Capítulo 4 Imperfeições nos sólidos

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Curso de Graduação em Engenharia Mecânica
Materiais de Construção Mecânica
Imperfeições nos sólidos 
(Capítulo 4)
Prof. Alexandre Sant’Anna
2015.2
CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA
CELSO SUCKOW DA FONSECA 
UnED Itaguaí
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INTRODUÇÃO
Todos os materiais sólidos contêm um grandes número e
variedade de defeitos ou imperfeições.
As propriedades dos materiais são profundamente
sensíveis aos defeitos e imperfeições da estrutura
cristalina.
3
INTRODUÇÃO
Defeito Cristalino é uma irregularidade na rede
cristalina, que pode ocorrer em uma ou mais dimensões, na
ordem de um diâmetro atômico.
Os defeitos cristalinos são classificados de acordo com
a sua geometria e dimensão.
Tipos de defeitos:
 Pontuais;
 Lineares; e
 Interfaciais.
4
Os Defeitos pontuais podem ser de dois tipos:
 Lacuna
 Auto intersticial.
Lacuna é um sítio vago na rede cristalina, que deveria
estar ocupado por um átomo. É o mais comum encontrado na
rede cristalina de materiais sólidos.
Auto intersticial é quando um átomo de cristal ocupa um
sítio intersticial entre os átomos da rede cristalina. A
presença de lacunas na rede cristalina aumenta a entropia de
um cristal, ou seja, aleatoriedade.
Defeitos pontuais
5
Defeitos pontuais
6
O número de lacunas em equilíbrio na rede cristalina é dado
pela seguinte equação:
3
23
A
 exp(- )
 onde:
N = Número átomos por unidade de volume (átomos/m ), dado por: N = 
N = número de Avogadro (6,023 x 10 átomos/mol).
ρ = massa especí
l
l
A
Q
N N
KT
N
A


3
5
fica (g/m ).
A = peso atômico (g/mol).
Q = Energia necessária para a formação de uma lacuna (eV/átomo).
K = Constante de Boltzmann (8,62 x 10 eV/K).
T = Temperatura absoluta em Kelvin

Defeitos pontuais
7
Os metais não são totalmente puros, existem átomos de
impurezas presentes em sua rede cristalina.
Existem átomos de impurezas (solução sólida) são
adicionados intencionalmente nas ligas metálicas, para
melhorar as propriedades físicas (mecânicas) e químicas
(resistência à corrosão) do material.
Impurezas nos sólidos
8
Solução sólida: são átomos de impurezas (soluto) que são
adicionados aos átomos do material hospedeiro (solvente),
preservando a estrutura cristalina do material.
Solvente: elemento ou composto que está presente em maior
concentração (quantidade).
Soluto: elemento ou composto que está presente em menor
concentração.
Fase: É uma porção de material que apresenta
homogeneidade de propriedades físicas e químicas.
Impureza nos Sólidos
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Tipos de soluções sólidas:
 Substitucional
 Intersticial.
Substitucional: os átomos de soluto repõem ou substituem
os átomos de solvente.
Intersticial: os átomos de soluto preenchem os espaços
vazios (interstícios) que existem entre os átomos de solvente.
Defeitos pontuais
10
Defeitos pontuais
11
Características do defeito pontual substitucional
A diferença entre os raios atômicos de solvente e do soluto
é pequena , aproximadamente 15%.
A estrutura cristalina do metal permanece a mesma após a
inclusão do soluto.
Quanto mais eletropositivo for solvente e eletronegativo for
o soluto, maior será a probabilidade de formar um composto
intermetálico, em vez de formar uma solução sólida
substitucional.
O metal tende a dissolver um outro metal de maior valência
do que um de menor valência.
Defeitos pontuais
12
Características do defeito pontual intersticial
Materiais metálicos com fatores de empacotamento
relativamente elevados possuem posições intersticiais
relativamente pequenas.
O diâmetro atômico de impureza intersticial são menores do
que dos átomos de solvente.
A concentração máxima de átomos de impurezas intersticiais
é baixa, inferior a 10%.
Quando os átomos de impurezas são maiores que os sítios
intersticiais, eles introduzem defeitos de rede nos átomos
hospedeiros adjacentes.
Defeitos pontuais
13
Concentração dos elementos de liga
A concentração de uma liga metálica é expressa em termos
da porcentagem em peso (ou massa) ou da porcentagem
atômica.
Cálculo da porcentagem em peso (%p):
Cálculo da porcentagem atômica (%a):
im
i
i
número de moles de um elemento químico (n ) é dado por:
, onde:
m massa de elemento químico.
A peso atômico de um elemento químico.
i
i
m
i
m
n
A


Defeitos pontuais
14
Fórmulas para conversão entre concentrações
1) Porcentagem em peso para porcentagem atômica:
2) Porcentagem atômica para porcentagem em peso:
Defeitos pontuais
15
3) Porcentagem em peso para massa por unidade de volume:
4) Porcentagem em peso ou atômica para massa
específica:
Defeitos pontuais
16
5) Porcentagem em peso ou atômica para peso atômico:
Observação:
Defeitos pontuais
17
Discordância é um defeito linear ou unidirecional entorno
do qual alguns átomos estão desalinhados na rede cristalina.
Tipos de discordâncias:
 Aresta
 Espiral
 Mista
Vetor Burgers expressa a magnitude e a direção da
distorção da rede cristalina associadas a uma discordância.
A deformação plástica dos materiais cristalinos ocorre pelo
movimento de discordância.
Defeitos lineares
18
Discordância aresta
Ocorre quando uma aresta de um plano de átomos (ou
semiplano ) termina no interior do cristal de um outro plano.
Defeitos lineares
19
Discordância espiral
Ocorre quando uma tensão cisalhante é aplicada no
material, produzindo uma distorção na rede cristalina.
Defeitos lineares
20
Discordância mista
É tipo de discordância que não é puramente aresta e nem
espiral, exibe componentes de ambos os tipos.
Defeitos lineares
21
Definição: são contornos bidimensionais, que separam
regiões dos materiais com diferentes estrutura cristalinas
e/ou orientações cristalográficas.
Tipos: Contornos de superfície externa, contornos de grãos,
contornos de maclas, falhas de empilhamento e contornos de
fase.
Contornos de superfície externa
Os átomos da superfície não estão ligados ao número
máximo de vizinhos mais próximos. Estes átomos possuem um
estado de energia maior do que átomos das camadas internas
do material. Esta energia excedente, dá origem a uma energia
de superfície que provoca a redução de total área de sua
superfície.
Defeitos lnterfaciais
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Contornos de grão
É um tipo de defeito provocado pelo desalinhamento dos
átomos na transição da orientação cristalográfica de um grão
para a orientação de um grão adjacente.
Os átomos localizados nos contornos de grão se ligam aos
átomos adjacentes de maneira irregular, gerando uma
energia interfacial nesta região, deixando-a mais reativa
quimicamente do que a região dos grãos internos.
Os átomos de impurezas migram para a região dos
contornos de grão, em virtude do estado de energia mais
elevado.
A energia interfacial é menor em regiões de contornos com
grãos maiores (ou grosseiros) do que em regiões com grãos
mais finos, em virtude da área contorno total ser menor.
Defeitos lnterfaciais
23
Contornos de grão
Defeitos lnterfaciais
24
Contornos de Macla
É um tipo de defeito de contorno de grão, onde existe um
simetria espelhada específica da rede cristalina.
Este defeito é gerado por deslocamentos atômicos
produzidos por tensões de cisalhamento ou tratamento térmico
de recozimento aplicados ao material.
Ocorre em um determinado plano cristalográfico e direção
específica, dependendo da estrutura cristalina do material.
Defeitos lnterfaciais
25
Defeitos lnterfaciais
26
São defeitos introduzidos durante as etapas de
processamento e fabricação do materialmetálico.
Exemplos: poros, trincas, inclusões, etc.
Defeitos volumétricos ou de massa
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São utilizadas para analisar e estudar a microestrutura do
material.
A microscopia pode ser óptica, eletrônica ou por sonda.
Microscopia óptica
A radiação luminosa é usada para analisar materiais opacos à
luz visível . Os contrastes na imagem produzida resultam das
diferenças na refletividade das várias regiões da
microestrutura.
Técnicas de microscopia
28Microscópio óptico
Técnicas de microscopia
29
Microscopia óptica
Técnicas de microscopia
Microestrutura obtida pelo emprego da técnica metalográfica 
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Microscopia eletrônica
A imagem da microestrutura do material é obtida por feixes
de elétrons emitidos sobre a amostra.
Os contrastes na imagem são produzidos por diferenças na
dispersão ou difração do feixe entre os vários elementos
químicos ou defeitos da microestrutura.
Tipos: Microscópio Eletrônico de Transmissão (MET) e o
Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV).
Técnicas de microscopia
31Microscópio Eletrônico de Transmissão (MET)
Técnicas de microscopia
32
Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV)
Técnicas de microscopia
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Microscopia Eletrônica de Varredura
Técnicas de microscopia
MEV – Superfície de fratura do aço ARBL – Ampliação 2.000x. 
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Microscopia eletrônica por sonda (MVS) 
A imagem é gerada por levantamento topográfico da
microestrutura do material, em escala atômica, por intermédio
de um sonda.
Técnicas de microscopia
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Problema exemplo 4.1
Calcule o número 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.
Exercícios
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Problemas-Exemplo 4.3
Determine a concentração, em porcentagem atômica, de uma
liga que consiste em 97%p alumínio e 3%p cobre.
Exercícios
37
Perguntas e Problemas 4.2
Calcule o número de lacunas por metro cúbico no ouro a 900ºC.
23
3
5
: 
N .exp( )
.
6,023 10 / ;
18,63 / ;
196,97 / ;
0,98 / ;
8,62 10 /
l
l
A
A
Au
Au
l
Dados
Q
N
KT
N
N
A
N x átomos mol
g cm
A g mol
Q eV átomo
K x eV átomo K



 





 
Exercícios propostos
38
Perguntas e Problemas 4.3
Calcule a energia para a formação de lacuna na prata,
sabendo-se que o número de lacunas em equilíbrio na
temperatura de 800 ºC (1073 K) é de .
23 3
5
: 
N .exp( ) 
.
6,023 10 / ; 9,50 / ;
107,90 / ; 8,62 10 / .
l
l
A
A Ag
Ag
Dados
Q
N
KT
N
N
A
N x átomos mol g cm
A g mol e K x eV átomo K



 

 
  
Exercícios propostos
23 33,6x10 m
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Perguntas e Problemas 4.8
Qual é a concentração, em porcentagem em peso, de uma liga
que consiste de 5%a de Cobre e 95%a de Platina?
Dados:
Pt63,55 g/mol e A =195,08 g/molCuA 
Exercícios propostos
40
Perguntas e Problemas 4.9
Calcule a concentração, em porcentagem em peso, de uma liga
que contém 105 Kg de ferro, 0,2 Kg de carbono e 1,0 Kg de
cromo.
Dados:
1
1
1 2 3
m
C = x100
m +m +m
Exercícios propostos
41
Perguntas e Problemas 4.10
Qual é a concentração, em porcentagem atômica, de uma liga
que contém 33g de cobre e 47g de zinco?
Exercícios propostos
Zn
Cu
1
1
1
1
1
1 2
Dados:
A = 65,39g/mol; 
A = 63,55g/mol;
m
 n = ;
A
n
 C = x100
n +n
42
Perguntas e Problemas 4.15
A concentração de silício em uma liga ferro-silício é de 0,25%p.
Qual é a concentração em quilogramas de silício por metro
cúbico da liga?
Dados:
Exercícios propostos
3
3
Fe
= 2,33 g/cm
= 7,87 g/cm
Si

43
Perguntas e Problemas 4.16
Determine a massa específica aproximada de uma liga de
titânio (Ti-6Al-4V) que possui uma composição de 90%p Ti,
6%p Al e 4%p V.
Dados:
Exercícios propostos
3
3
3
= 4,51 g/cm
= 2,71 g/cm
= 6,10 g/cm
Ti
Al
V



44
Perguntas e Problemas 4.21
O nióbio forma uma solução sólida substitucional com o vanádio.
Calcule o número de átomos de nióbio por centímetro cúbico
para uma liga nióbio-vanádio que contém 24%p de Nb e 76%p
de V.
Dados:
Exercícios propostos
3
3
Nb
23 
A
= 8,57 g/cm
= 6,10 g/cm
A = 92,91 g/mol
N = 6,023x10 átomos/mol
Nb
V


45
Perguntas e Problemas 4.23
O ouro forma uma solução sólida substitucional com a prata.
Calcule a concentração de ouro, em porcentagem em peso, que
deve ser adicionada à prata para produzir uma liga que
contém átomos de Au por centímetro cúbico.
Dados:
Exercícios propostos
215,5 10x
46
Ciência e Engenharia de Materiais - Uma Introdução, Willian
D. Callister. Jr, 7ª Edição, Editora LTC, 2007.
Bibliografia