aula 4

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Defeitos 
Prof. Priscyla Andrade
Defeitos
• Os cristais estudados até agora são perfeitos;
• Os cristais reais são apresentados com inúmeros defeitos, que são 
classificados por sua dimensionalidade;
• São importantes porque podem causar uma mudança significativa 
nas propriedades de um material.
Defeitos
• É uma imperfeição ou um "erro" no arranjo 
periódico regular dos átomos em um cristal. 
• Podem envolver uma irregularidade
• Na posição dos átomos
• No tipo de átomos 
Importância
Defeitos
• Defeitos Pontuais- Irregularidades sobre alguns átomos
Vacâncias /lacunas
Impurezas intersticiais ou substitucional
• Defeitos Lineares- Irregularidades num fileira de átomos 
Discordâncias em hélice ou cunha
• Defeitos Planares- Irregularidades através de um plano de átomos 
Interfaces e contornos de grão 
• Defeitos Volumétricos- Defeitos macroscópicos que se estendem 
sobre um conjunto de átomos na estrutura ou no volume.
Poros, fraturas, inclusões e outras fases. 
Defeitos Pontuais
• Devido à agitação térmica, os átomos de um cristal real estão 
sempre vibrando. 
• Quanto maior a energia térmica (ou temperatura), maior será a 
chance de átomos saírem de suas posições, deixando um vazio 
(vacância) em seu lugar. 
• O crescimento, processamento, efeitos de radiação e outros.
Vacância ou Lacuna
• 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
Visualização de defeitos pontuais
Concentração de Defeitos
• Para formar defeitos é necessário dispor de energia. 
• Normalmente esta energia é dada na forma de energia térmica. 
Isto quer dizer que quanto maior a temperatura, maior será a 
concentração de defeitos. 
Para muitos tipos de defeitos vale o seguinte:
onde CD é a concentração de defeitos 
QD é a energia de ativação para o defeito 
k é a constante de Boltzmann 
T é a temperatura absoluta em Kelvin 
Interstício
• 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 um vazio.
Exemplo
IMPUREZA
• Impurezas poderão assumir dois tipos de posição na rede 
cristalina de outro material 
Interstícios - espaços vazios na rede – impureza intersticial 
 Substituindo um átomo do material – impureza substitucional 
• Impureza intersticial - um exemplo fundamental Carbono em α-
Ferro (aço)
Soluções sólidas
• Ela se forma quando o soluto é adicionado ao solvente e 
nenhuma nova estrutura é formada.
• Podem ser:
• Substitucional- Quando um átomo de impureza toma o 
lugar de outro.
• Intersticiais- Os átomos de impureza preenchem os 
espaços vazios ou interstícios que existem entre os átomos.
Sólidos Iônicos
• Num cristal iônico, a falta de dois íons de carga contrária, origina-
se uma bi-lacuna cátion-ânion que é conhecido como defeito de 
Schottky.
• E se um cátion se move para um interstício, cria-se uma lacuna 
catiônica. E este par de lacuna intersticial é chamado de defeito 
de Frenkel.
• A presença desses defeitos nos cristais iônicos aumenta sua 
condutividade elétrica.
Defeitos
Imperfeições diversas
• Discordâncias- é um defeito linear ou unidimensional em torno 
do qual alguns átomos são desalinhados. Podem ser:
Cunha (aresta)- A distorção diminui de intensidade quando se 
caminha em sentido oposto à aresta do semiplano, porque a 
grandes distâncias dessa aresta, os átomos tendem a rearranjar-se 
como em um cristal perfeito. A distorção do cristal é centrada em 
torno da aresta do plano.
Imperfeições diversas
Espiral (parafuso)- É formada num cristal aplicando 
tensões de corte. E essa tensão introduz uma região 
distorcida, com a forma de uma rampa, em espiral, de 
átomos distorcidos em torno da linha.
Defeitos interfaciais
• São contornos que possuem duas dimensões e normalmente 
separam as regiões dos materiais que possuem diferentes 
estruturas cristalinas.
• Eles podem ser:
Superfície externa;
Contorno de grão;
Contornos de macla;
Fronteiras entre fases;
Defeito de empilhamento
Defeitos interfaciais
• Contornos de fase- São fronteiras que separam fases com 
estruturas cristalinas e composições distintas.
Defeitos interfaciais
• Limites de grão- Em materiais policristalinos os grãos são 
separados com diferentes orientações. Nos metais, os limites de 
grãos são formados durante a solidificação.
• Tamanho do grão é importante nos metais policristalino, porque 
influencia nas propriedades, especialmente na resistência mecânica.
• Contorno de macla- São distorções da rede cristalina causadas por 
pequenos deslocamentos dos átomos de suas posições regulares, devido 
a tensões ou tratamento térmico, fazendo com que a parte deformada da 
rede pareça ser uma imagem da parte não deformada refletida em 
espelho. 
• A formação de maclas é também um mecanismo de deformação 
plástica. A interface entre as porções deformada e não deformada é 
denominada de contorno de macla.
Defeitos Volumétricos ou 
Tridimensionais
• São introduzidas no processamento do material e/ou na 
fabricação do componente. São eles:
• Inclusões - Impurezas estranhas
• Precipitado - são aglomerados de partículas cuja composição 
difere da matriz
• Fases - forma-se devido à presença de impurezas ou 
elementos de liga (ocorre quando o limite de solubilidade é 
ultrapassado)
• Porosidade - origina-se devido a presença ou formação de 
gases
Defeitos tridimensionais
• Poros- Um poro é ausência de material (uma segunda fase "oca"). 
Os poros (que podem ser vistos como um aglomerado de vazios) 
ocorrem com frequência nos componentes fundidos e são 
"parte" dos materiais e/ou componentes obtidos pela metalurgia 
do pó. 
Inclusão
Segunda fase
Como observamos estes defeitos nos 
materiais?
• Através da MICROSCOPIA.
Ela pode ser:
Óptica;
Eletrônica de Varredura; 
Eletrônica de Transmissão.
Efeito dos defeitos
• Defeitos pontuais fazem os materiais absorver a luz de 
forma diferente (mudança de cor)
• O processo de dopagem em semicondutores visa criar 
imperfeições para mudar o tipo de condutividade em 
determinadas regiões do material
• A deformação mecânica dos materiais promove a formação 
de imperfeições que geram um aumento na resistência 
mecânica (processo conhecido como encruamento) 
• Aumentar a resistência mecânica; aumentar a resistência à 
corrosão; Aumentar a condutividade elétrica
Difusão
Difusão
• Está associada ao transporte de massa que ocorre em um sistema 
quando nele existe diferença de potencial termodinâmico (que 
pode ser proporcional à diferença de concentração química, 
quando o sistema está em equilíbrio térmico).
• Governada por diferentes mecanismos e manifestando-se com 
magnitudes bastante distintas, a difusão ocorre no interior de 
sólidos, líquidos e gases. 
Difusão
• No interior dos sólidos, a difusão ocorre por movimentação 
atômica (no caso de metais), de cátions e ânions (no caso de 
cerâmicas) e de macromoléculas (no caso de polímeros).
Histórico
Robert Boyle (1627-1691) foi o primeiro a reportar que 
um sólido (zinco) penetrou em uma moeda de cobre e 
formou um material dourado (latão = liga cobre-zinco)
O fenômeno da difusão em sólidos foi formalmente 
comunicado em 1896 por Sir Roberts-Austen, estudando a 
difusão do ouro emchumbo. Ele determinou o coeficiente 
de difusão do Au no Pb e a difusividade do ouro emfunção do inverso da temperatura.
Mecanismos que explicavam o fenômeno da difusão no 
passado (até aproximadamente 1950): a troca simultânea 
de átomos ou o modelo da troca por anel (não existia 
ainda o conceito de lacuna).
Aplicações
• A presença da difusão em nosso cotidiano não é tão rotineira, 
mas é grande sua importância para a fabricação de 
componentes ou estruturas de engenharia.
Movimentação dos átomos
• A movimentação de cada átomo pode ser descrita como 
sendo um caminho aleatório (random-walk) no espaço. 
Par de difusão
• O par de difusão é formado quando as superfícies de duas 
barras de materiais metálicos distintos são colocadas em contato 
íntimo e aquecidas por um dado tempo.
Variáveis na difusão
Temperatura
A energia de ativação (cal/mol ou J/átomo)
Coeficiente de difusão (m2/s)
Mecanismo de difusão
De uma perspectiva atômica, a difusão é a migração passo a passo dos 
átomos de determinadas posições do reticulado cristalino para 
outras.
Os mecanismos diferentes para explicar o movimento atômico 
durante a difusão são, a DIFUSÃO POR LACUNAS (ou DIFUSÃO 
SUBSTITUCIONAL) e a DIFUSÃO INTERSTICIAL.
Para ocorrer a movimentação de átomos são necessárias duas 
condições:
(1) deve existir um espaço livre adjacente ao átomo;
(2) o átomo deve possuir energia suficiente para quebrar as ligações 
químicas que o une a seus átomos vizinhos; causar uma distorção 
no reticulado cristalino durante seu deslocamento para a nova posição e 
formar ligações químicas com os átomos de sua nova vizinhança.
Difusão por lacunas (substitucional)
• Um átomo se desloca de uma posição normal da rede 
cristalina para um sítio vago, ou lacuna, adjacente.
A movimentação dos átomos ocorre em uma direção e a 
das lacunas ocorre na mesma direção em sentido oposto.
A extensão segundo a qual a difusão por lacunas 
pode ocorrer é função da concentração de lacunas 
presente no metal.
A concentração de lacunas aumenta com a temperatura.
Quando átomos hospedeiros se difundem, ocorre o 
processo de AUTODIFUSÃO e quando átomos de 
impurezas substitucionais se difundem, ocorre o 
processo de INTERDIFUSÃO.
Difusão por lacunas 
(substitucional)
Difusão intersticial
• São átomos intersticiais migram para posições intersticiais 
adjacentes não ocupadas do reticulado.
Difusão intersticial
Em metais e ligas, a difusão intersticial é um 
mecanismo importante para a difusão de impurezas de 
raio atômico pequeno em relação aos do hospedeiro.
Exemplos: hidrogênio, carbono, nitrogênio e oxigênio no 
aço.
Geralmente, a difusão intersticial é muito mais rápida que 
a difusão por lacunas.
Exemplo: No caso do Fe- α a 500˚C, a difusão dos átomos 
de carbono é quase 109 vezes mais rápida do que a 
autodifusão dos átomos de ferro.
Fluxo de difusão (J)
• É definido como sendo a massa (ou, de forma equivalente, o 
número de átomos) M que se difunde por unidade de tempo 
através de uma área unitária perpendicular à direção do 
movimento da massa,
• A -representa a área através da qual a difusão está ocorrendo 
• t -é o intervalo de tempo de difusão decorrido.
• No Sistema Internacional (SI), as unidades para J são quilogramas 
(ou átomos) por metro quadrado por segundo (kg.m-2s-1 ou 
átomos.m-2.s-1 )
Primeira Lei de Fick
• Para processos de difusão em estado estacionário, a equação que 
correlaciona o fluxo de difusão J com o gradiente de concentração 
dC/dx é chamada de PRIMEIRA LEI DE FICK,
• O sinal negativo na equação acima indica que o fluxo ocorre na direção 
contrária à do gradiente de concentração, isto é, no sentido das 
concentrações altas para as concentrações baixas.
• Na primeira lei de Fick, o POTENCIAL TERMODINÂMICO ou 
FORÇA MOTRIZ ("driving force") para que ocorra o fenômeno de 
difusão é o gradiente de concentração.
Difusão em estado não-estacionário
• A maioria das situações práticas envolvendo difusão ocorre em 
condições de ESTADO NÃO-ESTACIONÁRIO (ou REGIME 
TRANSITÓRIO ou CONDIÇÕES TRANSIENTES).
• Na difusão em estado não-estacionário tanto o fluxo de difusão, 
quanto o gradiente de concentração, numa dada posição x, 
variam com o tempo t. Como resultado, ocorre um acúmulo ou 
esgotamento líquido do componente que se encontra em difusão.
Segunda lei de Fick
 Para descrever a difusão em estado não-estacionário, é utilizada a 
equação diferencial parcial chamada de SEGUNDA LEI DE 
FLICK.
Se o coeficiente de difusão não depende da composição 
(portanto, da posição), a segunda lei de Fick se simplifica para
Quando são especificadas condições de contorno que 
correspondentes a um fenômeno físico, é possível se obter 
soluções para segunda lei de Fick. Essas soluções são funções C 
= f(x,t) que representam as concentrações em termos tanto da 
posição quanto do tempo.
Aplicações
• Filtros para purificação de gases
• Homogeneização de ligas com segregação
• Modificação superficial de peças por alteração de 
composição química
• Dopagem de semicondutores
• Processadores de microcomputadores
• Sinterização
A difusividade depende de...
• Tipo de mecanismo (Substitucional ou intersticial)-
Dependendo dos tamanhos atômicos envolvidos, o 
mecanismo de difusão influência a intensidade de 
difusão.
• A temperatura na qual ocorre a difusão- Quanto maior 
a temperatura, maior o coeficiente de difusão.
• Tipo de estrutura cristalina do solvente- estruturas 
compactas (CFC e HC) dificultam a disfusão.
• Tipo e quantidade de imperfeições- Defeitos como 
discordância e lacunas aumentam a intensidade de 
difusão.
Temperatura
• A temperatura apresenta uma influência das mais profundas 
sobre os coeficientes e taxas de difusão. A dependência dos 
coeficientes de difusão em relação a temperatura se dá pela 
expressão:
Processos
• Tratamentos Térmicos
• Transformações de Fase
• Crescimento de Grão
• Sinterização de Pós
• Purificação de Hidrogênio