116082-Aula_4_Materiais__Imperfeições

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Hoje vamos estudar imperfeições em sólidos
As propriedades de alguns materiais são profundamente influenciadas pela presença de imperfeições.
Assim, é importante conhecer os tipos de imperfeições e como estas afetam o comportamento dos materiais.
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O que são defeitos?
São imperfeições ou "erros" no arranjo periódico regular dos átomos em um cristal.
São classificados de acordo com a: i) geometria do defeito ou ii) dimensionalidade do defeito.
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O tipo e o número de defeitos dependem do material, do meio ambiente, e das circunstâncias sob as quais o cristal é processado. 
Podem envolver uma irregularidade:
 
 na posição dos átomos
 no tipo de átomos
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Importância
Através da introdução de defeitos, do controle do número e arranjamento destes defeitos é possível desenhar e criar novos materiais com a combinação desejada de propriedades.
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Tipos de defeitos
Pontuais  associados com uma ou duas posições atômicas.
Lineares  unidimensionais
Planos ou Interfaciais  duas dimensões
Volumétricos  três dimensões
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Defeitos pontuais
Vacâncias, vazios ou lacunas
Intersticiais
Schottky
Frenkel
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Defeitos pontuais: vacâncias, vazios ou lacunas
 Envolve a ausência de um átomo na rede cristalina.
 São formados durante a solidificação do cristal ou como resultado das vibrações atômicas (os átomos deslocam-se de suas posições normais).
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Defeitos pontuais: vacâncias, vazios ou lacunas
 As propriedades dos materiais podem ser controladas criando ou controlando estes defeitos
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Defeitos pontuais: Intersticiais
 Envolve um átomo extra no interstício (pequeno espaço vazio).
 Produz uma distorção no reticulado, já que o átomo geralmente é maior que o espaço do interstício.
 Não é muito provável e existe somente em concentrações muito reduzidas.
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Defeitos pontuais: Intersticiais
Átomo intersticial pequeno. 
Átomo intersticial grande. Gera distorção na rede. 
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Defeitos pontuais: Frenkel
 Ocorre nos materiais cerâmicos (sólidos iônicos).
 Quando um íon sai da sua posição normal e vai para um interstício.
 A eletroneutralidade é mantida, assim, os defeitos não ocorrem sozinhos.
Lacuna de cátion e cátion intersticial. 
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Defeitos pontuais: Schottky 
Ocorre nos materiais cerâmicos (sólidos iônicos).
Composto por uma lacuna de um cátion e uma de um ânion.
A razão entre o número de cátions e o de ânions é mantida.
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Impurezas nos sólidos
Um metal puro que consiste em apenas um tipo de átomo é simplesmente impossível.
Impurezas ou átomos estranhos estarão sempre presentes, e alguns irão existir como defeitos cristalinos pontuais.
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Impurezas são adicionadas intencionalmente
A maior parte dos metais de engenharia é combinada com outros metais ou não-metais.
Maior resistência mecânica, maior resistência à corrosão, melhor condutividade elétrica...
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Importante!!!!
LIGAS
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Exemplo
A prata de lei (92,5% de prata + 7,5% de cobre) é muito mais dura e resistente do que a prata pura.
Muitas vezes, os defeitos são introduzidos visando a melhoria das propriedades dos materiais. 
Importante!!!!
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Então, como podemos definir uma LIGA?
É uma mistura de dois ou mais metais ou de um metal e um não-metal.
 Exemplos:
 Latão  70% de Cu e 30 %Zn
 Superliga de níquel Inconel 718  10 elementos 
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O tipo mais simples de LIGA é a solução sólida
Sólido constituído por dois ou mais elementos dispersos atomicamente numa única fase.
Geralmente em soluções sólidas usam-se os seguintes termos: 
 solvente (hospedeiro ou matriz) - elemento presente em maior quantidade e
 soluto (impureza) - elemento presente em menor quantidade. 
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Solução Sólida
A estrutura do cristal é mantida e não formam-se novas estruturas
As soluções sólidas formam-se mais facilmente quando impureza e hospedeiro tem estrutura e dimensões eletrônicas semelhantes
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Substitucionais 
Intersticiais 
Solução sólida
Tipos de soluções sólidas
Os átomos do soluto (impurezas) podem substituir os átomos do solvente na rede cristalina. 
Pode ser ordenada ou desordenada
Os átomos do soluto (impurezas) ocupam os espaços entre os átomos de solvente.
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Representação esquemática de um átomo de impureza substitucional e um átomo de impureza intersticial 
Interstício
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Para se obter uma liga devemos ter em mente algumas características dos átomos do solvente e do soluto (REGRA DE HOME-ROTHERY). São elas:
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
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Vejamos, então, o grau de solubilidade, no estado sólido, do níquel no cobre que formam uma solução sólida substitucional.
1. Os raios atômicos são: Ni = 0,125nm e Cu = 0,128nm  diferença de raios atômicos de -2,3 %.
2. Ambos possuem estruturas cristalinas CFC.
3. As eletronegatividades são: Ni = 1,8 e Cu = 1,9.
4. As valências são: Ni = +2 e Cu = +1.
Conclusão: o Ni e o Cu são completamente solúveis um no outro.
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E o Fe com o C ? Formam soluções sólidas ??? De que tipo ???
Sim. Formam uma solução sólida intersticial,quando o C é adicionado ao Fe em uma concentração máxima de aproximadamente 2%.
 Raio do C = 0,071nm
 Raio do Fe = 0,124nm
São os AÇOS!!!!!!
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Solução Sólidas Interticiais
Os átomos de impurezas ocupam os espaços dos interstícios.
Como os materiais metálicos tem geralmente fator de empacotamento alto, as posições intersticiais são relativamente pequenas.
Geralmente, no máximo 10% de impurezas são incorporadas nos interstícios.
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Tipos de defeitos
Pontuais  associados com uma ou duas posições atômicas.
Lineares  unidimensionais
Interfaciais  duas dimensões
Volumétricos  três dimensões
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Defeitos lineares  discordâncias 
O que é uma discordância ?????
É um defeito em torno do qual alguns átomos estão desalinhados.
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Defeitos lineares  discordâncias 
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 rompimento dos materiais
A quantidade e o movimento das discordâncias podem ser controlados pelo grau de deformação e/ou por tratamentos térmicos 
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Discordâncias
Aresta ou cunha
Espiral ou hélice
Mista  aresta + espiral
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Discordância aresta 
Envolve um plano extra de átomos.
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Discordância aresta 
 - quando o semiplano adicional está localizado na fração superior do cristal.
T - quando o semiplano adicional está localizado na fração inferior do cristal.
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Discordância espiral 
Formada por uma tensão cisalhante.
A região da esquerda do cristal é deslocada a uma distância atômica para cima em relação à fração da direita.
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Vetor de Burger (b)
Dá a magnitude e a direção de distorção da rede
Corresponde à distância de deslocamento dos átomos ao redor da discordância
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Vetor de Burgers
É perpendicular à discordância.
É paralelo à direção da linha de discordância.
Vetor de Burgers
Expressa a magnitude e a direção da distorção da rede cristalina.
Discordância aresta
Discordância espiral
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 São originadas durante a solidificação dos materiais cristalinos, por deformação ou como uma conseqüência das tensões térmicas que resultam de um resfriamento rápido .
 A presença deste defeito é responsável pela deformação plástica dos metais.
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Considerações Gerais
 	A quantidade e o movimento das discordâncias podem ser controlados pelo grau de deformação 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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Tipos de defeitos
Pontuais  associados com uma ou duas posições atômicas.
Lineares  unidimensionais
Interfaciais  duas dimensões
Volumétricos  três dimensões
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Defeitos interfaciais 
Envolvem fronteiras ou contornos (de duas dimensões) e normalmente separam as regiões dos materiais que possuem diferentes estruturas cristalinas e/ou orientações cristalográficas.
Interfaciais
Superfícies externas
Contornos de grão
Contornos de fases 
Contornos de macla
Falhas de empilhamento 
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Interfaciais: superfícies externas 
É a superfície na qual a estrutura do cristal termina.
Os átomos da superfície não estão ligados ao número máximo de vizinhos mais próximos, e assim, estão em um maior estado de energia. Assim, os materiais tendem a minimizar essa energia através da redução da área total da superfície.
Exemplo: líquidos  gotículas esféricas.
Com os sólidos não é possível, pois estes são mecanicamente rígidos.
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Interfaciais: cortornos de grão 
Estão presentes em materiais policristalinos e corresponde à região (ou contorno) que separa dois ou mais cristais de orientações diferentes.
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Grão
A forma do grão é controlada:
	- pela presença dos grãos circunvizinhos
O tamanho de grão é controlado
		- Composição
		- Taxa de cristalização ou solidificação
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Nos materiais metálicos... 
... formam-se durante a solidificação, quando os cristais, gerados a partir de diferentes núcleos, crescem simultaneamente e se encontram.
A forma dos limites de grão é determinada pelas restrições impostas pelo crescimento dos grãos vizinhos.
Limitam a deformação plástica.
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Cortonos de grão
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Contornos de Macla ou Twins 
É um tipo especial de contorno de grão
Os átomos de um lado do contorno são imagens especulares dos átomos do outro lado do contorno
O twin ocorre num plano definido e numa direção específica, dependendo da estrutura cristalina
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Tipos de defeitos
Pontuais  associados com uma ou duas posições atômicas.
Lineares  unidimensionais
Interfaciais  duas dimensões
Volumétricos  três dimensões
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Defeitos volumétricos
Presentes em todos os tipos de materiais sólidos e são muito maiores do que todos os já mencionados.
Estes incluem poros, trincas e outras fases.
São normalmente introduzidos durante as etapas de processamento e fabricação.
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Defeitos volumétricos
Inclusões	-Impurezas estranhas
Porosidade	- origina-se devido a presença ou formação de gases
- Fases - devido à presença de impurezas (ocorre quando o limite de solubilidade é ultrapassado)
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Exemplo: Inclusões
Inclusões de óxido de cobre (Cu2O) em cobre de alta pureza (99,26%)
 laminado a frio e recozido a 800o C. 
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Exemplo: Porosidade
Pó de ferro compactado após sinterização a 1150oC durante 120 min.
Os poros são originados devido a presença ou formação de gases.
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Exemplo: Partículas de Segunda Fase
A microestrutura é composta por veios de grafita sobre uma matriz perlítica. Cada grão de 
perlita, por sua vez, é constituído por lamelas alternadas de duas fases: ferrita (ou ferro-A) e
cementita (ou carbonato de ferro).