Unidade 3 - Imperfeições estrutura cristalina

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Unidade Unidade 3 3 ––
IMPERFEIÇÕES DAS ESTRUTURAS CRISTALINASIMPERFEIÇÕES DAS ESTRUTURAS CRISTALINAS
Engenharia dos Engenharia dos 
MateriaisMateriais
• É uma imperfeição no arranjo periódico regular dos átomos
em um cristal.
• Podem envolver uma irregularidade na posição dos átomos e
no tipo de átomos.
DEFEITOS CRISTALINOS
• O tipo e o número de defeitos dependem:
- da constituição química do material.
- das circunstâncias sob as quais o material é processado.
Não existe um tipo de sólido idealizado todos os materiais
contém grandes números de defeitos e imperfeições.
Tipos de Defeitos: classificados de acordo com sua geometria ou 
dimensões
1. Defeitos Pontuais associados c/ 1 ou 2 
posições atômicas
2. Defeitos lineares (discordâncias) uma dimensão
3. Defeitos planos ou interfaciais (fronteiras) 
duas dimensões 
4. Defeitos volumétricos três dimensões 
• Envolve a falta de um 
átomo.
• São formados durante 
a solidificação do 
cristal ou como 
resultado das vibrações 
atômicas (os átomos 
1. Defeitos pontuais: VACÂNCIAS OU LACUNAS
atômicas (os átomos 
deslocam-se de suas 
posições normais).
• Envolve um átomo extra no
interstício (do próprio
cristal).
• Produz uma distorção no
reticulado, já que o átomo
geralmente é maior que o
1. Defeitos pontuais: INTERSTICIAIS
geralmente é maior que o
espaço do interstício.
• A formação de um defeito
intersticial implica na
criação de uma vacância,
por isso este defeito é
menos provável que uma
vacância.
Átomo intersticial grande
Gera maior distorção na rede
1. Defeitos pontuais: INTERSTICIAIS
Átomo intersticial pequeno
FRENKEL
• Ocorre em sólidos 
iônicos.
• Ocorre quando um íon
1. Defeitos pontuais: INTERSTICIAIS
• Ocorre quando um íon
sai de sua posição 
normal e vai para um 
interstício.
SCHOTTKY
• Presentes em 
compostos que tem que 
manter o balanço de 
1. Defeitos pontuais: INTERSTICIAIS
manter o balanço de 
cargas.
• Envolve a falta de um 
ânion e/ou um cátion.
A ADIÇÃO DE IMPUREZAS PODE FORMAR
Soluções sólidas [átomos] < limite de 
solubilidade
Segunda fase [átomos] > limite de 
1. Defeitos pontuais: IMPUREZAS NOS SÓLIDOS
Segunda fase [átomos] > limite de 
solubilidade
A solubilidade depende :
⌦Temperatura
⌦ Tipo de impureza
⌦ Concentração da impureza
As impurezas (chamadas elementos de liga) são
adicionadas intencionalmente com a
finalidade de:
- aumentar a resistência mecânica
1. Defeitos pontuais: IMPUREZAS NOS SÓLIDOS
- aumentar a resistência à corrosão
- aumentar a condutividade elétrica
EXEMPLO: prata de lei é uma liga composta por 92,5 % de
prata e 7,5 % de cobre (a prata pura é resistente à corrosão,
mas é muito macia).
Um metal considerado puro sempre tem
impurezas (átomos estranhos) presentes.
1. Defeitos pontuais: IMPUREZAS NOS SÓLIDOS
99,9999% = 1022-1023 impurezas por cm3
A presença de impurezas promove a formação
de defeitos pontuais.
Terminologia
• Elemento de liga soluto (< quantidade)
(ou impureza)
1. Defeitos pontuais: IMPUREZAS NOS SÓLIDOS
(ou impureza)
• Matriz solvente (> quantidade)
(ou hospedeiro)
1. Defeitos pontuais: SOLUÇÕES SÓLIDAS
Ao se adicionar pequenas quantidades de sal ou açúcar na água, estes se dissolvem a ponto
de se manter diluídos na água. Nesse caso temos uma solução líquida.O termo Solução
Sólida, tem a mesma idéia, entretanto refere-se a materiais no estado sólido.
Um componente B pode formar uma solução sólida com um componente A, se o componente
B se misturar à estrutura do componente A (de modo intersticial ou substitucional) de tal
forma a manter uma condição de fase única.
1. Defeitos pontuais: SOLUÇÕES SÓLIDAS
Componente solvente
Componente soluto
Solução sólida
IntersticialComponente solvente
Componente soluto
Solução sólida
Substitucional
FASEFASE
ÚNICAÚNICA
Esses dois tipos de solução sólida criam uma distorção da rede cristalina
1. Defeitos pontuais: SOLUÇÕES SÓLIDAS
Solução sólida substitucional característica do latão, em que se têm os átomos 
de zinco (soluto) substituindo, de forma aleatória, os átomos de cobre do 
solvente 
Solução de carbono na austenita CFC. O maior insterticio no ferro γ tem quase o 
tamanho de um átomo de carbono, favorecendo o estabelecimento de uma solução 
sólida intersticial
Solução sólida intersticial – carbono no ferro CFC
����As discordâncias estão associadas com a cristalização e com
a deformação (origem: térmica, mecânica ou devida à
supersaturação de defeitos pontuais).
���� A presença desse tipo de defeito explica, em boa parte dos
casos, a deformação, a falha e a ruptura dos materiais.
2. Defeitos lineares: DISCORDÂNCIA
As discordâncias podem ser:
– em cunha (ou em aresta);
– helicoidais (ou em espiral);
– mistas.
A discordância em aresta é
Porção extra de um plano de
átomos, ou semi-plano, cuja
aresta termina no interior do
cristal.
2. Defeitos lineares: DISCORDÂNCIA (em aresta)
A discordância em aresta é
representada pelo símbolo: ⊥⊥⊥⊥,
que indica a posição da linha de
discordância
Os átomos acima da linha de discordância são
pressionados uns contra os outros, e, os átomos abaixo são
puxados um para longe do outro (envolve zonas de tração e
compressão).
2. Defeitos lineares: DISCORDÂNCIA (em espiral)
A região anterior do cristal é deslocada uma
distância atômica para cima em relação à fração
posterior .
2. Defeitos lineares: DISCORDÂNCIA (mista)
A maioria das discordâncias encontrada em materiais
cristalinos exibe componentes que são característicos de
ambos os tipos; essas são conhecidas por discordâncias
mistas.
As discordâncias podem ser observadas em materiais cristalinos
mediante o uso de técnicas de microscopia eletrônica.
As discordâncias estão envolvidas na deformação plástica de materiais
cristalinos.
Envolvem fronteiras (defeitos em duas dimensões) e
normalmente separam regiões dos materiais de
diferentes estruturas cristalinas ou orientações
cristalográficas.
3. Defeitos planos ou interfaciais
Podem ser:
• Superfície (externa) do material;
• Contorno de grão.
3. Defeitos planos ou interfaciais: 
NA SUPERFÍCIE DO MATERIAL
Na superfície os átomos não estão completamente
ligados.
Então o estado de energia dos átomos na superfície é
maior que no interior do cristal.maior que no interior do cristal.
Caso átomos adicionais sejam depositados na superfície
há desprendimento de energia – adsorção superficial.
A energia superficial é expressa em erg/cm2 ou J/m2.
3. Defeitos planos ou interfaciais: CONTORNO DO GRÃO
Contorno que separa dois
pequenos grãos ou cristais
que possuem diferentes
orientações cristalográficas
em materiais
policristalinos.DISCORDÂNCIA
um cristal = um grão
MonocristalMonocristal: Material com apenas uma orientação cristalina, ou seja,
que contém apenas um grão.
PolicristalPolicristal: Material com mais de uma orientação cristalina, ou seja,
que contém vários grãos.
3. Defeitos planos ou interfaciais: CONTORNO DO GRÃO
Identificação de “porções” do material com orientações cristalinas particulares (grãos) e 
de uma região de transição entre os grãos (contornos de grão)
Formação de pequenos núcleos de 
cristalização (cristalitos)
Crescimento dos cristalitos
Formação de Grãos, com formatos 
irregulares, após completada a irregulares, após completada a 
solidificação.
Vista, num microscópio, da estrutura de 
Grãos (as linhas escuras são os contornos 
dos Grãos)
GRÃOS VISTOS NO MICROSCÓPIO ÓTICO
É um tipo especial de 
contorno de grão.
Os átomos em um dos 
lados do contorno 
3. Defeitos planos ou interfaciais: CONTORNO DE MACLA 
OU TWIN
ladosdo contorno 
estão localizados em 
posições em imagem 
em espelho dos 
átomos no outro lado 
do contorno São contornos de grão com simetria 
da rede cristalina.
Plano da Macla
Fotomicrografia de uma amostra 
de latão policristalino (ampliação 
de 60x)
4. Defeitos volumétricos
São introduzidos no processamento do material ou
durante a sua fabricação.
Inclusões: impurezas estranhas.
Precipitados: são aglomerados de partículas cujaPrecipitados: são aglomerados de partículas cuja
composição difere da matriz.
Fases : forma-se devido à presença de impurezas ou
elementos de liga (ocorre quando o limite de solubilidade
é ultrapassado).
Porosidade: origina-se devido a presença ou formação de
gases.
4. Defeitos volumétricos: INCLUSÕES
Inclusões de óxido de cobre (Cu2O) em cobre de alta pureza (99,26%)
laminado a frio e recozido a 800oC
SOLIDIFICAÇÃOSOLIDIFICAÇÃO
Sólido Sólido -- Condição 1Condição 1
Estrutura cristalina organizada
apresentando duas fasesduas fases
Componente A
Componente B
4. Defeitos volumétricos: FASES
Sólido Sólido -- Condição 2Condição 2
Estrutura cristalina organizada
apresentando uma faseuma fase formada por diferentes componentes
LíquidoLíquido
Estrutura desorganizada
apresentando uma única fase
EXEMPLOS DE PARTÍCULAS DE SEGUNDA FASE 
4. Defeitos volumétricos: FASES
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).
4. Defeitos volumétricos: FASES
Microestrutura da liga Al-Si-Cu + Mg mostrando diversas fases precipitadas
4. Defeitos volumétricos: POROSIDADE
COMPACTADO DE PÓ DE FERRO,
A 550 MPa
COMPACTADO DE PÓ DE
FERRO APÓS SINTERIZAÇÃO A
1150oC, POR 120 min EM
ATMOSFERA DE HIDROGÊNIO