Cap.2 Imperfeições em Sólidos

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Chapter 4 - 1 
Centro Universitário Una 
Engenharia Mecânica 
 
 
 
Capítulo 2: 
Imperfeições nos Sólidos 
 
 
 
 
 
Disciplina: Ciência e Tecnologia dos Materiais 
 
Chapter 4 - 2 
MET de alta resolução que mostra os defeitos de 
superfície em monocristais de uma material usado 
em conversores catalíticos. 
Monolito cerâmico sobre o qual o substrato catalítico metálico é 
depositado. 
Diagrama esquemático de um conversor catalítico. 
Diagrama esquemático mostrando a localização do 
conversor catalítico no sistema de exaustão de um 
automóvel. 
Chapter 4 - 3 
• Solidificação - resulta da moldagem do material fundido. 
– Duas etapas 
• Formação de núcleos. 
• Crescimento dos núcleos para formação dos cristais- estrutura de grãos. 
• Inicia com o material fundido – completamente líquido 
Imperfeições nos Sólidos 
Adapted from Fig.4.14 (b), Callister 7e. 
• Os cristais crescem até se encontrarem. 
núcleos Crescimento dos 
 cristais 
Estrutura de grãos 
líquido 
Chapter 4 - 4 
Materiais Policristalinos 
Contorno de Grão 
• Regiões entre os cristais. 
• Transição da rede de uma 
região para outra. 
• Ligeiramente desordenado. 
• Baixa densidade nos 
contornos de grãos. 
– Alta mobilidade, difusividade 
e alta reatividade química. 
Adapted from Fig. 4.7, Callister 7e. 
Chapter 4 - 5 
Solidificação 
Columnar in 
area with less 
undercooling 
Shell of 
equiaxed grains 
due to rapid 
cooling (greater 
T) near wall 
Refinador de grão - adicionado para formar grãos menores, mais uniformes e 
equiaxiais. 
heat 
flow 
Os grãos podem ser: 
- Equiaxiais (~ o mesmo tamanho em todas as direções). 
- Colunares (grãos alongados). 
 
 
Adapted from Fig. 4.12, Callister 7e. 
~ 8 cm 
Fluxo 
de calor 
Chapter 4 - 6 
Imperfeições em Sólidos 
O sólido ideal não existe, todos os materiais contêm grandes 
números de uma variedade de defeitos ou imperfeições. 
 
• A maioria das propriedades dos materiais são influenciadas 
pela presença de imperfeições. 
 
• Os defeitos exercem um papel importante na difusão, 
transformação de fase e deformação dos materiais. 
 
• Existem em todos os metais puros e ligas, monofásicos e 
polifásicos, brutos ou processados. 
 
Por defeito cristalino designamos uma irregularidade na rede cristalina 
com uma ou mais das suas dimensões na ordem do diâmetro atômico. 
Chapter 4 - 7 
• Lacunas e Autointersticiais 
• Átomo intersticial (impureza) 
• Átomo substitucional (impureza) 
Defeitos pontuais 
Tipos de Imperfeições 
• Discordâncias aresta 
• Discordâncias espiral 
• Discordância mista 
 
 
 
Defeitos lineares 
• Superfícies externas 
• Contorno de fases 
• Falhas de empilhamento 
• Contorno de grão 
• Contorno de macla ou twin 
Defeitos interfaciais 
Chapter 4 - 8 
• Lacunas ou Vacâncias: 
- sítios atômicos vagos na estrutura. 
• Autointersticial: 
- átomo do cristal que se encontra comprimido no interior de um 
sítio intersticial, um pequeno espaço vazio que normalmente não 
é ocupado. 
Defeitos Pontuais 
Vacância 
 (vazio) 
distorção 
do plano 
Auto- 
intersticial 
distorção 
do plano 
São formados durante a 
solidificação do cristal e 
processamento 
dos materiais - resultado do 
deslocamento dos átomos 
de suas posições normais 
(vibrações) 
Chapter 4 - 9 
• Todos os sólidos cristalinos contêm lacunas e, na realidade, 
não é possível criar um material que esteja livre desse tipo 
de defeito. 
 
• A formação do defeito autointersticial, não é muito provável e 
ele existe somente em concentrações muito reduzidas, que 
são significativamente menores que 
as exibidas pelas lacunas. 
Defeitos Pontuais 
Chapter 4 - 10 
Constante de Boltzmann 
(1,38 x 10 -23 J/átomo.K) 
(8,62 x 10 -5 eV/átomo.K) 
  N v 
N 
= exp 
- Q v 
k T 
 
 
 
 
 
 
Nº de lacunas 
em equilíbrio 
Nº total de 
sítios atômicos 
Energia necessária para 
formação de uma lacuna 
Temperatura absoluta 
em kelvin 
Cada sítio da rede 
é um sítio potencial 
para formação da 
lacuna. 
• O número de lacunas em equilíbrio varia com a temperatura! 
Número de Vazios em Equilíbrio 
Defeitos Pontuais 
Para a maioria dos metais, a fração de lacunas Nv/N em uma T 
imediatamente < à sua T.F. é da ordem de 10-4; ou seja, um sítio 
em cada 10.000 sítios da rede encontar-se vazio. 
Chapter 4 - 11 
• Podemos obter Qv a partir 
 de um experimento. 
  N v 
N 
= exp 
- Q v 
k T 
 
 
 
 
 
 
Medindo a Energia de Ativação 
N v 
N 
T 
exponencial 
dependência 
Concentração de defeitos 
(fração de lacunas) 
1/ T 
N 
N v 
ln 
- Q v /k 
inclinação 
A partir de um gráfico experimental 
de ln Nv/N versus 1/T é possível 
determinar a energia de ativação. 
Chapter 4 - 12 
• Calcule o nº de lacunas em equilíbrio por m3 de Cobre a uma 
temperatura de 1000C. 
• Dados: 
A Cu = 63,5 g/mol r = 8,4 g / cm 
3 
Q v = 0,9 eV/átomo N A = 6,02 x 10
23 átomos/mol 
Estimativa da Concentração de Lacunas 
Para 1 m3 , N = 
N A 
A Cu 
r x x 1 m3 = 8,0 x 1028 átomos/m3 
8,62 x 10-5 eV/átomo-K 
0,9 eV/átomo 
1273K 
  N v 
N 
= exp 
- Q v 
k T 
 
 
 
 
 
 = 2,7 x 10-4 
 
• Resposta: 
N v = (2,7 x 10
-4)(8,0 x 1028) sítios = 2,2 x 1025 lacunas/m3 
1m3 = 106 cm3 
Chapter 4 - 13 
Dois resultados de impurezas (B) adicionados ao hospedeiro (A): 
• Solução sólida de B em A (ex., distribuição aleatória de defeitos pontuais) 
• Solução sólida de B em A mais partículas de uma nova fase 
 (usualmente para grandes quantidades de B) 
Nova segunda fase de partículas 
--composição diferente. 
--normalmente estruturas diferentes. 
Defeitos Pontuais em Ligas 
OU 
Solução sólida 
Substitucional 
(ex., Cu em Ni) 
Solução sólida 
Intersticial 
(ex., C em Fe) 
Os átomos do 
soluto ou átomos 
de impurezas 
tomam o lugar 
dos átomos 
hospedeiros ou 
os substituem. 
 
Os átomos de 
impureza 
preenchem os 
espaços vazios 
ou interstícios 
que exitem entre 
os átomos 
hospedeiros. 
Chapter 4 - 14 
Imperfeições em Sólidos 
Fatores que influenciam na formação de solução sólida 
substitucionais: 
• Regra de Hume-Rothery 
 
- 1. Fator do tamanho atômico: diferença de raio atômico dos dois tipos de 
átomos deve ser menor que aproximadamente 15%. 
De outra forma, os átomos podem promover distorções na rede e assim formação 
de nova fase. 
- 2. Estrutura cristalina: ter a mesma estrutura cristalina, para que a solubilidade 
sólida seja apreciável. 
- 3. Eletronegatividade: eletronegatividades próximas. 
Maior diferença de eletronegatividade dos átomos maior tendência de formar 
compostos intermetálicos. 
- 4. Valências: Mesma ou maior valência que o hospedeiro. 
Sendo iguais os demais fatores, um metal terá maior tendência de dissolver um 
outro metal de maior valência do que um de menor valência. 
Chapter 4 - 15 
Imperfeições em Sólidos 
Aplicação da regra de Hume–Rothery – Soluções 
sólidas 
 
1. Quem dissolveria 
 mais no Zn, o Al 
 ou a Ag? 
 
2. Mais Zn ou Al 
 no Cu? 
Table on p. 106, Callister 7e. 
 Elemento Raio Estrutura Eletrone- Valência 
 atômico cristalina gativi- 
 (nm) dade 
 Cu 0.1278 CFC 1.9 +2 
 C 0.071 
 H 0.046 
 O 0.060 
 Ag 0.1445 CFC 1.9 +1 
 Al 0.1431 CFC 1.5 +3 
 Co 0.1253HC 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 HC 1.6 +2 
R = soluto - solvente 
solvente 
x100 
Chapter 4 - 16 
Imperfeições em Sólidos 
• Especificação da composição 
 
- Porcentagem em peso (%p) 
 
 
 
100x 
21
1
1
mm
m
C

=
m1 e m2 = massa dos elementos 1 e 2 
100x 
21
1'
1
mm
m
nn
n
C

=
nm1 = número de moles do componente 1 
- Porcentagem atômica (%a) 
 
Chapter 4 - 17 
• são defeitos lineares em torno do qual alguns átomos estão 
desalinhados. 
• escorregamento entre os planos cristalinos resulta quando se 
move as discordâncias. 
• produz uma deformação permanente (plástica). 
Discordâncias: 
Esquema do zinco (HC): 
• antes da deformação 
• após ensaio de tração 
escorregamentos 
Defeitos Lineares 
Adapted from Fig. 7.8, Callister 7e. 
Estão associadas com a cristalização do material, deformação plástica (maior ocorrência) e 
como consequência das tensões térmicas resultantes de um resfriamento rápido, podendo ser 
uma linha adicional ou a ausência de uma linha de átomos. 
Chapter 4 - 18 
Imperfeições em Sólidos 
Defeitos lineares (Discordâncias) 
 
• Discordância aresta, linha ou cunha (): 
- Defeito associado com a distorção produzida no reticulado 
cristalino pela presença de um semi-plano extra de átomos. 
- Vetor de Burgers (b) são perpendiculares para este tipo de defeito. 
 
• Discordância espiral ou hélice: 
- Defeito associado com a distorção criada no reticulado 
cristalino em consequência da tensão cisalhante 
que é aplicada para produzir a distorção mostrada. 
- Vetor de Burgers (b) são paralelos. 
Vetor de Burgers (b): expressa a magnitude e 
a direção da distorção da rede cristalina 
Chapter 4 - 19 
Imperfeições em Sólidos 
Fig. 4.3, Callister 7e. 
Discordância aresta 
 
- Envolve um plano extra de átomos. 
 
- O vetor de Burges é perpendicular 
a direção da linha de discordâncias. 
 
- Envolve zonas de compressão e 
tração. 
Chapter 4 - 20 
Imperfeições em Sólidos 
Screw Dislocation 
Adapted from Fig. 4.4, Callister 7e. 
Vetor de Burgers b 
Paralelo à direção da 
linha de discordância 
Linha de 
discordância 
b 
(a) 
(b) 
Discordância espiral: produz 
distorções na rede. 
Linha AB → linha da discordância 
- posição dos átomos acima do plano 
de escorregamento → círculos abertos 
- abaixo → círculos fechados 
Monocristal de SiC - Linhas escuras: 
degraus de escorregamento superficiais 
Chapter 4 - 21 
Aresta, Espiral, e Discordâncias Mistas 
Adapted from Fig. 4.5, Callister 7e. 
aresta 
espiral 
Mistas 
A → discordância pura espiral 
B → discordância pura aresta 
entre A e B → discordância mista 
A 
A maioria das discordâncias encontradas nos materiais cristalinos não são 
puramente aresta nem puramente espiral. 
Chapter 4 - 22 
Imperfeições em Sólidos 
As discordâncias são visíveis na micrografia eletrônica de 
transmissão (MET – 51.450x) de uma liga de titânio. 
Adapted from Fig. 4.6, Callister 7e. 
As linhas escuras são 
as discordâncias. 
Chapter 4 - 23 
Discordâncias e Estruturas Cristalinas 
• Estrutura: são preferidos 
direções e planos 
empacotados. 
Vista de dois planos 
empacotados. 
plano empacotado (de baixo) plano empacotado (de cima) 
direções empacotadas 
• Comparação entre estruturas cristalinas 
 CFC: muitos planos e direção empacotadas; 
 HC: somente um plano, e três direções; 
 CCC: nenhum 
• Amostras usadas 
em teste de tração 
Mg (HC) 
Al (CFC) 
direção de tensão 
Planos de 
escorregamento 
preferencial 
Chapter 4 - 24 
Defeitos Interfaciais 
• “Defeitos Interfaciais” são contornos que possuem duas 
dimensões e que normalmente separam regiões dos materiais 
que possuem estruturas cristalinas e/ou orientações 
cristalográficas diferentes. 
 
• Essas imperfeições incluem: 
 
- Superfícies externas 
- Contorno de fases: existem em materiais com múltiplas fases, através dos 
quais há uma mudança repentina nas características físicas e/ou químicas. 
- Falhas de empilhamento 
- Contornos de grão 
- Contornos de macla ou twin 
 
 
 
 
Chapter 4 - 25 
Defeitos Interfaciais em Sólidos 
• Superfícies externas: é o tipo 
mais óbvio, ao longo do qual 
termina a estrutura do cristal. 
• Os átomos da superfície não 
estão ligados ao nº máximo 
de vizinhos mais próximos, 
isso implica num estado 
energético maior que no 
interior do cristal. 
 
 
 
 
 
 
 
• Falha de empilhamento: 
encontradas em metais CFC 
quando existe uma interrupção 
na seqüência de empilhamento 
ABCABCABC... 
 
 
 
 
 
 
 
Chapter 4 - 26 
Defeitos Interfaciais em Sólidos 
Contornos de grãos 
 
• Materiais policristalinos são formados por monocristais com 
diferentes orientações cristalográficas. 
 
• A fronteira entre os monocristais é uma “parede”, que corresponde 
a um defeito bidimensional. 
 
• Este defeito refere-se ao contorno que separa dois pequenos 
grãos (ou cristais), com diferentes orientações cristalográficas, 
presentes num material policristalino. 
 
• No interior do grão todos os átomos estão arranjados segundo um 
“único modelo” e “única orientação”, caracterizada pela célula unitária. 
 
 
 
 
 
 
 
Chapter 4 - 27 
Defeitos Interfaciais em Sólidos 
Características: 
- Empacotamento menos eficiente. 
- Energia mais elevada. 
- Favorece a nucleação de novas fases (segregação). 
- Favorece a difusão. 
Um contorno de grão de baixo ângulo é 
formado quando discordâncias aresta são 
alinhadas de maneira mostrada ao lado. 
Esse contorno é chamado de contorno de 
inclinação. 
Chapter 4 - 28 
Defeitos Interfaciais em Sólidos 
Contornos de Macla 
• Este tipo de contorno, também denominado de “Twins” (cristais gêmeos), 
é um tipo especial de contorno de grão, onde existe uma simetria em 
“espelho” da rede cristalina. 
 
• Os átomos de um lado do contorno são “imagens” dos átomos do outro 
lado do contorno. 
 
 
 
 
 
 
Adapted from Fig. 4.9, Callister 7e. 
As maclas resultam de deslocamentos atômicos produzidos a partir: 
-forças mecânicas de cisalhamento (maclas de deformação). 
-tratamentos térmicos de recozimento após deformação (maclas de recozimento). 
 
Chapter 4 - 29 
Defeitos Volumétricos ou de Massa 
• Defeitos introduzidos durante o processamento do material e/ou 
fabricação do componente. 
 
• Tipos de defeitos volumétricos: 
 
- Inclusões: presença de impurezas estranhas. 
- Precipitados: aglomerados de partículas com composição diferente da matriz 
(hospedeiro). 
- Porosidade: origina-se devido a presença de gases, durante o processamento do 
material. 
- Fases: ocorre quando o limite de solubilidade é ultrapassado. 
- Estrias segregacionais: presente principalmente em materiais semicondutores 
dopados. 
 
 
 
Chapter 4 - 30 
Defeitos Volumétricos ou de Massa 
Inclusões 
 
 
 
 
 
Precipitados 
 
 
 
 
 
 
 
 
Inclusões de óxido de cobre (Cu2O) em cobre de 
alta pureza (99,26%), laminado a frio e recozido a 
800ºC. 
Precipitados em matriz metálica de Alumínio AA 
3104 utilizada para a fabricação de latas. 
Chapter 4 - 31 
Defeitos Volumétricos ou de Massa 
Porosidade 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Exemplo: compactado de pó de ferro, 
compactação uniaxial em matriz de duplo 
efeito, a 550 MPa. 
Exemplo:compactado de pó de ferro após 
sinterização a 1150ºC, por 120min em 
atmosfera de hidrogênio. 
Chapter 4 - 32 
Defeitos Volumétricos ou de Massa 
Segunda fase 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Micro-estrutura 
composta por veios de 
grafita sobre uma matriz 
perlítica. 
Grão de perlita: é constituído por 
lamelas alternadas de duas fases: 
ferrita (ou ferro-α) e cementita (ou 
carboneto de ferro). 
Chapter 4 - 33 
Exame Microscópico 
• Cristalitos (grãos) e contorno de grão. Variam 
consideravelmente de tamanho. Podem ser bastante 
grandes. 
– ex: Um único cristal de quartzo, ou diamante, ou Si. 
– ex: Postes de iluminação feitos em Al e latões de lixo – 
grãos evidentes a olho nu. 
 
• Cristalitos (grãos) podem ser bastante reduzidos 
(mm ou menor) – é necessário observação com um 
microscópio. 
 
Chapter 4 - 34 
• Ampliações de até 2000x. 
• Lixamento e polimento das amostras até atingir acabamento liso e 
espelhado. 
• Revelação da microestrutura por ataque químico. 
Micrografia de uma 
amostra policristalina 
Latão (liga de Cu-Zn) 
0,75mm 
Microscopia Ótica 
Adapted from Fig. 4.13(b) and (c), Callister 
7e. (Fig. 4.13(c) is courtesy 
of J.E. Burke, General Electric Co. 
Planos cristalográficos 
A luz que incide em uma 
direção normal à superfície do 
grão é refletida por três grãos 
diferentes que tiveram as suas 
superfícies submetidas a 
ataque químico, onde cada 
grão possui uma orientação 
diferente. 
Grãos polidos e atacados quimicamente 
de forma como podem aparecer quando 
vistos ao MO. 
Chapter 4 - 35 
Limite de grão... 
• são imperfeições; 
• são mais susceptíveis ao 
ataque; 
• podem ser revelados como 
linhas escuras; 
• muda a orientação cristalina 
através do contorno. 
Adapted from Fig. 4.14(a) 
and (b), Callister 7e. 
(Fig. 4.14(b) is courtesy 
of L.C. Smith and C. Brady, 
the National Bureau of 
Standards, Washington, DC 
[now the National Institute of 
Standards and Technology, 
Gaithersburg, MD].) 
Microscopia Ótica 
Número do 
tamanho de grão 
(ASTM) 
N = 2 n -1 
Número médio de grãos/in2 
a uma ampliação de 100x 
Liga Fe-Cr 
(b) 
Limite de grão 
Superfície do sulco 
 superfície polida 
(a) 
Chapter 4 - 
 Um número de tamanho de grão elevado indica muitos grãos e pequenos grãos, 
o contrário ocorre para um nº de tamanho de grão pequeno. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
36 
Determinação do Tamanho de Grão