Aula 4 Defeitos na Estrutura Cristalina

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Aula 4 – Defeitos na Estrutura 
Cristalina
Profa. Me. Camila Lopes Maler
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UE 5 - DEFEITOS NA ESTRUTURA CRISTALINA
Objetivo:
Distinguir os defeitos possíveis em sólidos e suas 
consequências. 
Conteúdo :
•Defeitos Puntiformes.
•Defeitos de Linha (Discordâncias).
•Defeitos Bidimensionais e de Planos.
•Importância dos defeitos.
•Defeitos superficiais.
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Introdução
O sólido idealizado 
(perfeito) não existe!
Defeitos Cristalinos/ 
Imperfeições
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O que é um Defeito?
É uma imperfeição ou um "erro" no arranjo
periódico regular dos átomos em um cristal.
Podem envolver uma irregularidade
 a posição dos átomos
 no tipo de átomos
O tipo e o número de defeitos dependem do 
material, do meio ambiente e das circunstâncias 
sob as quais o cristal é processado. 
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Imperfeições Estruturais
Defeitos Pontuais
Vacâncias ou lacunas
Soluções Sólidas
Defeitos em Linha 
(Discordâncias)
Discordância em aresta
Discordância em espiral
Discordância Mista
Defeitos Bidimensionais e 
de Planos
Contornos de grão
Contornos de macla
Superfícies livres
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Defeitos Pontuais - Lacunas
Lacunas podem ser criadas por:
Deformação plástica ou irradiação com
partículas de alta energia (nêutrons,
elétrons ou íons).
Resfriamento rápido de um cristal a partir
de altas temperaturas (‘’quenching’’).
Podem ser formadas dilacunas, trilacunas, etc.
As lacunas podem migrar nos cristais, trocando de lugar com
átomos vizinhos. Esse mecanismo é o que possibilita a
movimentação dos átomos da rede cristalina.
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Defeitos Pontuais – Auto-intersticiais
Auto – Intersticial é um átomo que ocupa um interstício da
estrutura cristalina.
Causam uma grande distorção do reticulado cristalino a sua volta.
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Impurezas em sólidos - Soluções Sólidas
Solvente:
Elemento presente em 
maior quantidade. 
‘’Átomos hospedeiros’’
Soluto:
Elemento presente em 
menor concentração
Impurezas são adicionadas intencionalmente 
com a finalidade de:
Aumentar a resistência mecânica
Aumentar a resistência à corrosão
Aumentar a condutividade elétrica
Exemplo: Ligas metálicas
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Impurezas em sólidos – Soluções Sólidas
São basicamente dois tipos de impurezas
em soluções sólidas:
Substitucionais: Átomos de soluto têm
tamanho aproximadamente igual ao
tamanho do solvente e não têm
preferência por posições especificas da
rede. Ex: Si, Mn, Cr, Mo e Ni no Ferro.
Intersticiais: Átomos de soluto são muito
menores que o solvente, portanto ocupam
posições intersticiais.
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Soluções Sólidas Substitucionais
Regras de Hume-Rothery para a formação de soluções
sólidas substitucionais:
 Raios atômicos dos elementos não devem diferir em
mais de 15%
 Estrutura cristalina dos elementos deve ser a mesma
 Eletronegatividade  próximas
 Valências  deve ser a mesma ou maior que a do
hospedeiro
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Soluções Sólidas Substitucionais
Exemplo: Cobre e Níquel – Solúveis em todas as proporções
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Soluções Sólidas Intersticiais
Os átomos de impurezas ou os 
elementos de liga ocupam os espaços dos 
interstícios
 Ocorre quando a impureza apresenta 
raio atômico bem menor que o hospedeiro
 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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Soluções Sólidas Intersticiais
Exemplo de solução sólida intersticial:
Fe + C solubilidade máxima do C no Fe é 2,1% a 910° C (Fe - CFC)
O Carbono tem raio atômico bastante pequeno se 
comparado com o Ferro
rC = 0,071 nm = 0,71 A
rFe = 0,124 nm = 1,24 A
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Defeitos Pontuais – Efeito sobre a estrutura
do cristal
Lacuna Intersticial
Átomo 
Substitucional
Pequeno
Átomo 
Substitucional
Grande
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Defeitos Lineares (Discordâncias)
Discordância é um defeito em uma dimensão ao
redor do qual alguns átomos encontram-se
desalinhados.
As discordâncias estão associadas com a
cristalização e a deformação (origem: térmica, mecânica
e supersaturação de defeitos pontuais)
Tipos de discordância:
Discordância aresta
Discordância espiral
Discordância mista
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Defeitos Lineares (Discordâncias)
 Discordância aresta: discordância introduzida no
cristal pela adição de um “meio plano extra” de átomos.
A B C
A – Cristal Perfeito
B – Plano extra é inserido no cristal A
C – O Vetor Burguers corresponde à distância 
necessária para fechar o contorno formado pelo mesmo 
número de átomos ao redor da discordância Aresta.
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Defeitos Lineares (Discordâncias)
 Discordância aresta
Vetor de Burgers
Linha da 
discordância 
aresta
Vetor de Burgers: Dá a 
magnitude e a direção de 
distorção da rede. Neste caso 
é perpendicular à linha de 
discordância aresta.
„ Corresponde à distância de 
deslocamento dos átomos ao 
redor da discordância
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Defeitos Lineares (Discordâncias)
 Discordância espiral: discordância produzida pela distorção
(torção) de um cristal, de modo que um plano atômico produza uma rampa
ao redor da discordância (caminho para a discordância).
A B C
Linha de 
discordância
Vetor de 
Burguers (b)A – Cristal Perfeito
B e C – Deslocamento de uma secção transversal.
O vetor de burguers, b, é paralelo à linha de 
discordância em uma discordância em espiral
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Defeitos Lineares (Discordâncias)
 Discordância espiral
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Defeitos Lineares (Discordâncias)
 Discordância Mista
 Discordâncias aresta e espiral raramente ocorrem separadamente!
 O Vetor de Burgers mantém 
uma direção fixa no espaço.
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Discordâncias - Observações
 As discordâncias
podem ser observadas
em mediante o uso de
técnicas de
microscopia eletrônica.
 As discordâncias
estão envolvidas na
deformação plástica de
materiais cristalinos.
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Discordâncias e Deformação Plástica
 Deformação em materiais: deslizamento de planos
atômicos.
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Discordâncias e Deformação Plástica
 Tensão cisalhante crítica: acima deste valor o
material começa a sofrer cisalhamento.
Os valores teóricos desta tensão são muito maiores
que os observados experimentalmente.
Explicação:as discordâncias reduzem a tensão
necessária para o cisalhamento ao introduzir um
processo sequencial para o rompimento das ligações
atômicas no plano de deslizamento.
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Discordâncias e Deformação Plástica
Esquema de movimento de discordância em aresta originando um
degrau unitário de deslizamento.
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Defeitos Interfaciais
 Envolvem fronteiras (defeitos em duas dimensões) e
normalmente separam regiões dos materiais de
diferentes estruturas cristalinas ou orientações
cristalográficas. „Essas imperfeições incluem:
‰Superfície externa
‰Contorno de grão
‰Fronteiras entre fases
‰Maclas ou Twins
‰Defeitos de empilhamento
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Corresponde à região 
que separa dois ou mais 
cristais de orientações 
diferentes.
„ No interior de cada grão 
todos os átomos estão 
arranjados segundo um 
único modelo e única 
orientação, caracterizada 
pela célula unitária.
Contornos de Grão
Os átomos próximos aos contornos
não possuem uma distância de
equilíbrio ou arranjo definido.
Microestrutura 
do Pd
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A formação dos Contornos de Grão é ocorre durante a solidificação do 
material, ao longo da formação de cristais.
Para ocorrer solidificação é necessário ocorrer uma transformação de 
fase líquida para fase sólida
A transformação de fases é dividida em: 
 Nucleação
 Crescimento
Contornos de Grão – Formação do Grão
Núcleos
Líquido
Líquido
Cristais que 
formarão grãos
Grãos
Contornos de 
grão
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Contornos de Grão – Formação do Grão
A forma do grão é
controlada:
 pela presença dos
grãos circunvizinhos
O tamanho de
grão é controlado:
 Pela composição
 Pela taxa de
cristalização ou
solidificação
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Sulfato de Amônio Nitrato de Potássio
Cloreto de Sódio
Contornos de Grão – Cristais e Contornos
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Contornos de Grão
Grãos e contornos de grão em uma amostra de 
aço inoxidável .
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Contornos de Macla (‘’Twins’’)
Aplicação de tensão em um cristal perfeito (a) pode causar um
deslocamento dos átomos, resultando na formação de uma macla (b).
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Contornos de Macla
As maclas resultam de
deslocamentos atômicos que são
produzidos a partir de:
‰Forças mecânicas de cisalhamento
‰Tratamentos térmicos de recozimento
realizado após deformação
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Defeitos Volumétricos
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Mecanismos de Aumento de Resistência
 A habilidade de um metal se deformar depende da facilidade
com que as discordâncias podem se mover;
 A restrição ao movimento de uma discordância torna o material
mais resistentes;
 Mecanismos de aumento de resistência em materiais
monofásicos:
 Diminuição do tamanho do grão;
 Por solução sólida;
 Encruamento.
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Mecanismos de Aumento de Resistência
Uma discordância cruzando um
grão poderá ter que mudar sua
direção de movimentação quando
encontrar outro grão, logo o
contorno de grão torna-se um
obstáculo;
A desordem de um contorno de
grão resultará em uma
descontinuidade dos planos de
escorregamento de um grão para
outro;
A redução do tamanho de grão,
ou o aumento do contorno de grão
resultará em um aumento da
resistência de materiais metálicos
policristalinos.
 Tamanho do Grão
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Mecanismos de Aumento de Resistência
 Solução Sólida
Átomo de substituição menor que o 
hospedeiro
Deformação por tração
Átomo de substituição maior que o 
hospedeiro
Deformação por compressão
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 Átomos de impureza → deformações na rede cristalina
 Interações dos campos de deformação da rede cristalina e discordâncias →
movimento de discordâncias restringido.
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Mecanismos de Aumento de Resistência
 Encruamento: Aumento da resistência e da dureza de um metal após 
deformação plástica
Material é tracionado
acima do limite de
escoamento
Agora o material possui
um limite de
escoamento maior, mas
uma ductilidade menor.
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