Tipos de estrutura cristalina: Explicação sobre FCC, BCC e HCP

Introdução

As estruturas cristalinas definem como os átomos se agrupam em metais e outros materiais sólidos. O arranjo afeta a resistência, a ductilidade e muitas outras propriedades importantes.

Gráfico de estrutura cristalina

Abaixo está um gráfico simples das três principais estruturas cristalinas:
- Cúbica centrada na face - Os átomos são colocados em cada canto do cubo e no centro de cada face. Essa estrutura produz um alto fator de empacotamento.
- Cúbica centrada no corpo - Os átomos residem nos oito cantos e um no centro do cubo. Essa estrutura tem um fator de empacotamento menor em comparação com a cúbica centrada na face.
- Hexagonal Close Packed - Os átomos formam camadas em um formato hexagonal. Uma camada intermediária fica entre duas camadas semelhantes. Esse arranjo é muito compacto e forte.

Cada estrutura tem seus próprios benefícios. Suas diferenças são importantes para a resistência, a ductilidade e a condutividade do material. No uso diário, uma pequena mudança no arranjo atômico pode alterar o desempenho de um metal em aplicações do mundo real.

FCC, BCC e HCP

As estruturascúbicas centradas na face são comuns em metais como cobre, alumínio e ouro. Seus átomos se tocam ao longo das diagonais das faces. Isso lhes confere excelente ductilidade e fácil deformação sob tensão. Nos metais que usam esse arranjo, geralmente há boa resistência à fadiga e ao desgaste.

As estruturas cúbicas centradas no corpo aparecem em metais como o ferro (em temperatura ambiente), o cromo e o tungstênio. Nessas estruturas, os átomos apresentam um arranjo menos denso. Os átomos entram em contato uns com os outros ao longo das linhas centrais do cubo. Como resultado, esses materiais geralmente têm alta resistência, mas menor ductilidade em comparação com o tipo cúbico de face centrada. Eles podem ser mais frágeis em condições de frio.

Estruturas hexagonais compactadas são encontradas em metais como o magnésio, o titânio e o zinco. Nesses casos, os átomos se organizam em uma camada em forma de hexágono e depois se repetem em uma forma compactada. Esses arranjos dão aos metais alta resistência. Seus sistemas de deslizamento podem ser menores. Isso pode afetar a forma como o metal se deforma sob estresse.

Cada estrutura cristalina tem seu próprio número de coordenação e fator de empacotamento. Na cúbica centrada na face, o número de coordenação típico é 12, com um fator de empacotamento de cerca de 0,74. O cúbico centrado no corpo mostra um número de coordenação de 8 com um fator de empacotamento próximo a 0,68. A forma hexagonal fechada tem um número de coordenação de 12 e um fator de empacotamento semelhante ao da forma cúbica centrada na face. Esses números nos ajudam a entender as diferenças nas propriedades físicas e no comportamento mecânico.

Muitos casos práticos mostram cada um desses arranjos em ação. Por exemplo, no setor automotivo, as peças de alumínio normalmente usam o arranjo cúbico de face centrada devido à sua capacidade de absorver choques. Na construção e no maquinário pesado, os metais cúbicos centrados no corpo são escolhidos para peças que exigem alta resistência. No setor aeroespacial, o titânio, com sua estrutura hexagonal compactada, é utilizado em áreas que precisam de um metal leve, porém resistente.

Materiais com tipos de treliça

Materiais com diferentes tipos de estrutura apresentam propriedades variadas no uso cotidiano. O cobre, um metal cúbico centrado na face, é macio o suficiente para ser dobrado, mas forte o suficiente para sistemas de fiação e troca de calor. O ferro cúbico centrado no corpo é usado na construção porque resiste à deformação mesmo sob cargas pesadas. O magnésio, com sua estrutura hexagonal compactada, é usado no setor de aviação devido à sua leveza e melhor relação resistência/peso.

Quando se seleciona um material para um trabalho, também se observa a disposição da estrutura. A estrutura cúbica centrada na face ajuda a fabricar componentes que precisam suportar flexões repetidas sem rachaduras. A estrutura cúbica centrada no corpo é preferida quando as peças precisam de alta resistência sob cargas de choque. A estrutura hexagonal compactada é selecionada quando é necessário um material leve, mas duro.

Engenheiros e cientistas usam essas observações para adaptar as propriedades do material. Eles controlam a estrutura cristalina por meio de ligas e tratamentos térmicos para alcançar os resultados desejados em termos de resistência, tenacidade ou condução elétrica. Essa aplicação prática da ciência dos materiais orientou o projeto de pontes, edifícios, motores e até mesmo de utensílios de cozinha comuns.

Conclusão

Compreender as diferenças entre os arranjos cúbicos de face centrada, cúbicos de corpo centrado e hexagonais compactados ajuda a escolher o material certo para uma tarefa específica. O posicionamento dos átomos não é apenas uma conversa acadêmica. É importante para a forma como os metais se dobram, esticam ou resistem às forças. Espero que este guia simples e amigável tenha lhe dado uma visão clara desses importantes tipos de estrutura. Lembre-se de que mesmo uma pequena alteração no arranjo atômico pode levar a grandes mudanças no desempenho dos metais. Esta breve visão geral deve servir como um ponto de referência útil, quer você esteja estudando materiais ou trabalhando com eles no campo.

Perguntas frequentes

F: Qual é a principal vantagem de uma estrutura cúbica de face centrada?
P: Ela oferece alta ductilidade e facilidade de deformação sob tensão.

F: Por que uma estrutura cúbica centrada no corpo tem menor ductilidade?
P: Os átomos são menos densamente empacotados, resultando em menor flexibilidade sob impacto.

F: Que tipos de aplicações usam metais hexagonais compactados?
P: Eles são comuns na indústria aeroespacial e em aplicações que exigem alta resistência e leveza.

Referências:

[1] Kumar Saxena, Sachin & Gaur, Vidit. (2022). Advances in Fatigue Prediction Techniques (Avanços nas técnicas de previsão de fadiga). 10.5772/intechopen.99361.