Estrutura cristalina (03)

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Defeitos da estrutura cristalina
UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO
CAMPUS ANGICOS 
 
Disciplina: Química Aplicada à Engenharia 
 
Estrutura cristalina -3ª - aula
Defeitos da estrutura cristalina
 
Natal-2018.
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 Os defeitos influenciam as propriedades mecânicas dos materiais.
Defeitos na estrutura cristalina
• Os cristais descritos até agora são todos ideais, ou seja, não possuem defeitos.
• Os cristais reais apresentam inúmeros defeitos, que são classificados pelo grau de dimensões.
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• Lacunas
• Átomos intersticiais
• Átomos substitucionais
• Deslocações(discordâcias)
• Fronteiras de grão
Defeitos pontuais
Tipos de defeitos
• Poros
Bulk (volume) defects
Defeitos lineares
Defeitos planares
• Maclas
• Fissuras
• Inclusões
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• Resistividade elétrica do cobre:
• A adição de “impurezas” ao Cu aumenta a resistividade.
• A Deformação do Cu aumenta a resistividade.
Propriedades Elétricas
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Propriedades Elétricas
Resistividade elétrica (também resistência elétrica específica) é uma medida da oposição de um material ao fluxo de corrente elétrica. 
Quanto mais baixa for a resistividade mais facilmente o material permite a passagem de uma carga elétrica. A unidade SI da resistividade é o ohm metro (Ωm).
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• Condutividade térmica do cobre - Diminui com a adição de Zn.
Propriedades Térmicas
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Defeitos pontuais
• Finalmente, é praticamente impossível obter um material infinitamente puro. Haverá sempre impurezas presentes na rede cristalina.
• Devido à agitação térmica, os átomos de um cristal real estão sempre vibrando. O grau de vibração é tanto maior quanto maior a temperatura.
• Quanto maior a energia térmica (ou temperatura), maior será a possibilidade dos átomos sairem das suas posições, deixando um vazio (lacuna) 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.
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Defeitos pontuais
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Defeitos pontuais
A dopagem é um processo químico no qual átomos estranhos são introduzidos na estrutura cristalina de uma substância.
Em um cristal semicondutor a dopagem é geralmente realizada para alterar suas propriedades elétricas.
Existem dois tipos de materiais semicondutores, tipo N e tipo P, que dependem do tipo de impureza introduzida na rede.
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• Lacunas:
- Lugares vazios numa estrutura.
• Intersticiais:
-"extra" átomos colocados entre os lugares da rede.
Defeitos pontuais
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FATORES QUE CONTRIBUEM PARA A FORMAÇÃO DE UMA SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONAL 
(leis de Hume-Rothery)
Fator tamanho atômico: o “soluto” pode ser acomodado no “solvente” se a diferença de tamanho atômico for menor que 15%
Se a estrutura do cristal for a mesma pode haver solubilidade total 
As eletronegatividades devem ser similares
A valência do soluto deve ser igual ou maior do que a do “solvente”
Exemplo: O Cu e o Ni são completamente solúveis um no outro; os tamanhos atômicos são similares (0.128 e 0.125 nm), ambos têm estruturas c.f.c., as eletronegatividades são semelhantes (1.9 e 1.8), e as valências para o Cu são 1 ou 2, e para o Ni é 2.
Defeitos pontuais em Ligas
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Os átomos de impurezas ou soluto preenchem os vazios ou interstícios da rede do solvente. Então, o diâmetro do átomo intersticial deve ser substancialmente menor que o do solvente. 
Tipicamente, a concentração máxima de um átomo de um soluto intersticial é < 10%, já que mesmo átomos muito pequenos, introduzem distorções importantes na rede cristalina do solvente.
Exemplo: o carbono, quando adicionado ao ferro até 2% em peso forma uma solução sólida intersticial. Os raios do C e Fe são de 0.071 e 0.124 nm (rC/rFe = 0,57 – comparar com o valor do maior interstício nas redes CFC e CCC, que são, respectivamente, r/R = 0,41 e r/R = 0,29).
SOLUÇÃO SÓLIDA INTERSTICIAL 
Defeitos pontuais em Ligas
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• São defeitos lineares.
• Podem ser imaginados como uma linha que separa a zona do cristal onde houve deslizamento da zona não deformada.
• São os defeitos responsáveis pelo comportamento mecânico dos materiais.
• São os defeitos responsáveis pelo fato dos metais serem cerca de 10 vezes menos resistentes do que deveriam.
• Existem três tipos fundamentais de deslocações:
	- Deslocação em cunha (edge dislocation)
	- Deslocação em hélice (screw dislocation)
	- Deslocação mista (mixed dislocation)
• Quando se movimentam provocam deslizamento no cristal. 
• São responsáveis pela deformação plástica de um cristal.
Deslocações:
Defeitos lineares
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1. Inicial
2. Carga pequena
3. Descarga
Elástico significa reversível!
Deformação elástica
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1. Inicial
2. Carga elevada
3. Descarga
- Plástica significa permanente!
- As deslocações são fundamentais para este processo.
Deformação plástica
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Deslocação cunha
Meio plano extra de átomos
 Linha de deslocação cunha: perpendicular ao plano de visão
 Os átomos acima do plano estão em compressão e os abaixo em tração.
Deslocação hélice
 Linha de deslocação hélice: separa a zona da frente já “deslizada” da zona de trás ainda perfeita.
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Deslocação mista
Linha de deslocação
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Como se processa a deformação plástica?
Por deslizamento de planos uns sobre os outros
Deformação plástica
A tensão de corte crítica é o valor máximo, acima do qual se dá o deslizamento.
Baseado no esquema acima, os valores teóricos são muito maiores do que os obtidos experimentalmente.
Esta discrepância só pode ser entendida pela presença de deslocações.
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Deformação plástica
O deslizamento prossegue pela movimentação de deslocações.
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Deformação plástica
A criação de degraus sucessivos na superfície dos cristais permite alterar a sua forma exterior - deformar-se plasticamente
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Deformação plástica Comparação entre tipos de materiais
• Metais: Movimento de deslocações fácil.
 - ligação não direcional
 - direções e planos compactos.
electron cloud
ion cores
• Cerâmicos covalentes
 (Si, diamante): movimento de deslocações difícil.
 - ligação forte e direcional
• Cerâmicos iónicos (NaCl):
 movimento de deslocações difícil.
 - necessidade de evitar contatos entre vizinhos ++ e - - da mesma espécie.
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Defeitos planares
Superfícies livres
Fronteiras de grão
Maclas
Falhas de empilhamento
Paredes de domínios
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Defeitos planares
Superfícies livres (externas) – defeito planar mais comum.
Os átomos localizados sobre a superfície têm ligações 
atômicas somente de um lado (baixo número de vizinhos – alto estado de energia quando comparados aos átomos localizados no interior do cristal.
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Fronteiras de grão:
 • são fronteiras entre cristais.
 • são produzidas, p.ex., durante o processo de solidificação.
 • os cristais adjacentes têm orientações distintas.
 • constituem um entrave ao movimento das deslocações
Fronteiras de grão
• Os átomos nas fronteiras de grão estão menos organizados e por isso têm energias mais elevadas
 As impurezas e as lacunas tendem a ser segregadas
 para as fronteiras de grão.
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Solidificação de Metais
Processo de Solidificação
Diminuição da temperatura
1. Aparecimento dos primeiros embriões T=Tsolidificação
1
2. Crescimento livre (geometria perfeita)
3. Obstrução ao crescimento de alguns cristais
Policristalino = formado por vários graõs
4. Metal policristalino (estado sólido)
2
3
4
Solidificação
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Nota: 
Se a velocidade de arrefecimento for muito elevada, DT é muito elevado, existe uma taxa elavada de nucleação e o tamanho de grão final é menor. 
Solidificação
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Esquema de fronteiras de baixo e alto ângulo
Fronteiras de grão
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Maclas
A fronteira é um espelho dos dois lados do cristal.
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Outros defeitos planares
Falhas de empilhamento: Interrupção na sequência de empilhamento dos planos atômicos.
Exemplo:
A sequência
de empilhamento da CFC é …ABCABCABCABC
Falha de empilhamento: …ABCABCABABC…
Fronteiras entre fases
Fronteiras entre duas fases que diferem na composição química.
Paredes de domínios
Fronteira entre regiões de magnetização diferente em materiais magnéticos.
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Tecnicas de observação de defeitos estruturais
Microscopia óptica
até 2000X ampliação
Limitada pelo comprimento de onda da luz visível (~ 1 micron)
Microscopia eletrônica
Comprimento de onda dos elétrons < 1 Angstrom
Pode resolver detalhes à escala atômica
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• Amostras polidas são atacadas quimicamente;
• O polimento pode remover alguns artefatos superficiais que poderiam ser interessantes analisar (riscos na superfície);
• O ataque químico varia a reflectância dependendo da orientação do cristal.
close-packed planes
micrograph of
Brass (Cu and Zn)
0.75mm
Microscopia óptica 
As fronteiras de grão menos compactas são mais facilmente atacadas.
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Microscopia eletrônica de varrimento 
Grãos de um intermetálico evidenciados durante a fratura frágil.
Linhas condutoras num circuito integrado.
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Microscopia eletrônica de transmissão 
Àtomos evidenciados numa micrografia de alta resolução.
Deslocações observadas numa liga de Ti.
FIM