Aula - Imperfeições nos sólidos cristalinos (Prof. Geovani)

Prévia do material em texto

DEFEITOS CRISTALINOSDEFEITOS CRISTALINOS
INTRODUÇÃO
A l ti d ólid l tô i i t d-Aquele tipo de sólido que, em uma escala atômica, existe uma ordem 
perfeita ao longo da totalidade da extensão dos materiais cristalinos não 
i texiste.
-Todos os materiais apresentam um grande número de defeitos
O QUE É UM DEFEITO????
É uma imperfeição no arranjo regular dos átomosÉ uma imperfeição no arranjo regular dos átomos
COMO SÃO CLASSIFICADOS????COMO SÃO CLASSIFICADOS????
As imperfeições cristalinas são classificadas de acordo com a 
geometria ou dimensionalidade dos defeitosgeo e a ou d e s o a dade dos de e os
OS DEFEITOS TÊM FORTE INFLUÊNCIA SOBRE AS PROPRIEDADES 
DOS MATERIAIS
TIPOS DE DEFEITOSTIPOS DE DEFEITOS
Defeitos Pontuais  associados c/ 1 ou 2 posições atômicas
Defeitos lineares  uma dimensão
Defeitos planos ou interfaciais (fronteiras) duas dimensões 
Defeitos volumétricos  Três dimensões
Defeitos pontuais
DEFEITOS PONTUAIS
Lacunas e auto-intersticiaisLacunas e auto intersticiais
VAZIOS OU LACUNASVAZIOS OU LACUNAS
São criados durante a
solidificação e também como
resultado de vibrações
atômicas, as quais podem, q p
causar o deslocamento de
átomos a partir dos sítios
normaisnormais.
O número de vacâncias aumenta exponencialmente com a temperatura
Nv= N exp (-Qv/KT)p ( )
Nv= número de vacâncias
N= número total de sítios atômicosN= número total de sítios atômicos
Qv= energia requerida para formação de vacâncias
K t t d B lt 1 38 1023J/ t K 8 62 10 5 V/ t KK= constante de Boltzman = 1,38x1023J/at.K ou 8,62x10-5 eV/ at.K
INTERSTICIAIS
- Envolve um átomo extra no interstício (do próprio cristal)
- Produz uma distorção no reticulado, já que o átomo geralmente é 
maior que o espaço do interstício
AUTO-INTERSCTICIAL
O átomo que ocupa o espaçamento
intersticial causa grande distorção na
AUTO INTERSCTICIAL
intersticial causa grande distorção na
vizinhança por que este átomo é bem
maior do que o espaçamento
i t ti i lintersticial.
Este defeito não é muito comum e
existe em pequenas concentrações,
bem menor do que vazios.
SUBSTITUCIONAIS
- Envolve A substituição de um átomo por um outro tipo de átomo
- O átomo substitucional pode ser maior ou menor que o átomo de 
origem mas de qualquer forma produz perturbações na rede 
cristalina;.
FRENKEL
Ocorre em sólidos iônicosOcorre em sólidos iônicos
Ocorre quando um íon sai de sua posição normal e vai para um 
i t tí i d i d â i linterstício deixando uma vacância em seu lugar
SCHOTTKY
Presentes em compostos que tem que manter o balanço de cargasPresentes em compostos que tem que manter o balanço de cargas
Envolve a falta de um ânion e/ou um cátion
ÓIMPUREZAS EM SÓLIDOS
IMPUREZAS NOS SÓLIDOSIMPUREZAS NOS SÓLIDOS
- Um metal considerado puro sempre tem impurezas (átomos
estranhos) presentes
99,9999% = 1022 -1023 impurezas por cm3
Os materiais usuais não são totalmente puros, ao contrário, são 
ligas.g
A formação de ligas é utilizada para:
aumentar a resistência mecânica- - aumentar a resistência mecânica
- - aumentar a resistência à corrosão
A ADIÇÃO DE IMPUREZAS PODE FORMARÇ
Soluções sólidas  proporção menor que o limite de solubilidade
Segunda fase proporção maior que o limite de solubilidadeSegunda fase  proporção maior que o limite de solubilidade
A solubilidade depende :
Temperatura
Tipo de impureza
Concentração da impureza
Termos utilizados:
Impureza ou elemento de liga soluto (< quantidade)Impureza ou elemento de liga  soluto (< quantidade)
Matriz ou hospedeiro  solvente (> quantidade)
SOLUÇÃO SÓLIDA
Ela forma quando um átomo é adicionado ao material, a
estrutura do cristal é mantida e nenhuma nova estrutura é
formada.
Uma solução sólida tem também
i ã di t ib ídsua composição distribuída
homogeneamente, os átomos
da(s) impureza(s) são dispersos
aleatoriamente e uniformementealeatoriamente e uniformemente
dentro do sólido.
INTERSTICIALINTERSTICIAL
SUBSTITUCIONAL
SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAIS
- Os átomos de impurezas ou os elementos de liga ocupam os 
espaços dos interstíciosespaços dos 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
EXEMPLO DE SOLUÇÃO SÓLIDA INTERSTICIAL
O carbono forma uma solução sólida intersticial quando adicionado ao 
ferroferro
solubilidade máxima do C no Fe é 2,1% a 910 C (Fe - CFC)
O C tem raio atômico bastante pequeno se comparado com o Fe
rC= 0 071 nm= 0 71 ArC= 0,071 nm= 0,71 A
rFe= 0,124 nm= 1,24 A
Solução sólida substitucional
Características dos átomos para a formação de uma S.S.
substitucionalsubstitucional
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 mesma
Eletronegatividade próximas
Valência um metal terá maior tendência de dissolver aquele deq
maior valência
EXEMPLO DE SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTICIONAL
Cu Ni
Cu + Ni  são solúveis em todas as proporções
Cu Ni
Raio atômico 0,128nm=1,28 A 0,125 nm=1,25A
Estrutura CFC CFC
Eletronegatividade 1,9 1,8
Valência +1 (as vezes +2) +2
2 - DEFEITOS LINEARES2 DEFEITOS LINEARES
- Discordâncias:
É um defeito linear em torno do qual alguns átomos estãoÉ um defeito linear em torno do qual alguns átomos estão
desalinhados.
As discordâncias podem ser em cunha, hélice ou mistaAs discordâncias podem ser em cunha, hélice ou mista
-Vetor de Burgers:
Dá a magnitude e a direção de distorção da redeDá a magnitude e a direção de distorção da rede
Corresponde à distância de deslocamento dos átomos ao redor da 
discordânciadiscordância
DISCORDÂNCIA EM CUNHA
Envolve um SEMI-plano extra de átomos
O vetor de Burger é perpendicular à direção da linha da 
di dâ idiscordância
Envolve zonas de tração e compressão
DISCORDÂNCIA EM CUNHA
N
H
A
M
 
C
U
N
I
A
S
 
E
M
Plano de escorregamento
D
Â
N
C
I
Plano de escorregamento
Uma distância 
Inter-atômica
C
O
R
D
D
I
S
C
DISCORDANCIA EM HÉLICE
Produz distorção na rede
O vetor de burger é paralelo à direção da linha de discordância
DISCORDANCIA MISTA
A maioria das discordâncias encontradas em materiais cristalinos são as 
mistas, estas exibem as características das discordâncias em cunha e em 
hélicehélice
3 DEFEITOS PLANOS OU INTERFACIAIS3 - DEFEITOS PLANOS OU INTERFACIAIS
- Envolvem fronteiras (defeitos em duas dimensões) e normalmente
separam regiões dos materiais de diferentes estruturas cristalinas ou
orientações cristalográficas;
- TIPOS
Superfície externa; Contorno de grão; Fronteiras entre fases; Maclas e
defeitos de empilhamento
3 1 DEFEITOS NA SUPERFÍCIE EXTERNA3.1- DEFEITOS NA SUPERFÍCIE EXTERNA 
 É o mais óbvio
 Na superfície os átomos não estão completamente ligados p p g
 Então o estado energia dos átomos na superfície é maior 
que no interior do cristalque no interior do cristal
 Os materiais tendem a minimizar está energia
A i fi i l é / 2 J/ 2) A energia superficial é expressa em erg/cm2 ou J/m2)
3.2 - CONTORNO DE GRÃO 
- Corresponde à região que separa dois ou mais cristais de orientação
diferente
um cristal = um grão
 No interior de cada grão todos os átomos estão arranjados segundo
um único modelo e única orientação caracterizada pela célulaum único modelo e única orientação, caracterizada pela célula
unitária
Monocristal e Policristal
MonocristalMonocristal: Material com apenas umaorientação cristalina, ou seja, queMonocristalMonocristal: Material com apenas uma orientação cristalina, ou seja, que 
contém apenas um grão
PolicristalPolicristal: Material com mais de uma orientação cristalina, ou seja, que contém 
vários grãos
LINGOTE DE ALUMÍNIO POLICRISTALINO
GRÃO
A forma do grão é controladaA forma do grão é controlada:
- pela presença dos grãos circunvizinhos
O tamanho de grão é controladoO tamanho de grão é controlado
- Composição químicaComposição química
- Taxa (velocidade) de cristalização ou solidificação
FORMAÇÃO DOS GRÃOS
A forma do grão é controladaA forma do grão é controlada:A forma do grão é controladaA forma do grão é controlada:
- pela presença dos grãos 
circunvizinhos
O tamanho de grão é O tamanho de grão é 
controladocontroladocontroladocontrolado
- Composição
- Taxa de cristalização ou 
solidificação
CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE CONTORNO DE GRÃO
Há um empacotamento ATÔMICO menos eficienteHá um empacotamento ATÔMICO menos eficiente
Há uma energia mais elevada
F l ã d f ( ã )Favorece a nucleação de novas fases (segregação)
favorece a difusão
O contorno de grão ancora o movimento das discordâncias
3.3- MACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS
É um tipo especial de contorno de grão
Os átomos de um lado do contorno são imagens em espelhoOs átomos de um lado do contorno são imagens em espelho 
dos átomos do outro lado do contorno
A macla ocorre num plano definido e numa direção
ífespecífica, dependendo da estrutura cristalina
4- IMPERFEIÇÕES VOLUMÉTRICAS
- InclusõesInclusões Impurezas estranhas
P i it dP i it d  ã l d d tí l j-- PrecipitadosPrecipitados  são aglomerados de partículas cuja
composição difere da matriz
FasesFases  forma se de ido à presença de imp re as o- FasesFases  forma-se devido à presença de impurezas ou
elementos de liga (ocorre quando o limite de solubilidade é
ultrapassado)ultrapassado)
- PorosidadePorosidade  origina-se devido a presença ou formação de
gasesgases