9. Imperfeições em Sólidos pt.1

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Imperfeições em Sólidos
Introdução
• As propriedades dos materiais são direta ou indiretamente
influenciadas pela presença de imperfeições;
Ex:
• Propriedades mecânicas de metais puros experimentam alterações
significativas quando átomos de impurezas são adicionados;
• Materiais semicondutores funcionam devido a concentrações
controladas de impurezas específicas são incorporadas em regiões
pequenas e localizadas;
Introdução
• Defeito -> É uma imperfeição ou um "erro" no arranjo periódico
regular dos átomos em um cristal. 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.
Imperfeições Estruturais
• Apenas uma pequena fração dos sítios atômicos são imperfeitos;
• Menos de 1 em 1 milhão;
• Mesmo sendo poucos eles influenciam muito nas propriedades dos
materiais e nem sempre de forma negativa;
Formação de Defeitos
• Devido à agitação térmica, os átomos de um cristal estão sempre
vibrando;
• Quanto maior a energia térmica (temperatura), maior será a chance
de átomos saírem de suas posições, deixando um vazio em seu lugar;
• Na rede cristalina existem inúmeros interstícios, nos quais é possível
alojar outros átomos;
• Praticamente impossível de se obter um metal puro. Sempre haverá
impurezas na rede cristalina.
Defeitos
Tipos de Imperfeições/Defeitos
• Defeitos pontuais
• Defeitos de linha (discordâncias)
• Defeitos de interface (grão e maclas)
• Defeitos volumétricos (inclusões, precipitados)
Tipos de Imperfeições/Defeitos
Defeitos Pontuais
• Devido a agitação térmica, os átomos de um cristal real estão sempre
vibrando na estrutura;
• Quanto maior a energia térmica (ou temperatura), maior será a
chance dos átomos saírem de suas posições, deixando um vazio
(vacância) no seu lugar;
• Por outro lado, dentro da rede cristalina existem inúmeros
interstícios, espaços vazios entre os átomos, nos quais é possível
alojar outros átomos;
• É praticamente impossível obter um material infinitamente puro.
Sempre haverá impurezas presentes na rede cristalina.
Defeitos Pontuais - Vacância
• Envolve a falta de um átomo
• São formados durante a solidificação do cristal ou como resultado das
vibrações atômicas (os átomos deslocam-se de suas posições
normais);
• Todos os sólidos cristalinos possuem lacunas;
Vacancy
distortion 
of planes
Defeitos Pontuais
• O número de vazios aumenta exponencialmente com a temperatura:
Cv=Nv/N = exp.(-Qv/KT)
• Onde:
Cv = concentração de vacâncias
Nv= número de vacâncias
N= número total de sítios atômicos
Qv= energia requerida para formação de vacâncias
K= constante de Boltzmann = 1,38x1023J/at.K ou 8,62x10-5 eV/ at.K
Defeitos Pontuais
Exercício
Calcule a concentração de vacâncias no cobre a 200°C e a 1080°C. (Tf = 
1084°C)
• Dados:
Qv= 0,9 ev/átomo (1 elétron-volt = 1,6 x 10-19J)
K= 8,62x10-5 eV/ átomo.K
Defeitos Pontuais – Intersticiais
• Envolve a inserção de um átomo extra no interstício (do próprio
cristal);
• Átomos intersticiais pequenos se alojam na estrutura entre os átomos
da rede, impedindo a livre movimentação atômica na estrutura;
• Produz uma distorção no reticulado, já que o átomo geralmente é
maior que o espaço do interstício;
• A formação de um defeito auto-intersticial implica na criação de um
vazio, por isso este defeito é menos provável que um vazio;
Defeitos Pontuais - Intersticiais
• Átomos intersticiais grandes (auto-intersticiais) geram maiores
distorções na rede a partir dos campos de tensões impostos aos
átomos da rede (empurrando-os)
self-
interstitial
distortion 
of planes
Defeitos Pontuais - Intersticiais
Defeitos Pontuais – Intersticiais
• Na célula unitária CCC:
• ½ átomo nas 6 faces + ¼ átomo nas 12 arestas -> 6 posições intersticiais
octaedrais
• Na célula unitária CFC:
• 1 átomo no centro + ¼ átomo nas 12 arestas -> 4 posições intersticiais
octaedrais
• Comparando-se as estruturas CFC e CCC, pode-se notar que embora a
estrutura CFC seja mais compacta (maior fator de empacotamento), os
seus interstícios são maiores.
Defeitos Pontuais - Intersticiais
Defeitos Pontuais - Intersticiais
Defeitos Pontuais
Impurezas
• Um metal considerado puro sempre tem impurezas (átomos
estranhos) presentes;
• 99,9999% máximo de pureza possível;
• A presença de impurezas promove a formação de defeitos pontuais;
• O LIMITE DE SOLUBILIDADE é a concentração máxima de átomos de
soluto que pode dissolver-se no solvente, a uma dada temperatura,
para formar uma solução sólida;
• Quando o limite de solubilidade é ultrapassado forma-se uma
segunda fase com composição distinta;
Ligas Metálicas
• Impurezas são adicionadas intencionalmente com a finalidade:
 Aumentar a resistência mecânica
 Aumentar a resistência à corrosão
 Aumentar a condutividade elétrica
Ligas Metálicas
• A composição de uma liga pode ser dada pela:
Porcentagem de Peso -> A base para os cálculos de porcentagem em
peso relaciona o peso do elemento de liga em relação ao peso total
da liga;
Porcentagem Atômica -> São calculadas em termos do numero de
moles de cada um dos constituintes em relação ao número total de
moles dos constituintes que compõem a liga
Soluções Sólidas
• Numa solução sólida a estrutura cristalina do material que atua como
matriz é mantida e não formam-se novas estruturas (nova fase) com a
adição do soluto;
• As soluções sólidas formam-se mais facilmente quando o elemento
de liga (impureza) e matriz apresentam estrutura cristalina e
dimensões eletrônicas semelhantes
• Nas soluções sólidas as impurezas podem ser:
Intersticial
Substitucional
Soluções Sólidas
• Matriz ou Hospedeiro -> solvente (>quantidade)
• Elemento de liga ou Impureza -> soluto (< quantidade)
• A adição de átomos de impurezas a um metal irá resultar a formação de:
Soluções sólidas < limite de solubilidade
Segunda fase > limite de solubilidade
• A solubilidade depende :
Temperatura
Tipo de impureza
Concentração da impureza
Soluções Sólidas Substitucionais
• Soluções Sólidas onde os átomos do soluto ou átomos de impurezas
tomam o lugar dos átomos hospedeiros ou os substituem;
• Ex: Liga Cu e Ni
• Alguns fatores ditam se a solução sólida poderá ser substitucional, as
chamadas Regras de Hume-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 -> deve ser a mesma para soluto e solvente
Eletronegatividade -> valores devem ser próximos
Valência -> deve ser mesma ou maior que a do solvente
Soluções Sólidas Substitucionais
Cu Ni
Raio Atômico 0,128nm 0,125nm
Estrutura CFC CFC
Eletronegatividade 1,9 1,8
Valência +1 (as vezes +2) +2
Soluções Sólidas Intersticiais
• Os átomos de impurezas ou os elementos de liga ocupam os espaços
nos 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
Soluções Sólidas Intersticiais
• Fe + C
• Solubilidade máxima do C no Fe é 2,1% a 910°C (Fe-α CCC);
• O C tem raio atômico bastante pequeno se comparado com o Fe:
Raio do C= 0,071 nm
Raio do Fe= 0,124 nm