Imperfeições nos Sólidos Cristalinos

Prévia do material em texto

IMPERFEIÇÕES NOS SÓLIDOS CRISTALINOS
ProfºAbrão C. Merij
Imperfeições nos Sólidos
Por que estudar defeitos nos sólidos cristalinos?
 As propriedades de alguns materiais são influenciadas pela presença de imperfeições: 
 As propriedades mecânicas dos metais puros apresentam alterações significativas quando são adicionados átomos de impurezas;
 Por exemplo: o latão (70% cobre e 30% zinco) é muito mais duro e resistente do que o cobre puro
O processo de dopagem em semicondutores visa incluir concentrações controladas de impurezas para mudar o tipo de condutividade em determinadas regiões do material. Semicondutores extrínsecos e materiais endurecidos por solução sólida são exemplos de materiais nos quais impurezas foram introduzidas. 
Os cadeados Papaiz, possuem haste reforçada (cementada e temperada) que aumenta a resistência ao corte e acabamento cromado que garante grande resistência e durabilidade,mesmo em ambientes úmidos. Seu corpo é feito de latão maciço.
Características do Produto
Haste em aço endurecido 
Corpo e chaves em latão 
‹#›
‹#›
O QUE É UM DEFEITO CRISTALINO?
 É uma imperfeição ou uma irregularidade no reticulado cristalino da ordem de um ou mais diâmetros atômicos. 
A classificação é feita de acordo com a:
A geometria dos defeitos;
A dimensão dos defeitos.
 
O tipo e o número de defeitos dependem do material, do ambiente, e das circunstâncias sob as quais o cristal é processado. 
‹#›
‹#›
Classificação dos Defeitos
 Defeitos Pontuais→ associados com 1 ou 2 posições atômicas: lacunas e átomos intersticiais;
 Defeitos Lineares → defeitos unidimensionais: discordâncias;
 Defeitos Planos ou Interfaciais → defeitos bidimensionais: contornos de grão, superfícies externas, contornos de maclas (tipo de contorno), defeitos de empilhamento;
 Defeitos Volumétricos → defeitos tridimensionais: poros, trincas, partículas de segunda fase e inclusões.
Discordâncias: Defeito em uma dimensão ao redor do qual alguns átomos encontram-se desalinhados;
Maclas é um tipo especial de contorno de grão, através do qual existe uma simetria espelhada da rede cristalina, ou seja, os átomos de um lado do contorno estão localizados em uma posição que é a posição refletida do outro lado.
‹#›
‹#›
	Classificação	Dimensionalidade	Tipos de Defeitos	Escalas	Faixas de dimensão (m)	Técnicas de Caracterização
	Defeitos Pontuais	unidimensionais	lacunas e átomos intersticiais	Nanoestrutura 	Menores de 10-9	MET de alta resolução
	Defeitos Lineares	unidimensionais	discordâncias 	 Microestrutura 	10-6 a 10-9	MEV e MET
	Defeitos Planos ou interfaciais	bidimensionais	contorno de grão, contorno de macla, superfícies externas e defeitos de empilhamento	Mesoestrutura	10-3 a 10-6	Microscopia óptica e MEV 
	Defeitos Volumétricos	tridimensionais	poros, trincas, partículas de segunda fase e inclusões	Macroestrutura	10-1 a 10-4	Microscopia óptica e Inspeção visual
Dimensões dos Defeitos
* MEV: Microscópio eletrônico de Varredura/ MET: Microscópio eletrônico de Transmissão.
Defeitos Pontuais: Lacunas
 Lacuna (“vacancy”): ausência de um átomo ou um sítio vago na rede cristalina;
 Todos os sólidos cristalinos contém lacunas;
 Podem ser formadas durante a deformação plástica ou como resultado das vibrações atômicas;
 As vacâncias podem mudar de posição, caso haja suficiente agitação térmica entre os átomos
‹#›
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.
 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!
 Este processo necessita da presença de lacunas. 
 Existe uma concentração de lacunas em equilíbrio.
Defeitos Pontuais: Lacunas
‹#›
A extensão segundo a qual a difusão por lacunas pode ocorrer é função da concentração de lacunas presente no material
auto-intersticial
Defeitos Pontuais: Interstício
 Auto-intersticial: é um átomo da própria rede que se encontra comprimido em um sítio intersticial (pequeno espaço vazio) que não é uma posição típica da rede;
 Os defeitos auto-intersticiais causam uma grande distorção do reticulado cristalino a sua volta e aparecem em concentrações reduzidas.
- 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.
‹#›
	As impurezas (chamadas elementos de liga) são adicionadas intencionalmente com a finalidade:
Aumentar a resistência mecânica;
 Aumentar a resistência à corrosão;
 Aumentar a condutividade elétrica; etc.
 Por exemplo: a prata de lei é uma liga composta de 92,5% de prata e 7,5% de cobre. A prata pura é altamente resistente à corrosão, mas também é mole;
 A formação de uma liga com o cobre aumenta significativamente a resistência mecânica sem diminuir a resistência à corrosão.
Impurezas nos Sólidos
O ouro puro (24 quilates) é dúctil demais para ser utilizado em joalheria. Assim, diferentes ligas são compostas para conferir as propriedades mecânicas desejadas. Além disso, os metais adicionados na liga podem alterar a cor original. Adicionando-se cobre ao ouro, obtém-se uma coloração avermelhada; as ligas de ouro com prata, paládio e níquel tornam-se esbranquiçadas - o ouro branco.
Ligas metálicas mais comuns no cotidiano:
· Aco - constituido por Fe e C;
· Aco inoxidavel - constituido por Fe, C, Cr e Ni;
· Ouro 18 quilates – constituido por ouro e cobre;
Ouro branco é uma liga composta por ouro e outros metais brancos, como prata, paládio ou níquel.
· Amalgama dental (utilizada em obturacao) - constituida por Hg , Ag e Sn ;
· Latão (utilizado em armas e torneiras) - constituido por Cu e Zn;
· Bronze (utilizado em sinos) – constituido por Cu e Sn;
· “Liga leve” (utilizada em rodas) – constituida por Al e Mg;
· “Metal monel” (utilizado em moedas) – constituido por Ni e Cu;
‹#›
 A presença de impurezas gera uma mistura entre os átomos das impurezas e os do material, gerando uma solução sólida onde a estrutura cristalina é mantida.
Defeitos Pontuais: Impurezas
Solução líquida
Solução sólida
‹#›
Solução sólida		 limite de 							solubilidade
A solubilidade depende:
Temperatura;
Tipo de impureza;
Concentração da impureza.
A adição de átomos de impurezas a um metal irá formar uma solução sólida ou uma segunda fase que também é possível para os materiais cerâmicos.
Defeitos Pontuais: Impurezas
Ex: a zircônia (ZrO2) estabilizada com ítria (Y2O3)
‹#›
Termos usados às soluções sólidas:
Elemento de liga 	 soluto ou impureza
	(átomos quantidade)
 Uma solução sólida também é homogênea em termos de composição; os átomos de impurezas estão distribuídos aleatória e uniformemente no sólido.
Defeitos Pontuais: Impurezas
Nas soluções sólidas as impurezas podem ser:
Substitucional: Os átomos de soluto substituem átomos de solvente no reticulado. Átomos de soluto apresentam tamanho ~ igual aos átomos do solvente. Ex: latão (Cu/Zn), bronze (Cu/Sn).
Intersticial: Os átomos de soluto ocupam os interstícios existentes no reticulado. Átomos de soluto são muito menores que os de solvente. Ex: carbono em ferro (aço). 
Defeitos Pontuais: Impurezas
Nas soluções sólidas, dependendo do tamanho, as impurezas podem ser:
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 colocaçãode um átomo de tamanho diferente na rede.
‹#›
 Solução Sólida Substitucional
→ os átomos de impureza ocupam posições regulares da rede cristalina.
 Solução Sólida Intersticial
 os elementos em solução ocupam os interstícios da rede cristalina.
Há dois tipos de soluções sólidas: 
solvente
soluto
Soluções Sólidas
Vacância
Ausência de um átomo.
Impureza Intersticial
Átomo diferente ocupando um interstício.
Impureza Substitucional
Átomo diferente ocupando uma vacância.
Visualização dos Defeitos Pontuais
Auto-Intersticial
Átomo da própria rede ocupando um interstício.
Nas soluções sólidas, campos de tensão (deformação) são gerados por átomos de impurezas sobre os átomos vizinhos.
Átomos de impureza substitucional menor que o solvente → exerce deformação de tração sobre a rede cristalina vizinha.
Átomo substitucional maior que o solvente → exerce deformação compressiva sobre a rede cristalina vizinha.
Compressão:
Tração:
Defeitos Pontuais: Impurezas
‹#›
Solução Sólida Intersticial:
Nota-se a distorção dos átomos de ferro em volta dos átomos de carbono!
Defeitos Pontuais: Impurezas
Tensão local exercida 
Solução intersticial de carbono em ferro – aço (concentração máxima de 2%);
A estrutura intersticial produz uma considerável tensão local a estrutura cristalina: baixa solubilidade. O carbono está altamente comprimido nesta posição, o que implica em baixíssima solubilidade, menos de 0,1% de C é solúvel no Fe α.
Com o reticulado distorcido é mais difícil para um plano de átomos deslizar por cima do outro. Como resultado, a liga fica mais forte e dura.
Quanto maior a diferença entre o tamanho dos átomos do soluto em relação ao solvente maior o efeito endurecedor. Portanto átomos intersticiais tem maior efeito endurecedor que os substitucionais.
‹#›
Defeitos Lineares: Discordâncias
Definição:
Classificação:
 Discordância em cunha ou aresta
 Discordância em hélice ou espiral
 Discordância mista
Defeito unidimensional no qual alguns átomos estão desalinhados consequentemente provocam uma distorção na estrutura cristalina.
‹#›
As discordâncias são planos incompletos de átomos gerados no momento da cristalização devido a má formação dos planos vizinhos.
 A movimentação de discordâncias é o principal fator envolvido na deformação plástica de metais e ligas;
 Todos os metais e ligas contêm algumas discordâncias que foram introduzidas durante:
Defeitos Lineares: Discordâncias
 A solidificação;
 A deformação plástica (durante a deformação o número de discordâncias aumentam drasticamente);
 E como uma consequência das tensões térmicas que resultam de um resfriamento rápido.
‹#›
DISCORDÂNCIA EM CUNHA 
Envolve um semi-plano extra de átomos, cuja aresta termina no interior do cristal.
 Um cristal perfeito;
 Um plano extra é inserido no cristal (a).
As discordâncias são planos incompletos de átomos gerados no momento da cristalização devido a má formação dos planos vizinhos.
‹#›
 A linha de discordância é definida na borda do plano extra (defeito centralizado a redor da linha);
 Ao redor da linha de discordância existe uma distorção localizada da rede: zonas de tração e compressão;
 Ligeira curvatura dos planos verticais de átomos.
DISCORDÂNCIA EM CUNHA 
Posição da linha de discordância
Defeito linear: centralizado a redor da linha que e definida o longo da extremidade do semiplano extra de átomos – linha de discordância.
‹#›
MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS
Plano de escorregamento
Direção de escorregamento 
Uma distância 
interatômica
Rearranjos atômicos que acompanham o movimento de uma discordância em cunha na medida que ela se move em resposta à aplicação de uma tensão de cisalhamento:
Cisalhamento é uma força aplicada para causar ou tender a causar o deslizamento relativo entre duas partes adjacentes de um mesmo corpo, em uma direção paralela ao seu plano de contato.
A tensão de cisalhamento ou tensão tangencial é um tipo de tensão gerada por forças aplicadas em sentidos opostos, porém em direções semelhantes no material analisado.
Pag 135: apesar de uma tensão aplicada poder ser puramente de tração ou compressão, existem componentes de cisalhamento em todas as direções.
A tesoura é um aparelho que utiliza a tensão de cisalhamento para realizar o corte: A tesoura é constituída por duas lâminas articuladas. As lâminas, que podem ou não ser muito afiadas, cortam o material através da ação de tensão de cisalhamento, aplicadas utilizando o principio de alavanca.
‹#›
O movimento de uma discordância é análogo ao modo de locomoção de uma lagarta:
DISCORDÂNCIA EM HÉLICE
Arranjo dos átomos em torno de uma discordância em hélice vista de cima:
 A discordância em hélice pode ser entendida como sendo a distorção ou deslocamento resultante da aplicação de uma tensão de cisalhamento.
Região superior é deslocada uma distância atômica para a direita em relação a parte inferior.
Linha de discordância A-B
‹#›
DISCORDÂNCIA MISTA
Hélice
Mista
Cunha
Representação de uma discordância que possui características em hélice, cunha e mista (onde exista uma curvatura da linha de discordância).
 Exibe comportamento de discordâncias em cunha e em hélice (discordância muda de direção);
 A maioria dos materiais metálicos apresentam predominantemente discordâncias mistas.
‹#›
MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS EM CUNHA E EM HÉLICE
O efeito final é o mesmo!
A formação de um degrau na superfície de um cristal pelo movimento de discordâncias (a) em cunha e (b) em hélice.
‹#›
DEFEITOS PLANOS OU INTERFACIAIS 
Estes defeitos incluem:
 Superfícies externas;
 Contornos de grão;
 Contornos de macla;
 Defeitos de empilhamento e;
 Contornos de fase.
São defeitos bidimensionais ou interfaciais que compreendem regiões do material com diferentes estruturas cristalinas ou diferentes orientações cristalográficas.
SUPERFÍCIE EXTERNA 
 Átomos na superfície, onde termina a estrutura do cristal;
 Átomos não têm todas as ligações satisfeitas e possuem energia maior que os átomos interiores;
 As ligações insatisfeitas dos átomos da superfície dão origem a uma energia superficial ou energia interfacial.
Átomos com ligações incompletas 
Superfície com energia livre
Material Cristalino
‹#›
 Átomos na superfície, onde termina a estrutura do cristal;
 Átomos não têm todas as ligações satisfeitas e possuem energia maior que os átomos nas posições interiores;
 As ligações insatisfeitas dos átomos da superfície dão origem a uma energia superficial ou energia interfacial (J/m2).
 Corresponde à região que separa dois ou mais cristais de diferentes orientações cristalográficas;
 Interfaces entre os vários cristais que compõem o material policristalino;
 Na região de contorno, existe algum desalinhamento cristalográfico entre os grãos adjacentes (transição da orientação cristalina).
CONTORNO DE GRÃO
‹#›
 Um material com granulação fina (possui pequenos grãos) é mais reativo do que um material com uma granulação grosseira, pois possui uma área maior de contorno total.
Qual granulação apresenta maior energia interfacial? 
CONTORNO DE GRÃO
Granulação fina 
Granulação grosseira
A redução do tamanho de grão ou o aumento do contorno de grão resultará em um aumento da resistência de materiais policristalinos.
Contornos de grão de alto ângulo podem impedir as discordâncias de atravessarem os contornos de grão durante a deformação, como também gerar o acúmulo nos contornos;
O tamanho do grão pode ser controlado mediante ajuste na taxa de solidificação a partir da fase líquida ou por recristalização.
‹#›
 Defeito bidimensional que corresponde a interrupção de uma sequência regular de empacotamento de planos em uma rede cristalina.
DEFEITO DE EMPILHAMENTO
Ocorreu uma falha na sequência de empilhamento ABCABCA... que foi alterada para a sequência defeituosa ABCABABCA... Agora os planos A e C- tornam-sevizinhos na configuração mudada.
‹#›
Agora planos A e C- tornar-se vizinhos na configuração mostrada.
Ocorreu uma falha de empilhamento porque a sequência de empilhamento ABCABCA ...foi alterado para uma sequência defeituosa ABCABABCA...
A falha de empilhamento por si só são defeitos bidimensionais simples. Eles carregam uma certa energia de empilhamento de aproximadamente 100 MJ/m2.
 Defeitos tridimensionais que se apresentam em escalas muito maiores;
 São introduzidos no processamento do material, e podem afetar fortemente suas propriedades.
Inclusões	 Impurezas estranhas;
Fases	 forma-se devido à presença elementos de liga (ocorre quando o limite de solubilidade é ultrapassado)
- Poros	 são vazios no material e origina-se devido a presença ou formação de gases.
IMPERFEIÇÕES VOLUMÉTRICAS
As figuras abaixo apresentam a superfície de amostras pós-sinterização por metalurgia do pó. 
IMPERFEIÇÕES VOLUMÉTRICAS
Poros
MEV de amostras de ferro puro.
MEV de amostras de titânio puro.
image4.png
image16.png
image12.jpg
image3.jpg
image13.png
image20.png
image18.png
image9.png
image17.png
image7.png
image25.png
image10.png
image14.jpg
image11.jpg
image24.png
image1.png
image5.jpg
image2.jpg
image6.png
image34.png
image23.jpg
image15.png
image32.png
image28.png
image33.png
image21.png
image19.png
image31.png
image35.png
image22.png
image36.png
image27.jpg
image26.png
image41.jpg
image37.gif
image38.png
image30.png
image29.jpg
image42.png
image40.png
image47.png
image43.png
image46.png
image53.png
image44.png
image48.png
image45.png
image49.gif
image55.jpg
image50.png
image57.jpg
image52.gif
image56.jpg
image51.gif
image54.gif
image8.png