Ciência dos Materiais - Aula 03 - Sólidos cristalinos e amorfos

[Música] bom gente ah essa é a nossa terceira aula né do curso de ciência dos materiais Ah nós vamos comentar Então hoje os sistemas cristalinos Então como é que ele formam eh os defeitos que aparecem na formação desses materiais durante o processo de solidificação desses materiais da Que tipo de defeitos aparecem e como é que esses defeitos interferem na estrutura da da matéria e nas propriedades do do material bom então pra gente tentar entender como é que essas ligações químicas formam né a gente tinha comentado na aula passada que tanto na ligação metálica covalente como

iônica os átomos tendem se arranjar da forma mais estável possível então eles ficam no estado de Equilíbrio De menor energia e normalmente esse estado de Equilíbrio De menor energia tá a gente consegue com uma estrutura mais compacta né com o que a gente chama de empacotamento atômico formando que a gente chama de células unitárias e essa célula unitária quer dizer é a menor unidade que mantém as propriedades específicas do material e então juntando nessas células unitárias a gente tem aí a formação dos dos sólidos tá então aqui nós somos exemplo de um de uma estrutura

eh hexagonal eh e quando a gente tem esse tipo de de arranjo ah espacial da do material onde cada célula unitária ele se acomoda um do lado da outro formando um compacto tá nós temos algumas propriedades que a gente consegue observar nesse tipo de estrutura primeiro ele forma né planos né que a gente chama de planos densos ah linhas densas são direções densas onde a gente a gente tem a a as direções no espaço onde você encontra eh repetições né da da presença de átomos naquela direção e Ah então esse tipo de de de direção

densa e de plano denso ele dá uma série de propriedades do material então a gente consegue a partir disso né a dim medir por exemplo a o parâmetro de rede parâmetro de rede e a distância que a gente tem entre ah duas ligações químicas né Então dependendo do tipo de estrutura Cristalina que ele forma ele pode formar vários tipos de estrutura Cristalina esse aqui é um exemplo de estrutura e cúbica né mas a gente tem por exemplo uma estrutura ah além da da cúbica né cúbica de simples cúbica de face centrada a cúbica de corpo

centrado né temos o trigonal romboédrico exagonal Ah ortorrômbico monoclínico e triclínico então nós temos sete famílias tá de arranjos cristalinos que todos os materiais eles acabam se enquadrando em um desses desses arranjos cristalinos E por que que isso é importante bom ah esse tipo de de de arranjo cristalino né ele permite a gente a medir a partir dos parâmetros de rede né de saber as diferenças entre um sistema cristalino e outro tá então a partir de por exemplo a H dos três planos mais densos de cada estrutura Cristalina a gente consegue definir se o se

um sistema ele tem um arranjo cúbico tetraédrico ortorrômbico monoclínico e assim por diante tá então Aqui Nós Temos nessa tabela a as diferenciações em termos de de parâmetros de rede tá da da célula unitária e o que que varia né se a gente tem as as ligações químicas né as distâncias de ligações químicas iguais diferentes tá de comprimento assim como os ângulos de ligação química então para cada sistema cristalino a gente tem um parâmetro da diferente e a partir desse parâmetro de rede né da a das distâncias entre as ligações químicas é possível a gente

tirar uma relação tá das distâncias interplanar onde a gente tem pro sistema cúbico tetragonal hexagonal e assim por diante né todas as as ah as diferentes relações ah a gente consegue então ter essa distância interplanar ou a distância dos planos mais densos de de cada estrutura tá então Ah isso é importante né pra gente saber porque é a partir deles que a gente consegue determinar eh a partir de de um material de saber exatamente qual que a estrutura que está ali naquele material apresenta bom junto com com a a a formação do do material quando

o material começa a solidificar e vai formando a estrutura Cristalina a gente observa também a presença de uma série de defeitos que aparecem junto com com material ah a gente pode ter presença de impurezas tá um átomo e substitucional substituindo né um átomo do do elemento principal a gente pode ter um átomo intersticial quando você geralmente um elemento pequeno né um átomo pequeno ele aparece dentro da rede Cristalina né ou então a gente pode ter ausência de átomos né ter uma vacância tá na estrutura Cristalina Então são esses alguns tipos de defeitos pontuais né que

aparecem na na numa estrutura Cristalina Mas a gente pode ter além desse tipo de defeito pontual quando a rede Cristalina começa a se formar e Normalmente quando a gente começa a solidificar o material a solidificação ele não começa em um único ponto isolado geralmente ele começa em várias partes né dentro do do material fundido e cada parte ele começa a crescer né E vai formando então a os ah a fase cristalina e junto com essa esse tipo de de de defeito da fase Cristalina a gente consegue então observar não só defeitos pontuais mas defeitos ah

de linha ou defeitos de superfície né onde a gente tem por exemplo aqui no arranjo né de de uma estrutura cúbica onde a gente apresenta uma uma linha a mais um plano a mais que interrompe nessa região então nessa região a gente tem aí uma região ah tensionada as ligações químicas em volta desse defeito eles criam uma tensão interna no no material tá então que caracteriza um tipo de defeito na estrutura bom a gente vai ver mais para frente né que esse tipo de defeito ele pode melhorar Ou prejudicar a propriedade do material depende do

tipo de defeito depende do do que a gente tá estudando no material tá E então Ah esses materiais quando ão estão solidificando eu tava comentando da da eh dos grãozinhos que que vão crescendo né quando um grãozinho encontra com outro né dois cristais que estão crescendo se encontram as orientações de cada Cristal podem não ser iguais né então se eles tiverem orientações diferentes quando um cristal encostar no outro tá eu vou ter uma diferença aí de ah eh de orientação tá que a gente vai ter no nos nos sólidos então aqui a gente tem um

outro exemplo né de defeitos de interface onde a gente tem por exemplo nessa região aqui um cristal que começou a crescer com uma certa orientação Aqui nós temos um out Cristal que tava com uma outra orientação n levemente eh diferente e aqui um outro Cristal né também com uma outra orientação então a gente vê que entre o boundary né entre as superfícies que ligam os dois cristais nós temos essa região de contorno de grão que a gente chama de contorno de grão onde essa região tem uma série de de defeitos né então a gente vai

encontrar uma série de vazios e de impurezas que aparecem também nessa região de contorno de grão Ah não sei se vocês lembram da química né mas em toda frente de solidificação de material a a maioria das impurezas que estão presentes no material eles são empurradas na frente de solidificação Então se elas são empurradas na frente de solidificação hora que eu encontro duas frentes iação dois grãos crescendo ele acaba concentrando impurezas nessa região de de contorno de grão n então a região de contorno de grão normalmente é uma região de muito defeito de maior energia e

que ah ele pode trazer né Eh propriedades diferenciadas no material então se você tem um material com grãos pequenos ou grãos grandes né isso vai interferir então na propriedade do material bom ah quando esse processo de solidificação acontece de forma muito rápida ou em alguns materiais onde essa solidificação ela vai acontecendo e a eh o material não tem tempo de se rearranjar para ficar na forma mais estável tá então esses esses cristais que vão se formando as células unitárias que vão se amontoando um em cima do outro para formar rede Cristalina ele acaba tendo defeitos

ele criando uma série de defeitos nessa ligação e você não consegue ter uma estrutura periódica tá de de eh de longa distância então a estrutura começa a criar uma série de defeitos como no caso né do dos vidros tá então Aqui nós temos um exemplo de um cristal de silício né de se2 e aqui do lado nós temos o s se2 amorfo quer dizer é a mesma estrutura a mesma estrutura o mesmo material com estruturas diferenciadas então do lado de cá nós temos uma rede Cristalina onde o sistema né essa célula unitária se repete no

espaço tridimensional e ah durante o processo de solidificação se você tem defeitos nessa nessa nessas ligações químicas você acaba criando buracos ou uma estrutura que no espaço ela não se repete mais então você cria aí uma estrutura amorfa né e ã Por que que isso é importante bom o fato de um material ser cristalino amorfo ele vai influenciar uma série de propriedades no nos materiais e pra gente poder entender melhor né como é que isso acontece a gente precisa conseguir estudar e conseguir a observar a fundo Ah como é que tão essas ligações as dimensões

da dessas estruturas eh geralmente microscópicas tá então tem uma série de técnicas que a gente pode utilizar pra gente estudar essa estrutura atômica dos materiais ou a estrutura microscópica dos materiais Então a gente vai ver né agora um pouquinho sobre uma parte de microscopia ótica e a metalografia como é que a gente consegue observar usando microscópio ótico tá a esse tipo de estrutura Cristalina usando raio x né então já ir num nível um pouquinho mais próximo do do nível atômico de e de dimensões submicroscópicas né E a gente vai ver alguma coisa mais para frente

com técnicas de observação né como microscopia eletrônica de varredura ou o microscópio por a ponta de prova ou as microndas né como a gente tem hoje né os AFM ou eh microscopia de de força atômica bom no caso da da metalografia né ah o que o que acontece é que usando o microscópio ótico nós temos algumas dificuldades que são inerentes ao processo de observação usando luz visível tá eh é que a radiação visível ela só vai conseguir interagir com os objetos com os corpos né quando esse corpo tiver uma dimensão física maior ou aproximadamente igual

a de a ao comprimento de onda da radiação que a gente tá usando e como a radiação visível é na faixa de de meio micro né então a gente só vai conseguir observar o material usando microscópio ótico se essa estrutura tiver uma dimensão acima de meio micro tá então abaixo disso a gente tem que utilizar outro tipo de técnica Mas então nessa faixa de eh microns tá Ah pra gente poder observar um metal normalmente o que que a gente faz a gente faz um corte na superfície e faz um polimento nessa superfície você lixa e

deixa a superfície lisinha né limpa e nessa superfície polida a gente faz um ataque químico a gente passa um um ácido né para fazer um ataque químico uma corrosão química e essa corrosão química normalmente o esse Ácido é um nital tá e o que que esse ácido faz como eu tinha mencionado na região de contorno de Grão dos materiais ele tem uma série de impurezas e de que o material tem mais energia então geralmente nessas regiões de contorno de grão o ataque do ácido ele é mais Ah mais profundo tá ele ataca muito mais fácil

essas regiões de contorno de grão de maior energia do que a região da do meio do grão Então nós vamos ter aqui né Vales no meio do grão que observando no microscópio a gente consegue observar um Contorno né então eh ele ele cava bem dizer como se fosse cavar valetas né Eh ranhuras na superfície do Contorno de grão então a gente consegue observar no microscópio ótico tá esse tipo de contorno de grão e medir então por exemplo a dimensão e a morfologia dos grãos numa rede cristalina e se esse ataque né químico ele for um

pouquinho mais pronunciado a gente deixar mais tempo né fazendo esse ataque químico o ataque químico ele vai acabar corroendo também uma parte da superfície do do do grãozinho cristalino e nós sabemos que pela química né que as regiões de de Face de um cristal tá ele é muito menos e reativo do que as regiões de de canto tá ou as regiões onde ah eh que não são fis de de um cristal Isso quer dizer o quê quando o ataque químico ele começa a comer regiões que hã que não são fa ele acaba sobrando Faces então

a as direções ou o os planos do Cristal né onde tem Faces cristalinas vão ser menos atacadas então aqui na superfície ele vai ficar uma série de microf né orientadas De acordo com a orientação do grãozinho E se a gente joga uma luz né por cima para observar isso com microscópio ótico ah esses planos eles vão refletir a luz de forma diferenciada tá e a gente consegue então observar esses grãos muito mais fácil e a gente consegue observar esse tipo de efeito tá Ah muito fácil em folhas de zinco né acho que você já devem

ter observado essas folhas de zinco que são usadas em calhas tá na nas construções civis onde você observando essa essa calha você vai ver eh manchas né parecidas com com esse aquii na superfície do do zinco que tem brilhos diferenciados isso por quê Porque no processo de de fabricação né do do zinco o zinco ele forma grãos muito grandes né de de alguns centímetros de de de dimensão e que são fáceis de ser observados ao linu então a gente não precisa nem do microscópio para observar no caso do zinco os grãos do zinco Tá mas

no caso do dos outros metais principalmente dos Aços né o tamanho de grão ele é da ordem de de alguns microns né pode chegar até centenas de microns mas a maioria na na faixa de de dezenas de micros então a gente só consegue Observar isso usando microscópio e ele acaba dando Esse aspecto tá dessa figura de baixo onde a gente tem reflexões diferenciadas de acordo com com a face do Cristal bom Ah aqui eu coloquei só pra gente ter ter uma uma noção né da radiação eletromagnética que a gente usa que ah no caso da

radiação eletromagnética do visível ele tá aqui na faixa dos 500 microns 400 500 microns mas a gente tem ondas de baixa energia como infravermelho e temos radiações de Alta Energia né como ultravioleta o raio x raios gama né onde o comprimento de onda é muito menor Então se esse comprimento de onda é muito menor a gente consegue interagir com estruturas muito menores tá então para poder observar da já na na região atômica ou próximo das das ligações químicas né a gente vai ter que utilizar então então radiações eh de energia muito mais alta Um dos

problemas que a gente tem né no uso de radiações de Alta Energia aqui como ele tem Alta Energia ele é uma radiação penetrante quer dizer ele acaba penetrando a superfície do material Entrando lá lá dentro interagindo né com com o material na parte interna do material não só na superfície do do material como acontece com a radiação visível bom então ah no caso do do do do x né os comprimentos de onda que a gente usa do do raio x né para estudar a estrutura ele varia aí de 0,05 nanômetros né até da ordem de

0,25 nôm de comprimentos de onda então só para vocês lembrarem também lá da da química que vocês acho que vocês lembram Ah o tamanho atômico né ou o tamanho das ligações químicas el estão aí na faixa de de 01 02 nanômetros né de de e de dimensão física então a gente consegue observar esse tipo de estrutura usando da radiação x bom e como é que esse raio x interage com os átomos né bom a radiação x né Ele é uma radiação eletromagnética e ahã na medida que ele interage quer dizer que ele ele atinge uma

superfície de de qualquer material ele vai sofrer né efeito assim como a luz visível ele sofre reflexão refração né e desvios né da na na direção de propagação da da da da radiação no caso do raio x vai acontecer a mesma coisa só que com uma estrutura a nível atômico né então você vai ter aí desvios né dessa radiação ah x né então ah pode ser refletido pode ser sofrer só um desvio nessa nessa ah na direção de propagação que a gente chama de difração né então esse efeito do desvio da luz é uma difração

estudando então a difração de raio x a gente consegue estudar uma série de propriedades do do material como é que isso acontece bom no caso da da radiação x que é usado para esse tipo de estudo tá é uma radiação x que a gente chama de coerente quer dizer coerente no sentido de que é um comprimento de onda conhecido em fase e com feixe paralelo tá então isso aqui esses dados são importantes pra gente poder estudar os materiais né de de tal forma a conseguir pegar algums dado mais interessante agora que tipo de dado interessante

a gente consegue ver quando você tem a difração do raio x Numa superfície de um material bom eu tinha comentado lá atrás né que todo material quando ele forma uma rede Cristalina ah como você tem uma periodicidade das ligações químicas a gente tem os planos densos né as direções densas e os planos densos normalmente nesses planos densos a quantidade de de radiação que você bate e reflete ou de frata nesse nesse materiais Normalmente eles são maiores do que em planos menos densos então quanto mais átomos você tiver naquele plano maior vai ser o efeito da

difração naquele plano e essa radiação que chega na superfície ela chega e espalha para todo quanto é lado em todas as direções inclusive para dentro do material tá e penetra aí uma uma quantidade razoável de material né em várias profundidades de camadas e a gente sabe que a radiação né x né Ele é uma tem um comportamento de onda e comportamento de onda né que vocês estudaram lá na física é que se você tem duas ondas em fase tá é que você soma as amplitudes dessa onda e se você tiver nessa riação x né e

diferenas de fase ela acaba se anulando isso quer dizer que a radiação que tá chegando no material e tá sendo espalhadas Em alguns momentos ele vai ter uma interferência construtiva e na grande maioria destrutiva tá agora o que acontece é que quando essa radiação x incide no material num plano cristalino E você tem nesse plano cristalino distâncias bem definidas tá se essa distância que for bem definida a diferença de comprimento da da radiação x que chega na superfície interage aqui e reflete nós vamos ter aqui que a diferença de caminho tá dessa radiação x de

duas radiações que difratam no material tá se essa diferença de caminho foi exatamente o múltiplo inteiro do comprimento de onda a radiação x que sai ela vai sair em fase se ela sai em fase ela soma energia então só nesse caso tá quando você tem uma radiação em fase ela vai somar energia e assim então nós temos que essa relação da que foi estudado por brag inclusive que deu prêmio nobil né a a ao brag por por essa descoberta né que onde ah essa relação o 2D 2D né que a gente fala é duas vezes

a distância a distância entre a o plano denso n 2D seno teta onde teta é esse ângulo né de de incidência tá em cima da da superfície do do plano cristalino e quando ele for um múltiplo inteiro do comprimento de onda a gente tem aí uma soma da da radiação coerente tá então isso quer dizer o qu que se eu colocar um detector do lado de cá n eu fizer uma varredura desse detector Então sempre que eu tiver essa condição de brag eu vou ter aí feixe de raio x chegando no detector Então esse é

um difratômetro de raio x né o modelo de Rai x que a gente usa onde nós temos aqui a fonte de raio x né então ele vai gerar raio x aqui dentro que é um filamento aquecido com e onde se aplica uma tensão muito grande né de 20 30 1000 V de de tensão e essa radiação x que é produzida ela incide no material que ele tá num porta amostra bem aqui no centro desse goniômetro tá então Ah nesse caso a mossa que é colocada aqui você incide o raio x na amostra e essa radiação

vai refletir para algum lugar que na verdade ele difrata em todas as direções mas o que defr exatamente né nessa nessa direção Você tem o detector do lado de cá onde esse detector ele faz a varredura angular nesse sentido onde a gente tem que ah para que você tenha o ângulo de incidência igual ângulo de e de refração né a gente tem que a velocidade de escaneamento desse ângulo tá esse detetor ele tem que deslocar duas vezes o ângulo de giro da amostra Então esse é um tipo de arranjo que a gente chama de teta

2 teta teta 2 t onde você tem aqui o porta amostra né girando de ângulo teta e o detector ele tem que girar de 2 teta para poder pegar tá o raio X que que passa a que sai do material então só quando esse 2 teta tá essa direção essa esse esse ângulo ele tiver na condição de brag eu botei aí um pico tá de de de radiação x saindo do material e aí nesse diagrama então de intensidade de radiação x detectada a gente vai ter uma coisa parecida com isso né então em algum ângulo

bem definido eu vou ter aqui um pico de difração o detector vai vai ah captar essa energia tá da radiação difratada né e eu tinha comentado também que a partir do conjunto de três Picos mais intensos de dos três planos mais intensos do material né de mais denso do material tá a gente consegue definir qual sistema cristalino esse material pertence então se eu não souber que tipo de de material eu tenho aqui a hora que eu tiro um difratograma eu vou obter os Picos né que são referentes aos planos densos do material e os ângulos

em que ele ele emite a partir do conjunto dos três Picos mais intensos eu consigo saber o sistema cristalino se eu sei sistema cristalino né desse material tá eu consigo achar o parâmetro de rede então se eu consigo definir o parâmetro de rede eu consigo calcular o espaçamento interplanar Ahã do do do conjunto bom a radiação eu conheço eu sei qual radiação eu tô usando para para fazer a difração Ah eu quero saber o 2D o seno teta o teta eu tenho medido no difratograma Então a partir desses valores de teta e do lambda eu

calculo o d né que é o parâmetro de rede tá então calculando o parâmetro de rede tá nessa relação né de de brag eu consigo calcular né Quanto que vale o a quer dizer a distância das ligações químicas de de uma célula unitária Então a partir daqui então eu consigo n definir Então para mim a fazer as medidas de um sistema cristalino usando são x e usando esse tipo de arranjo tá de de detecção de de de estrutura bom a gente pode ter um tipo de material que ele não apresenta nenhum pico de difração quer

dizer à medida que eu faço a varredura né Eh variando o ângulo quase ângulo reto até até ah em todas as direções eu acabo não observando nenhum pico de difração se ele não apresenta pico de difração Isso quer dizer o quê que esse material né n ele não tem muitos planos cristalinos orientados na mesma direção o material tá tá com orientações bem diferenciadas tá onde eu não tenho então uma soma eh de de raio x coerente de tal forma a a a me dar o pico então isso quer dizer que esse material se ele não

tem uma estrutura Cristalina é chamado de material amorfo tá e Ah nós temos aqui um exemplo de alumínio silicato né que ele foi fundido né e ele não apresentou nenhum pico de difração e nesse material né Depois de de foi feito um tratamento térmico a 1000 gra né Por Uma hora quer dizer foi colocado ele numa condição de Alta Energia onde as ligações químicas ah podiam se movimentar né de você ter rearranjos químicos e de tal forma que a estrutura conseguisse fazer uma autodifusão tá e ah se posicionando em regiões de menor energia e essas

regiões de menor energia n a gente já viu que é na forma de Cristalina né aquele tipo de arranjo Cristalina então após um tratamento térmico a gente fazendo o raio x de novo né de fogr de novo dessa amostra a gente começa a observar a presença de alguns Picos né então ele começa a apresentar Picos ou planos bem definidos bem orientados no ano material bom mas olhando aqui mas esse pico aqui tá diferente daquilo que a gente vou né atrás onde o pico era bem definido né ou era bem fininho esse pico de de difração

Que diferença tem né eu tá com esse pico aberto por que que ele esse pico fica aberto bom no caso da difração de rax se a orientação dos planos cristalinos né ele tiver Exatamente tudo na mesma orientação um cristal perfeito tá a gente vai ter que a reflexão de brag El só vai acontecer num ângulo bem definido então em um ponto único você vai ter a a radiação coerente que que vai Se somar tá e desviar um pouquinho do ângulo ele vai cair a zero de novo a intensidade da desse feixe Ah difratada isso quer

dizer o quê que se eu tiver por exemplo grãozinhos que ele tem várias orientações ao próximo da orientação principal então eu vou começar a ter né um pouco de de eh de difração dentro da lei de brag né de alguns planos que começam a ter entrar na condição de brag começa a aumentar a intensidade Então essa largura desse pico né ele tá me mostrando o quê Ele tá me mostrando o quão perfeito é esse Cristal então nós temos também né uma outra técnica que a gente chama de medir a largura a meia altura de um

pico de difração tá essa largura a meia altura de um pico de difração ela me dá tá A Cristal unidade do material se o material está mais ou menos cristalizado ou tá mais ou menos [Música] perfeito [Música] 2