Aula 2 estrutura cristalina

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E-Mail: [email protected]

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ESTRUTURA DA MATÉRIA

Toda matéria é constituída de

moléculas e átomos, sendo que

este é considerado como unidade

fundamental do material metálico.

Estrutura da Matéria

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LIGAÇÕES ATÔMICAS

Nos fluidos os átomos

localizam-se ao acaso, livremente.

Nos sólidos eles são mantidos

juntos por forças interatômicas e

cada elemento é constituído

somente de átomos do mesmo

tamanho. Veja, a seguir, as

principais ligações:


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Iônica ou Heteropolar: átomos dos

elementos de valência facilmente liberam

esses elétrons, tornando-se íons carregados

positivamente;


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Covalente ou Homopolar: um átomo

compartilha seus elétrons com outros

átomos adjacentes;


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LIGAÇÕES ATÔMICAS (Cont.)

Metálica: os elétrons são

compartilhados por vários átomos.

Assim admite-se que o átomo

encontra-se constantemente no

estado de perder, ganhar e dividir

elétrons-valência com os átomos

adjacentes.

Nota: Nossos estudos serão centrados

nesta ligação.


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Ligação Metálica: É a ligação química que ocorre nos METAIS e nas LIGAS METÁLICAS. Devido os metais apresentarem baixa energia de ionização e alta eletropositividade, possuem grande facilidade em perder elétrons da sua camada de valência, formando cátions. Na Ligação Metálica temos uma quantidade muito grande destes cátions envolvidos por uma quantidade enorme de elétrons livres. Dizemos que os cátions estão envolvidos por um "MAR DE ELÉTRONS".

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Água

Resumo

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Como isso se aplica aos

materiais que nós

conhecemos???

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Muito simples... Tudo que vemos

acontecer, começa onde não vemos

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NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO DE

GRÃOS

A estrutura cristalina dos metais

presente no estado sólido deixa de

existir no estado líquido.

A solidificação dos metais se dá

de duas maneiras, são elas:

Amórfica;

Cristalina.

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Líquido Tranzição (L + S)

Sólido

Resfriando

Solidificação dos Metais

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NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO DE GRÃOS

Quando um metal no estado líquido sofre

resfriamento lento e contínuo, os átomos do

mesmo, que neste estado não estão ordenados,

começam, abaixo da temperatura de

solidificação, a novamente se ordenarem a

partir de núcleos. Com a diminuição da

temperatura, os núcleos formados crescem

surgindo também novos núcleos.

As partículas sólidas originadas nos

núcleos são denominadas grãos.

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NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO DE GRÃOS NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO DE GRÃOS

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PRINCÍPIOS DE METALURGIA GERAL

Os metais no estado sólido apresentam

estrutura cristalina, formada a partir da

reprodução de uma disposição típica de

átomos (célula unitária).

Na temperatura ambiente os átomos

ocupam as suas posições determinadas pela

célula unitária e se mantém vibrando em torno

destas posições de equilíbrio. Com o aumento

da temperatura as vibrações aumentam até

que ocorre a quebra das ligações metálicas.

São dois os arranjos atômicos de

ordenação dos metais:

Estrutura Cristalina

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Sistema cristalino cúbico de corpo

centrado (CCC)

O cubo tem oito átomos dispostos

nos vértices e um no centro.

Exemplos de Metais CCC: ferro à

temperatura ambiente, o titânio a alta

temperatura e o cromo em qualquer

temperatura.


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CCC

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Sistema cristalino cúbico de

face centrada (CFC)

O cubo tem oito átomos

dispostos nos vértices e seis

átomos dispostos no centro das

faces.

Exemplo de metais CFC:

níquel, alumínio e cobre.


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Porção da rede Cristalina

Célula Unitária Representação Esquemática


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CFC

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ALOTROPIA

É a propriedade que certos

metais apresentam de possuírem

reticulados cristalinos conforme a

variação da temperatura.

Alotropia do Ferro Puro

É a mudança (rearranjo) na

estrutura cristalina decorrente de

aquecimento ou resfriamento.

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Alotropia

Arranjo Atômico dos Carbono

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Alotropia

ºC

t(seg)

~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~~~ ~ ~ ~

~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

1535º

1390º

912º

Ferro Fundido (Líquido)

CCC

δ

CFC

γ

CCC

α 770°C Pto de Curie

O Fe deixa de ser Magnético

Resfriamento Aquecimento

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Difusão: é a caminhada dos átomos na

rede cristalina. Pode ser por:

Inserção (fig. a);

Substituição (fig. b).

Difusão

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Aumentando-se a temperatura de um

metal ou liga metálica, no estado sólido,

ocorrerá uma maior vibração dos átomos

em torno da sua posição de equilíbrio.

Cada átomo, ao vibrar, pode se deslocar

de sua posição inicial trocando inclusive

a posição com outro átomo.

A movimentação atômica no estado

sólido é um fenômeno denominado

difusão, sendo esta tanto maior quanto

maior a temperatura.

Difusão

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Difusão

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Difusão

1ª) Deve haver espaço

livre adjacente;

2ª) O átomo deve possuir

energia suficiente para

quebrar as ligações químicas

e causar uma distorção no

reticulado cristalino.

Mas observe: Para ocorrer a

movimentação atômica são necessárias 2

condições:

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Difusão

460 2155 – 2540 CCC 2600 Molibdênio

240 808 – 884 CCC 1530 Ferro-

293 900 – 1200 CFC 1452 Níquel

196 700 – 990 CFC 1083 Cobre

165 400 – 610 CFC 660 Alumínio

91,6 240 – 418 HC 419 Zinco

Energia de

Ativação

(kJ/mol)‏

T estudadas

(oC)‏

Estrutura

cristalina

T

de fusão

(oC)‏

Metal

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Influência do Carbono

A solubilidade do Carbono na rede

cristalina do ferro cresce com a

temperatura e sofre um aumento repentino

na transformação , porque os espaços

interatômicas aumentam com a

recristalização.

Se a capacidade de dissolução da

rede do ferro for ultrapassada formam-se

os carbonetos (Fe3C) chamados de

CEMENTITA.

Efeitos dos Elementos de Liga

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A estrutura cristalina, rede, de um metal puro é,

teoricamente, uniforme em todas as direções. À

medida que existam impurezas num metal puro, a

estrutura cristalina passa a formar uma solução

sólida, que poderá ser:

Substitucional: formada por átomos de natureza

diferente porém com dimensões semelhantes aos

átomos do metal puro. Estes vão deslocar os átomos

de metal puro de seus lugares originais substituindo-

os

Intersticial: Formada por átomos de natureza e

dimensões diferentes do metal puro. Por exemplo:

átomos de carbono, oxigênio e hidrogênio ocupam

posições intersticiais aos átomos da rede de ferro.


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Átomo de Carbono

ocupando um

interstício

na estrutura ccc do

Ferro


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As distorções geradas pela

introdução de átomos de natureza

diferente dificulta o deslocamento dos

átomos tornando o metal mais resistente.

Este mecanismo, explica o aumento

de resistência dos aços pela adição de

elementos de liga.


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Austenita Solução sólida de

carbono no ferro , estável acima

de 723º; não magnético.

Ferrita Ferro no estado ,

contendo, em solução, traços de

carbono; excelente resistência ao

choque e elevado alongamento.

Constituintes dos Aços

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Cementita Carboneto de ferro;

dureza elevada nos aços de alto %

de carbono.

Perlita É a mistura mecânica

de 12% ferrita e 88% Cementita,

em forma de laminas finas.


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Diagrama de Equilíbrio Fe-C (Fe-Fe3C)

Aço

0,77 2,11 4,3

1535

723°

ºC

%C

9120

Liquidus

6,7

Solidus

Zona de Transição (ZT)

Líq. + Sól. (ZT)

Líq. + Sól.

1130°

Ferro Fundido (Fofo)

Eutético

A1

1390°

CCC Fase δ

CFC

Fase γ

CCC

Fase α

Hipereutetóide Hipoeutetóide

Eutetóide

Perlita

P + Fe3C F(α) + P

Austenita (γ)

Ferrita

Hipereutético Hipoeutético

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Variações Rápidas da Temperatura

Ao contrário do que ocorre nas

variações lentas de temperatura, o

carbono não tem tempo suficiente para a

total difusão, é onde ocorre, para um aço

eutetoide, a formação da martensita, em

lugar da perlita.

Altera completamente as linhas de

transformações.


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Referências Bibliográficas

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