5 - Estruturas cristalinas - Ufrgs

ENG06638-Introdução à engenharia metalúrgicaNestor Cezar Heck / UFRGS – DEMET215 - Estruturas cristalinas5-1. CristaisMuitos materiais que utilizamos possuem uma ‘porção mínima’ ao nível atômico – ou célulaunitária – que se repete ad infinitum, formando a estrutura do ‘todo’.Figura 5-1: Pássaro, aquarela, M.C.Escher, 1959(o quadrado foi adicionado)Para explicar esse conceito vamos fazer uso da aquarela Pássaro, de Escher (Figura 5-1). Sedesenharmos sobre essa imagem um quadrado com uma dimensão apropriada podemos reproduzir apintura repetindo-o, infinitas vezes, nas duas dimensões 1 . Note que, nesse processo, há dois fatoresimportantes, que são: (i) a geometria e (ii) a dimensão correta da célula unitária.Muitos materiais apresentam essa característica (de ordenamento repetitivo) em um nívelatômico, só que nas três dimensões – e não somente no plano, como no Pássaro (ver Figura 5-2).Dizemos que esses materiais têm estrutura cristalina. O antônimo dessa situação pode serexemplificado pelos materiais amorfos ou vítreos.bacFigura 5-2: Um exemplo de rede cristalina cúbica de um metal: a) vista geral; b) célula unitáriamostrando a fração dos átomos que está dentro da célula e a visão ‘explodida’ dela;c) construção de toda a rede pelo empilhamento de células unitárias1 Na Figura 5-1 ele está alinhado com as bordas, mas isso não é necessário – faça um teste!

ENG06638-Introdução à engenharia metalúrgicaNestor Cezar Heck / UFRGS – DEMET22As evidências de que os metais possuem estrutura cristalina vão desde a observação de metaisnativos, com formas geométricas interessantes, passando pelos espectrogramas obtidos por difraçãode raios-X, até a observação direta da própia estrutura no ‘microscópio de força atômica’ (Figura 5-3).A lapidação das gemas pode ser listada entre as conseqüências da existência da redecristalina em minerais e a deformação plástica em metais 2 . Tanto a clivagem quanto a deformaçãoplástica se dá em certos planos da rede, Figura 5-4.baFigura 5-3: Evidências da rede cristalina em metais: a) cristais cúbicos de cobre; b) átomos deouro ‘observados’ ao microscópio de força atômicaa) http://www.geo.mtu.edu/museum/Gallery/copper.htmlOs átomos na rede cristalina dos metais, embora muitas vezes sejam representados comopontos no espaço (representação explodida), estão, na verdade, encostados uns nos outros.Dependemos do tipo de cristal para saber onde e quantos átomos se tocam.baFigura 5-4: A ‘visão’ de uma grande porção da rede por meio da representação ‘explodida’permite: (a) observar os planos cristalinos; (b) representar o mecanismo dedeformação plástica do metal – a deformação se dá ao longo de um plano: o planode escorregamentoFontes: a) www.webelements.com;b) Callister,W. Mat.Sc. and Eng.: an Intr., Fig.7.3, p.156, 5.ed.2 Associada – nesse caso – à ligação metálica.

ENG06638-Introdução à engenharia metalúrgicaNestor Cezar Heck / UFRGS – DEMET235-2. Tamanho dos cristaisVimos que os metais são cristalinos. Sabemos, também, que alguns cristais são gigantescos: omaior já registrado é do mineral berilo (Be 3 Al 2 Si 6 O 18 ) de Malakialina, República Malagasi, com 18 m decomprimento e 3,5 m de diâmetro! Assim, cabe a pergunta: peças e partes metálicas de estruturas emotores são constituídas apenas por um único cristal? Não, componentes mecânicos constituídos porapenas um único cristal (monocristal) são muito raros... mas, por incrível que pareça, existem! Aslâminas de turbinas de motores a jato de aviões são bons exemplos disso, Figura 5-5.Sobre o tamanho, pode-se dizer que os cristais metálicos são normalmente pequenos, na faixade algumas dezenas de micrometros, por causa da grande quantidade de núcleos que se formam nomomento da solidificação. Esses núcleos, ao crescerem, acabam por se tocar, limitando assim o seucrescimento. A cada um dos microcristais formados chamamos grãos, na metalurgia (Figura 5-6).abFigura 5-5: Lâmina monocristalina à base de níquel para a turbina (a) de um motor à jato (b)O tamanho e a orientação dos grãos é importante na metalurgia e pode influenciar aspropriedades mecânicas dos componentes de um mecanismo. Com tratamentos térmicos edeformações plásticas podemos modificar o tamanho e a forma dos grãos.Figura 5-6: Diagrama esquemático mostrando a nucleação e o crescimento dosgrãos (microcristais) nos metais a partir do metal líquido (a), até acompleta solidificação (d), e uma microfotografia de uma seção deum metal polido (e)e