4 Descontinuidades (1)

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GRUPO DE ESTUDOS SOBRE FRATURA DE MATERIAIS 
DEMET/EM/UFOP 
DESCONTINUIDADES
ESTRUTURA DE MATERIAIS
 Introdução
 Cristais perfeitos
 Resistência coesiva teórica e real
 Tipos de descontinuidades
 Descontinuidades eletrônicas
 Descontinuidades pontuais
 Descontinuidades lineares
 Descontinuidades superficiais
 Descontinuidades volumétricas
DESCONTINUIDADES (DEFEITOS)
Terraço
Degrau Lacuna
Adátomo
BordaDobraFresta
Adátomo
Terraço
Borda Degrau
As descontinuidades atômicas são responsáveis pelas
reduções nas emissões de gases poluentes dos motores
dos automóveis atuais. Um conversor catalítico é o
dispositivo de redução de poluentes, o qual está
localizado no sistema de exaustão dos automóveis. As
moléculas dos gases poluentes ficam presas a defeitos na
superfície de materiais metálicos no conversos catalítico.
Enquanto presas nesses sítios, as moléculas sofrem
reações químicas que as convertem em outras substâncias
não poluentes ou menos poluentes.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(a) Micrografia eletrônica de transmissão de alta resolução, que mostra os
defeitos de superfície em monocristais de (Ce0,5Zr0,5)O2 usado em
conversores catalíticos.
(b) Monólito cerâmico sobre o qual o substrato catalítico metálico é depositado.
(c) Diagrama esquemático de um conversor catalítico.
(d) Diagrama esquemático mostrando a localização do conversos catalítico no
sistema de exaustão de um automóvel.
(e) Representação esquemática de defeitos de superfície que são sítios de
adsorção potenciais para catálise. Os sítios de átomos individuais estão
representados como cubos.
POR QUE ESTUDAR: Descontinuidades (defeitos)?
As propriedades dos materiais são profundamente influenciadas pela presença de
descontinuidades (defeitos). Consequentemente, é importante ter um conhecimento
sobre os tipos de imperfeições que existem e sobre os papéis que elas
desempenham ao afetar o comportamento dos materiais.
Por exemplo, as propriedades mecânicas dos metais puros apresentam alterações
significativas quando esses materiais são ligados (isto é, quando são adicionados
átomos de impurezas) – por exemplo, o latão (70%Cu + 30%Zn) é muito mais
duro e resistente que o cobre puro.
Também, os dispositivos microeletrônicos nos circuitos integrados encontrados em
nossos computadores, calculadoras e utensílios domésticos funcionam devido a
concentrações controladas de impurezas específicas, que são incorporadas em
regiões pequenas e localizadas nos materiais semicondutores.
OBJETIVOS DO APRENDIZADO:
Após estudar este Capítulo, você deverá ser capaz de fazer
o seguinte:
1. Caracterizar uma lacuna e um intersticial.
2. Dadas as constantes relevantes, calcular o número de lacunas ou de
intersticiais em equilíbrio em um material a uma temperatura
específica.
3. Caracterizar os tipos de soluções sólidas.
4. Caracterizar uma discordância cunha, hélice e mista.
5. Mostrar a influência da presença de uma discordância nos fenômenos
de deformação plástica e de endurecimento dos cristais.
6. Apresentar as principais subestruturas de discordâncias em função da
temperatura, do nível de deformação e da energia de falha de
empilhamento do material.
7. Caracterizar um contorno de grão, um contorno de macla e uma falha
de empilhamento.
8. Caracterizar um precipitado coerente, semi-coerente e incoerente com a
matriz.
Empilhamento perfeito de átomos.
CRISTAIS PERFEITOS
Os materiais cristalinos foram considerados isentos
de descontinuidades até aqui neste curso. Por
outro lado, mesmo os cristais crescidos
cuidadosamente em laboratório apresentam
descontinuidades cristalinas. Na realidade, cristais
perfeitos não existem, pois como veremos neste
capítulo, acima de 0K sempre existe uma
determinada concentração de defeitos puntiformes
em equilíbrio termodinâmico dentro dos cristais.
Portanto, os materiais cristalinos apresentam uma
microestrutura.
A microestrutura dos materiais cristalinos é constituída basicamente de
descontinuidades cristalinas e constituintes microestruturais tais como fases e
inclusões. A microestrutura de um material é determinada principalmente pela sua
composição química e pelo seu processamento (solidificação, conformação
mecânica, tratamentos térmicos, etc.). Algumas vezes a microestrutura do material
se modifica durante sua utilização.
RESISTÊNCIA COESIVA TEÓRICA E REAL DOS CRISTAIS
Um cristal perfeito (sem descontinuidades) tem uma resistência
mecânica “teórica” controlada exclusivamente pelas ligações
químicas entre os seus átomos ou moléculas constituintes, pela
temperatura e pelo estado de tensões.
Vamos utilizar o cálculo desta resistência teórica para mostrar que os
cristais não são perfeitos. Neste sentido, serão apresentados modelos
que prevêem a separação do empilhamento atômico por clivagem ou
cisalhamento.
Decomposição de uma tensão de tração em
duas componentes: uma normal e uma
paralela a um plano de deslizamento.
eixo de tração
direção de
deslizamento
plano de
deslizamento
normal ao
plano de
deslizamento
Representação esquemática de dois
mecanismos pelos quais um cristal se
comporta, quando submetido a uma força F:
(a) ruptura de ligações atômicas e fratura;
(b) deformação plástica.
RESISTÊNCIA COESIVA TEÓRICA
Resistência 
Mecânica
Comportamento 
Frágil
Comportamento 
Dúctil
Modelo de 
Orowan
Modelo de 
Frenkel
0a
E
máx

 
Inclinação inicial = d/dx
 = c sen(x/d)
RESISTÊNCIA TEÓRICA DE CLIVAGEM
Tensão requerida para separar
planos atômicos.
0a
E
máx

 
a
bG
máx 

2

RESISTÊNCIA TEÓRICA DE CISALHAMENTO
Tensão requerida para deslizar
planos atômicos.
a
bG
máx 

2

WHISKERS
MATERIAL LR (GPa) E (GPa)
Grafita 19,6 686
Al2O3 15,4 532
Ferro 12,6 196
SiC 20-40 700
Silício 7 182
AlN 7 350
Cobre 2 192
Resistência mecânica por tração:
comparação entre materiais.
Tensão limite de resistência de
whiskers na temperatura ambiente.
Curva tensão-deformação de
um whisker de cobre, com
uma direção <100> da fibra.
O diâmetro da fibra é de
6,8μm.
Whiskers de estanho crescendo a partir de um dispositivo de aço estanhado. Como parte de
uma investigação sobre falhas em condensadores elétricos, realizada em 1952 no Bell
Telephone Laboratories, R.G.Treuting encontrou whiskers de estanho (2 x 10-6m de diâmetro)
crescendo nas paredes dos condensadores. Um fato que chamou a atenção dos
pesquisadores da época foi que estes whiskers foram ensaiados, obtendo-se uma resistência
mecânica maior do que 2.300MPa. “Da noite para o dia” este material tornou-se o mais
resistente conhecido pelo homem. Imediatamente, whiskers de outros metais, como cobre e
ferro, foram ensaiados, obtendo-se resultados similares: o estanho logo perdeu a sua
distinção.
Materiais de 
Engenharia
Deformação 
plástica
Presença de 
descontinuidades
A resistência mecânica
é bem menor do que as
estimativas anteriores.
Tensão limite de escoamento (teórica e experimental) de diversos metais.
Tipos de descontinuidades cristalinas.
DESCONTINUIDADES CRISTALINAS
(a) lacuna e intersticial; (b) discordância; (c) falha de empilhamento; (d) vazio.
Características microestruturais.
Tipos de aparelhos utilizados para observar a microestrutura.
• A.F.Padilha: Materiais de Engenharia – Microestrutura e Propriedades,
Hemus, 2000.
• W.D.Callister e D.G.Rethwisch: Ciência & Engenharia de Materiais, 8a
Edição, GEN/LTC, 2012
• R.E. Reed-Hill, R,Abbashian, L.Abbashian : Physical Metallurgy
Principles, 4th Edition, Cengage Learning, 2009.
• R.E.Smallmane A.H.W.Ngan: Physical Metallurgy and Advanced
Materials, Elsevier, 2007.
• G.E.Dieter : Mechanical Metallurgy, 3rd Edition, McGraw-Hill Book Co.,
1988.
• M.A.Meyers & K.K.Chawla : Mechanical Behavior of Materials, 2nd
Edition, Cambridge University Press, 2009.
• J.P.Bailon e J.M.Dorlot: Des Materiaux, 3th Edition, École Polytechnique
de Montréal, 2000.
Bibliografia