Imperfeições em Sólidos

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Imperfeições em Sólidos
Aula 06
Prof. Me. Rodrigo S. Fontoura
rodrigo.fontoura@unialfa.com.br
Tipos de imperfeições
• Defeitos pontuais;
• Defeitos de linha (discordâncias);
• Defeitos de interface (grão e maclas);
• Defeitos volumétricos (inclusões, precipitados).
Defeitos Pontuais – Lacunas 
 e Autointersticiais
Lacunas ou Vazios
● 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.
Lacunas, Vacâncias ou Vazios
O número de vazios aumenta exponencialmente com a 
temperatura:
NL = N exp (- QL/ k*T) 
NL = Número de lacunas em equil./quant. de material;
N = número total de sítios atômicos;
QL= energia necessária para a formação de uma lacuna;
T = temperatura em Kelvin;
k = constante de Boltzman = 1,38x10-23J/átomo*K ou 
8,62x10-5 eV/ átomo*K.
PS.: k da origem a R (8,314 J/mol*K), prove!!
Lacunas, Vacâncias ou Vazios
Cálculo do número total de sítios atômicos:
N = (NA *ρ)/AA
NA = N° de Avogadro = 6,022*1023 átomos/mol;
ρA = Massa específica do material;
AA = Peso atômico do elemento.
Exercício:
Calcule o n° de lacunas em equilíbrio, por metro cúbico 
de cobre, a 1000°C. A energia para a formação de uma 
lacuna é de 0,9 eV/átomo; o peso atômico e a massa 
específica (a 1000°C) para o cobre são de 63,5 g/mol e 
8,4 g/cm3, respectivamente.
Resp.: 2,2 * 1025 lacunas/m3
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;
• Este defeito é menos provável 
que uma lacuna.
Intersticiais
Átomo intersticial pequeno
Átomo intersticial grande
Gera maior distorção na rede
Interstícios na rede Cúbica (C-Fe)
● Na maioria das aplicações de engenharia, a 
necessidade de propriedades específicas, faz com que o 
uso de materiais metálicos nem sempre esteja restrito aos 
metais puros;
● Na verdade, apenas em um número bastante limitado 
de aplicações, os metais podem ser encontrados na forma 
pura ou quase pura;
● Por exemplo, o cobre de alta pureza (99,99%) é usado 
na confecção de fios elétricos devido a sua elevada 
condutividade elétrica.
Interstícios na rede Cúbica (C-Fe)
● Por outro lado, a maioria dos materiais metálicos 
usados em engenharia, estão combinados com 
outros metais ou não-metais; 
● Estas combinações, denominadas de ligas 
metálicas, têm o objetivo de aumentar a resistência 
mecânica, a resistência à corrosão ou melhorar outras 
propriedades .
 
Interstícios na rede Cúbica (C-Fe)
● Um exemplo bastante comum de liga metálica 
pode ser observado no aço, em que as estruturas 
CFC e CCC do ferro abrigam átomos de carbono.
 
● Esta combinação permite obter um material 
extremamente versátil, com aplicações bastante 
diversificadas.
 
Interstícios na rede Cúbica (C-Fe)
 
Interstícios na rede Cúbica (C-Fe)
 
Interstícios na rede Cúbica (C-Fe)
 
Interstícios na rede Cúbica (C-Fe)
 
Interstícios na rede Cúbica (C-Fe)
● Já o soluto intersticial é o que fica nos "vãos" da 
matriz. Estes vãos ou vazios são chamados de 
interstícios. 
● As soluções sólidas intersticiais são formadas 
quando um átomo é muito maior que o outro. Por 
exemplo, o ferro a 1000º C apresenta estrutura CFC 
com o maior vão de diâmetro igual a 1,0 A;
● Assim estes "buracos" abrigam facilmente o 
hidrogênio (d=0,9 A), o boro (d=0,92 A). Entretanto, o 
carbono (d=1,5 A) tem certa dificuldade; 
● Portanto, em virtude dessa diferença, um máximo 
de 2,08 % em peso de carbono pode ser dissolvido 
intersticialmente no ferro a 1148°C.
 
Interstícios na rede Cúbica (C-Fe)
 
Interstícios na rede Cúbica (C-Fe)
Interstícios nas redes cúbicas: (a) Interstício do tipo ¼ , ½ , 0 na rede 
CCC, (b) interstício ½ , 0 , 0 na rede CFC, (c) Interstícios do centro do 
cubo ½ , ½ , ½ e do centro da aresta ½ , 0 , 0 em metais CFC.
Fonte: Donald R. Askeland; Pradeep P. Phulé - The Science and Engineering of Materials, 4th ed.
Defeitos pontuais: (a) lacuna, (b) átomo intersticial, (c) átomo substitucional pequeno,
(d) átomo substitucional grande, (e) defeito de Frenkel, (f) defeito de Schottky. Todos 
estes defeitos perturbam o “perfeito”arranjo atômico dos átomos vizinhos.
Fonte: Donald R. Askeland; Pradeep P. Phulé - The Science and Engineering of Materials, 4th ed.
Mecanismos de difusão
1
Impurezas em sólidos
Impurezas nos sólidos
• 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 metálicas
• Impurezas são adicionadas intencionalmente 
 com a finalidade:
- aumentar a resistência mecânica;
- aumentar a resistência à corrosão;
- Aumentar a condutividade elétrica.
• A adição de átomos de impurezas a um
metal irá resultar a formação de:
D Soluções sólidas < limite de solubilidade;
D Segunda fase > limite de solubilidade;
• A solubilidade depende :
D Temperatura;
D Tipo de impureza;
D Concentração da impureza.
lustração de fases e solubilidade: (a) As três formas da água: sólida, líquida e gasosa; (b) 
água e álcool têm solubilidade ilimitada; (c) Sal e água possuem solubilidade limitada;
(d) Água e óleo não possuem solubilidade.
Fonte: Donald R. Askeland; Pradeep P. Phulé - The Science and Engineering of Materials, 4th ed.
● Elemento de liga ou Impureza  soluto(< quantidade)
● Matriz ou Hospedeiro  solvente
(>quantidade)
Soluções Sólidas Substitucionais
SUBSTITUCIONAL 
 ORDENADA
SUBSTITUCIONAL 
 DESORDENADA
• Relembrando: os átomos do soluto ou átomos de 
impurezas tomam o lugar dos átomos 
hospedeiros ou os substituem.
Fatores que influem na 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 maior que a do 
hospedeiro
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
Defeito de linha
Discordâncias
É um defeito linear ou unidimensional em torno do qual 
alguns dos átomos estão desalinhados;
• 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;
• Podem ser:
 - Aresta
 - Hélice 
 - Mista
Discordâncias
É um defeito linear ou unidimensional em torno do qual 
alguns dos átomos estão desalinhados;
• 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;
• Podem ser:
 - Aresta
 - Hélice 
 - Mista
Vetor de Burgers (b)
• Dá a magnitude e a direção de distorção da 
rede;
• Corresponde à distância de deslocamento dos 
átomos ao redor da discordância.
Discordância Aresta
• Envolve um meio - plano 
extra de átomos;
• O vetor de Burger é 
perpendicular à direção da 
linha da discordância;
• Envolve zonas de tração 
e compressão.
● O cristal perfeito em (a) é cortado e um meio plano atômico 
extra é inserido (b);
● A extremidadeda parte inferior do plano extra é uma 
discordância aresta (c);
● O vetor de Burgers b é necessário para fechar um circuito de 
igual espaçamento atômico ao redor da discordância.
Discordância Hélice
• Produz distorção na rede 
devido a tensão de 
cisalhamento;
• O vetor de Burgers é 
paralelo à direção da linha 
de discordância.
● O cristal perfeito (a) é cortado e cisalhado em um espaçamento 
interatômico, (b) e (c);
● A linha ao longo da qual ocorre o cisalhamento é uma discordância 
em hélice;
● Um vetor de Burgers b é requerido para fechar o circuito de igual 
espaçamento interatômico ao redor da discordância.
Discordância mista
1 
.
-
Linha da discordanc.ia
... - - - 
--.... .....
Como se observa as discordância
• Diretamente  microscopia eletrônica de 
transmissão (MET);
• Indiretamente  microscopia eletrônica de 
varredura (MEV) e microscopia óptica (após 
ataque químico seletivo).
DISCORDÂNCIAS NO MET
Discordâncias e deformação plástica
Discordâncias e deformação plástica
Considerações Gerais
• 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.
Bibliografia
 Callister Jr., W. D. Ciência e engenharia de 
 materiais: Uma introdução. LTC, 5ed., 
cap 3, 2002.
Notas de aula da Profª. Dra. Daniela Becker
	Imperfeições em Sólidos
	Tipos de imperfeições
	Slide 3
	Lacunas ou Vazios
	Lacunas ou Vazios
	Slide 6
	Exemplo
	Intersticiais
	Intersticiais
	Slide 10
	Slide 11
	Slide 12
	Slide 13
	Slide 14
	Slide 15
	Slide 16
	Slide 17
	Slide 18
	Interstícios na rede cúbica (C --- Fe)
	Slide 20
	Slide 21
	Mecanismos de difusão
	Slide 23
	Impurezas nos sólidos
	Ligas metálicas
	A adição de átomos de impurezas a um
	Slide 27
	Slide 28
	Soluções Sólidas Substitucionais
	Fatores que influem na formação de
	são solúveis em todas as proporções
	Defeito de linha
	Discordâncias
	Slide 34
	Vetor de Burger (b)
	Discordância Aresta
	Slide 37
	Discordância Hélice
	Slide 39
	Discordância mista
	Como se observa as discordância
	DISCORDÂNCIAS NO TEM
	Discordâncias e deformação plástica
	Slide 44
	Considerações Gerais
	Bibliografia