Aula- Imperfeições em sólidos_1199608918

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IMPERFEIÇÕES EM
SÓLIDOS
CRISTAL REAL
Ana Paula A. Manfridini- Ciência dos Materiais
Os cristais reais apresentam inúmeros defeitos, que
são classificados por sua “dimensionalidade”.
Defeitos na estrutura
cristalina
❖ Defeitos Pontuais
Em estruturas metálicas:
Lacunas.
Auto-Intersticiais.
Átomos intersticiais.
Átomos substitucionais.
Em estruturas iônicas:
Defeito de Frenkel.
Defeito de Schottky.
❖ Defeitos Lineares
Discordâncias.
❖ Defeitos Interfaciais
Superfícies externas.
Contornos de grão.
Contornos de macla.
❖ Defeitos Volumétricos
Poros.
Fraturas.
Inclusões.
Outras fases.
Imperfeições em Sólidos
O QUE É UM DEFEITO?
É uma imperfeição ou um "erro" no arranjo
periódico regular dos átomos em um cristal.
Podem 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 cristal é processado.
• Apenas uma pequena fração dos sítios
atômicos são imperfeitos.
• Mesmo sendo poucos eles influenciam
muito nas propriedades dos materiais e
nem sempre de forma negativa.
DEFEITOS
INTRODUÇÃO
SELETIVA
CONTROLE
DO NÚMERO ARRANJO
Permite desenhar e criar novos materiais
com a combinação desejada de propriedades
� O processo de dopagem em semicondutores:
mudança no tipo de condutividade.
� A deformação mecânica dos materiais promove a
formação de imperfeições: geram um aumento na
resistência mecânica (processo encruamento).
� Whiskers de ferro (sem imperfeições do tipo
discordâncias): resistência maior que 70GPa
enquanto no ferro comum é 270MPa.
Aplicaçõ
es:
Defeitos
pontuais
As lacunas ou vacâncias são vazios pontuais
causados pela ausência de átomos em algumas
posições da rede cristalina.
Este tipo de defeito pode ser produzido:
✔ durante o processo de solidificação; como resultado
de perturbações locais no crescimento do cristal;
✔ na deformação plástica;
✔ no resfriamento rápido.
Defeitos pontuais -
Lacunas
Defeitos pontuais-
Lacunas
À temp. ambiente: concentração de lacunas
4,45x 10-15 .
Abaixo do P.F: uma lacuna para cada 1000
átomos.
Defeitos pontuais-
Lacunas
Exemplo: estimativa da concentração de
lacunas
Calcule o número de lacunas em equilíbrio por m3 de
cobre a uma temperatura de 1000°C. A energia para a
formação de uma lacuna é 0,9 ev/átomo. O peso e a
densidade a 1000°C para o cobre são 63,5g/mol e 8,4 g/
cm3, respectivamente.
✔ Os defeitos pontuais em cerâmicos ocorrem de maneira
similar aos metais, entretanto os materiais cerâmicos
possuem no mínimo 2 tipos de íons (cátions e ânions).
✔ Assim, os defeitos pontuais podem aparecer para cada
um desses tipos. Ex: no NaCl podem existir lacunas e
intersticiais tanto para o Na quanto para o Cl.
Defeitos Pontuais em Materais
Cerâmicos
Defeitos Pontuais em Materiais
Cerâmicos
✔ Defeito de Frenkel: par formado por uma lacuna de
cátion e um cátion intersticial;
✔ Defeito de Schottky: par formado por uma lacuna de
cátion e outra de ânion.
Ambos não alteram a
estequiometria do
composto
Impureza em
sólidosSoluções Sólidas: átomos de soluto são adicionados ao
material hospedeiro e a estrutura cristalina é mantida.
Composição homogênea em toda a extensão.
Impureza em
sólidos
Os elementos de liga são adicionados
intencionalmente com a finalidade de:
- aumentar a resistência mecânica,
- aumentar a resistência à corrosão,
- aumentar a condutividade elétrica.
Impureza em
sólidosEm um metal puro A pode-se dissolver átomos estranhos B
sem modificar a estrutura cristalina de A. O elemento B
passa a formar uma solução no interior de A, criando-se a
solução sólida AB. O átomo estranho é considerado um
elemento de liga.
Em alguns casos, por exemplo Au+Ag ou Cu+Ni, a adição de
átomos de B em A não está sujeita a limitações. Os metais A
e B são miscíveis em todas as proporções: A e B formam
uma solução sólida contínua.
Impureza em
sólidos
As impurezas podem assumir dois tipos de posição
na rede cristalina de outro material:
✔ Intersticial - espaços vazios na rede ---- solução
sólida intersticial.
✔ Substitucional - substituindo um átomo do
material ---- solução sólida substitucional.
Soluções sólidas
substitucionais
Nas soluções sólidas substitucionais formadas por dois
elementos, os átomos do soluto ou impurezas tomam
lugar dos átomos hospedeiros.
• a estrutura do solvente não é alterada, sendo comum a
distorção da rede cristalina, já que os átomos do
soluto nem sempre exibem o mesmo diâmetro
atômico dos átomos do solvente.
• A fração de átomos de um elemento que pode ser
dissolvida em outro, é definida como solubilidade.
As regras de Hume-Rothery
Para que haja total solubilidade entre dois metais, é
preciso que eles satisfaçam as seguintes condições (Regras
de Hume–Rothery):
Tamanho atômico: a diferença de raio atômico deve ser
menor do que 15%;
Estrutura cristalina: o tipo de estrutura cristalina deve ser
o mesmo;
Valência química: um metal de elevada valência é mais
fácil de se dissolver em uma larga extensão em um metal
de baixa valência do que o contrário;
Eletronegatividade: as eletronegatividades devem ser
semelhantes.
Caso as regras de Hume-Rothery não sejam satisfeitas, há
uma tendência para formação de novas fases/compostos.
As regras de Hume-Rothery
Cu + Ni solúveis em todas as proporções
  Cu Ni
Raio
atômico
0,127 nm 0,125 nm
Estrutura CFC CFC
Eletronegati
vi-dade
1,9 1,8
Valência +1 ou +2 +2
Soluções sólidas
intersticiais
• Os átomos de impurezas ou os elementos de liga
ocupam os interstícios. Como os materiais
metálicos tem geralmente fator de
empacotamento alto, os interstícios são pequenos.
• Consequentemente, somente átomos de tamanho
pequeno, como H,B, C ou N, com raio atômico
muito menor do que 1nm, vão formar este tipo de
solução sólida.
Solubilidade do Carbono no Ferro
O carbono é mais solúvel no Ferro CCC ou CFC,
considerando a temperatura próxima da
transformação alotrópica?
Efeito dos defeitos pontuais nas características dos
materiais
Soluções Sólidas: Aumento da tensão limite de escoamento de
aço ferrítico, com a introdução de átomos de soluto.
Defeitos lineares-
Discordâncias
• Os cristais podem apresentar defeitos alinhados e
contínuos em sua estrutura, dando origem às
imperfeições de linha. Os defeitos de linha, também
chamados de discordâncias são defeitos que
causam a distorção da rede cristalina em torno de
uma linha e caracterizam-se por envolver um plano
extra de átomos.
• Estas imperfeições podem ser produzidas durante a
solidificação, na deformação plástica de sólidos
cristalinos ou ainda como resultado da
concentração de vacâncias.
❖ A presença deste defeito é a responsável pela
deformação, falha e rompimento dos materiais.
❖ A quantidade e o movimento das discordâncias
podem ser controlados pelo grau de deformação
e/ou por tratamentos térmicos, podendo desta
forma endurecer os materiais metálicos.
❖ Os três principais tipos de defeitos em linha são:
discordância em aresta, discordância espiral e
discordância mista.
Defeitos lineares-
Discordâncias
DISCORDÂNCIA
ARESTADiscordância de Aresta é um defeito provocado pela
adição de um semiplano extra de átomos.
Ilustração de uma discordância
aresta. Defeito linear centralizado
em torno da linha de discordância.
Discordância em planos (111)
em ZrO2
Discordâncias vistas no
MEV
DISCORDÂNCIA
ESPIRALDiscordância Espiral ocorre quando uma região do cristal é
deslocada de uma posição atômica.
a) Região anterior superior é deslocada uma distância atômica para a direita em
relação a superior. (b) linha de discordância ao longo de AB. As posições acima
do plano de deslizamento são indicadas por círculos abertos e as posições
abaixo do plano são indicadas por círculos pretos.
DISCORDÂNCIA
MISTAA discordância mista é formada por uma discordância
aresta associada a uma discordância espiral. As
discordâncias são produzidas durante solidificação do
material ou quando é aplicada uma tensão cisalhante
sobre o mesmo.Analogia entre o caminhar de uma centopéia e a
movimentação de uma discordância.
Deslizamento é o processo que ocorre quando uma força
causa o deslocamento de uma discordância.
DEFEITOS
INTERFACIAIS
Esses defeitos normalmente separam as regiões dos
materiais que possuem diferentes estruturas
cristalinas.Podem ser de três tipos:
Superfícies externas.
Contornos de grão.
Contornos de macla.
As superfícies externas de um cristal são
consideradas defeitos cristalinos, já que o número
de vizinhos de um átomo superficial não é o mesmo
de um átomo no interior do cristal.
Os átomos superficiais possuem vizinhos apenas de
um lado e possuem maior energia.
Superfícies
externas
Superfícies
externas
A superfície externa é a descontinuidade cristalina que causa
maior distúrbio na estrutura e portanto apresenta maior
energia por unidade de área.
Esta energia pode ser entendida como a tensão superficial
entre as fases sólido e vapor (atmosfera).
Embora seu valor absoluto seja alto, sua importância relativa
é pequena, pois a quantidade de superfície por unidade de
volume nos componentes é praticamente desprezível. Em
algumas áreas como a metalurgia do pó e processamento de
materiais cerâmicos, a quantidade de superfície por unidade
de volume é alta e a energia de superfície desempenha um
papel importante.
Superfícies
externas
Valores de energia de superfície para alguns
materiais.
Contornos de
grão
A grande maioria dos materiais cristalinos utilizados em
engenharia é policristalina. O agregado policristalino consiste
de pequenos cristais, denominados grãos, com dimensões de
poucas dezenas de micrômetros, arranjados de maneira a
preencher todo o espaço (sem deixar vazios).
Contornos de grãos são as fronteiras bidimensionais que
separam cristais de diferentes orientações em um agregado
policristalino.
A região do contorno tem uma espessura de aproximadamente
duas a três distâncias interatômicas e é bastante defeituosa.
Pode-se dizer que os átomos do contorno apresentam um
número de coordenação menor do que os átomos no interior
dos grãos.
A natureza de um contorno de grão depende da desorientação
entre os dois grãos adjacentes e da orientação do plano do
contorno em relação aos grãos. Existem dois tipos simples de
contornos de grãos: de baixo ângulo e de alto ângulo.
Contornos de
grão
O contorno de grão possuem uma tensão superficial. Esta
energia é praticamente uma constante do material. A tabela a
seguir apresenta as energias de contornos de grão para alguns
materiais.
De um modo geral, a energia média de contorno de grão é cerca
de 0,45 a
0,75 da energia de superfície de um material.
Contornos de grão
• Há um empacotamento ATÔMICO menos eficiente.
• Há uma energia mais elevada.
• Favorece a nucleação de novas fase (segregação).
• Favorece a difusão.
• O contorno de grão ancora o movimento das
discordâncias.
QUANTO MENOR O TAMANHO DE GRÃO
 MAIOR É A RESISTÊNCIA DO MATERIAL.
Contornos de grão
Influência do tamanho dos grãos no limite de escoamento do aço
à temperatura ambiente.
• Por microscopia (ÓTICA OU ELETRÔNICA).
• utiliza ataque químico específico para cada
material.
O contorno geralmente é mais reativo
Observação dos grãos e contornos
de grãos
Grãos vistos no microscópio
ótico.
Contornos de
macla
Tipo especial de contorno de grão no qual existe uma simetria
em espelho da rede cristalina. Os átomos em um lado do
contorno estão em posições de imagem em espelho dos átomos
no outro lado do contorno.
Contornos de
macla
Contornos de
macla
Resultam de deslocamentos atômicos que são produzidos a
partir de forças de cisalhamento aplicadas (maclas de
deformação) e também durante tratamentos térmicos de
recozimento realizado após as deformações (maclas de
recozimento). Ocorrem em planos e direções específicos,
dependendo da estrutura cristalina.
Defeitos
Volumétricos
Descontinuidades volumétricas são encontradas no material
quando uma parte da estrutura é substituída por um volume
de um composto diferente. A diferença é de natureza
química, podendo ou não ser acompanhada de diferenças
cristalográficas.
A nível ainda microscópico, podemos considerar como
descontinuidades volumétricas os precipitados e as
inclusões.
A nível macroscópico temos: poros, trincas de
transformação mecânica, defeitos de solda, etc.
Defeitos
Volumétricos
- Inclusões: Impurezas estranhas.
- Precipitados: são aglomerados de partículas cuja
composição difere da matriz.
- Porosidade: origina-se devido a presença ou
formação de gases.