Os cientistas propuseram um modelo de ligação química que explica grande parte das propriedades apresentadas pelos metais. Essa ligação metálica se baseia no fato de que os metais são elementos altamente eletropositivos, tendo, portanto, a tendência de formar cátions. Show
Assim, alguns átomos dos metais perdem os seus elétrons mais externos (da camada de valência) formando cátions. Os elétrons liberados são chamados de semi livres ou de elétrons livres. Esses elétrons não abandonam o cristal, mas possuem mobilidade, transitam livremente, formando uma espécie de “nuvem eletrônica” ou “mar de elétrons” que envolve a estrutura e causa uma força que faz com que os átomos do metal permaneçam unidos.
 Os cátions formados agrupam-se segundo um arranjo geométrico bem definido, uma estrutura cristalina ou célula unitária, que também pode ser chamada de retículo ou reticulado cristalino. Os reticulados cristalinos mais comuns dentre os metais são os representados a seguir:
Esses cátions são estabilizados pelos elétrons livres, pois os cátions podem receber esses elétrons, voltando a ser neutros. Depois eles voltam a perder elétrons e, assim, sucessivamente. A estabilidade da ligação é obtida pelo ganho de energia na formação da ligação envolvendo diversos átomos. Não pare agora... Tem mais depois da publicidade ;) Essa teoria da ligação metálica explica muitas propriedades dos metais, por exemplo, os metais são bons condutores térmicos e elétricos devido aos elétrons livres, que permitem o trânsito rápido de calor e eletricidade.
Seus elevados pontos de fusão e ebulição, bem como sua resistência à tração são consequências da grande força da ligação metálica, porque os átomos ficam unidos com muita intensidade. Assim, para desfazer esse tipo de ligação é necessário fornecer muita energia ao sistema. A densidade elevada e o fato da maioria dos metais serem sólidos em temperatura e pressões ambientes é consequência das estruturas compactas e cristalinas. E a maleabilidade e a ductibilidade vêm do fato de que os átomos dos metais podem “escorregar” uns sobre os outros. MR640 - Conforma��o Pl�stica dos Metais Aten��o: Para a Primeira Prova estudem especificamente o material que foi apresentado nas aulas e disponibilizado no CD. As quest�es de nivelamento que voc�s responderam ser�o �teis para a seq��ncia da disciplina. Quest�es e Respostas dos Alunos Q: (La�rcio) Na f�rmula do grau de deforma��o, o ln de n�mero entre 0 e 1 d� negativo e de numero > 1 d� positivo. Isto influencia a decis�o de usar , na f�rmula o valor inicial e final conevientemente para que o cociente da fra��o do logaritmo seja >1 ou devemos sempre seguir a conven��o de deixar o valor inicial(�rea inicial, comprimento inicial, di�metro inicial, etc) no denominador? R: (Button) As deforma��es verdadeiras (epsilon) s�o negativas para processos em que ocorre diminui��o de uma dada dimens�o, ou positivo se essa dimens�o aumenta. Por exemplo, no recalque de cilindros a deforma��o � negativa pois a altura do cilindro diminui. J� no estiramento a deforma��o � positiva pois o comprimento da pe�a aumenta. Para fins de c�lculo usaremos sempre o valor absoluto. Se us�ssemos os valores relativos (negativos e absolutos) tamb�m ter�amos tens�es positivas (para processos trativos) e negativos (para processos compressivos). Q: 1) Quais as principais c�lulas cristalinas que representam os materiais met�licos? R: (Andr� Thom�) As principais c�lulas cristalinas que representam os materiais met�licos s�o as seguintes: (CCC) c�bica de corpo centrado, (CFC) c�bica de face centrada e (HC) hexagonal compacta. Na (CCC) existe um �tomo em cada v�rtice de um cubo e um outro �tomo no centro do mesmo, esta estrutura pode ser encontrada no tungst�nio, t�ntalo, b�rio, ni�bio, l�tio, pot�ssio, van�dio, cromo, etc... A (CFC) caracteriza-se por exibir os mesmos �tomos nos v�rtices encontrados nos outros dois arranjos c�bicos e mais 1 �tomo em cada face do cubo.A estrutura c�bica de face centrada � a estrutura do alum�nio, c�lcio, n�quel, cobre, prata, ouro, platina, chumbo, etc. neste caso existe um total de quatro �tomos no interior da c�lula unit�ria, A (HC) estrutura hexagonal compacta � formada por dois hex�gonos sobrepostos e um plano intermedi�rio de 3 �tomos. Nos hex�gonos, novamente, existem 6 �tomos nos v�rtices e um outro no centro. A estrutura HC pode ser observada no ber�lio, berqu�lio, magn�sio, c�dmio, cobalto, etc. O n�mero de �tomos que efetivamente encontram-se dentro de uma c�lula unit�ria HC � igual a 6. Q:� 2) Como e por qu� as estruturas cristalinas s�o formadas? R: (Clodoaldo) As estruturas cristalinas s�o formadas a partir do arranjo ordenado dos �tomos de um ou mais elementos, geralmente met�licos, unidos pelas for�as de liga��o dos �tomos. A dist�ncia entre os �tomos na estrutura � dada pelo equil�brio da for�a de atra��o (covalente, met�lica ou i�nica) e da for�a de repuls�o (proximidade acentuada dos el�trons livres). Apesar do ordenamento da estrutura ser repetitivo, em determinadas regi�es ocorrem falhas ou vazios, o que permite a movimenta��o da estrutura quando submetido a for�as externas. Assim as propriedades dos materiais dependem da for�a de liga��o dos �tomos e tamb�m da quantidade de falhas ou vazios na estrutura cristalina. Q: 3) Defina alotropia e cite alguns exemplos associando-os � deforma��o pl�stica. R: (Luis) Alotropia consiste na altera��o da estrutura cristalina devido a varia��es da temperatura e da press�o. Exemplo de materiais: Ferro, Tit�nio e Carbono (grafite e diamante). Associando-se alotropia � deforma��o pl�stica podemos citar dois processos de conforma��o que podem ocorrer dependendo do material utilizado: forjamento e na lamina��o a quente. Portanto nestes processos deve-se controlar a temperatura para n�o ocorrer mudan�a de estrutura cristalina em uma parte da pe�a enquanto o restante mant�m com a estrutura cristalina inicial. � ALOTROPIA DO FERRO (Figura 1)
Figura 1 (Fonte: ESTRUTURA E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS - ESTRUTURA CRISTALINA Prof. Rubens Caram � UNICAMP) ALOTROPIA DO TIT�NIO (Figura 2)O tit�nio � um material que possui baixa densidade, boa resist�ncia mec�nica, alta resist�ncia � fadiga e � corros�o, por�m sua transforma��o alotr�pica altera seu comportamento mec�nico, portanto necessita-se adicionar elementos de liga no tit�nio, dessa maneira os elementos de liga podem mudar a estabilidade das estruturas cristalinas.
Figura 2 (Fonte: ESTRUTURA E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS - ESTRUTURA CRISTALINA Prof. Rubens Caram � UNICAMP) Um exemplo de liga de tit�nio com as caracter�sticas citadas acima � Ti-6AL-4V (figura 3), definida como tipo α+β, boa conformabilidade mec�nica, elevada resist�ncia � fadiga e excelente resist�ncia � corros�o. Esta liga possui estrutura cristalina CCC, estabilizada pela presen�a do van�dio (V), utilizada na fabrica��o de palheta para h�lice de avi�o, onde o processo de fabrica��o � caro e espec�fico, devido ao mesmo ser isot�rmico, ou seja, n�o h� varia��o de temperatura, necessitando manter a temperatura em 915�C.
Figura 3 (Fonte: ESTRUTURA E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS - ESTRUTURA CRISTALINA Prof. Rubens Caram � UNICAMP) Q: 4) Liste alguns metais e suas estruturas cristalinas. Tente associar suas propriedades f�sicas e mec�nicas com as respectivas estruturas. Metal: Estrutura Cristalina Alum�nio CFC Ber�lio HC Cromo CCC Cobalto HC Ouro CFC Ferro CCC Chumbo CFC Magn�sio HC N�quel CFC Prata CFC Propriedades f�sicas e mec�nicas de alguns metais: O alum�nio: Propriedades Mec�nicas: puro
� um metal de cor branca prateada, leve, n�o magn�tico e n�o produtor de centelhas. � um dos metais mais male�veis e d�cteis. Bom condutor de calor. O alum�nio � um metal leve, macio por�m resistente, de aspecto cinza prateado; e fosco, devido � fina camada de oxida��o que se forma rapidamente quando exposto ao ar. O alum�nio n�o � t�xico (como metal), n�o-magn�tico, e n�o cria fa�scas quando exposto � atrito. O alum�nio puro possui tens�o de cerca de 19 megapascais (MPa) e 400 MPa se inserido dentro de uma liga. Sua densidade � aproximadamente de um ter�o do a�o ou cobre. � muito male�vel, muito d�ctil e apto para a mecaniza��o e para a fundi��o, al�m de ter uma excelente resist�ncia � corros�o e durabilidade devido � camada protetora de �xido. � o segundo metal mais male�vel (o primeiro � o ouro) e o sexto mais d�ctil. Por ser um bom condutor de calor, � muito utilizado em panelas de cozinha. Ferro: Propriedades Mec�nicas: Um metal male�vel, tenaz, de colora��o cinza prateado apresentando propriedades magn�ticas; � ferromagn�tico a temperatura ambiente, assim como o N�quel e o Cobalto.
Magn�sio Propriedades Mec�nicas: O magn�sio � um metal bastante resistente e leve, aproximadamente 30% menos denso que o alum�nio. Possui colora��o prateada, perdendo seu brilho quando exposto ao ar, por formar �xido de magn�sio. Quando pulverizado e exposto ao ar se inflama produzindo uma chama branca. Reage com a �gua somente se esta estiver em ebuli��o, formando hidr�xido de magn�sio e liberando hidrog�nio.
N�quel Propriedades Mec�nicas: � um metal de transi��o de colora��o branco-prateada, condutor de eletricidade e calor, d�ctil e male�vel por�m n�o pode ser laminado, polido ou forjado facilmente, apresentando certo car�ter ferromagn�tico. � encontrado em diversos minerais, em meteoritos (formando liga met�lica com o ferro ) e, em princ�pio, existe n�quel no n�cleo da Terra. � resistente a corros�o , e s� pode ser utilizado como revestimento por eletrodeposi��o. O metal e algumas de suas ligas met�licas, como o metal Monel, s�o utilizados para manejar o fl�or e alguns fluoretos porque reage com dificuldade com estas subst�ncias. Seu estado de oxida��o mais comum � +2 , podendo apresentar outros. Se tem observado estados de oxida��o 0, +1 e +3 em complexos, por�m s�o muito pouco caracter�sticos.
Q: 5) - Defina as estruturas cristalinas compactas e relacione-as com sua maior facilidade de deforma��o pl�stica. R: (Marcos) Estruturas cristalinas compactas s�o originadas de materias solidos onde os atomos se encontram ordenados sobre longas distancias atomicas, onde n�o existem restri��es sobre a quantidade e posi��es dos vizinhos mais pr�ximos. Desta forma possui um n�mero grande de vizinhos e alto empacotamento at�mico, 03 estruturas cristalinas relativamente simples s�o encontradas para a maioria dos metais mais comuns, s�o elas: Cubicas de Face centrada, C�bica de Corpo Centrado e Hexagonal Compacta. Cubica de Face Centrada (CFC): Possui celula unit�ria com geometria cubica , com os atomos localizados em cada um dos vertices e nos centros de todas as faces do cubo, o numero de coordena��o corresponde ao numero de atomos vizinhos mais pr�ximo, o n�mero de coordena��o � 12. Cubica de Corpo Centrado (CCC): Possui celula unit�ria Cubica com atomos localizados em todos os 08 vertices e um �nico atomo localizado no centro do cubo, o numero de coordena��o corresponde ao numero de atomos vizinhos mais pr�ximo, o numero de coordena��o � 8. Hexagonal Compacta (HC): os metais n�o cristalizam no sistema hexagonal simples porque o fator de empacotamento � mto baixo, por�m cristais com mais de um tipo de �tomo cristalizam neste sistema. Cada atomo de uma dada camada esta diretamente abaixo ou acima dos interst�cios formados pelas camadas adjacentes, cada atomo tangencia 3 atomos da camada de cima , 06 atomos no seu proprio plano e 3 na camada de baixo do seu plano, o n�mero de coordena��o � 12. A deforma��o dos metais envolve deslizamento de atomos, escorregando uns sobre os outros no cristal, o deslizamento ocorre mais facilmente nos planos e dire��es especificos do cristal. No caso do CCC a dire��o <111> � de maior empacotamento, no CFC a dire��o <110> � de maior empacotamento e no HC o fator de empacotamento � mto baixo. Q: 6) Estude o m�todo dos �ndices de Miller para representar os planos e dire��es cristalogr�ficas. R: (La�rcio) Os �ndices de Miller nada mais s�o representa��es num�ricas que descrevem a posi��o relativa entre as faces de um cristal, no nosso caso, cristal met�lico. Seja a estrutura do paralelep�pedo cristalino um dos 7 combina��es poss�veis para a forma��o do sistema; c�bico (de corpo centrado � CCC, de face centrada CFC), tetragonal, hexagonal compacto, ortorr�mbico, rombo�drico, monocl�nico e tricl�nico e seja o tamanho qual for, os �ndices descrever�o com perfei��o a orienta��o d e planos delas, cruzando um sistema de coordenadas x, y, z. ����������� Os planos at�micos do ret�culo convencionam-se serem chamados de� (001), (100), (010) no caso de um cubo de faces valendo 1 localizado no primeiro octaedro. O indice de Miller ser� (hkl) sendo que h, k, e l, s�o um n�mero obtido pelo inverso de cada uma das instercep��es, m�ximas de um plano que passem pelo 1 do x, 1 do y e 1 do z. ����������� Se um �ndice � zero, significa que a orienta��o do plano � paralela ao eixo correspondente ao �ndice (posi��o x, y ou z). Quanto mais pr�ximo de zero o �ndice, mais pr�ximo de ser paralelo o plano � , quanto maior o �ndice mais pr�ximo de ser perpendicular ao eixo correspondente o plano �. As duas figuras a seguir extra�das de� http://www.ige.un icamp.br/site/aulas/120/planos+indices.ppt#259,4,Slide 4 e 5 esclarecem o m�todo de obten��o do �ndice.
Q: 7) Apresente os �ndices de Miller para alguns planos e dire��es das estruturas CFC e HC. R: (Marco) Q: 8) Como se d� a deforma��o pl�stica do reticulado cristalino? R: (Marcelo) Q: 9) Quais os principais defeitos que surgem nas estruturas cristalinas? Resposta [Bruno]: Todos os materiais cristalinos apresentam algum tipo de defeito ou imperfei��o que podem ser divididos em 3 classes:
o Contornos de gr�o - S�o superf�cies que separam dois gr�os ou cristais com diferentes orienta��es.
o Contorno de macla - Podemos considerar as maclas como um tipo especial de contorno de gr�o no qual existe uma simetria especular, ou seja, os �tomos de um lado do contorno est�o localizados em uma posi��o que � a posi��o refletida do outro lado.
Q:10) Diferencie as duas possibilidades para a solu��o s�lida em ligas met�licas. Solu��o s�lida intersticial geralmente ocorre quando os �tomos de soluto apresentam dimens�es menores que os �tomos de solvente. Na solu��o s�lida intersticial os �tomos de soluto se localizam nos interst�cios existentes entre �tomos maiores (solvente) Exemplo cl�ssico: Fe-C Solu��o s�lida substitucional ocorre quando os �tomos do soluto substituem as posi��es at�micas ocupadas pelos �tomos do metal solvente Para a forma��o de uma solu��o s�lida substitucional � necess�rio que os componentes (solvente e soluto) apresentem:
Q: 11) O que s�o os defeitos de falha de empilhamento e como surgem? R: (Renato) As falhas de empilhamento ocorrem quando uma seq��ncia no empilhamento de planos � alterada, como resultado da deforma��o pl�stica ou de tratamento t�rmico. Na estrutura CFC, a seq��ncia de empilhamento � do tipo ABCABCABC. Quando uma falha de empilhamento ocorre, tal seq��ncia pode ser quebrada, ocorrendo um empilhamento do tipo ABCABABC em apenas uma regi�o do cristal. Defeitos de empilhamento (�stacking faults� em Ingl�s) referem-se ao crescimento de um plano extra dentro do cristal. Este erro pode ser formado durante o crescimento do cristal ou mesmo durante o processamento posterior do mesmo, onde um excesso de auto-intersticiais pode agrupar-se de forma gradual e ordenada, para crescer um plano extra. A falha de empilhamento pode ser do tipo extr�nseco, quando temos um plano extra, ou do tipo intr�nseco, quando falta um peda�o de plano. � �������������� 1) Tipo intr�nseco��������������� ����������������������������������������2) Tipo extr�nseco Q:12) R: (Valmir) A presen�a de gr�os cristalinos num material met�lico se observa nas estruturas em que os �tomos est�o situados de acordo com uma matriz que se repete, ou que � peri�udica, ao longo de grandes distancias at�micas, isto �, existe ordem de longo alcance, tal que, quando ocorre um processo de solidifica��o, os �tomos se posicionam de acordo com um padr�o tridimensional repetitivo, onde cada �tomo esta ligado aos seus �tomos vizinhos mais pr�ximos. Q 13) Defina anisotropia e associe-a � estrutura cristalina e � presen�a de gr�os cristalinos. R: (Daniel) Anisotropia: as propriedades f�sicas de monocristais de algumas subst�ncias dependem da dire��o cristalogr�fica na qual as medi��es sejam feitas.Por exemplo, o m�dulo el�stico, a condutividade el�trica. Esta direcionalidade das propriedades � denominada anisotropia e est� associada com a vari�ncia do espa�amento at�mico ou i�nico com a dire��o cristalogr�fica. A extens�o e magnitude dos efeitos anisotr�picos em materiais cristalinos s�o fun��es da simetria da estrutura cristalina, o grau de anisotropia aumenta com o decr�scimo da simetria estrutural. Q: 14) O que s�o as discord�ncias, como surgem e qual seu papel na deforma��o pl�stica? R: (Francioni) Uma discord�ncia � um defeito linear ou unidimensional em torno do qual alguns dos �tomos est�o desalinhados. Surgem durante o processo de solidifica��o dos metais, durante a deforma��o pl�stica e como conseq��ncia das tens�es t�rmicas que resultam de um resfriamento r�pido. � atrav�s do movimento das discord�ncias, tamb�m chamado de escorregamento, que surge a deforma��o permanente como resposta a aplica��o de uma tens�o de cisalhamento no material. Q: 15) Associe a possibilidade ou n�o de movimento das discord�ncias com os conceitos de deforma��o e encruamento. R: (Jos� Salis) Sabe-se que a movimenta��o de uma discord�ncia atrav�s de um cristal ter� como conseq��ncia direta a deforma��o pl�stica do cristal em quest�o, deforma��o esta, a qual este cristal ser� sujeitado em uma magnitude igual a uma dist�ncia inter-at�mica. Desta forma a deforma��o pl�stica esta diretamente relacionada � presen�a de discord�ncias e assim como a possibilidade de suas respectivas movimenta��es. No entanto os cristais podem n�o conter originalmente uma quantidade m�nima de discord�ncias capaz de resultar em deforma��es quando o mesmo for solicitado, ou seja, estiver sujeito a esfor�os mec�nicos. Podemos ent�o afirmar que existe a possibilidade de forma��o ou mesmo do aumento desta quantidade de discord�ncias inicias durante o referido processo de solicita��o mec�nica, ou seja, durante a deforma��o. Pode-se afirmar tamb�m que n�o existe uma rela��o de depend�ncia �nica e exclusiva entre a tens�o cr�tica respons�vel pela deforma��o pl�stica e a gera��o das discord�ncias ou mesmo movimenta��o das discord�ncias, tendo em vista que esta deforma��o depende tamb�m das for�as opostas � movimenta��o pela presen�a de outros defeitos cristalinos e pela intera��o das discord�ncias entre si.� � importante que seja destacado o fato de que durante o progresso do processo de deforma��o, o n�mero de discord�ncias � multiplicado aumentando desta forma a densidade de discord�ncias do cristal exigindo um aumento da tens�o cont�nuo, para que seja assegurada a continuidade da deforma��o citada e a este processo damos o nome de encruamento.� � Quais células unitárias são mais frequentes nos materiais metálicos?As principais células cristalinas que representam os materiais metálicos são as seguintes: (CCC) cúbica de corpo centrado, (CFC) cúbica de face centrada e (HC) hexagonal compacta.
Quais são as 3 principais células unitárias dos materiais metálicos?No sistema cúbico, existem três tipos de células unitárias: cúbica simples, cúbica de corpo centrado e cúbica de faces centradas.
Quais os tipos de célula unitária mais comuns em materiais cristalinos?cristalinas são paralelepípedos ou prismas que possuem três conjuntos de faces paralelas. A célula unitária é escolhida para representar a simetria de cada estrutura cristalina. metais: Cúbica de corpo centrado, cúbica de face centrada e hexagonal compacta. coordenação é 8.
O que se entende por célula unitária de um material?CÉLULA UNITÁRIA: agrupamento de átomos formando uma unidade básica representativa de uma determinada estrutura cristalina específica seja em geometria como simetria. O conceito de célula unitária é usado para representar a simetria de uma determinada estrutura cristalina.
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Quais são os principais tipos de células unitárias capazes de explicar o comportamento dos materiais metálicos?
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