DEFEITOS+CRISTALINOS

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UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA
DEFEITOS CRISTALINOS
MARCELINO PEREIRA DO NASCIMENTO 
MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA
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DEFEITOS CRISTALINOS
 Lacunas ou Vacâncias
 Átomos Intersticiais
 Átomos Substitucionais
Defeitos Pontuais
Uma irregularidade na rede cristalina da ordem de um diâmetro atômico em uma ou mais de suas dimensões.
 muitas propriedades estão relacionadas com estes defeitos;
 freqüentemente, defeitos são induzidos propositalmente nos materiais.
CLASSIFICAÇÃO:
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CLASSIFICAÇÃO DOS DEFEITOS PONTUAIS
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CLASSIFICAÇÃO DOS DEFEITOS PONTUAIS
Vazios
Intersticiais
Substitucionais
 Vazios: sítios atômicos vagos na estrutura cristalina
 Intersticiais: átomos extras ocupando posições entre os sítios atômicos
 Substitucionais: átomos de elementos “estranhos” inseridos na rede cristalina
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DEFEITOS PONTUAIS:
Lacuna (ou vacância) = ausência de um átomo 				ou íon em uma posição 			cristalográfica
São formados durante a solidificação do cristal ou como resultado das vibrações atômicas (os átomos deslocam-se de suas posições normais)
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DEFEITOS PONTUAIS: VACÂNCIAS
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VACÂNCIAS - EXEMPLO
Calcule a concentração de vacâncias no cobre a 25oC. A que temperatura será necessário aquecer este metal para que a concentração de vacâncias produzidas seja 1000 vezes maior que a quantidade existente a 25oC? Assuma que a energia para a formação de lacunas seja 20000 cal/mol e o parâmetro de rede para o cobre CFC é 0,36151 nm.
Solução:
O número de átomos ou posições na rede cristalina, por unidade de volume, do cobre é: 
para que Nv seja 1000 vezes maior,
Nv = 8,47x1022 e-20000/(1,987 x 298) = 1,81x108 lacunas / cm3
1,81x1011 = 8,47x1022e-20000/(1,987 T)  T = 102 °C
a 25°C (T=298K):
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VACÂNCIAS - EXEMPLO
No ferro com estrutura CFC, átomos de carbono podem ocupar o centro de cada aresta (posição 1/2, 0, 0) e o centro da célula unitária (1/2, 1/2, 1/2). No ferro CCC, os átomos de carbono podem se localizar em posições como a 1/4, 1/2, 0. O parâmetro de rede do Fe é 0,3571 nm para a estrutura CFC e 0,2866 nm para o ferro CCC. Assuma que os átomos de carbono tenham raios de 0,071 nm. 1) Em qual dessas situações ocorrerá a maior distorção do cristal pela presença de átomos intersticiais de carbono? 2) Qual seria a porcentagem de átomos de carbono em cada tipo de ferro se todos os sítios intersticiais fossem ocupados?
CFC
CCC
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VACÂNCIAS - EXEMPLO
Para a estrutura CFC, R = √2 a0 / 4 = 0,1263 nm. Além disso, segundo a figura abaixo,
2r + 2R = a0
então, 
r = 0,0522 nm
Desta forma, como o espaço intersticial é menor no ferro CCC, os átomos de carbono distorcerão mais este tipo de estrutura.
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VACÂNCIAS - EXEMPLO
b) A estrutura CCC possui dois átomos de ferro em cada célula unitária. Além disso, existem 24 posições intersticiais do tipo ¼,½,0. Entretanto, como cada posição está localizada na face da célula, apenas metade de cada sítio pertence exclusivamente a uma célula. Assim, existem de fato 12 posições intersticiais para cada célula unitária. Se todas estas posições estiverem ocupadas, a porcentagem atômica de carbono contida no ferro será 
%at C=
X100 = 86%
Na estrutura CFC, existem 4 átomos de ferro e 4 posições intersticiais em cada célula. Assim,
%at C=
X100 = 50%
CCC: 1,0%
CFC: 8,9%
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DEFEITOS PONTUAIS INTERSTICIAIS
Presença de um átomo ou íon em uma posição não pertencente à estrutura cristalina;
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 a criação de uma vacância, por isso este defeito é menos provável que uma vacância.
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DEFEITOS PONTUAIS INTERSTICIAIS
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DEFEITOS PONTUAIS INTERSTICIAIS
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DEFEITOS PONTUAIS
SCHOTTKY
Presentes em compostos que tem que manter o balanço de cargas;
Envolve a falta de um ânion e/ou um cátion;
Vazios (vacâncias/lacunas) e Schottky favorecem a difusão.
Defeito Frenkel
Defeito Schottky
FRENKEL
Ocorre em sólidos iônicos, quando um íon sai de sua posição normal e vai para um interstício.
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DEFEITOS PONTUAIS
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DEFEITOS PONTUAIS
SUBSTITUCIONAIS:
Quando um átomo da rede cristalina é substituído por outro de tamanho diferente.
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DEFEITOS PONTUAIS IMPUREZAS EM 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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IMPUREZAS EM SÓLIDOS
Há sempre impurezas em cristais metálicos e que podem ser vistos como defeitos pontuais. 
Ligas:
Átomos de impurezas são adicionados intencionalmente a uma estrutura cristalina formada por outro átomo para gerar propriedades específicas nos materiais.
Adição de impurezas :
solução sólida (menor limite de solubilidade);
formação de 2a fase (maior limite de solubilidade).
Elementos em uma liga:
Solvente : elemento ou composto presente em maior quantidade
Soluto: elemento ou composto presente em menor quantidade
 Fase: porção homogênea de um material com características 		físicas e químicas uniformes.
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SOLUÇÕES SÓLIDAS
A solubilidade depende :
Temperatura
Tipo de impureza
Concentração da impureza
Substitucionais
Ex. Cu em Ni
Intersticiais
Ex. C em Fe
A estrutura cristalina do material que atua como matriz é mantida
e não formam-se novas estruturas
As soluções sólidas formam-se mais facilmente quando o elemento de liga (impureza) e matriz apresentam estrutura cristalina e dimensões eletrônicas semelhantes
Dois ou mais elementos dispersos em uma única fase.
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SOLUÇÕES SÓLIDAS
SUBSTITUCIONAL: 
átomos do solvente substituídos por átomos do soluto no reticulado;
a estrutura do solvente não muda, mas se deforma;
Substitucionais
Ex. Cu em Ni
Intersticiais
Ex. C em Fe
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TIPOS DE SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONAL
SUBSTITUCIONAL 
ORDENADA
SUBSTITUCIONAL 
DESORDENADA
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SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONAL
FATORES QUE INFLUEM NA FORMAÇÃO DE SOLUÇÕESSÓLIDASSUBSTITUCIONAISREGRA 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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SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONAL
EXEMPLO
Cu + Ni		são solúveis em todas as 				proporções
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SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONAL
	Cu			0,1278		CFC		1,9		+2 	Ag			0,1445		CFC		1,9		+1 	Al			0,1431		CFC		1,5		+3 	Co			0,1253		HEX		1,8		+2 	Cr			0,1249		CCC		1,6		+3 	Fe			0,1241		CCC		1,8		+2 	Ni			0,1246		CFC		1,8		+2 	Pd			0,1376		CFC		2,2		+2 	Zn			0,1332		HEX		1,6		+2
Elemento
Raio atômico
(nm)
Estrutura
Eletro
negatividade
Valência
1) Mais Al ou Ag em Zn?
2) Mais Zn ou Al em Cu? 
Solubilidades desprezíveis, estruturas diferentes.
Al maior valência, mais solúvel.
Al (CFC), Zn (Hex). Al mais solúvel.
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SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONAL
mi = massa do componente i
nmi = número de moles do componente i
Porcentagem em peso (%p)
Porcentagem atômica (%at)
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SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONAL
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*SOLUÇÃO SÓLIDA INTERSTICIAL
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
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SOLUÇÃO SÓLIDA INTERSTICIAL
Fe + C		solubilidade máxima do C no 			Fe é 2,1% a 910 oC (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
O carbono é mais solúvel no Ferro CCC ou CFC, considerando a temperatura próxima da transformação alotrópica?
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SOLUÇÃO SÓLIDA SEGUNDA FASE
Soluções sólidas com altas
 concentrações do soluto
FASE – porção do sistema físico, quimicamente homogêneo separada das demais por uma interface.
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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
Podem ser:
			- Cunha
			- Hélice
			- Mista
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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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DEFEITOS LINEARES
DISCORDÂNCIA EM CUNHA
Regiões de tração e compressão ao redor da discordância
Interação entre discordâncias
Repulsão
Atração e aniquilamento
INTERAÇÃO ENTRE DISCORDÂNCIAS
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DISCORDÂNCIA EM CUNHA
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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DEFEITOS LINEARES
DISCORDANCIA EM HÉLICE
Produz distorção na rede
O vetor de burger é paralelo à direção da linha de discordância
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DEFEITOS LINEARES
DISCORDANCIA MISTA
É o tipo mais provável de discordância e corresponde à mistura de discordâncias de aresta e espiral.
Discordâncias de aresta ou em espiral raramente ocorrem separadamente.
O movimento de discordâncias provocam deslizamentos, que resultam em deformações permanentes (plásticas) no material.
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DEFEITOS LINEARES
DISCORDANCIA
MET – Ti – 51.450x
ATAQUE “ETCH PITS” – LiF – 750x
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DEFEITOS LINEARES
DISCORDANCIA
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
O cisalhamento se dá mais facilmente nos planos de maior densidade atômica, por isso a densidade das mesmas depende da orientação cristalográfica 
As discordâncias geram vacâncias
As discordâncias influem nos processos de difusão
As discordâncias contribuem para a deformação plástica
O que provoca a movimentação das discordâncias é a tensão cisalhante atuante no plano e na direção de deslizamento. Mesmo que a tensão aplicada ao material seja uma tensão normal, ela vai possuir uma componente cisalhante que atua no plano da discordância. Quando esta tensão cisalhante atingir um valor crítico, a discordância começará a se movimentar no plano e na direção. O valor crítico de pende do material e do sistema de deslizamento considerado (plano e direção).
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DEFEITOS LINEARES
DISCORDANCIA
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DEFEITOS DE SUPERFÍCIES
CONTORNOS DE GRÃO
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DEFEITOS DE SUPERFÍCIES
CONTORNOS DE GRÃO
Os contornos de grão são regiões repletas de defeitos cristalinos, tais como lacunas e discordâncias. Constituem obstáculos ao deslizamento de discordâncias responsável pela deformação plástica e à propagação de trincas. Dessa forma, quanto mais contornos de grão, mais resistente à deformação e mais tenaz fica o material metálico. Por isso, o refino de grãos constitui um eficiente mecanismo de aumento da resistência e da tenacidade. A movimentação dos átomos (difusão) pelos contornos de grão é também mais rápida, devido à alta densidade de lacunas.
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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DEFEITOS DE SUPERFÍCIES
CONTORNOS 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
A passagem de uma discordância através do contorno de grão requer energia
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
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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