4 Imperfeições nos sólidos

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IMPERFEIÇÕES NOS SÓLIDOS
Materiais para Indústria
IMPERFEIÇÕES DOS SÓLIDOS
INTRODUÇÃO
 Importância de se estudar as Imperfeições dos
sólidos.
 Influenciam as Propriedades dos Materiais
 Os cristais descritos até agora são todos ideais ou
seja, não possuem defeitos.
 Sólidos não são perfeitos em sua microestrutura:
 Muitas propriedades estão relacionadas com estes
defeitos;
 Frequentemente defeitos são induzidos
propositalmente nos materiais. 2
INTRODUÇÃO
 O QUE É UM DEFEITO CRISTALINO?
 É uma imperfeição ou um "erro" no arranjo
periódico regular dos átomos em um cristal.
 Pode envolver uma irregularidade
 na posição dos átomos
 no tipo de átomos
 O tipo e o número de defeitos dependem do
material, do meio ambiente, e das circunstâncias
sob as quais o material foi processado. 3
INTRODUÇÃO
 Defeitos Pontuais (associados c/ 1 ou 2 posições 
atômicas) 
 Vacâncias (lacuna)
 Autointersticiais
 Impurezas intersticiais e substitucionais
 Defeitos Lineares (unidimensionais)
 Discordâncias (deslocamento) 
 Defeitos interfaciais (bidimensionais)
 Superfície externa
 Contornos 4
INPUREZAS NOS SÓLIDOS
DEFEITOS PONTUAIS
 Lacunas:
 Sítios atômicos vagos na estrutura cristalina.
 Todos os sólidos cristalinos possuem lacunas.
 A presença de lacunas aumenta a aleatoriedade do
cristal
5
DEFEITOS PONTUAIS
LACUNAS
 O número de lacunas em equilíbrio Ni , para uma
dada quantidade de material aumenta em função
da temperatura:
 Nl = Número de lacunas
 N = Número de posições atômicas
 Ql = Energia de ativação
 T = Temperatura absoluta (K)
 k = Constante de Boltzman
 1,38x10-23 J/átomo.K
 8,62x10-5 eV/átomo.K 6







kT
Q
NN l
l
exp
DEFEITOS PONTUAIS
AUTOINTERTICIAIS
 É um átomo do cristal que se encontra
comprimido em um sítio intersticial.
 Produz uma distorção no reticulado, já que o
átomo geralmente é maior que o espaço do
interstício.
7
AUTO INTERSTÍCIO
LACUNA
 Existe em concentrações
reduzidas
DEFEITOS PONTUAIS
IMPUREZAS NOS SÓLIDOS
 A maioria dos metais utilizados na industria não
possuem elevado grau de pureza.
 Algumas impurezas (chamadas elementos de
liga) são adicionadas intencionalmente com a
finalidade:
- aumentar a resistência mecânica
- aumentar a resistência à corrosão
- Aumentar a condutividade elétrica
8
IMPUREZAS NOS SÓLIDOS
 A adição de elementos de liga pode formar
 Soluções sólidas % elemento < limite 
de solubilidade
 Segunda fase % elemento > limite 
de solubilidade
 A solubilidade depende :
 Temperatura
 Tipo de elemento (ou impureza)
 Concentração do elemento (ou impureza)
9
IMPUREZAS NOS SÓLIDOS
 Termos usados:
 Elemento de liga soluto
ou Impureza (< quantidade)
 Matriz ou solvente 
Hospedeiro (>quantidade)
• Fase - porção homogênea de um material com 
características físicas e químicas uniformes. 10
IMPUREZAS NOS SÓLIDOS
 Soluções sólidas são formadas quando:
 A estrutura cristalina do material que atua como
matriz é mantida
 Nenhuma estrutura nova é formada
 Nas soluções sólidas as impurezas ou elementos
de liga podem ser de dois tipos:
- Intersticial
- Substitucional
11
IMPUREZAS NOS SÓLIDOS
 Defeitos substitucionais:
 Os átomos do soluto ou impureza repõem ou
substituem átomos hospedeiros.
12
SUBSTITUCIONAL 
ORDENADA
SUBSTITUCIONAL 
DESORDENADA
IMPUREZAS NO SÓLIDOS
 Fatores que determinam grau de solubilidade
entre soluto e solvente:
 Fator do Tamanho Atômico uma diferença
menor que ±15%, caso contrário pode promover
distorções na rede e assim formação de nova fase.
 Estrutura cristalina devem ser a mesma
 Eletronegatividade mais próximas, para
que não ocorra formação de compostos intermetálicos
 Valência mesma ou menor que a do
hospedeiro
13
IMPUREZAS NOS SÓLIDOS
 Exemplo de Solução sólida substitucionail:
 Cobre e Níquel são solúveis em todas as
proporções
14
Características Cu Ni
Raio atômico
Estrutura
Eletronegatividade
Valência
0,128nm=1,28 A
CFC
1,9
+1 (as vezes +2)
0,125 nm=1,25 A
CFC
1,8
+2
IMPUREZAS NOS SÓLIDOS
 Soluções Sólidas Intersticiais:
 Os átomos de impurezas ou os elementos de liga
ocupam os espaços dos interstícios
 Como os materiais metálicos possuem fator de
empacotamento alto as posições intersticiais são
relativamente pequenas
 A impureza intersticial deve apresentar raio
atômico bem menor que o hospedeiro
 Geralmente, no máximo 10% de impurezas
são incorporadas nos interstícios
15
IMPUREZAS NO SÓLIDOS
 Mesmo sendo muito pequenas, os átomo de
impureza são maiores que os sítios intersticiais.
 Induzem distorção no reticulado, deformações na
rede dos átomos hospedeiros.
 A formação de um defeito intersticial implica
na criação de uma vacância, por isso este
defeito é menos provável que uma vacância
16
IMPUREZAS NOS SÓLIDOS
 Exemplo de Solução sólida Intersticial:
 Fe + C solubilidade máxima do C no Fe
é 2 % a 9100 C (Fe CFC).
 O C tem raio atômico menor que o Fe
 rC= 0,071 nm= 0,71 A
 rFe= 0,124 nm= 1,24 A
17
IMPUREZAS NOS SÓLIDOS
 Distorções devido ao tamanho do átomo do soluto
18
Átomo intersticial pequeno
Átomo intersticial grande
Gera maior distorção na rede
IMPUREZAS NOS SÓLIDOS
 Soluções sólidas x Prorpiedades Mecânicas
 A presença de solutos altera o comportamento mecânico
dos metais, sendo que:
 diferença entre tamanhos atômicos leva ao aumento da
resistência mecânica
 aumento da quantidade de soluto leva ao aumento da
resistência mecânica
19
IMPUREZAS NOS SÓLIDOS
 Soluções sólidas x Prorpiedades Mecânicas
 Exemplos:
 liga Cu-Zn: aumento pequeno
- tamanhos atômicos próximos.
 liga Cu-Sn: aumento médio
- tamanhos atômicos diferentes.
 liga Cu-Be: aumento elevado
– tamanhos atômicos diferentes
20
IMPERFEIÇÕES NOS SÓLIDOS
ESPECIFICAÇÃO DA COMPOSIÇÃO
 Composição  Teor relativo de um elemento ou
constituinte específico em uma liga.
 Porcentagem em massa
 Considera a massa de um elemento em relação a
massa total da liga.
 Porcentagem atômica
 Considera o número de mols de elemento em relação a
massa total da liga.
21
100
21
1
1 x
mm
m
C


100
21
1´
1 x
nn
n
C
mm
m


ESPECIFICAÇÃO DA COMPOSIÇÃO
 Conversão entre Composições
 Porcentagem em massa para Porcentagem atômica
 Porcentagem atômica em porcentagem em massa
22
100
2
´
21
´
1
1
´
1
1 x
ACAC
AC
C


100
122
2´
1
1
1 x
ACAC
AC
C

 100
122
12´
2
1
x
ACAC
AC
C


100
2
´
21
´
1
2
´
2
2 x
ACAC
AC
C


ESPECIFICAÇÃO DA COMPOSIÇÃO
 Conversão entre Porcentagem em massa em massa
por unidade de volume:
 ρ (g/cm3) C´´(kg/m3)
23
1000
2
2
1
´´
1
1
1 x
CC
C
C















1000
2
2
1
2´´
2
1
x
CC
C
C















ESPECIFICAÇÃO DA COMPOSIÇÃO
 Cálculo da massa específica para uma liga binária
 Cálculo da massa atômica para uma liga binária
24














2
2
1
1
100


CC
méd















2
2
´
2
1
1
´
1
2
´
21
´
1


ACAC
ACAC
méd














2
2
1
1
100
A
C
A
C
Améd 




 

100
2
´
21
´
1 ACACAméd
IMPERFEIÇÕES NOS SÓLIDOS
IMPERFEIÇÕES DIVERSAS
 Discordâncias são defeitos lineares ou
unidimensionais em torno do qual os átomos estão
desalinados.
 São imperfeições que causam a distorção da rede
cristalina em torno de uma linha e caracterizam-se
por envolver um plano extra de átomos.
 Podem ser produzidas durante o crescimento do
cristal ou na deformação plástica do cristal
25
IMPERFEIÇÕES DIVERSAS
DISCORDÂNCIAS – DEFEITOS LINEARES
 A presença deste defeito pode ser responsável pela
deformação, falha e ruptura dos materiais
 Classificação
 Discordância aresta
 Discordância espiral
 Discordância mista
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DISCORDÂNCIAS – DEFEITOS LINEARES
 Discordância aresta:
 Defeito linear centralizadosobre a linha definida ao
longo da extremidade do semiplano extra de átomos.
 Átomos acima da linha de discordância são
pressionados uns contra os outros.
 Átomos abaixo da linha de discordância são afastados
uns em relação aos outros.
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Compressão
Expansão
Semiplano adicional
Discordância de aresta
DEFEITOS LINEARES - DISCORDÂNCIAS
 Magnitude e a direção da distorção da rede
associada à uma discordância são expressas em
termos de um vetor de Burgers, representada por
b.
 O vetor de Burgers b equivale à distância
necessária para fechar o contorno formado pelo
mesmo número de átomos ao redor da
discordância de aresta;
 Materiais metálicos
 Magnitude igual ao espaçamento interatômico
 Direção cristalográfica compacta
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DISCORDÂNCIAS – DEFEITOS LINEARES
 Discordância em aresta  O vetor de Burger é
perpendicular à direção da linha da discordância;
 O movimento da linha de discordância é paralelo
ao da força de cisalhamento.
29
Linha de discordância
DISCORDÂNCIAS – DEFEITOS LINEARES
 Discordância espiral: Gerada por uma tensão
cisalhante aplicada para produzir distorções.
 A região posterior do cristal é deslocada uma
distância atômica para acima em relação a porção
anterior.
30
DISCORDÂNCIAS – DEFEITOS LINEARES
 Discordância espiral:
 O vetor de Burger é paralelo à direção da linha de
discordância
 Campo de tensões é simétrico e paralelo ao vetor de
burger (não envolve componentes de tração ou
compressão).
 O movimento da linha de discordância é perpendicular
ao da força de cisalhamento.
31
DISCORDÂNCIAS – DEFEITOS LINEARES
 Discordância mista: Apresenta componentes da
discordância aresta e da discordância espiral.
 As orientações da linha da discordância e do
vetor de Burgers não são perpendiculares nem
paralelas em uma discordância mista.
32
DISCORDÂNCIAS – DEFEITOS LINEARES
 A quantidade e o movimento das discordâncias
podem ser controlados pelo grau de deformação
(conformação mecânica) e/ou por tratamentos
térmicos.
 Com o aumento da temperatura há um aumento
na velocidade de deslocamento das discordâncias
favorecendo o aniquilamento mútuo das mesmas
e formação de discordâncias únicas.
33
DISCORDÂNCIAS – DEFEITOS LINEARES
 Impurezas tendem a difundir-se e concentrar-se
em torno das discordâncias formando uma
atmosfera de impurezas.
 As discordâncias geram vacâncias.
 As discordâncias influem nos processos de
difusão.
34
DISCORDÂNCIAS – DEFEITOS LINEARES
 Importantes em metais e ligas pois fornecem
mecanismo para a deformação plástica
(permanente).
 Movimentação das discordâncias (deslizamento)
proporciona ductilidade aos metais.
 Podemos controlar as propriedades mecânicas de
um metal ou de uma liga interferindo no
movimento das discordâncias, para aumentar a
dureza ou a ductilidade.
35
DISCORDÂNCIAS – DEFEITOS LINEARES
 Movimento da discordância em aresta
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Figura : a) o semiplano de átomos extra é chamado de A. b) A
discordância se move uma distância atômica para a direita conforme A
se liga à porção inferior do plano B. c) Um degrau se forma na
superfície do cristal conforme o semiplano atinge a superfície.
DISCORDÂNCIAS – DEFEITOS LINEARES
 As discordâncias também influenciam nas
propriedades óticas e elétricas dos materiais.
37
Microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM)
IMPERFEIÇÕES NOS SÓLIDOS
DEFEITOS INTERFACIAIS
 Cristais apresentam defeitos em duas dimensões,
que se estendem ao longo da estrutura, gerando
imperfeições de interfaces:
 Superfícies externa
 Contornos de grão
 Contornos de Maclas
 Envolvem fronteiras (defeitos em duas
dimensões) e normalmente separam regiões dos
materiais de diferentes estruturas cristalinas ou
orientações cristalográficas.
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DEFEITOS INTERFACIAIS
SUPERÍCIES EXTERNAS
 Átomos na superfície não têm todas suas ligações
satisfeitas e possuem maior energia livre que os
átomos sob a superfícies;
 Para reduzir essa energia na superfície  Os
materiais tendem a minimizar a área total de sua
superfície;
39
Superfície Externa
• A superfície dos sólidos podem se
“reconstruir” para satisfazer as
ligações atômicas dos seus
átomos.
DEFEITOS INTERFACIAIS
CONTORNOS DE GRÃO
 Materiais policristalinos são formados por muitos
cristais ou grãos, que têm diferentes direções
cristalográficas;
 Nas regiões onde estes grãos se encontram ocorre
um desordenamento atômico. Elas são chamadas
de contorno de grão.
40
DEFEITOS INTERFACIAIS
CONTORNOS DE GRÃO
 A forma do grão é controlada:
 pela presença dos grãos circunvizinhos
 O tamanho de grão é controlado
 Composição química
 Taxa (velocidade) de cristalização ou solidificação
41
DEFEITOS INTERFACIAIS
CONTORNOS DE GRÃO
 Há um empacotamento ATÔMICO menos
eficiente
 Favorece a nucleação de novas fases (segregação)
 O contorno de grão ancora o movimento das
discordâncias
 Há uma energia mais elevada
 Favorece a difusão
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Aço inoxidável austenítico Aço carbono (1070)
Ferrita e perlita
DEFEITOS INTERFACIAIS
CONTORNO DE GRÃO
 Discordância e Contorno de Grão
 A passagem de uma discordância através do
contorno de grão requer energia
 O contorno de grão ancora o movimento das
discordância pois constitui um obstáculo para a
passagem da mesma, logo quanto menor o
tamanho de grão ........a resistência do material
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DISCORDÂNCIA
DEFEITOS INTERFACIAIS
CONTORNOS DE MACLA
 Tipo especial de contorno de grão
 Uma macla separa duas regiões cristalinas que
são, estruturalmente, imagens espelhadas uma
da outra.
44
DEFEITOS INTERFACIAIS –
CONTORNOS DE MACLA
 Os átomos de um lado do contorno são imagens
especulares dos átomos do outro lado do contorno
 A macla ocorre num plano definido e numa
direção específica, dependendo da
estrutura cristalina
45
DEFEITOS INTERFACIAIS –
CONTORNOS DE MACLA
 Maclas podem ser causadas por forças mecânicas
de cisalhamento (comuns em CCC e HC), durante
tratamentos térmicos de recozimento (CFC).
46
Maclas
IMPERFEIÇÕES NOS SÓLIDOS
DEFEITOS VOLUMÉTRICOS OU DE MASSA
 São introduzidas no processamento do material
e/ou na fabricação do componente
 Poros: origina-se devido a presença ou formação de
gases. Podem modificar substancialmente as
propriedades ópticas, mecânicas e térmicas de um
material;
47
Compactado de pó de 
ferro,compactação uniaxial em 
matriz de duplo efeito, A 550 MPa
Compactado de pó de ferro após 
sinterização a 1150oC, por 120min 
Em atmosfera de hidrogênio
IMPERFEIÇÕES NOS SÓLIDOS
DEFEITOS VOLUMÉTRICOS OU DE MASSA
 Trincas: podem afetar as propriedades mecânicas do
material
 Inclusões: Impurezas estranhas e podem modificar
substancialmente as propriedades elétricas,
mecânicas e óticas de um material.
48Inclusões de óxido de cobre (Cu2O) em
cobre de alta pureza (99,26%) laminado
a frio e recozido A 800oC.
Sulfetos de manganês (MnS) em aço 
rápido. 
IMPERFEIÇÕES NOS SÓLIDOS
DEFEITOS VOLUMÉTRICOS OU DE MASSA
 Outras fases: forma-se devido à presença de
impurezas ou elementos de liga (ocorre quando o
limite de solubilidade é ultrapassado)
49A microestrutura é composta por veios de grafita sobre uma matriz perlítica.
Cada grão de perlita, por sua vez, é constituído por lamelas alternadas de duas
fases: ferrita (ou ferro-a) e cementita (ou carboneto de ferro).
ANÁLISES MICROSCÓPICAS
CONCEITOS BÁSICOS DE MICROSCOPIA
 Com as análises de Microscopia é possível
examinar os elementos estruturais e os defeitos
que influenciam as propriedades do material.
 Tamanho e forma do grão  características
microestruturais
 Microscópios óptico, eletrônico e de varredura por
sonda  exemplos de instrumentos que auxiliam
na investigação de características
microstruturais.
50
CONCEITOS BÁSICOS DE MICROSCOPIA
APLICAÇÕES DAS ANÁLISES MICROESTRUTURAIS
 Aplicações das análises microestruturais
 Assegurar melhor compreensão da relação entre
estrutura e propriedade
 Projetar ligas com novascombinações de
propriedades
 Determinar se o tratamento térmico utilizado foi o
adequado
 Verificar tipo de fratura mecânica
51
ANÁLISES MICROSCÓPICAS
TÉCNICAS DE MICROSCOPIA
 Microscopia Optica
 Microscópio óptico
 Elementos básicos: sistema óptico e de iluminação
 Materiais opacos a luz visível  metais, cerâmicos e
poliméricos.
 Contraste na imagem produzida resultam da
diferença de reflexibilidade das regiões da
microestrutura.
52
ANÁLISES MICROSCÓPICAS
DETERMINAÇÃO DO TAMANHO DO GRÃO
 Observação dos grãos e contornos de grãos ocorre 
por microscopia (ÓTICA OU ELETRÔNICA)
 utiliza ataque químico específico para cada 
material
O contorno geralmente é mais reativo
53
DETERMINAÇÃO DO TAMANHO DO GRÃO
 O tamanho de grão influi nas propriedades dos
materiais
 Para a determinação do tamanho de grão utiliza-
se cartas padrões
ASTM ou ABNT
54
DETERMINAÇÃO DO TAMANHO DO GRÃO
 Determinação do tamanho de grão (ASTM) 
 Tamanho: 1-10
 Aumento: 100 X
N= número médio de grãos por polegada quadrada
Nm= Número de grãos por polegada quadrada sob 
uma ampliação M
n= tamanho de grão
55
Quanto maior o número menor o 
tamanho de grão da amostra
)1(2  nN
)1(
2
2
100





 n
M
M
N
DETERMINAÇÃO DO TAMANHO DO GRÃO
 Existem vários softwares comerciais de
simulação e determinação do tamanho de grão
56