeitada.

• Defeito de Schottky : lacuna

aniônica + lacuna catiônica

• Defeito de Frenkel : cátion

intersticial + lacuna catiônica

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DEFEITOS DE LINHA :

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DEFEITOS DE LINHA :

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Defeitos Bidimensionais :

Contorno de Grão

• Quando o desalinhamento entre os grãos vizinhos é grande (maior que 15 graus ), o contorno formado é chamado contorno de grão de alto ângulo.

• Se o desalinhamento é pequeno (em geral, menor que 5 graus ), o contorno é chamado

contorno de pequeno ângulo, e as regiões que tem essas pequenas diferenças de orientação são chamadas de subgrãos.

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