Defeitos Cristalinos-Cap 04

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Ciências dos Materiais
Profª Márcia Rocha 1
Imperfeições Estruturais - Definição 
�Os defeitos cristalinos são imperfeições que ocorrem no 
arranjo periódico regular dos átomos em um cristal.
� Podem envolver irregularidades:
� Na “posição dos átomos”.
� No “tipo de átomos”.
� O tipo e o número de defeitos dependem:
� do material
� da “história” de processamento do material.
� do meio ambiente.
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Imperfeições Cristalinas
� Todo Cristal exibe defeitos.
� Quantidade e tipo de imperfeições depende da 
forma que o cristal foi formado.
� Defeitos modificam o comportamento do material:
� Mecânico
� Elétrico
� Químico
� Ótico
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Comportamento ótico de três estruturas de Al2O3
A figura abaixo apresenta três formas de disco delgado produzidas de um mesmo
material (Al2O3) colocadas sobre material impresso. A propriedade ótica
transmitância das três amostras são diferentes. As amostras são produzidas de óxido
de alumínio, porém, a da esquerda é um monocristal perfeito. A amostra do centro é
composta por inúmeros monocristais, a fronteira entre estes cristais (contornos de
grão) torna a luz difusa, porém translúcida. A amostra da direita apresenta além de
inúmeros monocristais apresenta porosidade, tornado-a opaca a luz.
Material 
monocristalino
(safira) . 
Transparente
Material policristalino
e altamente denso (sem 
poros). Translúcido
Material policristalino
com ~5% de 
porosidade. Opaco
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Imperfeições Estruturais - Defeitos
� Através da introdução de defeitos, controlando o número e o 
arranjo destes, é possível desenvolver novos materiais com 
as características desejadas.
� Exemplo:
� Dopagem em semicondutores: As imperfeições são criadas 
para alterar o tipo de condutividade em determinadas regiões 
do material.
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Tipos de defeitos
� Todos os cristais reais apresentam inúmeros defeitos, 
classificados por sua dimensionalidade.
� Defeitos Pontuais: (dimensão “zero”; associados com 1 ou 
2 posições atômicas): vacâncias (lacunas); impurezas 
intersticiais e substitucionais.
� Defeitos Lineares: (dimensão “um”): Discordâncias 
(deslocamentos).
� Defeitos Planares: ou Interfaciais (dimensão “dois”): 
superfícies externas, interfaces, fronteiras de grão, 
contornos de macla (tipo de contorno de grão).
� Defeitos Volumétricos (dimensão “três”): Vazios, fraturas, 
inclusões e outras fases.
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Defeitos Pontuais
�Apenas uma pequena fração dos sítios atômicos são 
imperfeitos (menos de 1 em 1 milhão). Apesar de poucos, 
eles influenciam muito nas propriedades dos materiais (nem 
sempre de forma negativa).
�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 sair de suas posições, deixando um vazio 
em seu lugar.
�Por outro lado, dentro da rede cristalina existem inúmeros 
interstícios, espaços vazios entre os átomos, nos quais é 
possível alojar outros átomos.
�Finalmente, é praticamente impossível obter um material 
infinitamente puro. Sempre haverá impurezas presentes na 
rede cristalina.
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Visualização de Defeitos Pontuais
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Defeitos Pontuais em Metais - Lacunas
� Lacuna (“vacancy”): ausência de um átomo em um ponto do reticulado 
cristalino. 
� Todos os sólidos cristalinos contêm lacunas e, na realidade não é possível criar um 
material que seja isento desse tipo de defeito.
� Podem ser formadas durante a solidificação do cristal ou como resultado 
do deslocamento dos átomos de suas posições normais (vibrações 
atômicas).
� São essenciais em processo de difusão.
� Quantidade aumenta com a temperatura.
� Pode-se projetar materiais com propriedades “pré-estabelecidas” através da 
criação e/ou controle desses defeitos.
� Número de lacunas em equilíbrio (N1): N1 = N exp (- Q1/kT), onde
N: Número total de sítios atômicos.
Q1: Energia necessária para a formação de uma lacuna.
T: Temperatura absoluta, em Kelvin.
k: Constante de Boltzmann.
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Impurezas Intersticial
No ferro CCC, somente pequenas concentrações de carbono são solúveis, a solubilidade 
máxima é de 0,022%p a 727°C. A solubilidade limitada pode ser explicada pela forma e 
pelo tamanho das posições intersticiais na estrutura CCC. O carbono está altamente 
comprimido nesta posição, o que implica em baixíssima solubilidade.
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Defeitos Pontuais em Metais - Auto-Intersticiais
� Auto-intersticial: é um átomo da própria rede que ocupa um interstício 
da estrutura cristalina.
� Os defeitos auto-intersticiais causam uma grande distorção do
reticulado cristalino a sua volta.
� A energia de ativação pra formação de auto-Intersticiais é maior que a 
pra formação de lacunas, logo os auto-Intersticiais são mais difíceis de 
ocorrer em situações comuns.
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Impurezas nos metais - Soluções Sólidas
�Ligas são combinações de dois ou mais metais num material. 
Estas combinações podem ser misturadas de dois tipos de 
estruturas cristalinas. Ou em outra alternativa, as ligas podem 
envolver uma solução sólida.
�Em uma liga, o elemento presente em menor concentração
denomina-se soluto e aquele em maior quantidade, solvente.
�Solução sólida: ocorre quando a adição de átomos do soluto
não modifica a estrutura cristalina nem provoca a formação de
novas estruturas.
� Solução sólida intersticial: os átomos de soluto ocupam os
interstícios existentes no reticulado.
� Solução sólida substitucional: os átomos de soluto substituem
uma parte dos átomos de solvente no reticulado.
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Soluções Sólidas
� Solução sólida Intersticial
� Mistura de elementos onde o soluto, ocupa posições 
intersticiais.
� Normalmente, a concentração máxima permissível de átomos de 
impurezas intersticiais é baixa (inferior a 10%).
� Exemplo Fe-C ; Fe-H
� Solução sólida Substitucional
� Mistura de elementos onde o soluto, ocupa posições 
substitucionais
� Exemplo Cu-Zn ; Cu-Sn
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As regras de Hume-Rothery
• Para que haja total miscibilidade entre dois metais, é 
preciso que eles satisfaçam as seguintes condições
� Seus raios atômicos não difiram de mais de ± 15%. 
� Do contrário, os átomos do soluto irão criar distorções substanciais na rede e 
uma nova fase irá se formar.
� Tenham a mesma estrutura cristalina.
� Para que a sólida seja apreciável, as estruturas cristalinas dos metais de ambos 
os tipos de átomos devem ser a mesma.
� Tenham eletronegatividades similares. 
� Quanto mais eletropositivo for um elemento e mais eletronegativo for o outro, 
maior será a probabilidade de eles formarem um composto intermediário em 
vez de uma solução sólida substitucional.
� Tenham a mesma valência ou maior que a o hospedeiro.
� Um metal apresentará maior tendência de dissolver um outro metal de maior 
valência do que um metal de menor valência.
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S. S. Substitucional
Cu Ni Au K Rb
Raio atômico [Å] 1,28 1,25 1,44 2,27 2,48
Estrutura cristalina CFC CFC CFC CCC CCC
Eletronegatividade 1,9 1,8 2,4 0,8 0,8
Valência +1 (+2) +2 +1 +1 +1
� Exemplos de Ligas: Cu-Ni ; Cu-Au ; K-Rb
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Ciências dos Materiais
Profª Márcia Rocha 8S.S. e Propriedades Mecânicas
� Presença de solutos altera o 
comportamento mecânicos dos 
metais.
� Diferença entre tamanhos atômicos 
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.
Metal Cu Zn Sn Be
Raio Atômico, Å 1,28 1,34 1,40 1,05
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Soluções Sólidas
�Os átomos intersticiais interferem na condutividade elétrica 
e no movimento dos átomos que formam o retículo. Este 
movimento restrito torna a liga mais dura e forte do que 
seria o metal hospedeiro (solvente).
�Como existem pequenas diferenças no tamanho e na
estrutura eletrônica, os átomos do soluto, em uma liga
substitucional, distorcem a forma do retículo e dificultam o
fluxo dos elétrons.
�Como o retículo está distorcido, é mais difícil para um plano
de átomos deslizar por cima do outro. Como resultado,
embora uma liga substitucional tenha condutividade térmica
e elétrica mais baixa que o elemento puro, é mais forte e
dura.
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Profª Márcia Rocha 9
S.S. e Propriedades Mecânicas
� Os metais com pureza elevada são quase sempre mais macios e mais fracos do que 
as ligas compostas pelo mesmo metal de base. O aumento da concentração de 
impurezas resulta em um conseqüente aumento no limite de escoamento.
� As ligas metálicas são mais resistentes do que os metais puros, pois os átomos de 
impurezas (solutos) que entram na solução sólida impõem deformações do reticulado 
cristalino sobre os átomos hospedeiros vizinhos (solvente).
� As deformações impostas ao reticulado cristalino interagem com as discordâncias 
restringindo seus movimentos e por conseqüência geram aumento da resistência 
mecânica.
Indica o início da deformação 
plástica do material.
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Mecanismos do Aumento da resistência em Metais
Solução sólida 
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Profª Márcia Rocha 10
Defeitos Pontuais em cerâmicas
�São possíveis tanto lacunas como intersticiais.
�Como os materiais cerâmicos contém íons de pelo menos dois 
tipos diferentes, os defeitos podem ocorrer para cada espécie de 
íons.
�Defeitos de Frenkel e Schottky.
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Defeitos Pontuais - Frenkel
� Envolve uma lacuna de cátion e um par 
cátion-intersticial.
� Um cátion deixa sua posição normal e se 
move para o interior de um sítio intersticial.
�Não existe um mudança global na carga, 
pois o cátion mantém a mesma carga 
positiva quando se torna intersticial. 
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Profª Márcia Rocha 11
Defeitos Pontuais - Schottky
� Consiste em um “par composto por uma lacuna 
de cátions e uma lacuna de ânions”.
�Remoção de um cátion e de um ânion do interior 
do cristal, seguido pela colocação de ambos os 
íons em uma superfície externa.
�Presentes principalmente em compostos altamente 
iônicos (compostos que tem que manter o balanço 
de cargas).
� Os íons positivos e negativos apresentam 
tamanho semelhante.
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Defeitos em linha
�Também chamados de discordâncias são defeitos lineares ou 
unidimensionais em torno do qual alguns 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.
�Existem dois tipos de principais de discordâncias:
� Discordância em cunha ou de aresta.
� Discordância em hélice ou espiral.
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Profª Márcia Rocha 12
Vetor de Burger
� Dá a magnitude e a direção de distorção da 
rede cristalina.
� Corresponde à distância de deslocamento 
dos átomos ao redor da discordância.
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Discordância em Cunha ou em Aresta
� O vetor de Burger é perpendicular à direção da linha da 
discordância.
� Envolve zonas de tração e compressão
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Profª Márcia Rocha 13
Discordância em Cunha ou em Aresta
� A deformação pode ser imaginada como sendo produzida pela inserção 
ou interrupção de um plano atômico na metade superior. 
� Os átomos da metade superior do cristal são comprimidos por este plano 
extra, enquanto os da metade inferior se estendem.
� O vetor de Burgers é representado pela seta e é perpendicular a linha de 
discordância.
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Discordância em Hélice ou em Espiral
�Produz distorção na rede.
�O vetor de burger é paralelo à direção da linha de 
discordância.
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Profª Márcia Rocha 14
Discordância em Hélice ou em Espiral
�A figura abaixo marca o contorno entre a parte do cristal que 
sofreu o escorregamento e a região que não sofreu.
�O vetor de Burgers mostrado é paralelo à linha de 
discordância.
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Discordâncias
�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.
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Profª Márcia Rocha 15
Discordâncias
�As discordâncias geram vacâncias.
�As discordâncias influem nos processos de 
difusão.
�As discordâncias contribuem para a deformação 
plástica.
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Defeitos de Superfície
� Cristais apresentam defeitos em duas dimensões, que se 
estendem ao longo da estrutura, gerando imperfeições de 
superfície:
� Superfícies livres
� Falhas de empilhamento
� Contornos de grão
� Maclas ou Twins
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Profª Márcia Rocha 16
Superfície Livre� Superfície externa: é a 
superfície entre o cristal e o meio 
que o circunda.
� É o mais óbvio.
� Na superfície os átomos não 
estão completamente ligados ao 
número máximo de vizinhos mais 
próximos.
� Então o estado de energia dos 
átomos na superfície é maior que 
no interior do cristal.
� Os materiais tendem a 
minimizar está energia.
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Falhas de empilhamento
� Ocorre nos materiais 
quando há uma 
interrupção na seqüência 
de empilhamento, por 
exemplo na seqüência 
ABCABCABC.... dos 
planos compactos dos 
cristais CFC.
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Contornos de Grão� Contornos entre dois cristais sólidos da mesma fase. 
� O contorno de grão ancora o 
movimento das discordância pois 
constitui um obstáculo para a 
passagem da mesma.
�A passagem de uma discordância 
através do contorno de grão requer 
energia.
� A energia interfacial total é 
menor em materiais com grãos 
grandes ou grosseiros do que em 
materiais com grãos mais finos, uma 
vez que existe menos área de 
contorno total nos grãos grandes.
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Mecanismos do Aumento da resistência em Metais
Contornos de grão
• Regiões que apresentam distorção na rede atrapalhando a movimentação 
das discordâncias.
Dificuldade de 
movimentar 
discordâncias
Aumento da 
resistência 
do material
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Maclas�Tipo especial de contorno de grão que separa duas regiões 
com uma simetria tipo “espelho”.
�Tal defeito ocorre quando parte da rede cristalina é 
deformada, de modo que a mesma forme uma imagem 
especular da parte não deformada.
� As maclas resultam de deslocamentos atômicos que são 
produzidos a partir de forças mecânicas de cisalhamento 
aplicadas (maclas de deformação), e também durante 
tratamento térmico de recozimento realizados após 
deformação (maclas de recozimento).
�Em resumo, maclas podem surgir a partir de tensões térmicas 
ou mecânicas.
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Maclas
Uma macla separa duas regiões cristalinas que são, estruturalmente, imagens 
espelhadas uma da outra.
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Maclas
� Maclas podem ser causadas por deformações 
do material, causadas por tensões térmicas ou 
mecânicas;
� Ligas com memória de forma:
� Esse defeito é observado em materiais com memória 
de forma, que podem recuperar sua forma original 
quando expostos a uma fonte de calor;
� As maclas desaparecem quando estes materiais são 
deformados e ressurgem quando são aquecidos a altas 
temperaturas, recuperando sua forma original.
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Defeitos de Volume
� Além dos defeitos apresentados nas 
transparências anteriores, os materiais podem 
apresentar outros tipos de defeitos, que se 
apresentam em escalas muito maiores.
�Esses defeitos normalmente são introduzidos nos 
processos de fabricação, e podem afetar 
fortemente as propriedades dos produtos.
�Exemplos: inclusões, poros, fases, precipitados .
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Defeitos de Volume
� Inclusões:
� Impurezas estranhas.
� podem modificar substancialmente as propriedades elétricas, 
mecânicas e ópticas de um material;
� Porosidade: 
� Origina-se devido a presença ou formação de gases.
� Podem modificar substancialmente as propriedades ópticas, 
mecânicas e térmicas de um material;
� Fases: 
� Forma-se devido à presença de impurezas ou elementos de liga 
(ocorre quando o limite de solubilidade é ultrapassado).
� Precipitados: 
� São aglomerados de partículas cuja composição difere da matriz.
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Defeitos de Volume
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