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1 ESTRUTURA E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS Prof. Rubens Caram R. Caram - 2 IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS TODO CRISTAL EXIBE DEFEITOS QUANTIDADE E TIPO DE IMPERFEIÇÕES DEPENDE DA FORMA QUE O CRISTAL FOI FORMADO DEFEITOS MODIFICAM O COMPORTAMENTO DO MATERIAL: MECÂNICO ELÉTRICO QUÍMICO ÓPTICO R. Caram - 3 ORIGEM DA ESTRUTURA CRISTALINA ESTRUTURA CRISTALINA SURGE ATRAVÉS: TRANSFORMAÇÃO VAPOR-SÓLIDO TRANSFORMAÇÃO SÓLIDO-SÓLIDO TRANSFORMAÇÃO LÍQUIDO-SÓLIDO (SOLIDIFICAÇÃO) (FORMA MAIS COMUM EM METAIS) NUCLEAÇÃO DA NOVA FASE CRESCIMENTO DA NOVA FASE R. Caram - 4 NUCLEAÇÃO NUCLEAÇÃO HOMOGÊNEA NUCLEAÇÃO HETEROGÊNEA Embriões da fase sólida R. Caram - 5 CRESCIMENTO CRESCIMENTO OCORRE QUANDO ÁTOMOS DO LÍQUIDO SÃO AGREGADOS AO SÓLIDO A FORMA COM QUE O CALOR É RETIRADO DO LÍQUIDO DETERMINA A FORMA A MICROESTRUTURA FLUXO DE CALOR DIRECIONAL: CRISTAIS CRESCEM COM DIREÇÃO ÚNICA FLUXO NÃO DIRECIONAL: CRISTAIS CRESCEM SEM UMA DIREÇÃO PREFERENCIAL TAXA DE RETIRADA DE CALOR DO LÍQUIDO: À MEDIDA QUE ESSA TAXA DECRESCE, TORNA-SE POSSÍVEL OBTER CRISTAIS DE MAIOR PERFEIÇÃO R. Caram - 6 CRESCIMENTO CONTROLADO PROCESSO CZOCHRALSKI DE CRESCIMENTO DE CRISTAIS • Si Mono-cristalino R. Caram - 7 CRESCIMENTO NÃO CONTROLADO PROCESSO DE FUNDIÇÃO R. Caram - 8 IMPERFEIÇÕES EM CRISTAIS TIPOS DE IMPERFEIÇÕES PONTUAIS EM LINHA DE SUPERFÍCIE ALUMINA MONOCRISTALINA (SAFIRA) ALUMINA POLICRISTALINA R. Caram - 9 IMPERFEIÇÕES PONTUAIS VAZIOS OU VACÂNCIAS SÃO ESSENCIAIS EM PROCESSOS DE DIFUSÃO QUANTIDADE AUMENTA COM A TEMPERATURA Vazio Vazio R. Caram - 10 IMPERFEIÇÕES PONTUAIS DEFEITOS DE FRENKEL E DE SCHOTTKY DEFEITO DE FRENKELDEFEITO DE SCHOTTKY R. Caram - 11 IMPERFEIÇÕES PONTUAIS ÁTOMO SUBSTITUCIONAL R. Caram - 12 IMPERFEIÇOES PONTUAIS ÁTOMO INTERSTICIAL R. Caram - 13 IMPERFEIÇÕES PONTUAIS POSIÇÕES INTERSTICIAIS (CFC) OCTAÉDRICA TETRAÉDRICA R. Caram - 14 IMPERFEIÇÕES PONTUAIS POSIÇÕES INTERSTICIAIS (CFC) OCTAÉDRICA R. Caram - 15 IMPERFEIÇÕES PONTUAIS POSIÇÕES INTERSTICIAIS (CFC) TETRAÉDRICA R. Caram - 16 IMPERFEIÇÕES PONTUAIS POSIÇÕES INTERSTICIAIS (CCC) TETRAÉDRICAOCTAÉDRICA R. Caram - 17 IMPERFEIÇÕES PONTUAIS POSIÇÕES INTERSTICIAIS (CCC) OCTAÉDRICA R. Caram - 18 IMPERFEIÇÕES PONTUAIS POSIÇÕES INTERSTICIAIS (CCC) TETRAÉDRICA R. Caram - 19 SOLUÇÃO SÓLIDA SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONAL MISTURA DE ELEMENTOS, ONDE O SOLUTO OCUPA POSIÇÕES INTERSTICIAIS EX.: Fe-C, Fe-H SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONAL MISTURA DE ELEMENTOS ONDE O SOLUTO OCUPA POSIÇÕES SUBSTITUCIONAIS EX.: Cu-Zn, Cu-Sn ELEMENTO EM MAIOR QUANTIDADE: SOLVENTE ELEMENTO EM MENOR QUANTIDADE: SOLUTO R. Caram - 20 S.S. E PROPRIEDADES MECÂNICAS L i m i t e d e E s c o a m e n t o , M P a % Soluto PRESENÇA DE SOLUTOS ALTERA O COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS METAIS: DIFERENÇA ENTRE TAMANHOS ATÔMICOS LEVA AO AUMENTO DA RESISTÊNCIA MECÂNICA AUMENTO DA QUANTIDADE DE SOLUTO LEVA AO AUMENTO DA RESISTÊNCIA MECÂNICA EXÊMPLOS: LIGA Cu-Zn: AUMENTO PEQUENO - TAMANHOS ATÔMICOS PRÓXIMOS LIGA Cu-Sn: AUMENTO MÉDIO - TAMANHOS ATÔMICOS DIFERENTES LIGA Cu-Be: AUMENTO ELEVADO – TAMANHOS ATÔMICOS DIFERENTES R. Caram - 21 DIAGRAMA DE FASES Cu-Zn R. Caram - 22 DIAGRAMA DE FASES Fe-C R. Caram - 23 DIAGRAMA DE FASES Cu-Sn R. Caram - 24 EXERCÍCIO Determine o raio do interstício octaédrico no ferro γ. Dados: estrutura do ferro γ=CFC e raio atômico=0,129 nm r R R+r R 45o R Plano (200) na estrutura CFC Como o raio atômico do ferro é igual a 1,29 nm, o raio do interstício será dado por: rR R 2 245sen o + == R rR2 2 2 + == R r12 += 414,0 R r = nm053,0414,0129,0414,0Rr === R. Caram - 25 SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONAL EM UMA SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONAL, A SOLUBILIDADE DE UM ELEMENTO EM OUTRO SERÁ ELEVADA DESDE QUE: (a) ESTRUTURA CRISTALINA DO SOLUTO SEJA A MESMA DO SOLVENTE; (b) VALÊNCIAS DO SOLUTO E DO SOLVENTE SEJAM IGUAIS; (c) ELETRO-NEGATIVIDADES DO SOLUTO E DO SOLVENTE SEJAM PRÓXIMAS (PARA QUE UMA REAÇÃO QUÍMICA SEJA EVITADA) E (d) RAIOS ATÔMICOS DO SOLUTO E SOLVENTE TENHAM VALORES PRÓXIMOS (A DIFERENÇA NÃO DEVE ULTRAPASSAR 15 %). R. Caram - 26 EXERCÍCIO Uma liga Al-Cu tem 5 % em peso de Cu e 95 % em peso de Al. A massa atômica do Al é 27 g/mol e do Cu é 63,5 g/mol. Determine a quantidade de cobre em % em átomos. R. Caram - 27 EXERCÍCIO Em 100 g da liga existem 95 g de alumínio e 5 g de cobre. 1 mol (6,02 x 1023 átomos) de Cu = 63,5 g 6,02 x 1023 átomos ⇒ 63,5 g NCu átomos ⇒ 5 g NCu = 5 g x 6,02 x 1023/63,5 g = 0,47 x 1023 átomos de Cu 6,02 x 1023 átomos ⇒ 27 g NAl átomos ⇒ 95 g NAl = 95 g x 6,02 x 1023/27 g = 21,18 x 1023 átomos de Al O número total de átomos é: Ntotal = NCu + NAl = 21,65 x1023 átomos Quantidade de Cu na liga em % em átomos é: % em átomos de Al = 21,18 x 1023/21,65 x1023 x 100% = 97,8 % % em átomos de Cu = 0,47 x 1023/21,65 x1023 x 100% = 2,2 %. Uma liga Al-Cu tem 5 % em peso de Cu e 95 % em peso de Al. A massa atômica do Al é 27 g/mol e do Cu é 63,5 g/mol. Determine a quantidade de cobre em % em átomos. R. Caram - 28 IMPERFEIÇÕES EM LINHA OS CRISTAIS APRESENTAM DEFEITOS ALINHADOS E CONTÍNUOS: IMPERFEIÇÕES EM LINHA OS DEFEITOS EM LINHA, TAMBÉM CHAMADOS DE DISCORDÂNCIAS SÃO IMPERFEIÇÕES 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 O CRESCIMENTO DO CRISTAL OU NA DEFORMAÇÃO PLÁSTICA DO CRISTAL EXISTEM DOIS TIPOS PRINCIPAIS DE DISCORDÂNCIAS: DISCORDÂNCIA EM CUNHA DISCORDÂNCIA EM HÉLICE R. Caram - 29 DISCORDÂNCIAS R. Caram - 30 DISCORDÂNCIA EM CUNHA b r Linha de Discordância R. Caram - 31 DISCORDÂNCIA EM HÉLICE Linha de Discordância b r R. Caram - 32 DISCORDÂNCIA MISTA R. Caram - 33 DISCORDÂNCIAS DISCORDÂNCIAS NO COBRE R. Caram - 34 DISCORDÂNCIAS DISCORDÂNCIAS NO SILÍCIO R. Caram - 35 DISCORDÂNCIAS E A DEFORMAÇÃO MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS R. Caram - 36 DISCORDÂNCIAS E A DEFORMAÇÃO MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS R. Caram - 37 IMPERFEIÇÕES DE SUPERFÍCIE CRISTAIS APRESENTAM DEFEITOS EM DUAS DIMENSÕES, QUE SE ESTENDEM AO LONGO DA ESTRUTURA, GERANDO IMPERFEIÇÕES DE SUPERFÍCIES: SUPERFÍCIES LIVRE FALHAS DE EMPILHAMENTO CONTORNOS DE GRÃO MACLAS R. Caram - 38 SUPERFÍCIES LIVRES Superfície Externa R. Caram - 39 FALHAS DE EMPILHAMENTO CFC HC FALHA DE EMPILHAMENTO R. Caram - 40 GRÃOS E CONTORNOS DE GRÃOS NUCLEAÇÃO R. Caram - 41 GRÃOS E CONTORNOS DE GRÃOS R. Caram - 42 OBSERVAÇÃO DE C.G. Luz Incidente LuzRefletida R. Caram - 43 FERRO FUNDIDO NODULAR MATRIZ FERRÍTICA E NÓDULOS DE GRAFITA (CINZA) R. Caram - 44 LIGA EUTÉTICA TERNÁRIA EUTÉTICO Nb2Al-Al3Nb-AlNiNb R. Caram - 45 AÇO BAIXO CARBONO (1020) FERRITA E PERLITA R. Caram - 46 AÇO ALTO CARBONO (1070) FERRITA E PERLITA R. Caram - 47 AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO GRÃOS AUSTENÍTICO R. Caram - 48 COBRE R. Caram - 49 TAMANHO DE GRÃO ASTM 51210 2569 1288 647 326 165 84 43 22 11 N, GRÃOS/POL2n, TAMANHO DE GRÃO 1n2 N −= R. Caram - 50 TAMANHODE GRÃO ASTM R. Caram - 51 TAMANHO DE GRÃO ASTM n=1 5 µm n=4 n=8 R. Caram - 52 MACLAS MACLAS PODEM SURGIR A PARTIR DE TENSÕES TÉRMICAS OU MECÂNICAS. TAL DEFEITO OCORRE QUANDO PARTE DA REDE CRISTALINA É DEFORMADA, DE MODO QUE A MESMA FORME UMA IMAGEM ESPECULAR DA PARTE NÃO DEFORMADA. PLANO CRISTALOGRÁFICO DE SIMETRIA ENTRE AS REGIÕES DEFORMADAS E NÃO DEFORMADA, É CHAMADO DE PLANO DE MACLAÇÃO. R. Caram - 53 MACLAS R. Caram - 54 MACLAS MACLA
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