CM I Imperfeições nos sólidos

Prévia do material em texto

Imperfeições nos 
Sólidos
Profa. Laédna Neiva 
Universidade Federal do Cariri – UFCA
Engenharia de Materiais
Juazeiro do Norte/CE
Disciplina: Ciência dos Materiais I
Uma irregularidade na rede cristalina com
uma ou mais das suas dimensões na ordem de
um diâmetro atômico. A classificação das
imperfeições é feita de acordo com a geometria
ou magnitude do defeito.
Definição:
Imperfeições nos Sólidos 
Uma imperfeição ou erro no arranjo
periódico. Pode envolver uma irregularidade:
 Na posição dos átomos.
 No tipo de átomos.
Definição (menos formal):
Imperfeições nos Sólidos 
Conceitos Fundamentais
Imperfeições nos Sólidos 
Na prática, a existência de um sólido com total perfeição cristalina
é idealizado.
Apenas uma pequena fração dos sítios atômicos apresentam
imperfeições “erros”. Menos de 1 em 1 milhão.
Algumas propriedades são profundamente influenciadas pela
presença das imperfeições.
A influência nem sempre é negativa.
Importância
Imperfeições nos Sólidos 
Permite o desenvolvimento de materiais com a combinação
desejada.
Classificação das Imperfeições
Imperfeições nos Sólidos 
Defeitos Pontuais associados c/ 1 ou 2 posições atômicas
Defeitos Lineares uma dimensão
Defeitos Interfaciais ou Planos fronteiras
Defeitos Volumétricos três dimensões (inclusões e precipitados)
Defeitos Pontuais
Imperfeições nos Sólidos 
Defeitos 
Pontuais
*Lacuna (vacância)
*Intersticial
Schottky
Frenkel
METAIS
CERÂMICAS
*Impurezas 
em Soluções 
Sólidas
Defeito Pontual
Imperfeições nos Sólidos 
LACUNA
Defeito Pontual
Imperfeições nos Sólidos 
LACUNA
Defeito Pontual
Imperfeições nos Sólidos 
LACUNA
Na prática, não é possível criar um material que esteja isento desse tipo
de defeito.
O número de lacunas aumenta exponencialmente com o aumento da
temperatura.
Nv= N exp (-Qv/KT)
Nv= número de vacâncias
N= número total de sítios atômicos
Qv= energia requerida para formação de vacâncias
K= constante de Boltzman = 1,38x1023J/at.K ou 8,62x10-5 eV/ at.K
Defeito Pontual
Imperfeições nos Sólidos 
INTERSTICIAL
Corresponde a presença de átomo posicionado erroneamente em um
sítio intersticial, que em circunstâncias normais não seria ocupado.
Em metais, os defeitos intersticiais introduzem distorções relativamente
grandes.
A formação desse defeito não é comum e, quando ocorre, é detectada
em concentrações significativamente menor do que o defeito de lacuna.
Defeito Pontual
Imperfeições nos Sólidos 
INTERSTICIAL
Defeitos Pontuais (Impurezas nos Metais)
Imperfeições nos Sólidos 
Um metal puro, constituído por 
apenas um tipo de átomo é 
praticamente impossível.
Na prática, é difícil refinar metais a 
pureza superior a 99, 9999%.

Imperfeições nos Sólidos 
No máximo nível de pureza, os átomos de impureza estarão presentes
em uma concentração entre 1022 e 1023 átomos por m3.
Em alguns casos, átomos de impurezas são desejáveis e, por isso, são
adicionados propositalmente. Exemplo: prata de lei.
A formação de liga é feita normalmente para melhorar a resistência
mecânica, resistência à corrosão e a condutividade elétrica.
Defeitos Pontuais (Impurezas nos Metais)
Defeitos Pontuais Soluções Sólidas
Por definição, solução
sólida consiste em uma
estrutura
majoritariamente
constituída por um
elemento, mas que
contém também a
presença de alguns
átomos de impureza.
Estrutura dos átomos do solvente = Estrutura Hospedeira
Átomos do soluto = Presentes em menor concentração
Imperfeições nos Sólidos 
Defeito Pontual Soluções Sólidas
Tipos de solução sólida:
IntersticialSubstitucional
Ordenada Desordenada
Imperfeições nos Sólidos 
Defeito Pontual Soluções Sólidas
Imperfeições nos Sólidos 
Solução Sólida Intersticial
Os átomos de impureza
preenchem os espaços
intersticiais da estrutura
hospedeira.
Quanto maior o FEA da
estrutura hospedeira, menores
serão os espaços intersticiais
dessa estrutura.
Normalmente, a concentração
desse tipo de defeito é baixa (<
10%).
Imperfeições nos Sólidos 
O exemplo mais conhecido de
solução sólida intersticial é caso
da liga Fe-C (aço).
O C tem raio atômico muito
pequeno em comparação ao Fe.
rC= 0,071 nm = 0,71 Å
rFe= 0,124 nm = 1,24 Å 
Imperfeições nos Sólidos 
Solução Sólida Intersticial
Localizações das imperfeições intersticiais nas estruturas CFC e CCC.
Imperfeições nos Sólidos 
O átomo de impureza tende a ocupar o sítio intersrticial maior da célula.
Solução Sólida Intersticial
Solução Sólida Substitucional
SUBSTITUCIONAL 
ORDENADA
SUBSTITUCIONAL 
DESORDENADA
Imperfeições nos Sólidos 
Ocorre quando os átomos do soluto substituem os átomos do solvente na
estrutura cristalina aleatoriamente, não modificando o modelo (arranjo)
cristalino.
É bastante comum em materiais cerâmicos e pode ocorrer a substituição de um
íon por qualquer outro.
(a) (b) (c)
Solução sólida substitucional de estrutura CFC, com íons de tamanho: (a) pequeno; (b)
médio e (c) elevado.
Imperfeições nos Sólidos 
Solução Sólida Substitucional
Regras para Formação de Solução Sólida
Substitucional (Regras de Hume – Rothery)
Para que haja total miscibilidade entre dois metais, é
preciso que eles satisfaçam as seguintes condições:
1. Seus raios atômicos não difiram de mais de 15%.
2. Tenham a mesma estrutura cristalina.
3. Tenham eletronegatividades similares.
4. Tenham as valências o mais próximas possível.
Impurezas em Metais 
Exemplo de Solução Sólida Substitucional
Impurezas em Metais 
Cu + Ni são solúveis em todas as proporções
Elemento
Cu Ni
Raio atômico 0,128nm=1,28 A 0,125 nm=1,25A
Estrutura CFC CFC
Eletronegativida
de
1,9 1,8
Valência +1 (as vezes +2) +2
Exemplo de Solução Sólida Substitucional
Impurezas em Metais 
Visualização da estrutura de uma solução sólida substitucional
(Cu-Ni)
Estado
líquido /
Desordenado
Estado
Sólido / 
Cristalino
Exemplo de Solução Sólida Substitucional
Impurezas em Metais 
Visualização da estrutura de uma solução sólida substitucional
(Cu-Zn)
Impurezas em Sólidos Iônicos 
Defeito Pontual Exclusivo de Estruturas Cerâmicas
DEFEITOS DE 
FRENKEL
DEFEITOS DE 
SCHOTTKY
Impurezas em Sólidos Iônicos 
Defeito Pontual Exclusivo de Estruturas Cerâmicas
DEFEITOS DE 
FRENKEL
LACUNA DE CÁTION E CÁTION INTERSTICIAL. 
Impurezas em Sólidos Iônicos 
Defeito Pontual Exclusivo de Estruturas Cerâmicas
DEFEITOS DE 
SCHOTTKY
Lacuna de cátion e lacuna de ânion. 
Impurezas em Sólidos Iônicos 
Exercícios de Fixação
1. Estruturas com alto FEA tendem a apresentar uma maior
concentração de defeitos de Schottky do que de Frenkel.
Verdadeiro ou falso? Porquê?
2. O Fe e o C formam solução sólida de qual tipo? Por quê?
Especificação da Composição de Ligas
Imperfeições nos Sólidos 
Formas de determinação da composição de ligas:
Porcentagem em 
Peso (ou massa)
Porcentagem 
Atômica
Especificação da Composição de Ligas
Imperfeições nos Sólidos 
Determinação da composição pela % em peso:
Onde:
m1 e m2 representam a massa (em gramas) dos elementos 1 e 2,
respectivamente.
C1 representa a concentração do átomo 1 em % de peso.
Especificação da Composição de Ligas
Imperfeições nos Sólidos 
Determinação da composição pela % atômica:
Onde:
nm1 e nm2 representam a concentração molar dos elementos 1 e 2,
respectivamente.
A1 representa o peso atômico do elemento 1.
C1
’ representa a concentração do átomo 1 em % atômica.
Conversão entre Composições de Ligas
Imperfeições nos Sólidos 
Conversão da % em peso para % atômica:
Conversão da% atômica para % em peso:
Exercícios de Fixação:
Imperfeições nos Sólidos 
1. Determine a composição em porcentagem atômica de uma liga
com 97% de alumínio e 3% de cobre.
2. Qual a composição, em porcentagem atômica, de uma liga que
contém 33 g de cobre e 47 g de zinco.
Exercícios de Fixação:
Imperfeições nos Sólidos 
3. Demonstre a dedução para se chegar na seguinte equação:
Defeitos Lineares (Discordâncias)
Imperfeições nos Sólidos 
É um defeito linear ou unidimesional em torno do qual alguns átomos ficam
desalinhados.
Trata-se de uma porção extra de um plano de átomos, ou semiplano, cuja
aresta termina dentro do retículo.
Defeitos Lineares (Discordâncias)
Imperfeições nos Sólidos 
Classificam-se em:
 Discordância em aresta (cunha)
 Discordância em espiral (hélice)
 Discordância mista
O vetor de Burgers expressa a magnitude de distorção da rede e
corresponde à distância do deslocamento dos átomos ao redor da
discordância.
Defeitos Lineares (Discordâncias)
Imperfeições nos Sólidos 
Discordância Aresta
 Esse tipo de defeito é caracterizado
por uma distorção na perfeição do
retículo em torno do semiplano
adicional de átomos.
 A magnitude dessa distorção diminui
com a distância de afastamento da
linha de discordância.
 Esse tipo de discordância é
representada pelo símbolo que
indica a posição em que a linha de
discordância está.
T
Defeitos Lineares (Discordâncias)
Imperfeições nos Sólidos 
Discordância em Espiral
 Esse tipo de defeito é formado por uma tensão cisalhante que tenha sido
aplicada para produzir distorção na rede cristalina da estrutura.
 Essa discordância recebeu esse nome devido a trajetória em espiral que é
traçada pelos átomos em torno da linha dessa discordância (linear).
Defeitos Lineares (Discordâncias)
Imperfeições nos Sólidos 
Discordância em Espiral
 Discordância em espiral na superfície de um monocristal de SiC, as linhas
escuras são degraus de escorregamento superficiais.
 O crescimento do retículo aconteceu então em espiral dando voltas em
torno de uma linha imaginária (perpendicular ao plano).
Imperfeições nos Sólidos 
Discordância em Espiral
Defeitos Lineares (Discordâncias)
Imperfeições nos Sólidos 
Discordância Aresta e em Espiral
 Para ambos os casos, a magnitude e a direção é expressa pelo vetor de
Burger.
 Já a natureza (aresta ou espiral) é definida pela orientação relativa da
linha de discordância e pelo posicionamento do vetor de Burger.
Vetor de Burgers
Defeitos Lineares (Discordâncias)
Imperfeições nos Sólidos 
Discordância Mista
 Na prática, as discordâncias nem são puramente aresta e nem puramente
espiral; mas, apresentam características de ambos os tipos.
 Para a discordância mista, o parâmetro vetor nem é perpendicular e nem
paralelo à linha da discordância.
Imperfeições nos Sólidos 
Defeitos Lineares (Discordâncias)
Discordância Vista por Microscopia Eletrônica 
de Transmissão
Imperfeições nos Sólidos 
Defeitos Lineares (Discordâncias)
Considerações Gerais
 Na prática, todos os materiais cristalinos contém discordâncias que foram
introduzidas durante a solidificação, durante a deformação plástica ou
como consequência de tensões térmicas resultantes de resfriamentos
rápidos.
 O cisalhamento nos planos de átomos se dá mais facilmente nos planos
de maior densidade atômica, por isso a densidade das discordâncias
depende da orientação cristalográfica.
 As discordâncias geram lacunas. Consequentemente, influem nos
processos de difusão.
 A presença de discordâncias exercem influência no processo de
deformação plástica do material.
 Existem três tipos: aresta, espiral e mista.
Imperfeições nos Sólidos 
Defeitos Interfaciais
 Envolvem fronteiras ou contornos e, normalmente, separam as
regiões dos materiais que possuem diferentes estruturas
cristalinas.
Classificação
Superfícies externas
Contornos de grão
Contornos de fases 
Contornos de macla
Imperfeições nos Sólidos 
Defeitos Interfaciais – Superfícies Externas
 É a superfície onde a estrutura do cristal termina.
 Os átomos localizados na superfície externa estão em um estado
de maior energia do que os átomos que estão no interior da
estrutura.
 Para reduzir essa energia, os materiais tendem a minimizar se
for possível, a área total da superfície.
Exemplo: líquidos  gotículas esféricas.
Imperfeições nos Sólidos 
Defeitos Interfaciais – Superfícies Externas
Cristal de Si (2D hipotético).
Cada átomo pode formar 4 ligações covalentes, cada ligação com 2 elétrons.
Na superfície os Si ficam com dangling bonds (ligações “disponíveis” no ar):
aptas a interagir com outros átomos instáveis.
Imperfeições nos Sólidos 
Defeitos Interfaciais – Contornos de Grão
 É o contorno que separa dois pequenos grãos ou cristais que
possuem diferentes orientações cristalográficas.
 É uma peculiaridade de materiais policristalinos.
Imperfeições nos Sólidos 
Defeitos Interfaciais – Contornos de Grão
 Quando o desencontro da orientação cristalográfica é pequeno,
entre os grãos, o mesmo é chamado de contorno de grão de
baixo ângulo.
Imperfeições nos Sólidos 
Defeitos Interfaciais – Contornos de Grão
 Os átomos que estão à margem de um contorno de grão se
ligam de maneira pouco regular, como consequência existe uma
energia interfacial no contorno de grão.
 A magnitude dessa energia é proporcional ao grau de
desencontro da orientação cristalográfica.
O contorno geralmente é mais reativo!
Os átomos de impureza se agregam preferencialmente 
ao longo dos contornos de grãos.
Imperfeições nos Sólidos 
Defeitos Interfaciais – Contornos de Grão
Imperfeições nos Sólidos 
Defeitos Interfaciais – Contornos de Grão
Em geral, sob a 
ação de elevadas 
temperaturas, os 
grãos maiores 
crescem em 
detrimento dos 
menores 
Imperfeições nos Sólidos 
Defeitos Interfaciais – Contornos de Grão
Existem vários softwares comerciais de 
simulação e determinação do tamanho de grão
Imperfeições nos Sólidos 
Defeitos Interfaciais – Contornos de Grão
Diferentes Tamanhos de Grãos 
Imperfeições nos Sólidos 
Defeitos Interfaciais – Contornos de Grão
 Com base nos conceitos sobre contornos de grãos explique
porque estruturas compostas por grãos pequenos são mais
reativas do que estruturas compostas por grãos grandes.
Exercício
Imperfeições nos Sólidos 
Defeitos Interfaciais – Contornos de Macla
 É um tipo especial de contorno de grão.
 Existe uma simetria equivalente a uma imagem de espelho da
rede cristalina separada pelo contorno.
Imperfeições nos Sólidos 
Defeitos Interfaciais – Contornos de Macla
 Macla corresponde a área do material que fica entre os contornos
de direções retas e paralelas.
 As maclas são produzidas por deslizamentos atômicos que
ocorrem por ação de forças mecânicas de cisalhamento ou
por tratamentos térmicos de recozimento.
Twin = Macla
 Estruturas CCC e HC são
propensas à formação de
maclas de deformação.
 Estruturas CFC são
propensas à formação de
macla de recozimento.
Imperfeições nos Sólidos 
Defeitos Interfaciais – Contornos de Macla
 Contornos de Macla vistos por meio de Exame Microscópico.
Imperfeições nos Sólidos 
Defeitos Interfaciais – Contornos de Fases
 São encontradas em materiais constituídos por diferentes fases,
as quais são caracterizadas por diferentes aspectos químicos
e/ou físicos.
Imperfeições nos Sólidos 
Defeitos Volumétricos
 São defeitos (ou imperfeições) presentes em todos os materiais
sólidos, sem exceção.
 Exemplos: poros, trincas, inclusões, outras fases etc.
Imperfeições nos Sólidos 
Defeitos Volumétricos
 Normalmente,são introduzidos durante as etapas de
processamento e fabricação.
 Em geral, exercem influência negativa sobre as propriedades
mecânicas do material.
Compactado de pó de ferro, compactação 
uniaxial em matriz de 
duplo efeito, a 550 MPa 
Compactado de pó de ferro após 
sinterização 
a 1150°C, por 120 min em atmosfera de 
hidrogênio
Imperfeições nos Sólidos 
Vibrações Atômicas
 Imperfeição inevitável e presente em todos os materiais
cristalinos.
 Todos os átomos vibram em suas posições reticulares dentro da
estrutura cristalina.
 A imperfeição está na diferença da frequência, amplitude e
energia de vibração.
 Na temperatura ambiente, os átomos vibram com uma
frequência considerada baixa, em torno de 1013 vibrações por
segundo.
 O processo de fusão é consequência de grandes vibrações
atômicas.
Imperfeições nos Sólidos 
Exame Microscópico
 Técnica para examinar a estrutura dos materiais.
 A realização desses exames permite averiguar se a estrutura
está em concordância com o comportamento do material, uma
vez que a estrutura esteja estabelecida.
Tipos de Técnicas
Microscopia Óptica
Microscopia Eletrônica
MEV
MET
Imperfeições nos Sólidos 
Microscopia Óptica
 São necessários os seguintes elementos: sistema ótico
(microscópio ótico) e um sistema de iluminação.
 Requer preparação específica da amostra com uso de ataque
químico para realçar detalhes da estrutura.
 Tem poder de ampliação limitado (máximo ~ 100 X).
 Utiliza incidência de um feixe de luz para captar a imagem da
amostra analisada.
 É muito adequada para investigação de superfícies metálicas.
Imperfeições nos Sólidos 
Microscopia Óptica
 Imagem de uma liga Al-Cu. É perceptível a existência de duas
fases.
Imperfeições nos Sólidos 
Microscopia Eletrônica
 Utiliza um microscópio eletrônico para realizar a análise.
 Sua principal vantagem é alto poder de ampliação da imagem
investigada quando comparada à técnica da MO.
 Dependendo do objetivo do exame, a MO não é eficiente,
tornado necessário o uso de um microscópio eletrônico.
 Utiliza a incidência de feixe de elétrons para captar a imagem da
amostra analisada.
 O referido feixe pode ser utilizado em duas modalidades:
varredura (MEV) e transmissão (MET).
Imperfeições nos Sólidos 
Imagens obtidas por MEV
Imperfeições nos Sólidos 
Imagens obtidas por MET
Imagens de um nanocompósito de matriz polimérica reforçada com nanopartículas de argila.
Imperfeições nos Sólidos 
Imagem obtida por MET
Fotomicrografia (MET) de uma liga de titânio na qual as linhas escuras são discordâncias. 
Ampliação de 51.450X. Fonte: (Callister Jr., 2008).
Imperfeições nos Sólidos 
Imagem obtida por MET
Concentração de discordâncias na região adjacente a um contorno de grão. MET 60.000X. 
Fonte: Shackelford, 2010.
Imperfeições nos Sólidos 
Exercícios
1) Abaixo estão os valores para o raio atômico, a estrutura cristalina, a eletronegatividade e as
valências mais comuns para vários elementos. Para aqueles que são não-metais, apenas o raio
atômico está indicado.
Elemento Raio Atômico
(nm)
Estrutura 
Cristalina
Eletronegatividade Valência
Cu 0,1278 CFC 1,9 +2
C 0,071
H 0,046
O 0,060
Ag 0,1445 CFC 1,9 +1
Al 0,1431 CFC 1,5 +3
Co 0,1253 HC 1,8 +2
Cr 0,1249 CCC 1,6 +3
Fe 0,1241 CCC 1,8 +2
Ni 0,1246 CFC 1,8 +2
Pd 0,1376 CFC 2,2 +2
Pt 0,1387 CFC 2,2 +2
Zn 0,1332 HC 1,6 +2
Quais desses elementos você esperaria que formassem com o cobre:
a) Uma solução sólida substitucional com solubilidade completa.
b) Uma solução sólida substitucional com solubilidade incompleta.
c) Uma solução sólida instersticial.
Imperfeições nos Sólidos 
Exercícios
2) Para um dado material, você esperaria que a energia de superfície fosse maior que, igual ou
menor que a energia de contorno de grão? Por quê? Explique também o porquê da energia de
contorno de grão para um contorno de baixo ângulo é menor do que para aquela para um de alto
ângulo.
3) Descreva sucintamente uma macla e um contorno de macla. Prossiga a resposta citando a
diferença entre maclas de deformação e maclas de recozimento.
4) Explique sucintamente a diferença entre as técnicas de caracterização: Microscopia Óptica e
Microscopia Eletrônica.
5) Como se deve preparar uma amostra para submeter à mesma à técnica MEV? E para a técnica
MET?