Aula 3 CTM 2017 2 Imperfeições nos sólidos

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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS 
CRISTALINOS 
Aula03 – 06/10/2017 
UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO – UFMA 
CURSO DE BACHARELADO INTERDISCIPLINAR EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA 
 MATÉRIA: CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS 
PROFESSOR: LUIS VENANCIO 
PROGRAMA DA DISCIPLINA 
1. Introdução a Ciência e Tecnologia dos 
Materiais. 
2. Estrutura dos materiais: arranjos 
atômicos e iônicos. 
3. Fundamentos de cristalografia. 
4. Imperfeições em sólidos cristalinos. 
5. Diagrama de fases 
6. Polímeros, materiais compósitos e 
nano estruturados. 
7. Propriedades dos materiais. 
8. Seleção de materiais. 
 
DATA DESCRIÇÃO 
06-Sep Introdução a Ciência e Tecnologia dos Materiais 
13-Sep Estrutura dos Materiais: Arranjos atômicos e Iônicos 
15-Sep Estrutura dos Materiais: Arranjos atômicos e Iônicos 
20-Sep Fundamentos de Cristalografia 
22-Sep Exercícios 
27-Sep Exercícios 
29-Sep Avaliação 1 
04-Oct Cancelada 
06-Oct Imperfeições em Sólidos Cristalinos 
11-Oct Diagramas de Fases 
13-Oct Polímeros, Materiais Compósitos e Nanoestruturados 
18-Oct Exercícios 
25-Oct Exercícios 
27-Oct Exercícios 
01-Nov Avaliação 2 
03-Nov Propriedades dos Materiais 
08-Nov Fratura, Fadiga e Fluência 
10-Nov Cerâmicas 
17-Nov Seleção de Materiais 
22-Nov Seleção de Materiais 
24-Nov Seleção de Materiais 
29-Nov Seleção de Materiais 
01-Dec Avaliação 3 
06-Dec Revisão 
13-Dec Reposição 
15-Dec Revisão 
20-Dec Final 
22-Dec Revisão 
Imperfeições nos sólidos 
• Quais os tipos de defeitos podem ser encontrados 
nos sólidos? 
 
• O número de defeitos e o tipo de defeito podem 
ser controlados? 
 
• Como os defeitos afetam as propriedades dos 
materiais? 
 
• Os defeitos são indesejáveis? 
 
Pontos para direcionamento 
O QUE É UM DEFEITO? 
IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS 
 Sólidos não são perfeitos em sua microestrutura: 
 muitas propriedades estão relacionadas com estes defeitos; 
 freqüentemente defeitos são induzidos propositalmente nos 
materiais. 
 
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 
DEFEITOS 
INTRODUÇÃO 
SELETIVA 
CONTROLE 
DO NÚMERO 
ARRANJO 
Permite desenvolver e criar novos materiais 
com a combinação desejada de propriedades 
IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS - IMPORTÂNCIA 
IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS 
Exemplos de efeitos da presença de imperfeições 
 
o O processo de dopagem em semicondutores visa criar 
imperfeições para mudar o tipo de condutividade em 
determinadas regiões do material 
o A deformação mecânica dos materiais promove a formação 
de imperfeições que geram um aumento na resistência 
mecânica (processo conhecido como encruamento) 
o Fósforo e Boro são exemplos de dopantes acrescentados 
aos cristais de silício puro, com o objetivo de ajustar as 
propriedades elétricas para aplicações eletrônica. 
Defeitos Pontuais 
Vazios e Intersticiais 
Vazios 
Intersticiais 
S
u
b
st
it
u
ci
o
n
a
is
 
• Vazios: sítios atômicos vagos na estrutura cristalina 
• Intersticiais: átomos extras ocupando posições entre os sítios atômicos 
• Substitucionais: átomos de elementos “estranhos” inseridos na rede cristalina 







kT
Q
NN vv exp
O número de lacunas em equilíbrio, para uma dada 
quantidade de material, aumenta em função da temperatura: 
Nv = Número de vazios 
N = Número de posições atômicas 
Qv = Energia de ativação 
T = Temperatura absoluta em kelvin 
k = Constante de Boltzman 
 1,38x10-23 J/átomo.K 
 8,62x10-5 ev/átomo.K 
LACUNAS 
Defeitos Pontuais 
AUTO-INTERTICIAIS 
Defeitos Pontuais 
 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. 
 A formação de um defeito 
intersticial implica na criação de 
uma vacância, por isso este defeito é 
menos provável que uma vacância 
AUTO INTERSTÍCIO 
LACUNA 
IMPUREZAS NOS SÓLIDOS 
Defeitos Pontuais 
Um metal considerado puro sempre tem impurezas 
(átomos estranhos) presentes 
 
99,9999% = 1022-1023 impurezas por cm3 
 
A presença de impurezas promove a formação de defeitos 
pontuais. 
Ligas: 
Átomos de impurezas são adicionados intencionalmente a uma 
estrutura cristalina formada por outro átomo para gerar propriedades 
específicas aos materiais. 
Aumento da resistência mecânica 
Aumento da resistência à corrosão 
Aumento da condutividade elétrica 
ADIÇÃO DE ELEMENTOS DE LIGA 
 Soluções sólidas % elemento < limite de solubilidade 
 Segunda fase % elemento > limite de solubilidade 
 
 A solubilidade depende : 
 
Temperatura 
Tipo de elemento (ou impureza) 
Concentração do elemento (ou impureza) 
Termos importantes 
 Elemento de liga ou Impureza - soluto (< quantidade) 
 Matriz ou Hospedeiro - solvente (>quantidade) 
 Fase - porção homogênea de um material com características físicas e 
químicas uniformes. 
 
SOLUÇÕES SÓLIDAS 
 A estrutura cristalina do material que atua como matriz é 
mantida. 
 Nas soluções sólidas as impurezas ou elementos de liga 
podem ser de dois tipos: 
Intersticial Substitucional 
SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAIS 
 Os átomos de impurezas ou os elementos de liga ocupam 
os espaços 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 
SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAIS 
 Fe + C solubilidade máxima do C no Fe é 2,1% 
a 9100 C (Fe CFC). 
 
 O C tem raio atômico bastante pequeno se comparado com 
o Fe 
 
 rC= 0,071 nm= 0,71 A 
 rFe= 0,124 nm= 1,24 A 
 
 
 
SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAIS 
POSIÇÕES INTERSTICIAIS NA CFC 
 Existem 13 posições intersticiais 
(octaedros) 
1 Centro do célula unitária 
12 localizadas no centro das 
arestas 
SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAIS 
POSIÇÕES INTERSTICIAIS NA CFC 
 Existem 8 posições intersticiais (tetraedros) 
 Centro do tetraedro de 
coordenadas (1/4, 1/4, 1/4) 
SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAIS 
POSIÇÕES INTERSTICIAIS NA CCC 
Existem 18 posições intersticiais 
(octaedro) 
 
6 Centro das faces 
posições (½, ½, 0) 
12 Centro 
 de arestas (½, 0,0) 
Existem 24 posições intersticiais (tetraedros) 
 
SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAIS 
POSIÇÕES INTERSTICIAIS NA CCC 
4 tetraedros 
Para cada uma das seis faces 
 
SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS 
SUBSTITUCIONAL 
ORDENADA 
SUBSTITUCIONAL 
DESORDENADA 
 - átomos do solvente substituídos por átomos do soluto no 
reticulado; 
 - a estrutura do solvente não muda, mas se deforma; 
As soluções sólidas substitucionais formam-se mais facilmente 
quando o elemento de liga (impureza) e matriz apresentam 
estrutura cristalina e dimensões eletrônicas semelhantes 
FATORES QUE DETERMINAM A FORMAÇÃO DE 
SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS 
 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 mesma ou maiorque a do hospedeiro 
SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS 
EXEMPLO DE SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTICIONAL 
 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 
 
SOLUÇÕES SÓLIDAS X PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 A presença de solutos 
altera o comportamento mecânico 
dos metais, sendo que: 
- diferença entre tamanhos 
atômicos leva ao aumento da 
resistência mecânica 
- aumento da quantidade de soluto 
leva ao aumento da resistência 
mecânica 
- exemplos: 
- liga Cu-Zn: aumento pequeno -
tamanhos atômicos próximos. 
- liga Cu-Sn: aumento médio - 
tamanhos atômicos diferentes. 
- liga Cu-Be: aumento elevado –
tamanhos atômicos diferentes 
DEFEITOS LINEARES: DISCORDÂNCIAS 
 Definição 
 São imperfeições que causam a distorção da rede cristalina 
em torno de uma linha e caracterizam-se por envolver um 
plano extra de átomos. 
 Podem ser produzidas durante o crescimento do cristal ou na 
deformação plástica do cristal 
 Classificação 
 Discordância em cunha 
 Discordância em hélice 
 Discordância mista 
As discordâncias estão associadas com a cristalização e a 
deformação (origem: térmica, mecânica e supersaturação de 
defeitos pontuais) 
A presença deste defeito é a responsável pela deformação, falha e 
ruptura dos materiais 
 
DISCORDÂNCIA EM CUNHA 
 Envolve um Semi-plano extra de átomos 
 O vetor de Burger é perpendicular à direção da linha da 
discordância 
 Envolve zonas de tração e compressão 
 O vetor de Burgers b equivale à distância necessária para fechar 
o contorno formado pelo mesmo número de átomos ao redor da 
discordância de aresta. 
 O movimento da linha de discordância é paralelo ao da força de 
cisalhamento. 
 
(a) (b) (c) 
Discordância de aresta 
DISCORDÂNCIA EM CUNHA (ARESTA) 
DISCORDÂNCIA EM HÉLICE (ESPIRAL) 
Linha de 
discordância 
Vetor de 
Burgers b 
 (a) (b) (c)
 
 
 Produz distorção na rede 
 O vetor de Burger é paralelo à direção da linha de discordância 
 Campo de tensões é simétrico e paralelo ao vetor de burger (não 
envolve componentes de tração ou compressão). 
 O movimento da linha de discordância é perpendicular ao da força de 
cisalhamento. 
 
 
 
DISCORDÂNCIA EM HÉLICE (ARESTA) 
DISCORDÂNCIA MISTA 
 A quantidade e o movimento das discordâncias podem ser 
controlados pelo grau de deformação (conformação mecânica) 
e/ou por tratamentos térmicos 
 Com o aumento da temperatura há um aumento na velocidade de 
deslocamento das discordâncias favorecendo o aniquilamento 
mútuo das mesmas e formação de discordâncias únicas 
 Impurezas tendem a difundir-se e concentrar-se em torno das 
discordâncias formando uma atmosfera de impurezas. 
 As discordâncias geram vacâncias 
 As discordâncias influem nos processos de difusão 
 
DISCORDÂNCIAS – CONSIDERAÇÕES GERAIS 
DISCORDÂNCIAS – IMPORTÂNCIA 
Importantes em metais e ligas pois fornecem mecanismo para a 
deformação plástica (permanente). 
 
Movimentação das discordâncias (deslizamento) proporciona 
ductilidade aos metais. 
 
Podemos controlar as propriedades mecânicas de um metal ou de 
uma liga interferindo no movimento das discordâncias, para 
aumentar a dureza ou a ductilidade. 
 
As discordâncias também influenciam nas propriedades óticas e 
elétricas dos materiais. 
 
EXEMPLOS DE DISCORDÂNCIAS 
InSb (Ataque na discordância) 
Imagem HRTEM) 
DEFEITOS INTERFACIAIS 
CRISTAIS APRESENTAM DEFEITOS EM DUAS DIMENSÕES, QUE SE 
ESTENDEM AO LONGO DA ESTRUTURA, GERANDO IMPERFEIÇÕES 
DE SUPERFÍCIES: 
- SUPERFÍCIES EXTERNA 
- FALHAS DE EMPILHAMENTO 
- CONTORNOS DE GRÃO 
- MACLAS 
Envolvem fronteiras (defeitos em duas dimensões) e normalmente 
separam regiões dos materiais de diferentes estruturas cristalinas ou 
orientações cristalográficas 
DEFEITOS INTERFACIAIS – Superfícies Externas 
 Átomos na superfície não têm todas suas ligações satisfeitas e 
possuem maior energia livre que os átomos sob a superfícies; 
 Área da superfície tende a minimizar; 
 A superfície dos sólidos podem se “reconstruir” para satisfazer 
as ligações atômicas dos seus átomos. 
Superfície Externa 
DEFEITOS INTERFACIAIS – Contornos de Grãos 
 
 Materiais policristalinos são formados por muitos cristais ou 
grãos, que têm diferentes direções cristalográficas; 
 Nas regiões onde estes grãos se encontram ocorre um 
desordenamento atômico. Elas são chamadas de contorno de 
grão. 
 A forma do grão é controlada: 
 - pela presença dos grãos circunvizinhos 
 
 O tamanho de grão é controlado 
 - Composição química 
 - Taxa (velocidade) de cristalização ou solidificação 
DEFEITOS INTERFACIAIS – Contornos de Grãos 
CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE CONTORNO DE GRÃO 
 
 Há um empacotamento ATÔMICO menos eficiente 
 Há uma energia mais elevada 
 Favorece a nucleação de novas fases (segregação) 
 Favorece a difusão 
 O contorno de grão ancora o movimento das discordâncias 
Aço inoxidável austenítico Aço carbono (1070) 
Ferrita e perlita 
Ferro fundido nodular 
Matriz ferrítica e nódulos de 
grafita 
DEFEITOS INTERFACIAIS – Maclas 
 Uma macla separa duas regiões cristalinas que são, 
estruturalmente, imagens espelhadas uma da outra. 
Maclas podem ser causadas por deformações do material, 
causadas por tensões térmicas ou mecânicas. Impurezas. 
A macla ocorre num plano definido e numa direção específica, 
dependendo da estrutura cristalina 
 
DEFEITOS INTERFACIAIS – Maclas 
Maclas 
DEFEITOS VOLUMÉTRICOS OU DE MASSA 
Podem ser classificados como poros, fraturas ou inclusões: 
• Poros: podem modificar substancialmente as propriedades 
ópticas, mecânicas e térmicas de um material; 
• Fraturas: podem afetar as propriedades mecânicas do material; 
• Inclusões: podem modificar substancialmente as propriedades 
elétricas, mecânicas e ópticas de um material; 
poros 
Fases secundárias 
Inclusões 
Heterogeneidade 
(materiais multifásicos) 
Voltando às perguntas iniciais.... 
• Quais os tipos de defeitos podem ser encontrados 
nos sólidos? 
 
• O número de defeitos e o tipo de defeito podem 
ser controlados? 
 
• Como os defeitos afetam as propriedades dos 
materiais? 
 
• Os defeitos são indesejáveis? 
 
Material produzido pela Profa. Maria Eliziane Pires de Souza com modificações