Aula_4__Defeitos_Nas_Estruturas_Cristalinas

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NOÇÃO DE ESTRUTURA CRISTALINA 
 
1 - Através de ligações atômicas, os átomos podem formar compostos com propriedades bem 
definidas. Estes compostos podem ter um par de átomos, como uma molécula de gás, ou milhões 
deles, formando sólidos. 
 
2 - A natureza das ligações entre os átomos determina o número de átomos que formam o composto e 
a forma com a qual os átomos se organizam. 
 
3 - Ligações covalentes, devido à direcionalidade e ao partilhamento de elétrons entre os átomos 
ligados, tendem a formar compostos de poucos átomos, como moléculas de gases, ou estruturas 
lineares com milhares de átomos, como os polímeros. 
 
4 - Ligações metálicas e iônicas tendem a formar estruturas com milhões de átomos dispostos regular 
e repetidamente no espaço, os cristais. 
 
ESTRUTURA CRISTALINA 
 
 
Uma estrutura cristalina é um arranjo coordenado de átomos que se repete no espaço de maneira 
regular. 
 
Estrutura cúbica simples 
 
 
 
 
 
 
 
CÉLULA UNITÁRIA, PARÂMETROS DE REDE E TIPOS DE REDE 
 
1 - Toda a estrutura cristalina pode ser construída pela repetição de um padrão. Tal padrão é 
constituído por um certo volume, que segue a simetria da estrutura cristalina, e é ocupado por um 
número mínimo de átomos. Este padrão recebe o nome de célula unitária. 
 
2 - A célula unitária é caracterizada por parâmetros relacionados aos comprimentos de suas arestas e 
pelos ângulos formados entre as arestas. São os parâmetros de rede. 
 
3 - Existem sete diferentes tipos básicos de rede cristalina e alguns tipos derivados destes. 
 
REDES CRISTALINAS BÁSICAS E DERIVADAS 
 
Rede Cristalina Célula Unitária (clique sobre o ícone) Sub Redes 
Cúbica 
 
Sub redes 
Tetragonal 
 
Sub redes 
Romboédrico 
 
-- 
Ortorrômbico 
 
Sub redes 
Monoclínico 
 
Sub redes 
Triclínico 
 
-- 
Hexagonal 
 
-- 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
MONOCRISTAIS E POLICRISTAIS 
 
1 - A formação de um sólido cristalino através do resfriamento de um líquido ocorre com a formação de 
núcleos de cristais e seu posterior crescimento independentemente uns dos outros. À medida que os 
cristais crescem, o volume do líquido diminui e os diferentes cristais se aproximam. Cada cristal que 
cresce tem uma orientação diferente de sua estrutura cristalina. Depois de completamente solidificado, 
o sólido é formado pelos cristais crescidos com diferentes orientações que se encaixam em um arranjo 
tridimensional, ocupando totalmente o espaço. Cada um destes cristais é chamado de grão e o 
material é dito ser policristalino. 
 
 
 
 
3 - A interface entre dois grãos adjacentes é denominada de contorno de grão que podem ser vistos 
sob o microscópio após o ataque químico do material por um reagente apropriado. O reagente ataca 
primeiramente os contornos de grão, formando um baixo relevo que espalha diferentemente a luz 
incidente no microscópio, tornando-os visíveis. Os contornos de grão são regiões de alta energia, pois 
marcam o encontro de regiões com diferentes orientações cristalinas. Há maior concentração de 
defeitos na rede cristalina. 
 
4 - Quando o material é formado por um único cristal (uma única orientação cristalina), ou grão, ele é 
dito monocristalino. Monocristais podem ser crescidos em condições controladas de solidificação. 
Alguns produtos comerciais são monocristalinos. Existem materiais monocristalinos naturais, como 
algumas gemas. 
 
5 - Propriedades que apresentam anisotropia em monocristais podem ser isotrópicas em policristais. 
Isto ocorre porque todas as direções são equivalentes, pois em todas elas há um grande número de 
grãos aleatoriamente orientados. 
 
 
 
 
DEFEITOS EM CRISTAIS 
1 - Cristais reais sempre possuem defeitos. A natureza favorece a presença espontânea deles, pois isto 
pode reduzir a energia livre da estrutura. Defeitos podem ainda ser introduzidos por fatores externos 
tais quais tensões, bombardeamento iônico, contaminação etc. 
 
2 - Um defeito na estrutura cristalina pode ser compreendido como a ruptura de sua regularidade. Os 
defeitos podem ser classificados como puntiformes, lineares e de superfície. 
 
3 - Os defeitos na rede cristalina são responsáveis por inúmeros processos que são fundamentais para 
a utilização de certos materiais em engenharia. Por isso, processos que introduzem defeitos nos 
cristais são desenvolvidos. 
DEFEITOS PUNTIFORMES 
 
1 - A quebra da regularidade ocorre em um ponto da rede cristalina. Existem vários tipos de defeitos 
puntiformes. 
 
2 - VACÂNCIAS: são posições da rede que deveriam estar ocupadas por átomos, mas estão vazias. A 
presença de lacunas altera a energia livre da rede. Esta energia pode ser minimizada por uma certa 
concentração de vacâncias na rede que depende da temperatura. A concentração de equilíbrio de 
vacâncias é dada por C = Co EXP(-Q / kT), em que Q é a energia molar de ativação das vacâncias, k 
é a constante de Boltzmann e T a temperatura absoluta. Superfícies e contornos de grão são 
nascedouros e sumidouros de vacâncias. A existência de uma vacância promove o deslocamento dos 
átomos circunvizinhos de suas posições regulares. Isto induz tensões na rede. 
 
Vacância em uma rede Cúbica Simples 
 
 
3 - As vacâncias podem mudar de posição, caso haja suficiente agitação térmica entre os átomos. 
Mudança de posição de vacâncias é equivalente à mudança de posição dos átomos. Esta é a base do 
processo de difusão atômica em redes cristalinas. 
 
4 - INTERSTÍCIOS: são posições da rede cristalina que regularmente estão vazias, mas são ocupadas 
por átomos. A introdução de um átomo entre as posições regulares da rede produz o deslocamento dos 
átomos regulares para abrir espaço para o átomo intersticial. Isto resulta em tensões na rede, cuja 
intensidade depende do tamanho do átomo intersticial. 
 
Interstício em uma Rede Cúbica Simples 
 
 
5 - Átomos intersticiais também podem se difundir mudando de posição intersticial. 
6 - IMPUREZAS: Trata-se da presença na rede de um átomo não pertencente à rede regular. As 
impurezas podem ocupar posições regulares da rede (impureza substitucional), ou seja, substituir um 
átomo regular, ou pode ocupar uma posição intersticial da rede (impureza intersticial). 
 
 
 
 
7 - O tipo de impureza depende de seu tamanho. Impurezas tão grandes ou maiores de que os átomos 
regulares tendem a ser substitucionais. Impurezas menores de que os átomos regulares tendem a ser 
intersticiais. Isto ocorre para minimizar a deformação da rede provocada pela colocação de um átomo 
de tamanho diferente na rede. 
 
8 - Impurezas sempre estão presentes em materiais como forma de minimizar a energia livre pelo 
aumento de sua entropia. Entretanto, em muitas ocasiões, elas são propositalmente introduzidas para 
modificar controladamente as propriedades dos materiais. Semicondutores extrínsecos e materiais 
endurecidos por solução sólida são exemplos de materiais nos quais impurezas foram introduzidas. 
 
 
 
 
DEFEITOS LINEARES 
 
1 - São imperfeições da rede que ocorrem ao longo de uma linha. As discordâncias são defeitos 
lineares. 
 
2 - Existem três tipos de discordâncias: em cunha, em hélice e mista (mistura de discordância em 
hélice e em cunha). 
 
3 - A discordância em cunha pode ser compreendida como um semiplano de átomos introduzido entre 
planos cristalinos regulares. 
 
Discordância em Cunha ou Aresta 
 
 
1 - As discordâncias deformam localmente a rede, criando tensões locais compressivas e trativas.2 - As discordâncias ocorrem naturalmente na rede, como forma de reduzir a energia livre, ou são 
criadas por tensões externas. Em materiais lentamente resfriados a densidade de discordâncias é da 
ordem de um milhão de cm de linha de discordância por cm3. 
 
3 - As discordâncias estão envolvidas na deformação plástica dos cristais. Tensões cisalhantes causam 
seu movimento. A discordância se move até a superfície do material dando origem a um degrau. O 
material sofre uma deformação não recuperável. Clique aqui para ver a animação do movimento de 
uma discordância em cunha causando a formação de um degrau de deformação. 
 
4 - Durante o processo de deformação, a densidade de discordâncias pode chegar a um trilhão de 
cm/cm3 através de mecanismos de multiplicação de discordâncias. 
 
5 - O movimento de discordâncias ocorrem em planos compactos e, nestes planos, nas direções 
compactas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
DEFEITOS SUPERFICIAIS 
 
1 - São imperfeições que ocorrem ao longo de uma superfície. Estes defeitos possuem alta energia e 
são responsáveis alguns fenômenos. 
 
2 - SUPERFÍCIE EXTERNA: demarca os limites do cristal. Nesta região existem muitas ligações 
desfeitas e átomos deslocados de suas posições regulares. Isto eleva a energia do cristal. A alta 
energia superficial é uma barreira para o processo de crescimento de cristal no início da solidificação e 
é a causa da sinterização. 
 
3 - CONTORNOS DE GRÃO: São as interfaces entre grãos. Nestes locais, têm-se o desalinhamento das 
redes dos grãos adjacentes. Há maior concentração de defeitos e ligações desfeitas. A energia dos 
contornos de grão depende do nível de desalinhamento das redes dos grãos adjacentes. Os contornos 
de grão atuam como barreiras ao movimento de discordâncias, sítios para nucleação de fases e 
caminhos de propagação de trincas. 
 
4 - MACLAS E CONTORNOS DE MACLAS: São distorções da rede cristalina causadas por pequenos 
deslocamentos dos átomos de suas posições regulares, devido a tensões ou tratamento térmico, 
fazendo com que a parte deformada da rede pareça ser uma imagem da parte não deformada refletida 
em espelho. A formação de maclas é também um mecanismo de deformação plástica. A interface entre 
as porções deformada e não deformada é denominada de contorno de macla.