3. imperfeicoes no arranjo cristalino

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IMPERFEIÇÕES NO ARRANJO CRISTALINO
Tecnologia Mecânica I – Imperfeições no Arranjo Cristalino
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Policristais
Estrutura policristalina
Estrutura amorfa
Quando átomos ocupam posições regulares sem se repetirem indefinidamente, mas apenas em regiões, temos uma estrutura policristalina. 
Neste material policristalino tem-se um agregado de pequenos grãos, cuja estrutura interna é cristalina a direção do arranjo cristalino de um grão não apresenta relação com a direção dos seus vizinhos. 
Aumentando o grau de desordem ao extremo temos o que é chamado de material amorfo. Neste caso, não há regularidade nas posições ocupadas pelos átomos.
INTRODUÇÃO
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 Para um material cristalino, quando todos os átomos ocupam posições regulares no espaço, que se
repetem indefinidamente através de toda a amostra sem interrupção, o resultado é um monocristal. 
 Todas as células unitárias encadeiam-se da mesma maneira e têm a mesma orientação. 
Monocristais existem na natureza, mas eles podem ser também produzidos artificialmente. 
 Monocristais cerâmicos têm se tornado extremamente importantes em muitas das nossas modernas tecnologias, em particular micro circuitos eletrônicos.
 Se as extremidades de um monocristal crescerem sem constrangimento externo, o cristal assumirá a forma geométrica tendo faces planas, tal como em algumas das pedras gemas.
Monocristais
Nano-monocristal de magnetita (Fe3O4) (MET)
Escoamento em um monocristal de Zinco
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• Todos os materiais apresentam imperfeições no arranjo de seus átomos, que reflete no comportamento do mesmo.
• Controlar as imperfeições, significa obter materiais com diferentes propriedades e para novas aplicações.
• Podem existir diferentes tipos de imperfeições na rede:
i) vibrações da rede: quantizadas por fônons
ii) defeitos pontuais: vacâncias, átomos intersticiais, átomos substitucionais, defeitos Frenkel e Schottky;
iii) defeitos lineares: discordâncias;
iv) defeitos interfaciais, bidimensionais ou planares: superfícies livres, contornos de grão, contornos de macla, interfaces (falhas de empilhamento, contorno de fases, mudança de composição química...);
v) defeitos volumétricos: inclusões, partículas, estruturas amorfas, trincas, poros...
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Defeitos possíveis em um material		a partir da dimensão em 							que ocorrem na estrutura
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Podem ser classificados quanto a NATUREZA
 Vacância
 Átomo intruso (intersticial ou substitucional)
 Frenkel
 Schottky
DEFEITOS PONTUAIS
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 Também denominado de lacuna
 É a falta de um átomo na rede cristalina
 Pode resultar do empacotamento 
imperfeito na solidificação inicial,
ou decorrer de vibrações térmicas
dos átomos em temperaturas elevadas
VACÂNCIAS
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 O número de vacâncias varia com a temperatura
onde: 
nv : n° de vacâncias
n: n° de átomos por célula na rede
Q: energia necessária para produzir a vacância (J/mol)
R: cte dos gases (8,31 J/molK ou 8,62.10-5 eV/átomoK)
T: temperatura em K
nv = n exp (-Q/RT)
VACÂNCIAS
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Exemplo: Calcule o n° de vacâncias por centímetro cúbico e o n° de vacâncias por átomo de Cu (CFC), quando o cobre está (a) a temperatura ambiente, (b) 1084°C. Aproximadamente 83600 J/mol são requeridos para produzir uma vacância no cobre. 
Dados:
aCu = 3,6151 x 10-8 cm
Q = 83600 J/mol
R = 8,31J/mol K
CFC = 4 átomos por célula
VACÂNCIAS
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nv = n exp (-Q/RT)
Exemplo - Solução
O número de átomos de Cu por parâmetro da rede por cm3 é:
n = 	 n° átomos/célula = no át/cel
	volume da célula unitária (aCu)3
n = 4 átomos/célula = 8,47 x 1022 átomos Cu/cm3
 (3,6151 x 10-8)3
nv a Tamb e a 1084°C ?
VACÂNCIAS
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nv = n exp (-Q/RT)
Exemplo - Solução
(a) Tambiente:
T = 25 + 273 = 298 K
nv = (8,47 x 1022) exp [-83600/(8,31 x 298)]
nv = 1,847 x 108 vacâncias/cm3
nv /n= 1,847 x 108 vacâncias/cm3	
 8,47 x 1022 átomos de Cu/cm3
nv /n= 2,18 x 10-15 vacâncias/ átomos de Cu
VACÂNCIAS
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Exemplo - Solução
nv = n exp (-Q/RT)
(b) T = 1084°C:
T = 1084 + 273 = 1357 K
nv = (8,47 x 1022) exp [-83600/(8,31 x 1357)]
nv = 5,11 x 1019 vacâncias/cm3
nv /n= 5,11 x 1019 vacâncias/cm3	
 8,47 x 1022 átomos de Cu/cm3
nv /n= 6,03 x 10-4 vacâncias/ átomos de Cu
VACÂNCIAS
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 Quando um átomo fica comprimido por uma estrutura cristalina ocupando um sítio intersticial, principalmente se esta tiver um baixo fator de empacotamento;
 Conseqüência, distorção da rede.
ÁTOMOS INTERSTICIAIS
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 Quando um átomo é deslocado de sua posição original por outro, e conforme o tamanho, pode 
(a) aproximar os átomos da rede
 Conseqüência, distorção da rede e mudança de propriedades mecânicas, físicas e químicas.
(a)
Átomo substitucional pequeno
ÁTOMOS SUBSTITUCIONAIS
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 Quando um átomo é deslocado de sua posição original por outro, e conforme o tamanho, pode 
(b) separar os átomos da rede
 Conseqüência, distorção da rede e alteração nas propriedades mecânicas, físicas e químicas.
(b)
Átomo substitucional grande
ÁTOMOS SUBSTITUCIONAIS
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Discordância 		defeito linear ou unidimensional ao redor de alguns átomos desalinhados associadas a estrutura cristalina e a deformação plástica
 
origem: térmica (solidificação) e mecânica
Tipo de defeito responsável por	deformação								falha 									rompimento dos materiais
Quantidade e movimento das discordâncias podem ser controlados 				pelo grau deformação (conformação 				 mecânica) 
			por tratamentos térmicos 
DEFEITOS LINEARES
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As discordâncias podem ser:		- Cunha (aresta)
						- Hélice (parafuso ou espiral)
						- Mista
As discordâncias geram um vetor de Burgers (b→):
		- Fornece a magnitude e a direção da distorção da rede
		- Corresponde à distância de deslocamento dos átomos 	ao redor da discordância
Defeitos lineares
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Vista superior da discordância
Plano extra
Descrita como a aresta de um plano atômico extra na estrutura cristalina
DISCORDÂNCIA EM CUNHA
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 Ilustrada pelo talhamento de um cristal perfeito, deslocando a rede de um espaçamento atômico; 
 Zonas de tração e compressão acompanham uma discordância em cunha aumentando a energia ao longo da discordância;
 O vetor de Burgers é perpendicular à discordância em cunha.
DISCORDÂNCIA EM CUNHA
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Imagem MET em campo claro – discordâncias (“fios” presentes na micrografia)
DISCORDÂNCIA EM CUNHA
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 Produz distorção na rede pois tensões de cisalhamento estão associadas aos átomos adjacentes;
 O vetor de Burgers é paralelo à direção da linha de discordância.
Ocorre quando o empilhamento atômico ocorre na forma de mola.
Há o deslocamento de uma distância atômica entre um plano e outro
DISCORDÂNCIA HELICOIDAL
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 Ilustrada pelo corte parcial de um cristal perfeito, deslocando a rede de um
espaçamento atômico
DISCORDÂNCIA HELICOIDAL
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Imagem MET Al AA6056 – discordâncias e dispersóides (partículas de segunda fase). Aumento: (a) e (b) 66.000X e (c) 50.000X
(a)
(b)
(c)
DISCORDÂNCIA HELICOIDAL
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Discordância em cunha
Discordância em espiral
Em um cristal pode ocorrer os dois tipos de discordância. Neste caso, as duas discordâncias apresentam uma única linha de discordância.
Visualização de ramificações e parede de discordâncias (a tendência é aliviar a tensão local através da formação de subgrãos)
Imagem MET Al AA6056. 
Aumento: 38.000X 
DISCORDÂNCIA MISTA
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Os defeitos interfaciais podem ser:	
 Superfícies externas;
 Contornos de grão;
 Contornos de macla
 Interfaces (falhas de empilhamento dos átomos, contornos de fase em materiais multifásicos, superfícies das cadeias de polímeros dobradas e outros).
DEFEITOS INTERFACIAIS
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A superfície externa (contornos ) - é considerada como uma imperfeição visto que ela representa o contorno ao longo do qual a estrutura do cristal termina. Átomos da superfície não estão ligados ao número máximo de vizinhos mais próximos e estão, portanto, num estado de maior energia do que os átomos nas posições do interior. 
Para reduzir esta energia, materiais tendem a minimizar, se for possível, a área de superfície total. Por exemplo, líquidos assumem uma forma tendo uma área mínima - as gotículas se tornam esféricas. Naturalmente, isto
não é possível com sólidos, que são mecanicamente rígidos.
SUPERFÍCIES EXTERNAS
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A microestrutura de metais, cerâmicos, alguns polímeros e outros materiais sólidos policristalinos consiste de muitos grãos.
Grão: porção de material onde o arranjo cristalino é idêntico.
Contorno de grão (CG): fronteira entre os grãos com uma largura de apenas alguns átomos. Separa grãos ou cristais em que possuem orientações cristalográficas diferentes. 
Os átomos estão ligados de maneira menos regular no CG (quimicamente mais reativos). A magnitude da energia interfacial depende do grau de desorientação, sendo ↑ para CG alto ângulo.
A energia interfacial é menor em materiais de grãos grosseiros, pois a área total de CG é menor do que em materiais com grão mais fino.
CG↓
CG↑
CONTORNOS DE GRÃO
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Al AA6056
MO 200x
MEV 1000x
CONTORNOS DE GRÃO
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CONTORNOS DE GRÃO
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As maclas são cristais complexos, formados a partir de um agrupamento de dois cristais gêmeos ou dois semi-cristais. Ou seja, existe uma simetria, em espelho, da rede cristalina. 
Resultam de deslocamentos atômicos produzidos a partir de forças de cisalhamento (maclas de deformação) e também durante tratamentos térmicos de recozimento (maclas de recozimento).
Ocorre em um plano definido e direção definidos, que dependem da estrutura cristalina. Ex. maclas de recozimento (CFC) e maclas de deformação (CCC e HC).
Linhas de maclas do Mg deformado plasticamente.
PLANOS DE MACLA
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Os defeitos volumétricos são defeitos em nível de três dimensões. Como defeitos volumétricos, temos:
 Inclusões, Trincas, Poros resultantes de processo de soldagem e outros
Vidro borossilicato (SiO2 + Na2O + Al2O3 + B2O3) com inclusões de Mo, Ti, Ni, Fe, Al e W (mais claros na fotomicrografia)
MEV Al AA6056 - inclusões de fabricação e outras partículas de segunda fase. Aumento: 5000X
DEFEITOS VOLUMÉTRICOS
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São considerados impurezas de fabricação ou partículas de segunda fase da ordem de alguns m (10-6m). Estas partículas contém, geralmente, metais e não-metais de composição diferente da liga original. 
MEV Al AA6056 TMAZ: CG, inclusões e partículas de segunda fase. Aumento: 1000X
Amostra de meteorito (Vaca Muerta) composto de silicatos e metal. As inclusões são ricas em Fe e Ni. http://www.meteorites.cl/.../vaca-muerta-metal-eng.htm 
INCLUSÕES
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São introduzidos durante as etapas de processamento, fabricação e em serviço (normalmente indevido) . 
Trinca superficial de fadiga. (a) roda dentada fraturada, (b) detalhe da engrenagem. 
a
b
Porosidade em liga Al ocasionada por 
solda a laser. 
TRINCAS E POROS
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