Imperfeições e discordâncias nos sólidos

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Imperfeições nos sólidos
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O sólido perfeito não existe: todos os materiais contém grandes números de uma variedade de defeitos ou imperfeições
Defeito cristalino: irregularidade na rede cristalina com uma ou mais das suas dimensões na ordem de um diâmetro atômico
Classificação dos defeitos
 pontuais (associados a uma ou duas posições atômicas);
 lineares (unidimensionais);
 interfaciais ou contornos (bidimensionais) 
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O processo de dopagem em semicondutores visa criar imperfeições para mudar o tipo de condutividade em determinadas regiões do material;
A deformação mecânica dos materiais promove a formação de imperfeições que geram um aumento na resistência mecânica (processo conhecido como encruamento) 
Efeitos da presença de imperfeições (exemplos)
As propriedades dos materiais são sensíveis aos defeitos; nem sempre é de forma negativa, e características específicas podem ser elaboradas pela introdução controlada de defeitos particulares.
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Defeitos pontuais
Lacuna
É o defeito mais simples, onde um sítio que normalmente deveria estar ocupado, está com um átomo faltando.
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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São essenciais em processos de difusão
Quantidade aumenta com a temperatura
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O número de lacunas em equilíbrio Nv para uma dada quantidade de material depende da temperatura, de acordo com a equação:
Nº total de sítios atômicos
Energia necessária para a formação de uma lacuna
Constante de Boltzmann
Temperatura absoluta
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Auto intersticial
É um átomo do cristal que se encontra comprimido no interior de um sítio intersticial, um pequeno espaço vazio que sob circunstâncias ordinárias não é ocupado.
Em metais, produz distorções grandes na rede.
A formação desse defeito não é muito provável.
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Impurezas em sólidos
Ligas: átomos de impureza são adicionados intencionalmente para conferir características específicas ao material. Normalmente, para aumentar a resistência mecânica e resistência à corrosão.
 Um metal considerado puro sempre tem impurezas (átomos diferentes) presentes
 pureza 99,9999% = 1022-1023 átomos de impurezas por m
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A ADIÇÃO DE IMPUREZAS PODE FORMAR:
Soluções sólidas		 < limite de 							solubilidade
Segunda fase	 > limite de 							solubilidade
		A solubilidade depende :
Temperatura
Tipo de impureza
Concentração da impureza
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Soluções sólidas
À medida que os átomos do soluto são adicionados ao material hospedeiro, a estrutura cristalina é mantida e nenhuma nova estrutura é formada.
Os átomos de impurezas estão distribuídos aleatoriamente e uniformemente no interior do sólido.
Substitucional
Intersticial
Soluto – elemento em menor concentração
Solvente – elemento em maior concentração (átomos hospedeiros)
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Átomos substitucionais
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Características para a formação de uma solução sólida substitucional
 Fator do tamanho atômico: diferença entre os raios atômicos é menor do que aproximadamente ± 15%;
 Estrutura cristalina: as estruturas cristalinas devem ser as mesmas, para que a solubilidade seja apreciável;
 Eletronegatividade: quanto mais próximos os valores, maior a tendência a formar uma solução sólida substitucional;
 Sendo iguais todos os fatores acima, um metal terá uma maior tendência de dissolver um outro metal de maior valência do que um de menor valência.
Ex.: cobre e níquel 
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EXEMPLO DE SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTICIONAL
Cu + Ni		são solúveis em todas as 		proporções
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Átomos intersticiais
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Características para a formação de uma solução sólida intersticial
 O diâmetro atômico de uma impureza intersticial deve ser significativamente menor do que o diâmetro dos átomos hospedeiros;
 Concentração máxima de átomos de impureza inferior a 10%;
 Introduzem alguma deformação na rede cristalina sobre os átomos hospedeiros adjacentes;
 Como os materiais metálicos tem geralmente fator de empacotamento alto as posições intersticiais são relativamente pequenas.
Ex.: carbono e ferro
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Composição
A composição (ou concentração) de uma liga em termos dos seus elementos constituintes pode ser expressa das seguintes formas:
Porcentagem em peso (%p): é o peso de um elemento específico em relação ao peso total da liga
m1 : peso (ou massa) do elemento 1;
m2 : peso (ou massa) do elemento 2.
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Porcentagem atômica (%a): número de moles de um elemento em relação ao número total de moles de todos os elementos da liga.
Número de moles
massa (em g)
peso atômico
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Conversões entre composições
Conversão de porcentagem em peso para porcentagem atômica (e vice-versa) para uma liga com 2 elementos
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Conversão de porcentagem em peso para a massa de um componente por unidade de volume do material (%p para kg/m3)
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Determinação da massa específica e o peso atômico de uma liga binária, conhecendo a composição em termos da porcentagem em peso ou da porcentagem atômica
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Defeitos lineares - Discordâncias
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
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Discordância aresta
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Envolve um SEMI-plano extra de átomos
Envolve zonas de tração e compressão
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Discordância espiral
É formada por uma tensão cisalhante que é aplicada: a região anterior superior do cristal é deslocada uma distância atômica para a direita em relação à fração inferior.
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Discordâncias mistas: características de discordância aresta e espiral
Discordância mista
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Liga de titânio, linhas escuras são discordâncias, 51450 x.
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Discordância observada no MET
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Discordância observada no MET de alta resolução
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Defeitos interfaciais
São contornos que normalmente separam as regiões dos materiais que possuem diferentes estruturas cristalinas e/ou orientações cristalográficas.
Superfícies externas
Contornos de grão
Contornos de macla
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Superfícies externas
Os átomos da superfície estão em um estado de maior energia do que os átomos nas posições interiores (não estão ligados ao número máximo de vizinhos mais próximos)
Energia de superfície: energia por unidade de área (J/m2)
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Contornos de grão
O contorno que separa dois pequenos grãos ou cristais que possuem diferentes orientações cristalográficas em materiais policristalinos.
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Os átomos estão ligados de maneira menos regular ao longo de um contorno de grão.
Existe uma energia interfacial semelhante à energia de superfície.
Contornos de grão são quimicamente mais reativos do que os
grãos em si como uma consequência desta energia de contorno. 
Átomos de impureza tendem a se segregar preferencialmente ao longo destes contornos por causa do seu estado de maior energia. 
A energia interfacial total é menor em materiais com grãos grandes ou grosseiros do que em materiais de granulação fina, pois existe uma menor área de contorno total no primeiro.
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Contornos de macla
Os átomos em um dos lados do contorno estão localizados em posições de imagem em espelho dos átomos no outro lado do contorno; é um tipo especial de contorno de grão
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A região de material entre esses contornos é chamada macla e o plano cristalográfico de simetria entre as regiões deformada e não deformada é chamado plano de maclação. 
Maclas podem surgir a partir de tensões térmicas ou mecânicas.
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IMPERFEIÇÕES VOLUMÉTRICAS
São introduzidas no processamento do material e/ou na fabricação do componente
- Inclusões		Impurezas estranhas
- Fases		 forma-se
devido à presença de impurezas ou elementos de liga (ocorre quando o limite de solubilidade é ultrapassado)
- Porosidade		origina-se devido a presença ou formação de gases
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Microscopia
LINGOTE DE ALUMÍNIO POLICRISTALINO (grãos com dimensões macroscópicas)
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O exame microscópico é uma ferramenta imprescindível na caracterização de materiais, pois mostra a correlação entre a microestrutura e as propriedades.
Ex.:
Determinar o tipo de fratura;
Prever as propriedades mecânicas de ligas;
Verificar se uma liga foi submetida a um tratamento térmico de maneira adequada.
Microscopia
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Técnicas de Microscopia
Microscopia ótica
Utilizado para estudar a microestrutura
Os contrastes na imagem produzida resultam das diferenças na refletividade das várias regiões da microestrutura.
As superfícies devem ser:
 lixadas;
 polidas;
 atacadas quimicamente
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A reatividade química dos grãos depende da orientação cristalográfica;
O brilho ou textura de cada grão depende das suas propriedades de refletância
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Contornos de grão: pequenos sulcos (ataque químico)
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Microscopia eletrônica
Uma imagem da estrutura é formada utilizando-se feixes de elétrons no lugar de radiação luminosa.
O feixe de elétrons é focado e a imagem é formada através de lentes magnéticas
Microscopia eletrônica de transmissão
A imagem vista por um MET (microscópio eletrônico de transmissão) é formada por um feixe de elétrons que passa através da amostra.
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Os contrastes na imagem são produzidos pelas diferenças na dispersão ou difração do feixe que são produzidas entre os vários elementos da microestrutura.
Ampliações que se aproximam a 1.000.000 x são possíveis. 
Microscopia eletrônica de varredura
A superfície de uma amostra a ser examinada é rastreada com um feixe de elétrons, e o feixe de elétrons refletido é coletado.
São possíveis ampliações que variam entre 10 e mais de 50.000 vezes 
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Fratografia típica da liga A5052 no estado tixofundido a 627C por 15 minutos, submetida a ensaio de deformação até a fratura.
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Micrografia de fratura ocorrida durante tixoestampagem a 640C, de chapa da liga A5052, de 4,0 mm de espessura.
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Partículas primárias sólidas observadas em MEV de uma amostra da liga A356 tixofundida.
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Detalhe de partículas sólidas da fase primária da liga A356 tixofundida, observada em MEV.
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Tamanho de grão
O tamanho de grão é uma característica determinada com freqüência quando as propriedades de um material policristalino estão sendo consideradas. 
O método mais comum utilizado é o da American Society for Testing and Materials (ASTM).
São 10 cartas (gráficos) padrões de comparação, todas tendo diferentes tamanhos de grão médios. Para cada gráfico é atribuído um número compreendido entre 1 e 10, que é denominado número de
tamanho de grão; quanto maior este número, menores os grãos. 
Uma amostra deve ser apropriadamente preparada para revelar a estrutura de grão, que é fotografada numa ampliação de 100x. 
Tamanho de grão é expresso em termos do número de tamanho de grão da carta que mais se ajusta aos grãos na micrografia. 
É usado extensivamente na especificação de aços.
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