ICMat_Cap_5_Imperfeicoes_em_Solidos

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INTRODUÇÃO À CIÊNCIA DOS MATERIAIS
APLICADA À ENGENHARIA INDUSTRIAL QUÍMICA
Capítulo 5
“Imperfeições em 
Sólidos”
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Photograph courtesy of
J. J. Hren e R. W. Newman
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Prof. Dr. Fernando Vernilli
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VAMOS RELEMBRAR
Estrutura hexagonal compacta
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NC = 12
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Estrutura HC - Razão c/a
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ESTRUTURA HC
FATOR DE EMPACOTAMENTO
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ESTRUTURAS CRISTALINAS
Introdução
Os cristais descritos até agora são todos ideais ou seja, não possuem 
defeitos.
Como defeito cristalino designamos uma irregularidade na rede cristalina 
com uma ou mais das suas dimensões na ordem de um diâmetro atômico.
Os cristais reais apresentam inúmeros defeitos, que são classificados por 
sua “dimensionalidade”, que podem ser:
� Defeitos Pontuais (dimensão zero)
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� Defeitos Pontuais (dimensão zero)
- Vacâncias
- Impurezas intersticiais e substitucionais
� Defeitos Lineares (dimensão um)
- Discordâncias (“dislocations”)
� Defeitos Planares (dimensão dois)
- Interfaces e fronteiras de grão
� Defeitos Volumétricos (dimensão três)
- Vazios, fraturas, inclusões e outras fases.
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DEFEITOS PONTUAIS
� 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 saírem de suas posições, 
deixando um vazio (vacância) em seu lugar.
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deixando um vazio (vacância) 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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DEFEITOS PONTUAIS
1 - Vacância;
2 - Auto intersticial;
3 - Impureza intersticial;
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3 - Impureza intersticial;
4 e 5 - Impureza Substitucional;
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DEFEITOS PONTUAIS
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NÚMERO DE VACÂNCIAS X TEMPERATURA
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Onde:
Nv = Numero de vacâncias;
N = Número total de átomos;
Qv = Energia necessária para a formação da Vacância;
k = Constante de Boltzmann (8,62 10-5 eV/átomo.K)
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PROBLEMA - EXEMPLO
� Calcule o número de vacâncias em equilíbrio por m3 de Cobre a 1000 oC. 
Sendo que: Qv = 0,9 eV/átomo, PM = 63,5 g/mol e ρ = 8,4 g/cm3.
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DEFEITOS PONTUAIS EM MATERIAIS IÔNICOS
Defeitos de Schottky
Ocorre em pares de vacância
(cátion - ânion)
Estequiométricos
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Defeitos de Frenkel
Uma Vacância de Cátion e um 
Cátion Intersticial
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DEFEITOS PONTUAIS EM MATERIAIS IÔNICOS
Não Estequiométricos
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Wustita - FeO
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IMPUREZAS EM SÓLIDOS
� Impurezas poderão assumir dois tipos de posição na rede cristalina de 
outro material:
� Interstícios - espaços vazios na rede
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Interstícios - espaços vazios na rede
� Substituindo um átomo do material
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IMPUREZAS EM SÓLIDOS
A adição de átomos impurezas a um metal resultará na formação de 
uma solução sólida e/ou uma nova fase, dependendo dos tipos de 
impurezas, suas concentrações, e a temperatura da liga.
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SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONAL
Existem várias características dos átomos do soluto e do solvente que determinam o
grau até onde o primeiro se dissolve no segundo:
� Tamanho atômico: Apreciáveis quantidades de um soluto podem ser acomodadas
neste tipo de solução sólida apenas quando a diferença em raios atômicos entre os
2 tipos de átomos é menor do que cerca de "15%. Do contrário, átomos do soluto
criarão substanciais distorções de rede nova fase se formará.
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� Eletronegatividade: Quanto mais eletropositivo um elemento e quanto mais
eletronegativo o outro elemento, tanto maior é a probabilidade de que eles irão
formar um composto intermediário em vez de uma solução sólida substitucional.
� Valências: Sendo iguais os outros fatores, um metal terá maior tendência a se
dissolver num outro metal de maior valência do que num metal de menor valência.
� Estrutura Cristalina: Um requisito final para solubilidade sólida completa é que as
estruturas cristalinas para metais de ambos os tipos de átomos sejam as mesmas.
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SOLUÇÃO SÓLIDA - CU : NI
� Raios atômicos 1,28 : 1,25 [Å];
� Estrutura Cristalina CFC : CFC;
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� Eletronegatividade 1,9 : 1,8;
� Valência +1 e +2 : +2.
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SOLUÇÃO SÓLIDA INTERSTICIAL
o Átomos de impurezas preencherão os vazios ou interstícios entre os átomoshospedeiros.
o Para materiais metálicos que têm fator de empacotamento atômico relativamente
grandes, estas posições intersticiais são relativamente pequenas.
o Normalmente, a concentração máxima permissível de átomos de impureza intersticiais é
baixa (menos do que 10%).
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baixa (menos do que 10%).
o Mesmo átomos impurezas muito pequenos introduzem algumas deformações de rede
nos átomos adjacentes.
� Carbono em α-Ferro (aço)
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DISCORDÂNCIAS – “DISLOCATIONS”
� São defeitos lineares. Existe uma linha separando a 
seção perfeita, da seção deformada do material.
� São responsáveis pelo comportamento mecânico dos 
materiais quando submetidos a cisalhamento.
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� São responsáveis pelo fato de que os metais são cerca 
de 10 vezes mais “fáceis de deformar” do que deveriam.
� Existem dois tipos fundamentais de discordâncias:
� Discordância em linha (edge dislocation)
� Discordância em hélice (screw dislocation)
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DISCORDÂNCIA – DEFEITO LINEAR
� A discordância em linha corresponde a borda (edge) do 
plano extra.
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VETOR DE BURGERS
� O circuito não se fecha.
� O vetor necessário para fechar o circuito é o vetor de Burgers, b,
que caracteriza a discordância.
� Neste caso b é perpendicular a discordância.
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DISCORDÂNCIA EM HÉLICE
� Neste caso o vetor de Burgers é paralelo a discordância.
� Uma boa analogia para o efeito deste tipo de discordância é 
“rasgar um livro”
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DISCORDÂNCIAMISTA
� O vetor de Burgers mantém uma direção fixa no espaço.
� Na extremidade inferior esquerda, onde a discordância é pura hélice, b é
paralelo a discordância.
� Na extremidade superior direita, onde a discordância é pura linha, b é
perpendicular a discordância.
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DISCORDÂNCIA E DEFORMAÇÃO MECÂNICA
Uma das maneiras de representar o que 
acontece quando um material se deforma é 
imaginar o deslizamento de um plano 
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imaginar o deslizamento de um plano 
atômico em relação a outro plano adjacente.
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DEFEITOS INTERFACIAIS
� Defeitos interfaciais são contornos que têm 2 dimensões e
normalmente separam regiões dos materiais que têm
diferentes estruturas cristalinas e/ou orientações
cristalográficas. Estas imperfeições incluem:
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cristalográficas. Estas imperfeições incluem:
� superfícies externas,
� contornos de grão,
� contornos de maclas,
� falhas de empilhamento e
� contornos de fases.
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DEFEITOS INTERFACIAIS – CONTORNOS DE GRÃO
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OBSERVAÇÃO DAS DISCORDÂNCIAS
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Contorno de grão em aluminio, 
MET de alta resolução, Sandia 
National Lab.
Discordância em Niquel (linhas 
escuras), MET, Manchester
Materials Science Center.
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DEFEITOS INTERFACIAIS – CONTORNOS DE MACLA
� Maclas resultam de deslocamentos atômicos que
são produzidos a partir de forças de cizalhamento
mecânico (maclas mecânicas) e também durante os
tratamentos térmicos de recozimento após
deformação (maclas de recozimento).
� Maclação ocorre num definido plano cristalográfico
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e numa direção específica, sendo que ambos
dependem da estrutura cristalina.
� Maclas de recozimento são tipicamente
encontradas em metais que têm estrutura cúbica de
face centrada (CFC),
� Enquanto que as maclas mecânicas são
observadas em metais CCC e HC.
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DEFEITOS INTERFACIAIS DIVERSOS
� Outros defeitos interfaciais são possíveis para incluir falhas de
empilhamento, contornos de fases e paredes de domínio
ferromagnético.
� Falhas de empilhamento são encontradas em metais CFC quando
existe uma interrupção na seqüência de empilhamento
ABCABCABC... de planos estreitamente compactados).
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ABCABCABC... de planos estreitamente compactados).
� Contornos de Fase existem em materiais multifásicos através do qual
existe uma mudança repentina em características físicas e químicas.
� Para materiais ferromagnéticos e ferrimagnéticos, o contorno que
separa regiões tendo diferentes direções de magnetização é
denominado uma parede de domínio.
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DEFEITOS VOLUMÉTRICOS OU DE MASSA
� Existem outros defeitos em todos os materiais sólidos que
são muito maiores do que aqueles discutidos até aqui.
� Estes incluem poros, trincas, inclusões estranhas e outras
fases.
Eles são normalmente introduzidos durante as etapas de
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� Eles são normalmente introduzidos durante as etapas de
processamento e de fabricação.
� Alguns destes defeitos e seus efeitos sobre as propriedades
dos materiais serão discutidos durante o curso.
Próximo assunto: ...
... “Propriedades Mecânicas 
dos Materiais”