CIENCIA DOS MATERIAIS

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1- IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS
ASSUNTO
- Defeitos pontuais
 - Defeitos de linha (discordâncias)
-   Defeitos de interface (grão e maclas)
-  Defeitos volumétricos (inclusões, precipitados)
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Eleani Maria da Costa - PGETEMA/PUCRS
O QUE É UM DEFEITO? 
É uma imperfeição ou um "erro" no arranjo periódico regular dos átomos em um cristal. 
Pode 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 material foi processado. 
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IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS
Apenas uma pequena fração dos sítios (ou posições) atômicos são imperfeitos
			Menos de 1 em 1 milhão
Menos sendo poucos eles influenciam muito as propriedades dos materiais e nem sempre de forma negativa
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IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS
- IMPORTÂNCIA-
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IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS 
Exemplos de efeitos da presença de imperfeições
O processo de dopagem em semicondutores visa criar imperfeições para mudar o tipo de condutividade em determinadas regiões do material
A deformação mecânica dos materiais promove a formação de imperfeições que gera um aumento na resistência (processo conhecido como encruamento) 
Wiskers de ferro (sem imperfeições do tipo discordâncias) apresentam resistência maior que 70GPa, enquanto o ferro comum rompe-se a aproximadamente 270MPa.
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IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS
São classificados de acordo com sua geometria ou dimensões
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IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS
Defeitos Pontuais		associados c/ 1 ou 2 				posições atômicas
	
Defeitos lineares		uma dimensão
Defeitos planos ou interfaciais 	 (fronteiras) duas 							dimensões 
Defeitos volumétricos 			três dimensões
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1- DEFEITOS PONTUAIS
Vacâncias ou vazios
Átomos Intersticiais
Schottky
Frenkel
Ocorrem em sólidos iônicos
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1- DEFEITOS PONTUAIS
influem principalmente as propriedades ópticas e elétricas dos materiais;
influem em processos como difusão, transformação de fases, fluência, etc…
Átomos de soluto geram defeitos ponstuais
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VACÂNCIAS OU VAZIOS
Envolve a falta de um átomo
São formados durante a solidificação do material cristalino ou como resultado das vibrações atômicas (os átomos deslocam-se de suas posições normais)
A energia livre do material depende do número ou concentração de vacâncias presentes
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VACÂNCIAS OU VAZIOS EM EQUILÍBRIO
O número de vacâncias aumenta exponencialmente com a temperatura
			Nv= N exp (-Qv/KT)
Nv= número de vacâncias
N= número total de sítios atômicos
Qv= energia requerida para formação de vacâncias
K= constante de Boltzman = 1,38x1023J/at.K ou 					8,62x10-5 eV/ at.K
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INTERSTICIAIS
Envolve um átomo extra no interstício (do próprio cristal)
Produz uma distorção no reticulado, já que o átomo 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
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INTERSTICIAIS devido a adição de soluto
Átomo intersticial pequeno
Átomo intersticial grande
Gera maior distorção na rede
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FRENKEL
Ocorre em sólidos iônicos 
Ocorre quando um íon sai de sua posição normal e vai para um interstício
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SCHOTTKY
Presentes em compostos que tem que manter o balanço de cargas
Envolve a falta de um ânion e/ou um cátion
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CONSIDERAÇÕES GERAIS
Vazios e Schottky favorecem a difusão
Estruturas de empacotamento fechado tem um menor número intersticiais e Frenkel que de vazios e Schottky 
Porque é necessária energia adicional para forçar os átomos para novas posições
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IMPUREZAS NOS SÓLIDOS
Um metal considerado puro sempre tem impurezas (átomos estranhos) presentes
99,9999% = 1022-1023 impurezas por cm3
A presença de impurezas promove a formação de defeitos pontuais
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LIGAS METÁLICAS
Algumas 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.
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A ADIÇÃO DE ELEMENTOS DE LIGA PODE FORMAR
Soluções sólidas		 % elemento < limite 						de solubilidade
Segunda fase			 % elemento > limite 						de solubilidade
		A solubilidade depende :
Temperatura
Tipo de elemento (ou impureza)
Concentração do elemento (ou impureza)
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Termos usados
Elemento de liga ou Impureza			soluto (< quantidade)
Matriz ou				solvente Hospedeiro			(>quantidade)
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SOLUÇÕES SÓLIDAS
A estrutura cristalina do material que atua como matriz é mantida 
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SOLUÇÕES SÓLIDAS
Nas soluções sólidas as impurezas ou elementos de liga podem ser do tipo:
			- Intersticial
			- Substitucional
Ordenada
Desordenada
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SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAIS
Os átomos de impurezas ou os elementos de liga ocupam os espaços dos interstícios
Ocorre quando a impureza apresenta raio atômico bem menor que o hospedeiro
Como os materiais metálicos tem geralmente fator de empacotamento alto as posições intersticiais são relativamente pequenas
Geralmente, no máximo 10% de impurezas são incorporadas nos interstícios
INTERSTICIAL
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EXEMPLO DE SOLUÇÃO SÓLIDA INTERSTICIAL
Fe + C		solubilidade máxima do C no 			Fe é 2,1% a 910 C (Fe CFC)
O C tem raio atômico bastante pequeno se comparado com o Fe
			rC= 0,071 nm= 0,71 A
			rFe= 0,124 nm= 1,24 A
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INTERSTICIAIS NA CCC E CFC
Nessas estruturas existem 2 tipos de intersticiais, um sítio menor e um maior
A impureza geralmente ocupa o sítio maior
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INTERSTICIAIS NA CFC
Existem 13 posições intersticiais (octaedros- formados por 6 átomos) e 8 posições intersticiais (tetraedros formados por 4 átomos)= 21
O Sítio maior é o octaédrico
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INTERSTICIAIS (octaedros)
NA CFC
Existem 13 posições intersticiais (octaedros)
1 Centro do octaedro 
de coordenadas (½, ½, ½)
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INTERSTICIAIS (tetraedros)
NA CFC
Existem 8 posições intersticiais (tetraedros)
1 Centro do tetraedro 
de coordenadas (1/4, 1/4, 1/4)
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Calcule o raio da impureza que se ajusta perfeitamente no sítio intersticial maior (octaédrico) para a estrutura cfc
r= 0,41R
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INTERSTICIAIS NA CCC
Existem 18 posições intersticiais (octaedros) e 24 posições intersticiais (tetraedros)= 42
O Sítio maior é o tetraédrico
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INTERSTICIAIS (octaedro)
 NA CCC
Existem 18 posições 
intersticiais (octaedro)
6 Centro das faces 
posições (½, ½, 0)
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INTERSTICIAIS (tetraedros) 
NA CCC
Existem 24 posições
intersticiais (tetraedros)
4 tetraedros 
Para cada uma das seis faces
 (1/2, 1/4, 0)
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Calcule o raio da impureza que se ajusta perfeitamente no sítio maior (tetraédrico) para a estrutura ccc
r= 0,29R
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Carbono intersticial no Ferro
O carbono é mais solúvel no Ferro CCC ou CFC, considerando a temperatura próxima da transformação alotrópica?
ccc
cfc
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Carbono intersticial no Ferro ccc-ferrita
Na ferrita os espaços intersticiais são menores
rFe= 0,124 nm
rC= 0,071 nm
Espaço intersticial octraédrico= 0,019 nm
 - 0,052 nm
rFe= 0,124 nm
rC= 0,071 nm
Espaço intersticial tetraédrico= 0,035 nm
 - 0,036 nm
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Carbono intersticial no Ferro cfc-austenita
cfc
rFe= 0,124 nm
rC= 0,071 nm
Espaço intersticial octraédrico= 0,052 nm
 - 0,019 nm
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SOLUBILIDADE DO CARBONO NO FERRO
Apesar da célula unitária CCC apresentar diversas posições intersticiais, a solubilidade de carbono no Fe é maior em células CFC, pois as mesmas concentram o espaço vazio da célula, nas posições intersticiais octaédricas. 
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INTERSTICIAIS NA HC
Existem 6 posições intersticiais (octaedros) e 8 posições intersticiais (tetraedros)= 14
O Sítio maior é o octaédrico
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INTERSTICIAIS (octaedros)
NA HC
Existem 6 posições intersticiais (octaedros)
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INTERSTICIAIS (tetraedros)
NA HC
Existem 8 posições intersticiais (tetraedros)
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SOLUÇÕES SÓLIDAS
SUBSTITUCIONAIS 
(TIPOS) 
SUBSTITUCIONAL 
ORDENADA
SUBSTITUCIONAL 
DESORDENADA
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 As soluções sólidas substitucionais formam-se mais facilmente quando o elemento de liga (impureza) e matriz apresentam estrutura cristalina e dimensões eletrônicas semelhantes
SOLUÇÕES SÓLIDAS
SUBSTITUCIONAIS
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FATORES QUE DETERMINAM A FORMAÇÃO DE SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS
REGRA DE HOME-ROTHERY
Raio atômico		deve ter uma diferença de no máximo 15%, caso contrário pode promover distorções na rede e assim formação de nova fase
Estrutura cristalina	 mesma
Eletronegatividade	 próximas
Valência	mesma ou maior que a do 						hospedeiro
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EXEMPLO DE SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTICIONAL
Cu + Ni		são solúveis em todas as 				proporções
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2- DEFEITOS LINEARES: DISCORDÂNCIAS
As discordâncias estão associadas com a cristalização e a deformação (origem: térmica, mecânica e supersaturação de defeitos pontuais)
A presença deste defeito é a responsável pela deformação, falha e ruptura dos materiais
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2- DEFEITOS LINEARES: DISCORDÂNCIAS
Podem ser:
			- Cunha
			- Hélice
			- Mista
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VETOR DE BURGER (b)
Dá a magnitude e a direção de distorção da rede
Corresponde à distância de deslocamento dos átomos ao redor da discordância
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2.1- DISCORDÂNCIA EM CUNHA
Envolve um SEMI-plano extra de átomos
O vetor de Burger é perpendicular à direção da linha da discordância
Envolve zonas de tração e compressão
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DISCORDÂNCIAS EM CUNHA
Fonte: Prof. Sidnei, DCMM, PUCRJ
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DISCORDÂNCIAS EM CUNHA
Fonte: Prof. Sidnei, DCMM, PUCRJ
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2.2- DISCORDANCIA EM CUNHA (Tensões)
Campo de tensões envolve componentes de tração e compressão
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2.2- DISCORDANCIA EM HÉLICE
Produz distorção na rede
O vetor de burger é paralelo à direção da linha de discordância
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DISCORDANCIA EM HÉLICE
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2.2- DISCORDANCIA EM HÉLICE
DISCORDÂNCIA EM HÉLICE NA SUPERFÍCIE DE 
UM MONOCRISTAL DE SiC. AS LINHAS ESCURAS 
 SÃO DEGRAUS DE ESCORREGAMENT SUPERFICIAIS. 
(Fig. 5.3-2 in Schaffer et al.).
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2.2- DISCORDANCIA EM HÉLICE (Tensões)
Campo de tensões é simétrico e paralelo ao vetor de burger (não envolve componentes de tração ou compressão)
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Energia e Discordâncias
A energia associada a uma discordância depende do vetor de Burger (varia com o quadrado do vetor de Burger)
Discordância com alto vetor de Burger tende a se dissociar em duas ou mais discordâncias de menor vetor de Burger (como o vetor é menor que o vetor da rede é chamado de falha de empilhamento-stacking fault)
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Dissociação de Discordâncias
stacking fault
A reação de dissociação é energeticamente favorável se:
b12 > b22 + b32
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Exercício 15
O vetor de Burger (b) para estruturas cúbicas de face centrada (CFC) e cúbica de corpo centrado (CCC) pode ser expresso como:
b= a/2 [hkl]
onde [hkl] é a direção cristalográfica de maior densidade atômica.
Quais são as representações para o vetor de Burgers para as estruturas CFC e CCC?
Se a magnitude do vetor de de Burges bé igual a a/2 (h2+k2+l2)1/2, determine o valor de bpara o Alumínio.
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OBSERVAÇÃO DAS DISCORDANCIAS
Diretamente 			TEM ou HRTEM
Indiretamente		SEM e 			microscopia óptica (após ataque 		químico seletivo)
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DISCORDÂNCIAS NO TEM
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DISCORDÂNCIAS NO HRTEM
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DISCORDÂNCIAS NO HRTEM
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FIGURA DE ATAQUE PRODUZIDA NA DISCORDÂNCIA VISTA NO SEM
Plano (111) do InSb
Plano (111) do GaSb
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MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS
GLIDE: ocorre a baixas temperaturas e envolve quebra de ligações localizadas. A discordância se move no plano que contém a linha de discordância e o vetor de burger
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MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS
CLIMB: ocorre a altas temperaturas (pois ocorre por difusão e migração de vacâncias) e envolve adição e remoção de átomos do semi-plano extra. A discordância se move perpendicular ao plano que contém a linha de discordância e o vetor de burger
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CONSIDERAÇÕES GERAIS
A quantidade e o movimento das discordâncias podem ser controlados pelo grau de deformação (conformação mecânica) e/ou por tratamentos térmicos 
Com o aumento da temperatura há um aumento na velocidade de deslocamento das discordâncias favorecendo o aniquilamento mútuo das mesmas e formação de discordâncias únicas
Impurezas tendem a difundir-se e concentrar-se em torno das discordâncias formando uma atmosfera de impurezas
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CONSIDERAÇÕES GERAIS
A densidade das discordâncias depende da orientação cristalográfica, pois o cisalhamento se dá mais facilmente nos planos de maior densidade atômica
As discordâncias geram vacâncias
As discordâncias influem nos processos de difusão
A formação de discordâncias contribuem para a deformação plástica
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3- DEFEITOS PLANOS
OU INTERFACIAIS
Envolvem fronteiras (defeitos em duas dimensões) e normalmente separam regiões dos materiais de diferentes estruturas cristalinas ou orientações
cristalográficas
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3- DEFEITOS PLANOS
OU INTERFACIAIS
Superfície externa
Contorno de grão
Fronteiras entre fases
Maclas ou Twins
Defeitos de empilhamento
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3.1- DEFEITOS NA SUPERFÍCIE EXTERNA 
É o mais óbvio
Na superfície os átomos não estão completamente ligados 
Então o estado energia dos átomos na superfície é maior que no interior do cristal
Os materiais tendem a minimizar esta energia
A energia superficial é expressa em erg/cm2 ou J/m2)
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3.2- CONTORNO DE GRÃO 
Corresponde à região que separa dois ou mais cristais de orientação diferente 
um cristal = um grão
No interior de cada grão todos os átomos estão arranjados segundo um único modelo e única orientação, caracterizada pela célula unitária
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Monocristal e Policristal
Monocristal: Material com apenas uma orientação cristalina, ou seja, que contém apenas um grão
Policristal: Material com mais de uma orientação cristalina, ou seja, que contém vários grãos
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LINGOTE DE ALUMÍNIO POLICRISTALINO
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GRÃO
A forma do grão é controlada:
	- pela presença dos grãos circunvizinhos
O tamanho de grão é controlado
		- Composição química
		- Taxa (velocidade) de cristalização ou solidificação
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FORMAÇÃO DOS GRÃOS
A forma do grão é controlada:
- pela presença dos grãos 
circunvizinhos
O tamanho de grão é controlado
- Composição
- Taxa de cristalização ou solidificação
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CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE CONTORNO DE GRÃO
Há um empacotamento ATÔMICO menos eficiente
Há uma energia mais elevada
Favorece a nucleação de novas fases (segregação)
Favorece a difusão
O contorno de grão ancora o movimento das discordâncias
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Discordância e Contorno de Grão
A passagem de uma discordância através do contorno de grão requer energia
DISCORDÂNCIA
O contorno de grão ancora o movimento das discordância pois constitui um obstáculo para a passagem da mesma, LOGO QUANTO MENOR O TAMANHO DE GRÃO
 .........A RESISTÊNCIA DO MATERIAL
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CONTORNO DE PEQUENO ÂNGULO
Ocorre quando a desorientação dos cristais é pequena
É formado pelo alinhamento de discordâncias
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OBSERVAÇÃO DOS GRÃOS E CONTORNOS DE GRÃO
Por microscopia (ÓTICA OU ELETRÔNICA)
utiliza ataque químico específico para cada material
O contorno geralmente é mais reativo
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GRÃOS VISTOS NO MICROSCÓPIO ÓTICO
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TAMANHO DE GRÃO
O tamanho de grão influi nas propriedades dos materiais
Para a determinação do tamanho de grão utiliza-se cartas padrões
ASTM
ou 
ABNT
 
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DETERMINAÇÃO DO TAMANHO DE GRÃO (ASTM)
Tamanho: 1-10
Aumento: 100 X
N= 2 n-1
N= número médio de grãos por polegada quadrada
		n= tamanho de grão
 
Quanto maior o número menor o 
tamanho de grão da amostra
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Existem vários softwares comerciais de simulação e determinação do tamanho de grão
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CRESCIMENTO DO GRÃO com a temperatura
Em geral, por questões termodinâmicas (energia) os grãos maiores crescem em 
detrimento dos menores 
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3.3- TWINS
MACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS
É um tipo especial de contorno de grão
Os átomos de um lado do contorno são imagens especulares dos átomos do outro lado do contorno
A macla ocorre num plano definido e numa direção específica, dependendo da estrutura cristalina
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ORIGENS DOS TWINS
MACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS
O seu aparecimento está geralmente associado com A PRESENÇA DE:
	- tensões térmicas e mecânicas
	- impurezas
	- Etc.
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4- IMPERFEIÇÕES VOLUMÉTRICAS
São introduzidas no processamento do material e/ou na fabricação do componente
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4- IMPERFEIÇÕES VOLUMÉTRICAS
- Inclusões		Impurezas estranhas
Precipitados		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
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Inclusões
INCLUSÕES DE ÓXIDO DE COBRE (Cu2O) EM COBRE DE ALTA PUREZA (99,26%)
 LAMINADO A FRIO E RECOZIDO A 800o C. 
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Inclusões
 SULFETOS DE MANGANÊS (MnS) EM AÇO RÁPIDO. 
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Porosidade
As figuras abaixo apresentam a superfície de ferro puro durante o seu processamento por metalurgia do
 pó. Nota-se que, embora a sinterização tenha diminuído a quantidade de poros bem como melhorado
 sua forma (os poros estão mais arredondados), ainda permanece uma porosidade residual.
COMPACTADO DE PÓ DE FERRO,COMPACTAÇÃO 
UNIAXIAL EM MATRIZ DE 
DUPLO EFEITO, A 550 MPa 
 COMPACTADO DE PÓ DE FERRO APÓS SINTERIZAÇÃO 
A 1150oC, POR 120min EM ATMOSFERA DE HIDROGÊNIO 
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EXEMPLOS 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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microestrutura da liga Al-Si-Cu + Mg mostrando diversas fases precipitadas
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Micrografia da Liga 
Al-3,5%Cu no Estado Bruto de Fusão