Ceramica

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Disc. Engenharia dos Materiais
Prof. Marcos Lopes

Aula03 – Estrutura Atômica e os Elementos

Objetivos:

Descrever a diferença na estrutura atômica molecular entre os materiais cristalinos e não-cristalinos;
Desenhar células unitárias para as estruturas cristalinas CS, CFC, CCC e HC;
Desenvolver as relações entre a aresta da célula unitária e o raio atômico para as estruturas CS, CFC eCCC;
Calcular massas específicas para metais com as estruturas CFC e CCC dadas as suas dimensões de suas células.

Introdução:

Próximo nível estrutural dos materiais: cristalino ou não-cristalino: SiO2

Sólidos podem ser classificados de acordo com a regularidade do arranjo de seus átomos.

Mat. Cristalino: átomos em arranjo repetitivo ao longo de grandes distâncias atômicas.

Todos osmetais, muitos mat. cerâmicos e certos polímeros.

Mat. Amorfos: demais materiais (sem arranjo cristalino)

[pic]
As propriedades de alguns materiais estão diretamente relacionadas às suas estruturas cristalinas.

O Magnésio e Berílio puros, que possuem uma determinada estrutura cristalina, são muito frágeis em relação ao ouro e a prata puros e que possuem outra estrutura cristalina.Existem diferenças significativas de propriedades de materiais cristalinos e não-cristalinos de mesma composição.

Usa-se o modelo atômico de esferas rígidas para descrever as estruturas dentro de uma célula unitária repetitiva:


Células Unitárias:









Subdivisão conveniente da estrutura cristalina em pequenas entidades que se repetem.

Normalmente paralelepípedos.

Em geralos vértices devem coincidir com os centros dos átomos.

Pode existir mais de uma célula unitária para determinado material.

Estruturas cristalinas dos metais:

Metais: ligação metálica
Ligação não direcional;
Normalmente um único elemento (mesmo raio atômico);
Poucas restrições em relação à quantidade e posição dos átomos vizinhos;
Muitos vizinhos próximos;
Alto grau de empacotamento;Três estruturas cristalinas para os metais:
Cúbica Simples: CS
Cúbica de face centrada: CFC
Cúbica de corpo centrado: CCC
Hexagonal compacta: HC


[pic]

Estrutura cristalina cúbica simples (CS):

Estrutura rara. A direção de empacotamento são as bordas do cubo

Baixa densidade de empacotamento.

Somente o Po (Polônio) tem esta estrutura.

[pic][pic]


Número de coordenação(NC):

Número de átomos vizinhos (ou em contato) de cada átomo.
[pic]
Para CS temos NC = 6.

Fator de empacotamento atômico (FEA):

Soma dos volumes das esferas de todos átomos no interior de uma célula dividido pelo volume total da célula.

FEA = Volume dos átomos na célula = VE
Volume total da célula VC

Para estrutura CS temos:

[pic]



Relação Raio atômico R e arestaa:
R = 0.5 a

Vesfera = 4 * PI * R3
3

FEA = 0.52 para estruturas CS.

Estrutura cristalina cúbica de face centrada (CFC):

Centro de um átomo em cada vértice e nos centros das faces do cubo (célula).

Direção de empacotamento: diagonal de cada face.

Exemplos: cobre, alumínio, prata e ouro.

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4 átomos em cada célula.

NC = 12

FEA = 0.74 (alto)

Relação arestada célula / Raio atômico:

a2 + a2 = (4R)2 a = 2 R (2)1/2
Estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC):

Difere da estrutura CFC por ter apenas um átomo no centro da célula.

[pic]

Direção de empacotamento: diagonal central da célula

Ex: Cromo, ferro, tungstênio.

NC = 8

FEA = 0.68

a = 4R/(3)1/2


Estrutura cristalina hexagonal compacta (HC):

Existem estruturascristalinas não cúbicas.

6 átomos por célula.






Normalmente c/a = 1,633

NC = 12

FEA = 0.74

Exs: cádmio, magnésio, titânio e zinco.


Problema exemplo 1:

Determinar o volume da célula unitária da estrutura cristalina CFC.

a2 + a2 = (4R)2

Logo: a = 2R(2)1/2

Vc = a3 = (2R(2)1/2)3 = 23 R3 ((2)1/2)3 = 16 R3 (2)1/2

Problema exemplo 2:

Calcular o FEA para...
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