CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS 2

Prévia do material em texto

Ciência e Tecnologia dos 
Materiais 
Profª. Dr. Kelly Bossardi 
e-mail: kelly.bossardi@prof.uniso.br 
IMPERFEIÇÕES DOS SÓLIDOS 
Até o momento tem sido assumido taticamente que, em uma 
escala atômica, existe uma ordenação perfeita por todo 
material cristalino. Entretanto, esse tipo de sólido ideal não 
existe; todos os materiais contêm grandes números de uma 
variedade de defeitos ou imperfeições. Muitas das 
propriedades dos materiais são sensíveis a desvios em 
relação à perfeição cristalina: a influência não é sempre 
adversa e características específicas são obtidas pela 
introdução controlada de defeitos. 
Defeito Cristalino - irregularidade na rede cristalina com 
uma ou mais das suas dimensões na ordem atômica, e 
podem ser: 
 
•Pontuais – posições atômicas; 
• Lineares – unidimensionais; 
• Interfaciais, contornos – bidimensionais. 
 
Tipos de Imperfeições / Defeitos 
• Defeitos Pontuais - irregularidades que se estendem sobre somente 
alguns átomos (defeitos adimensionais - dimensão zero), podendo ser 
lacunas, intersticiais ou substitucionais; 
 
• Defeitos lineares - irregularidades que se estendem através de uma única 
fileira de átomos (unidimensionais), podendo ser discordâncias em hélice 
ou discordâncias em cunha; 
 
• Defeitos planares / interfaciais / superficiais- irregularidades que se 
estendem através de um plano de átomos (bidimensionais, que incluem 
as superfícies exteriores e os limites de grão interiores), podendo ser 
contornos de pequeno ângulo, contornos de grão, interface precipitado - 
matriz; 
 
• Defeitos volumétricos - defeitos macroscópicos tridimensionais se 
estendem sobre o conjunto dos átomos na estrutura ou no volume. 
Como exemplos destes defeitos pode-se citar os poros, as fendas, os 
precipitados e as inclusões. 
Além desta classificação, os defeitos podem ser 
divididos nas seguintes categorias: 
•Intrínsecos: defeitos decorrentes das leis físicas; 
•Extrínsecos: defeitos presentes devido ao meio 
ambiente e/ou as condições de processamento. 
 
Sendo que a maioria dos defeitos em materiais 
são extrínsecos. 
Os defeitos são importantes, mesmo em concentrações muito 
pequenas, porque podem causar uma mudança significativa nas 
propriedades de um material. 
Por exemplo, sem a presença de defeitos: 
• os metais seriam muito mais resistentes; 
• os cerâmicos seriam muito mais tenazes; 
• os cristais não teriam nenhuma cor. 
 
As imperfeições nas redes cristalinas são classificadas de acordo 
com a sua 
geometria e forma. Podem envolver uma irregularidade na posição 
dos átomos ou no tipo de átomos. 
 
O tipo e o número de defeitos dependem do material, do meio 
ambiente, e das circunstâncias sob as quais o cristal é processado. 
DEFEITOS PONTUAIS 
Lacunas: O defeito pontual mais simples é a LACUNA, ou 
sítio vago na rede cristalina, que normalmente deveria estar 
ocupado, mas do qual está faltando um átomo (Lacuna ou 
Vacância). 
Todos os sólidos cristalinos contêm lacunas e, na realidade, 
não é possível criar um material que esteja livre desse tipo de 
defeito. A necessidade da existência das lacunas aumenta a 
entropia do cristal. 
O número de lacunas em equilíbrio (Nl) para uma dada 
quantidade de material depende da temperatura e aumenta 
em função desse parâmetro de acordo com: 
 
𝑁𝑙 = 𝑁 exp − 
𝑄𝑙
𝑘. 𝑇
 
 
Onde: N = número total de sítios ativos  𝑁 = 
𝑁𝐴𝜌
𝐴
 
 Ql = Energia necessária para formação de uma lacuna. 
 T = temperatura absoluta em Kelvin 
 K = Constante dos gases (de Boltzmann) = 1,38 x 10−23
𝐽
á𝑡𝑜𝑚𝑜
. 𝐾 
 
 
O número de lacunas aumenta com a temperatura. 
Número Avogadro: 6,022 x 
1023 á𝑡𝑜𝑚𝑜𝑠/𝑚𝑜𝑙 
Massa Específica 
Peso Atômico 
Para a maioria do metais, a fração Nl/N em uma 
temperatura imediatamente inferior á temperatura 
de fusão é da ordem de 10−4 - a cada 10.000 
sítios da rede encontra-se vazio. 
AUTOINTERSTICIAL: é uma átomo do cristal que se 
encontra comprimido em um sítio intersticial, que é um 
pequeno espaço vazio que sob circunstâncias normais 
não estaria ocupado. 
Nos metais, um autointersticial introduz 
distorções relativamente grandes em sua 
vizinhança na rede cristalina, pois o átomo é 
substancialmente maior que a posição onde ele 
está localizado. 
IMPUREZAS NOS SÓLIDOS 
Um metal puro formado apenas por um tipo de 
átomo é simplesmente impossível: impurezas ou 
átomos diferentes estarão sempre presentes e 
alguns existirão como DEFEITOS PONTUAIS nos 
cristais. 
 
Mesmo com técnicas relativamente sofisticadas é 
difícil refinar metais até uma pureza superior a 
99,9999%. Neste nível, da ordem de 1022 𝑎 1023 
átomos de impurezas estarão presentes em cada 
m³ do material. 
A maioria dos metais mais familiares não são 
altamente puros; ao invés disso são LIGAS, em 
que intencionalmente foram adicionados átomos 
de impurezas para conferir características 
específicas ao material. 
 
Ex: aumentar resistência mecânica e a resistência 
à corrosão. 
Liga 92,5% de prata e 7,5% de cobre. A prata pura 
é altamente resistente à corrosão, mas também é 
muito macia – a formação de uma liga como 
cobre aumenta significativamente a resistência 
mecânica. 
A adição de átomos de impurezas a um metal resultará 
na formação de uma SOLUÇÃO SÓLIDA e/ou de uma 
nova segunda fase, dependendo dos tipos de impurezas, 
das suas concentrações e da temperatura da liga. 
 
Solução Sólido 
 
 
Os átomos do soluto são adicionados ao material 
hospedeiro - a estrutura cristalina é mantida e 
nenhuma estrutura nova é formada – a composição se 
mantém “homogênea” – os átomos de impurezas estão 
distribuídos aleatoriamente e uniformemente no sólido. 
Soluto – elemento ou composto em 
MENOR concentração; 
Solvente – elemento ou composto em 
MAIOR quantidade - hospedeiro; 
Os DEFEITOS PONTUAIS, devido à presença de impurezas, 
são encontrados nas soluções sólidas podendo ser de dois 
tipos: SUBSTITUCIONAL e INTERSTICIAL. 
Nos defeitos SUBSTITUCIOANAIS, os 
átomos de soluto ou átomos de 
impurezas repõem ou substituem os 
átomos hospedeiros. 
 
Várias características dos átomos do 
soluto e do solvente determinam o 
grau no qual os primeiros se dissolvem 
nos segundos: 
Distorções significativas na rede e uma nova fase se 
formará. 
Um exemplo de solução sólida substitucional é 
encontrado para o cobre e o níquel. Esses dois 
elementos são completamente solúveis um no outro, em 
todas as proporções. Em relação as regras mencionadas 
que governam o grau de solubilidade: 
 
Raios Atômicos: Cobre – 0,128 nm 
 Níquel – 0,125 nm 
Estrutura: ambos possuem estrutura cristalina CFC; 
Eletronegatividade: Cobre – 1,9 
 Níquel – 1,8 
Valências: Cobre: mais comum +1 (algumas vezes +2) 
 Níquel: +2 
Nas soluções sólidas INSTERTICIAIS, os átomos de 
impureza preenchem espaços vazios ou interstícios entre 
os átomos hospedeiros. 
 
 
 
 
 
Para os materiais metálicos que possuem fatores de 
empacotamento atômico relativamente elevados, essas 
posições intersticiais são relativamente pequenas. 
O diâmetro atômico de uma impureza intersticial deve 
ser substancialmente menor que aquele dos átomos 
hospedeiros. 
Mesmo os átomos de impurezas muito pequenos são 
normalmente maiores que os sítios intersticiais e, em 
consequência, eles introduzem algumas deformações 
na rede dos átomos de impurezas. 
O carbono forma uma solução sólida intersticial quando 
adicionado ao ferro; a concentração máxima de carbono é de 
aproximadamente 2%. O raio atômico do átomo de carbono émuito menor que a do ferro: 0,071 nm contra 0,124 nm. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Também são possíveis soluções sólidos para os materiais 
cerâmicos. 
DEFEITOS LINEARES - DISCORDÂNCIAS 
Definição - Defeito em uma dimensão ao redor do qual 
alguns átomos encontram-se desalinhados. São 
imperfeições da rede que ocorrem ao longo de uma 
linha. As discordâncias são defeitos lineares. 
As discordâncias deformam localmente a rede, criando 
tensões locais compressivas e trativas. 
 
Classificação: 
• Discordância em aresta ou em cunha 
• Discordância em espiral ou em hélice 
• Discordância combinada ou mista 
Nos sólidos cristalinos, os defeitos lineares ou 
discordâncias são defeitos que originam uma distorção da 
rede centrada em torno de uma linha. As discordâncias são 
originadas durante a solidificação dos sólidos cristalinos. 
Podem também ser originadas por deformação plástica, ou 
permanente, de sólidos cristalinos, por condensação de 
lacunas e por desajustamentos atômicos em soluções 
sólidas. 
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 
Toda a teoria de deformação e endurecimento de metais é 
fundamentada na movimentação de discordâncias. 
DISCORDÂNCIAS EM CUNHA OU ARESTA 
 
A discordância em cunha pode ser compreendida como 
um semiplano de átomos introduzido entre planos 
cristalinos regulares. 
O "tê" invertido. , indica uma discordância cunha 
positiva. O deslocamento dos átomos em torno da 
discordância é designado por vetor de escorregamento ou 
vetor de Burgers b e é perpendicular à linha da 
discordância cunha. 
As discordâncias são defeitos de não-equilíbrio e 
armazenam energia na região distorcida da rede cristalina, 
em torno da discordância. Dentro da região em torno da 
linha da discordância existe uma distorção localizada da 
rede cristalina. Os átomos acima da linha da discordâncias 
são comprimidos uns contra os outros, enquanto que os 
abaixo da mesma linha são tracionados um para longe do 
outro: 
Energia de discordância. Regiões 
sob compressão (escura) e sob 
tração (clara) em torno do defeito. 
DISCORDÂNCIAS EM ESPIRAL OU EM HÉLICE 
 
Uma discordância em hélice (espiral) pode ser formada num 
cristal perfeito aplicando tensões de corte, para cima e para 
baixo, em regiões do cristal perfeito que foram separadas por 
um plano de corte. A discordância em hélice pode ser 
imaginada como sendo o resultado da aplicação de uma 
tensão de cisalhamento. O vetor de Burgues é paralelo a linha 
de discordância A-B. 
DISCORDÂNCIAS MISTAS 
 
A maioria das discordâncias encontradas nos materiais 
cristalinos provavelmente não são nem puramente aresta 
nem puramente espiral, mas exibirão componentes de 
ambos os tipos. 
Finalmente a Figura a seguir ilustra como uma discordância se 
move através do cristal, sob a aplicação de uma tensão de 
cisalhamento. 
 A contínua aplicação da tensão levará à movimentação da 
discordância em etapas repetidas. O resultado final é que o 
cristal é cisalhado no plano de escorregamento de uma 
distância atômica. 
Defeitos Planares / Interfaciais / 
Superficiais 
São contornos bidimensionais que separam duas 
que possuem diferentes estruturas cristalinas 
e/ou orientações cristalográficas. Os principais 
defeitos são: 
 
•superfícies externas; 
•contorno de grão; 
•contornos de macla. 
Superfícies Externas 
Um dos contornos mais óbvios é a superfície externa, 
ao longo do qual termina a estrutura do cristal. 
Átomos da superfície: 
•Apresentam ligações químicas insatisfeitas - Não 
estão ligados ao número máximo de vizinhos 
próximos; 
•Estado de energia mais elevado que os átomos do 
núcleo; 
•A redução desta energia adicional (tudo tende a 
menor energia) é obtida pela redução da área 
superficial. 
Contornos de Grão 
Os contornos de grão são defeitos 
interfaciais, em materiais policristalinos, que 
separam grãos (cristais) com diferentes 
orientações. Nos materiais metálicos, os 
limites de grão formam-se durante a 
solidificação, quando os cristais, gerados a 
partir de diferentes núcleos, crescem 
simultaneamente e se encontram. A forma 
dos contornos de grão é determinada pelas 
restrições impostas pelo crescimento dos 
grãos vizinhos. 
São superfícies que separam dois grãos ou cristais com 
diferentes orientações. 
•Ângulo de desalinhamento é pequena: sub-grão 
•Ângulo de desalinhamento grande: contorno de grão 
Assim como na superfície os contornos de grãos não 
estão ligados com o número máximo de átomos, 
possuindo mais energia. Essa energia provoca os 
seguintes fenômenos: 
•Mais reativos quimicamente 
•Crescimento dos grãos em altas temperaturas 
•Acumulo de impurezas. 
 
Tamanho do Grão - ASTM 
Contornos de Maclas 
Podemos considerar as maclas como um tipo especial 
de contorno de grão no qual existe uma simetria 
especular, ou seja, os átomos de um lado do contorno 
estão localizados em uma posição que é a posição 
refletida do outro lado. A região de material entre os 
contornos é chamada macla. 
As maclas são resultantes de deslocamentos atômicos 
produzidos por tensões de cisalhamento (maclas de 
deformação) ou durante tratamento térmico (maclas 
de recozimento). 
DEFEITOS VOLUMÉTRICOS