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Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Agora vamos estudar imperfeições em sólidos As propriedades de alguns materiais são profundamente influenciadas pela presença de imperfeições. Assim, é importante conhecer os tipos de imperfeições e como estas afetam o comportamento dos materiais. Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG “Perfeição nunca existe”. Nos itens anteriores deu-se ênfase a regularidade dos arranjos atômicos dos materiais. Importância do estudo Os defeitos afetam: Desejáveis Indesejáveis As impurezas nos sólidos podem ser: Melhoria da ductilidade dos metais; Aumento da resistência mecânica . Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Desejáveis Por exemplo, no caso das ligas e materiais compósitos. Ex: latão (Cu + Zn) – Possui custo mais baixo. É mais duro e menos dúctil que o cobre puro. Indesejáveis Al2O3 para refratários com contaminações de SiO2 (baixa refratariedade). Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG O que são defeitos? São imperfeições ou "erros" no arranjo periódico regular dos átomos em um cristal. São classificados de acordo com a: i) geometria do defeito ou ii) dimensionalidade do defeito. Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Tipos de defeitos Pontuais associados com uma ou duas posições atômicas. Lineares unidimensionais Interfaciais duas dimensões Volumétricos três dimensões Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Defeitos pontuais Vacâncias, vazios ou lacunas Intersticiais Schottky Frenkel Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Defeitos pontuais: vacâncias, vazios ou lacunas Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Defeitos pontuais: vacâncias, vazios ou lacunas • Envolve a ausência de um átomo na rede cristalina. • São formados durante a solidificação do cristal ou como resultado das vibrações atômicas (os átomos deslocam-se de suas posições normais). Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Defeitos pontuais: Intersticiais • Envolve um átomo extra no interstício (pequeno espaço vazio). • Produz uma distorção no reticulado, já que o átomo geralmente é maior que o espaço do interstício. Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG ânions cátions Estrutura das Cerâmicas As estruturas cerâmicas cristalinas estáveis são formadas quando aqueles ânions que estão ao redor de um cátion estão todos em contato com aquele cátion. Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Defeitos pontuais: Frenkel • Ocorre nos materiais cerâmicos (sólidos iônicos). • Quando um íon sai da sua posição normal e vai para um interstício. Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Defeitos pontuais: Schottky • Ocorre nos materiais cerâmicos (sólidos iônicos). • Composto por uma lacuna de um cátion e um de um ânion. Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Impurezas nos sólidos Um metal puro que consista em apenas um tipo de átomo é simplesmente impossível. Impurezas ou átomos estranhos estarão sempre presentes, e alguns irão existir como defeitos cristalinos pontuais. Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Impurezas são adicionadas intencionalmente A maior parte dos metais de engenharia é combinada com outros metais ou não-metais. Maior resistência mecânica (por exemplo) Importante!!!! LIGAS Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Exemplo A prata de lei (92,5% de prata + 7,5% de cobre) é muito mais dura e resistente do que a prata pura. Muitas vezes, os defeitos são introduzidos visando a melhoria das propriedades dos materiais. Importante!!!! Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG O tipo mais simples de LIGA é a solução sólida Sólido constituído por dois ou mais elementos dispersos atomicamente numa única fase e a estrutura cristalina é mantida. Geralmente em soluções sólidas usam-se os seguintes termos: solvente - elemento presente em maior quantidade e soluto - elemento presente em menor quantidade. Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Substitucionais Intersticiais Solução sólida Tipos de soluções sólidas Os átomos do soluto (impurezas) podem substituir os átomos do solvente na rede cristalina. Os átomos do soluto (impurezas) ocupam os espaços entre os átomos de solvente. Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Representação esquemática de um átomo de impureza substitucional e um átomo de impureza intersticial Interstício Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Para se obter uma liga devemos ter em mente algumas características dos átomos do solvente e do soluto. São elas: REGRAS Fator do tamanho atômico; (a diferença dos raios atômicos entre os dois tipos de átomos deve ser menor que 15%); Mesma estrutura cristalina; Eletronegatividade (quanto mais eletropositivo é um elemento e mais eletronegativo é o outro, maior é a tendência de formação) ; Valência pode ser a mesma ou próximas Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Vejamos, então, o grau de solubilidade, no estado sólido, do níquel no cobre que formam uma solução sólida substitucional. Conclusão: o Ni e o Cu são completamente solúveis um no outro. Regras de Hume-Rothery Cobre Níquel 1. Raio atômico [nm] 0,128 0,125 2. Estrutura cristalina CFC CFC 3. Eletronegatividade 1,9 1,8 4. Valência +1(+2) +1 Diferença de 2,4% Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG E o Fe com o C ? Formam soluções sólidas ??? De que tipo ??? Sim. Formam uma solução sólida intersticial,quando o C é adicionado ao Fe em uma concentração máxima de aproximadamente 2%. Raio do C = 0,071nm Raio do Fe = 0,124nm São os AÇOS!!!!!! O diâmetro atômico de uma impureza intersticial deve ser menor do que aqueles dos solventes. Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Tipos de defeitos Pontuais associados com uma ou duas posições atômicas. Lineares unidimensionais Interfaciais duas dimensões Volumétricos três dimensões Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Defeitos lineares discordâncias O que é uma discordância ????? É um defeito em torno do qual alguns átomos estão desalinhados. Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Discordâncias Aresta ou cunha Espiral ou hélice Mista aresta + espiral Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Discordância aresta • Envolve um plano extra de átomos. Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Discordância aresta Nesta região, os átomos são pressionados uns contra os outros. Nesta região, os átomos são puxados um para longe do outro. Compressão Tração Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Discordância espiral • Formada por uma tensão cisalhante. • A região da esquerda do cristal é deslocada a uma distância atômica para cima em relação à fração da direita. Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Discordância espiral DISCORDÂNCIA EM HÉLICE NA SUPERFÍCIE DE UM MONOCRISTAL DE SiC. AS LINHAS ESCURAS SÃO DEGRAUS DE ESCORREGAMENTO SUPERFICIAIS. Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Discordância espiral Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Vetor de Burgers • É perpendicular à discordância. • É paralelo à direção da linha de discordância. Vetor de Burgers - RESUMO • Expressa a magnitude e a direção da distorção da rede cristalina. Discordância aresta Discordância espiral Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG São originadas durante a solidificação dos materiais cristalinos, por deformação ou como uma conseqüência das tensões térmicas. A presença deste defeito é responsável pela deformação plástica dos metais. Importante!!!!Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG OBSERVAÇÃO DAS DISCORDANCIAS • Diretamente MET(microscopia eletrônica de transmissão) • Indiretamente MEV(microscopia eletrônica de varredura) e MO( microscopia ótica). Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Vídeo 1! Vídeo 2! Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Tipos de defeitos Pontuais associados com uma ou duas posições atômicas. Lineares unidimensionais Interfaciais duas dimensões Volumétricos três dimensões Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Defeitos interfaciais • Envolvem fronteiras ou contornos e normalmente separam as regiões dos materiais que possuem diferentes estruturas cristalinas. Interfaciais Superfícies externas Contornos de grão Contornos de macla Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG • É o tipo de “contorno” (defeito planar) mais óbvio, ao longo do qual termina a estrutura da peça. • Na superfície, os átomos não estão ligados ao número máximo de vizinhos mais próximos, isto implica num estado energético (dos átomos na superfície) maior que no interior do cristal. 26 Átomo normal Átomo com maior energia Interfaciais: superfícies externas Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Interfaciais: cortornos de grão • Estão presentes em materiais policristalinos e corresponde à região (ou contorno) que separa dois ou mais cristais de orientações diferentes. Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Nos materiais metálicos... ... formam-se durante a solidificação, quando os cristais, gerados a partir de diferentes núcleos, crescem simultaneamente e se encontram. Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Contornos de grão Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Interfaciais: Contornos de Maclas Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Tipos de defeitos Pontuais associados com uma ou duas posições atômicas. Lineares unidimensionais Interfaciais duas dimensões Volumétricos três dimensões Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Defeitos volumétricos • Presentes em todos os tipos de materiais sólidos e são muito maiores do que todos os já mencionados. • Estes incluem poros, trincas, inclusões e outras fases. • São normalmente introduzidos durante as etapas de processamento e fabricação. Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Exemplo: Porosidade Pó de ferro compactado após sinterização a 1150oC durante 120 min. • Os poros são originados devido a presença ou formação de gases. Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG Inclusões- (impurezas estranhas) INCLUSÕES DE ÓXIDO DE COBRE (Cu2O) EM COBRE DE ALTA PUREZA (99,26%) Luciana Amorim - DEMa/CCT/UFCG EXEMPLO DE PARTÍCULAS DE SEGUNDA FASE A 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).
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