Ciência dos Materiais - Imperfeicoes de solidos

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1º SEMESTRE 2014
“Podeis enganar toda a gente durante um certo tempo; podeis mesmo enganar algumas pessoas todo o tempo; mas não vos será possível enganar sempre toda a gente.”
Abraham Lincoln
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Prof. Ruy Ernesto Nóbrega Schwantes
IMPERFEIÇÕES EM 
SÓLIDOS CRISTALINOS
Livro texto:
Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 
Willian D Callister Jr, (sétima edição); LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. Capítulo 4 (págs 59 a 80)
Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 
Willian D Callister Jr e David G Rethwisch, (oitava edição); Gen LTC
Capítulo 4(págs 77 a 103)
Livros de apoio:
Princípios de Ciência dos Materiais; Lawrence H Van Vlack; Editora Edgard Blücher
Capítulo 4 (págs 85 a 91)
Ciência dos Materiais; James F. Shakelford; Pearson Prentice Hall
Capítulo 4 (págs 80 a 102)
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O defeito cristalino é uma irregularidade na rede cristalina
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Defeitos auto-intersticiais são raros pois alteram em muito a rede cristalina vizinha.
Lacunas existem com razoável frequência. Em metais próximos da temperatura de fusão um sítio em cerca de 10000 sítios estará vazio.
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Os metais mais familiares não são puros são ligas metálicas – Soluções sólidas
Solução é uma mistura homogênea.
exemplos de Ligas metálicas:
 a) Latão: 70%Cu e 30%Zn 
Solvente: Cobre Soluto: Zn
 b) Prata de Lei: 92,5% Prata 7,5% Cobre
Solvente: Prata Soluto: Cobre
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Como se forma uma solução sólida?
Os átomos do soluto são adicionados aos átomos da Rede cristalina. (material hospedeiro ou solvente)
Nas soluções sólidas os átomos de impureza repõem ou substituem os átomos do solvente
Defeitos Pontuais em soluções sólidas:
Substitucional
Intersticial
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Impurezas em sólidos
Substitucional
Átomo de impureza substitui o outro. 
Intersticial
Átomo de impureza entra no interstício da rede cristalina.
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Características dos átomos do soluto e do solvente que determinam o grau de dissolução (regras de Hume-Rothery):
Raio atômico: diferença de no máximo +ou- 15%
Estruturas cristalinas iguais
Eletronegatividades próximas (capacidade de atrair um elétron)
Valências – preferência a dissolver átomos de mesma valência
Cobre e Níquel – liga substitucional
Ferro e Carbono – liga intersticial
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 raio eletroneg. Est.Crist. valência 
Cu 0, 128 Aº 1,9 CFC 2+(1+)
Ni 0,125 Aº 1,8 CFC 2+
Zn 0,133 Aº 1,7 CFC 2+
Cu e Ni liga substitucional (solúvel 100% de substituição um no outro)
(raios com diferença de 2,4% eletronegatividade próxima, mesma estrutura cristalina e mesma valência por isso formam solução) 
Cu e Zn liga substitucional (solúvel 40% de substituição do Zn na rede cristalina de Cu).
(raios com diferença de 3,7% eletronegatividade pouco mais distante, mesma estrutura cristalina e mesma valência por isso formam solução) 
Para que haja substituição de concentração elevada os átomos devem estar de acordo com as regras de Hume Rothery
 
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 raio eletroneg. Est.Crist. valência 
Fe 0,124 Aº 1,8 CCC 3+
C 0,071 A º 2,5 HC 4-
Ferro e Carbono – liga intersticial ( pouco solúvel, concentração máxima 2,11% de C)
A solubilidade do carbono no retículo cristalino do Fe CCC (FEA 68%) é pequena, interstícios pequenos da célula.
 
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Solução sólida intersticial do átomo de carbono no Fe 
CFC (FEA=74%) e CCC (FEA=68%)
O Carbono é mais solúvel no ferro CFC apesar do FEA ser maior (maior espaço ocupado por átomos na célula unitária) porque os interstícios desocupados no interior da célula unitária são em menor número mas são maiores no Fe CFC. 
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Porcentagem em peso (% massa) 
Porcentagem atômica (% átomos- mol) 
 Exemplo porcentagem em peso :
 Liga metálica de 97% de Al e 3% de cobre. Qual é a massa de Al e Cu em 200g dessa liga?
Al= 27 200g 100% 200g 100%
Cu= 63,5 X 97% X 3%
 A Massa é de: Al= 194g Cu= 6g
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 Qual a porcentagem atômica (% mol) dessa liga:
Conhecendo as massas atômicas: Al= 27 Cu= 63,5 
1mol de Al 27 g 1mol de Cu 63,5g
 X 194 g Y 6 g
 X= 7,18 mols de Al Y = 0,09 mols de Cu
X+Y= 7,27 mols
 7,27 mols 100% 7,27 mols 100%
 7,18 mols X 0,09 mols X
 98,7% de átomos de Al 1,3% de átomos de Cu
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Quantos átomos de Cu e de Zn contem essa mesma liga? 
X = 2,20 mol de Cobre Y = 0,91 mol de zinco
Dado: constante de Avogadro = 6,02 X 1023
 
1mol 6,02.10 23 1 mol 6,02.10 23
 2,20mol X 0,91 mol Y
 X = 1,32.10 24 átomos Y = 5,47.10 23 átomos
 de cobre de zinco
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Irregularidade segue uma linha no cristal
 – Átomos desalinhados
Discordância Aresta
Discordância Espiral
Discordância Mista 
Estão associados normalmente a deformação mecânica
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Discordância Aresta:
É uma camada de partículas que não tem continuidade dentro do cristal
Origem do deslocamento
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Discordância Espiral
 Deslocamento atômico que pode ser causado por uma força cisalhante 
 
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→
↓
Discordâncias Mistas:
São as mais comuns 
São um misto das discordâncias de aresta e espiral
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Contornos que possuem duas dimensões
Superfícies externas
Contornos de grão
Contornos de macla (ou contorno gêmeo)
Falhas de empilhamento
Contornos de fases 
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Superfícies externas: contorno ao longo do qual termina a estrutura do cristal.
Em superfícies externas os átomos não estão ligados ao número máximo de vizinhos mais próximos, essa falta de ligações dá origem a uma energia de superfície (J/m2).
Para reduzir energia de superfície, os materiais tendem a minimizar, se possível, a área total da superfície.
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Contornos de grão
Em cristais policristalinos, dois grãos podem ter diferentes orientações cristalográficas 
Os átomos estão ligados de maneira menos regular 
Contorno de grão de baixo ângulo
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Contornos de grão X Discordância Aresta
Um contorno de grão resulta num alinhamento de discordâncias de aresta
Contornos de grão
Existe uma energia interfacial entre grãos
Os contornos dos grãos são mais reativos que os grãos
Energia interfacial é menor quando os grãos são grandes
Grãos tendem a crescer em temperaturas elevadas
A densidade de um material policristalino é praticamente igual a de um monocristal
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Contornos de Macla (também chamado de contorno gêmeo)
É o mesmo que o contorno de grão mas com uma condição específica: Existe uma simetria específica (em espelho) da rede cristalina
Maclas de deformação:produzidas por forças mecânicas
(Metais CCC e HC)
Maclas de recozimento:
Produzidas por tratamento 
Térmico. (metais CFC)
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Defeitos interfaciais diversos
Falhas no empilhamento (encontrados em metais CFC quando ocorre interrupção no empilhamento ABCABCABC...
Contornos de fase, existem nos materiais multifásicos (mudanças repentinas nas características físicas e/ou químicas)
Parede de domínio (para materiais ferromagnéticos e ferrimagnéticos) que possuem diferentes regiões magnéticas
Existe uma energia interfacial associada a cada um dos defeitos. A magnitude desta energia depende do material e do tipo de contorno
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Normalmente maiores que os discutidos até
agora.
Exemplos:
Poros
Trincas
Inclusões exógenas
Outras fases
Sólidos não-cristalinos
Esses defeitos podem ser produzidos durante processamento e fabricação
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Muitos dos defeitos dos materiais
possuem dimensões microscópicas
e sua observação só é possível com o auxilio de microscópicos ópticos ou elétricos, geralmente em conjunto com equipamentos fotográficos.
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O tamanho do grão de materiais policristalinos é determinado frequentemente através de técnicas fotomicrográficas.
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FAZER EXERCÍCIOS
Lista 5