Imperfeições em Sólidos

Prévia do material em texto

Aula 4: Imperfeições
Prof. Dra. Alessandra Agna Araújo dos Santos
E-mail: alessandraagna@uenf.br
Setembro de 2022
 Quais são os 3 principais tipos de sólidos?
◦ Metais podem ser classificados como: metais, metaloides, metais anômalos e metais
híbridos.
 Classificação da estrutura do sólido em relação ao ordenamento;
 Conceitos de célula unitária, lattice, parâmetro de rede, raio atômico, FEA,
etc;
 Principais mecanismos de deformação plástica; Quais são os dois
principais a temperatura ambiente?
 Conceito e definições básicas sobre cerâmicos;
 Conceito de defeito e ou imperfeição
 Defeitos são ruins? É possível obter um material com isenção de defeitos 
(100%)?
 Classificação dos defeitos em relação a dimensão
◦ Defeitos pontuais (0-D)
◦ Defeitos de linha (1-D)
◦ Defeitos de superfície/contorno (2-D)
◦ Defeitos de volume (3-D)
 Quantidade de defeitos pode ser quantificado e ou controlado?
 Como os defeitos podem afetar as propriedades dos materiais?
 O ordenamento de átomos contêm imperfeições ou defeitos. Esses defeitos
afetam diretamente as propriedades dos materiais. Exemplos?
 Defeitos são ruins? Res. Não. Ex. oxidação do aço inox, endurecimento do aço
por substituição ou interticial, multiplicação de discordância.
 Origem do defeito?
◦ Intrínsico: Controlado por razões termodinâmicas
◦ Extrínsico: Pode ser controlado por purificação ou condições de síntese
 Classificação dos defeitos vs dimensionalidade;
Podemos obter um 
material com 
isenção de defeitos?
 Vacância ou lacuna (ausência de um átomo na rede);
 Substitucional (átomo grande ou pequeno substituindo um átomo do
elemento principal); Exemplos? Resp. Latão (Cu/Zn);
 Interticial
 Defeito de Frenkel
 Defeito de Schottky
 Substituição de um átomo na rede por outro; Exemplos?
 Quais são os pré-requisitos para haver formação de solução sólida
(regra de Hume-Rothery)?
◦ Raios atômicos não difiram mais de 15%;
◦ Mesma estrutura cristalina;
◦ Eletronegatividade similares;
◦ Mesma valência; Por quê? Qual a importância dos elétrons de
valência?
 Pode resultar do empacotamento imperfeito durante a solidificação do
cristal;
 Ou decorrer de vibrações térmicas;
 Defeitos interticiais: Formado quando um átomo extra ou íon é inserido na
estrutura do cristal na posição interticial. Exemplos? Resp. H, C;
 CFC (sítios tetraédricos e octaédricos)
 CCC (sítios tetraédricos e octaédricos)
 Em relação ao FeC, por quê a estrutura CFC dissolve um percentual de
carbono superior a estrutura CCC? Sendo que o CCC possui um FEA de 68%,
enquanto o CFC 74%.
Qual estrutura é mais resistente 
CFC ou CCC?
 CCC: Fator de empacotamento de 68%; Dissolve menor percentual de
carbono (<1%) comparado ao CFC, devido menor tamanho dos seus sítios
intersticiais; são mais frágeis; sofrem transição dúctil-frágil (não podem ser
utilizados em aplicações criogênicas por exemplo; exemplos de metais
CCC: W, Ta e V (todos metais refratários; metais rígidos de alto ponto de
fusão);
 CFC: Fator de empacotamento 74%; Dissolve maior percentual de carbono
(~2,1% a 1140 graus), devido maior tamanho dos seus sítios intersticiais;
são mais dúcteis; não sofrem transição dúctil-frágil (utilizados em
aplicações criogênicas, recomendado para indústria aeroespacial; exemplos
de metais CFC: Al, Cu e Au (relativo baixo ponto de fusão; metais dúcteis);
 Cerâmicas são em geral cristalinas (estruturas cúbicas, CFC, por ex), a
excessão é o vidro que possui estrutura amorfa.
*Curva proveniente do ensaio de Impacto. Esse ensaio mede a energia absorvida vs
temperatura (fornece informações sobre a tenacidade). Esse gráfico nos mostra que a
baixas temperaturas o material rompe de forma frágil (baixa energia de absorção), a
região do meio e a região de transição (material romperá de forma dúctil-frágil), e a
altas temperaturas ele possui comportamento dúctil (absorve alta energia, tenaz), terá
fratura dúctil.
METAIS COM ESTRUTURAS CCC SOFREM TTDF (Temperatura de Transição
Dúctil-frágil) E METAIS COM ESTRUTURA CFC NÃO!! POR ISSO AÇOS
INOXIDÁVEIS AUSTENÍTICOS E COBRE SÃO UTILIZADOS EM
APLICAÇÕES CRIOGÊNICAS.
CFC
CCC
 Discordâncias: desalinhamento de átomos na rede;
 Qual a origem das discordâncias? Resp. Solidificação, deformação a frio,
transformação de fases, efeito de elementos de liga; Densidade de discordância
106 cm/cm3 (metais macios), discordância 1012 cm/cm3 (metais deformados);
 Defeito presente em TODOS os materiais, inclusive cerâmicos e polímeros;
 Conceito de discordância é utilizado para explicar a deformação como também o
endurecimento em metais; Também influenciam propriedaes elétricas e
magnéticas;
Vetor de Burges = magnitude da direção do plano 
de escorregamento.
 Onde: d= distância interplanar entre os planos de escorregamento adjacentes; b= magnitude do
vetor de Burgers; c e k= constantes do material
 A tensão necessária para mover a discordância aumenta exponencialmente com a intensidade do
vetor de Burgers.
 Discordâncias não se movem facilmente em materiais que fazem ligações covalentes (devido a
resistência e direcionalidade dessas ligações o material geralmente tem comportamento frágil);
 Discordâncias não se movem facilmente em materiais que fazem ligações iônicas (o movimento
da discordância desregula o balanceamento das cargas, entre anions e cations, fazendo com que
ela precise de maior energia para se movimentar);
 Em polímeros as discordância tem pouca contribuição (a maioria dos polímeros tem fração de
fase amorfa, que não contêm discordâncias). A deformação nos polímeros é acompanhada de
alongamento e rotação.
A estrutura com alta densidade de discordânicas (encruada) possui maior resistência
mecânica, no entanto, baixa aplicação prática devido a alta quantidade de tensões residuais
(o que implica fragilidade). Já a estrutura recozida possui menor densidade de
discordâncias, baixas tensões residuais e alta ductilidade (maior flexibilidade de
aplicações).
 O aumento da resistência mecânica consiste em basicamente restringir ou
dificultar a movimentação de discordâncias;
 Metais: Redução do tamanho do grão; por solução sólida substitucional ou
intersticial; encruamento (deformação a frio); dispersão e precipitação;
 Cerâmicos: Redução da quantidade e tamanho dos defeitos e redução do tamanho
do grão;
 Polímeros: Uma das técnicas mais importantes utilizadas para aprimorar a
resistência mecânica e o módulo de tração consiste em se deformar o polímero
permanentemente em tração. Esse procedimento é algumas vezes chamado de
ESTIRAMENTO. O estiramento é uma técnica importante de enrijecimento e
aumento de resistência, empregada na produção de fibras e películas. Durante o
estiramento, as cadeias moleculares deslizam umas sobre as outras e se tornam
altamente orientadas. Para os semicristalinos, as cadeias assumem conformações
semelhantes à que está representada logo abaixo:
*O osso é um material biológico no entanto do ponto vista das ciências dos materiais pode ser
considerado um compósito. Possui uma resistência mecânica na direção longitudinal de 150
MPa (isso equivale aprox. a 1,5 TONELADAS por centímetro quadrado). Mas, isso em
condições estáticas (carregamento estático). No entanto, quando submetido a altas taxas de
tensão ou deformação rompe facilmente (exemplo: fratura canela de Anderson Silva “O
Spider’’).
**Um metal pode ter comportamento dúctil quando em condições normais (estáticas), mas em
condições dinâmicas (impacto), pode ter comportamento frágil (assim como ocorre com o
nosso osso).
Ossos
Tendões
Pele
Cartilagem
Células do nosso corpo tais como veias e
artérias possuem comportamento mecânico
não linear. Isso implica que quando
tensionado a deformação é dependente do
tempo. Esse comportamento tem como
função tornar veias, artérias e músculos mais
resistentes quando tensionados ao longo do
tempo (exemplo: enrijecimento ecrescimento dos músculos e melhoria das
condições cardio-respiratórias em função de
atividades físicas). A melhoria das condições
físicas do nosso corpo vs atividades físicas,
só é possível devido a esse comportamento
não linear. Dessa forma aumentamos a
resistência mecânica do nosso corpo!
 Contorno de grão = interface entre grãos de orientações cristalográficas
diferentes;
 Contorno de grãos tendem a diminuir propriedades elétricas e térmicas no
material;
 Podemos aumentar a resistência de um metal e de um cerâmico pela
redução do tamanho de grão. Uma microestrutura de grão fino possui
maior quantidade de contorno de grãos, o contorno do grão atua
dificultando a movimentação da discordância e assim aumentando a
resistência mecânica do material. Mas, isso somente é valido para
aplicações a temperatura ambiente, onde os mecanismos
predominantes de deformação são por escorregamento e maclação.
 Para aplicações a elevadas temperaturas (>0,5TF; TF = temperatura de
fusão), O mecanismo predominante de deformação é escorregamento pelo
contorno de grão. Ou seja, quanto mais fino maior será a deformação.
Nesse caso, o grão grosso é preterido.
 São os defeitos de maior impacto (porque são os de maior tamanho).
 Vazios e inclusões são os 2 principais defeitos tridimensionais nos
materiais; Qual a definição de inclusão? Qual a diferença entre inclusão
e segregação na ciência dos materiais?
*Segregação: variação 
de composição química 
na microestrutura.
*Diferença entre 
precipitado e inclusão; 
precipitado se forma a 
partir da quantidade de 
soluto acima do limite de 
solubilidade e a inclusão 
apartir de elementos que 
não foram add
proposiltamente.
 DONALD, R. ASKELAND., The Science and Engineering of Materials. 6th. 2011;
 RICHARD J. D. TILLEY., Understanding Solids: The Science of Materials. 2004;
 MEYERS., CHAWLA., Mechanical Behavior of Materials. Second Edition.
Cambridge. 2009;