Imperfeições nos sólidos cristalinos

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Imperfeições nos sólidos cristalinos 
 
 
 
CIÊNCIAS E ENGENHARIA DOS 
MATERIAIS 
Prof: Jailson Rolim Teodosio 
 2014.2 
Um sólido ideal não existe na prática, o qual poderia ser 
assimilado a um material cujos átomos apresentam uma 
ordenação perfeita por toda sua rede cristalina. 
De fato, os materiais cristalinos contêm grande número de 
defeitos ou imperfeições na ordenação de seus átomos ao 
longo de sua estrutura. 
Muitas das propriedades exibidas por eles são fortemente 
influenciadas pelos desvios em relação à perfeição cristalina. 
Tal influência não é de todo adversa e, com frequência, 
características específicas desejadas são obtidas pela 
inserção controlada de certos defeitos. 
INTRODUÇÃO 
 Defeito cristalino: irregularidade na rede cristalina, 
em uma ou mais das suas dimensões (direção), da 
ordem do diâmetro atômico. 
A classificação dos defeitos cristalinos é feita, com 
frequência, de acordo com a Geometria da 
imperfeição (forma ou configuração do defeito); e 
dimensionalidade da imperfeição (dimensões). 
INTRODUÇÃO 
 Os defeitos classificam-se em: 
 
 
 Pontuais 
 
 
 
 Defeitos lineares 
 (unidimensionais) 
 
- Discordância aresta 
- Discordância espiral 
- Discordância mista 
 
- Lacunas 
- Autointersticiais 
- Impurezas nos sólidos 
DEFEITO CRISTALINO 
 
 
 Defeitos interfaciais 
 (bidimensionais) 
 
 
 
 Defeitos volumétricos ou de massa 
 Vibrações atômicas 
 
- Superfícies externas 
- Contorno de grãos 
- Contornos de fases 
- Contornos de macla 
- Falha de empilhamento 
DEFEITO CRISTALINO 
DEFEITOS PONTUAIS 
DEFEITOS PONTUAIS 
 Exercício: 
1. Calcule o número de lacunas em equilíbrio, por 
m3 de cobre (CFC), a 1000º C. A energia para a 
formação de uma lacuna é 0,9 eV/átomo; o pe-
so atômico e a massa específica (a 1000º C) do 
cobre são de 63,5 g/mol e 8,4 g/cm³, respecti-
vamente. O nº de Avogadro NA = 6,02 x 10
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átomos/mol. Resp: N 
DEFEITOS PONTUAIS 
 Autointersticial - Defeito caracterizado pela presença de um 
átomo do cristal em um sítio intersticial, pequeno espaço 
vazio que sob condições normais não estaria ocupado. 
 Nos metais, um autointersticial 
introduz distorções relativamente 
grandes em sua vizinhança na rede 
cristalina, pois o átomo que ocupa o 
interstício é muito maior que a 
dimensão deste. Isto explica porque a 
formação desse tipo de defeito é 
pouco comum, existindo somente em 
concentrações reduzidas. 
DEFEITOS PONTUAIS 
A maioria dos metais não é 
industrialmente pura, mas ligas, em que 
intencionalmente são adicionados 
átomos de impurezas (elementos 
diferentes do metal base) para conferir 
características específicas ao material. 
Impurezas nos sólidos: Um metal puro, formado por um 
único elemento, é impossível de ser obtido. A máxima pureza 
que se consegue no refino de metais é da ordem de 
99,9999%. Mesmo nesse nível de pureza, 1022 a 1023 átomos 
de impureza estarão presentes por m3 do metal. 
DEFEITOS PONTUAIS 
Em geral, as ligas metálicas são produzidas para aumentar 
a: 
• resistência mecânica; 
• resistência à corrosão. 
As ligas metálicas formam uma solução sólida, pela adição 
de átomos de impureza sem que haja alteração na estrutura 
do material hospedeiro. Na solução sólida: 
• Solvente: elemento ou composto presente em maior 
quantidade (átomos hospedeiros); 
• Soluto: elemento ou composto adicionado, presente em 
menor concentração. 
DEFEITOS PONTUAIS 
Os defeitos pontuais decorrentes da presença de impurezas 
nas soluções sólidas, podem ser de dois tipos: 
Substitucional: os átomos do soluto repõem ou substituem 
átomos hospedeiros. Várias características dos átomos do 
soluto e do solvente determinam o grau de dissolução: 
• fator do tamanho atômico: adições apreciáveis de soluto é 
possível se RaioSE – RaioSO = + 15%. 
• estrutura cristalina: a solubilidade sólida é apreciável 
quando as estruturas cristalinas do solvente e do soluto são 
as mesmas. 
DEFEITOS PONTUAIS 
• eletronegatividade: diferença maior entre a ele-
tropositividade e a eletronegatividade dos átomos 
do solvente e do soluto, aumenta a chance de se 
formar um composto intermetálico em vez de uma 
solução sólida intersticial. 
• valência: um metal tem maior tendência de dissolver 
um outro de maior valência que em um metal de 
menor valência. 
 Intersticial: os átomos de impureza preenchem os 
espaços vazios ou interstícios entre os átomos 
hospedeiros. A concentração máxima permitida de 
átomos de impureza intersticial <10%. 
DEFEITOS PONTUAIS 
DEFEITOS PONTUAIS 
O carbono forma uma solução sólida intersticial com o ferro. 
Sua concentração máxima é de + 2%. 
DEFEITOS PONTUAIS 
Na estrutura CFC os átomos de impureza 
ou de dopantes ocupam os interstícios 
octaédricos, posição (½,0,0), ou o centro 
da célula (½, ½, ½). 
½,0,0 
½,½,½ 
½,0,0 
DEFEITOS PONTUAIS 
Na estrutura CCC os átomos de 
impureza ou de dopantes ocupam os 
interstícios tetraédricos, posição (1/4, 
1/2, 0). 
¼,½,0 
DEFEITOS PONTUAIS 
Defeito Frenkel 
Defeito Schottky 
DEFEITOS PONTUAIS 
lacuna aniônica + lacuna catiônica 
cátion intersticial + lacuna catiônica 
 O estudo das discordâncias cristalinas é justificado pelo 
fato deste defeito estar intimamente associado aos 
processos de deformações plásticas em materiais. Estes 
tem influência nas propriedades eletrônicas dos materiais. 
A presença desse defeito é a responsável pela deformação 
(os metais são cerca de 10 vezes mais ”moles“ do que 
deveriam ), falha e rompimento dos materiais. 
 
DEFEITOS LINEARES 
 Discordância aresta: caracterizada por uma porção extra de 
um plano ou semiplano de átomos, cuja aresta termina no 
interior do cristal causando desalinhamento na rede 
(símbolo: ⏊). Vetor de Burgers 
Linha da 
discordância 
aresta 
DEFEITOS LINEARES 
Vetor de Burgers b indica a magnitude e a 
direção da distorção da rede cristalina 
DEFEITOS LINEARES 
 Discordância espiral: resulta do deslocamento de uma 
porção do cristal em relação a outra, causando uma tensão 
cisalhante. O deslizamento corresponde a uma distância 
atômica (símbolo: ↻). 
 Discordância mista: é a combinação das discordâncias 
aresta e espiral. Corresponde à maioria das discordâncias 
encontradas nos materiais cristalinos. 
A magnitude e a direção da distorção da rede associada a 
uma discordância são expressas em termos de vetor de 
Burgers, indicado por um b. 
DEFEITOS LINEARES 
DEFEITOS LINEARES 
 DEFEITOS LINEARES 
Na maioria dos materiais cristalinos (metálicos ou 
cerâmicos), a deformação permanente ocorre pela 
movimentação das discordâncias. 
Todos os materiais cristalinos contêm discordâncias que 
foram introduzidas: 
• durante a solidificação; 
• durante a deformação plástica (permanente); 
• como consequência das tensões térmicas resultantes de um 
resfriamento rápido. 
O vetor de Burgers é um ferramenta teórica desenvolvida 
para explicar esse tipo de deformação. 
DEFEITOS LINEARES 
Micrografia eletrônica de transmissão de uma liga de 
 titânio, onde as linhas escuras são discordâncias. 
• As discordâncias podem 
ser observadas nos 
materiais cristalinos 
através de técnicas de 
microscopia eletrônica. 
 
DEFEITOS LINEARES 
 Defeitos interfaciais: são contornos que possuem duas 
dimensões (bidimensionais) e que normalmente separam 
duas regiões do material que possuem estruturas e/ou 
orientações cristalográficas diferentes. 
 Superfícies externas:como constitui o contorno do cristal, 
os átomos dessa região não estão ligados ao máximo de 
vizinhos mais próximos, ficando num estado de maior 
energia que os átomos interiores. Para reduzir esta 
energia, os materiais tendem a minimizar, quando possível, 
a área total de sua superfície. 
DEFEITOS INTERFACIAIS 
 Contorno de grãos: contorno que separa dois pequenos 
grãos (cristais) com diferentes orientações cristalográficas 
nos materiais policristalinos. Nessa região há um desajuste 
atômico na transição da orientação cristalina de um grão 
para a orientação de um grão adjacente. 
 Os contornos de grãos são quimicamente mais reativos 
que os próprios grãos, como consequência da maior 
energia interfacial, que será tanto maior quanto menor for o 
grão. Os átomos de impureza, devido ao seu maior nível de 
energia, segregam-se de preferência nos contornos. 
DEFEITOS INTERFACIAIS 
DEFEITOS INTERFACIAIS 
 Contornos de fases: existem nos materiais multifásicos, nos 
quais há uma fase diferente em cada lado do contorno. 
Cada fase possui suas próprias características físicas e 
químicas, que são importantes na determinação das 
propriedades mecânicas de algumas ligas metálicas 
multifásicas. 
 Contornos de macla: tipo especial de contorno de grão, em 
que há uma simetria especular da rede cristalina. As maclas 
correspondem às regiões que possuem lados retos e 
paralelos e com um contraste visual próprio. 
DEFEITOS INTERFACIAIS 
DEFEITOS INTERFACIAIS 
• Falhas de empilhamento: são encontradas nos metais de 
estrutura CFC quando existe uma interrupção na sequência 
de empilhamento dos planos compactos. 
DEFEITOS INTERFACIAIS 
DEFEITOS VOLUMÉTRICOS 
 E VIBRAÇÕES ATÔMICAS 
• Defeitos volumétricos ou de massa: incluem 
os poros, trincas, inclusões exógenas e 
outras fases. Tais defeitos são incluídos, em 
geral, durante as etapas de processamento e 
fabricação dos materiais. 
• Vibrações atômicas: podem ser consideradas 
como imperfeições na estrutura do material, 
pois variam de forma aleatória a cada 
momento. 
 
• Microestrutura 
Na maioria dos metais cristalinos os grãos possuem 
dimensões microscópicas, com diâmetros que podem ser da 
ordem de micra (1 μm = 10-6 m) e seus detalhes devem ser 
investigados utilizando-se algum tipo de microscópio. 
O tamanho e a forma dos grãos são apenas duas das 
características do que é denominado microestrutura do 
material. 
O exame microestrutural tem como objetivos: 
a. Permitir a correta compreensão da associação 
ANÁLISE MICROSCÓPICA 
 entre a estrutura e as propriedades do material. 
b. Projetar ligas com novas combinações de elementos e 
propriedades. 
c. Determinar a conformidade de um tratamento térmico. 
d. Verificar o tipo de fratura mecânica. 
 Técnica de microscopia 
Técnica de investigar a microestrutura do material fazendo 
uso de microscópio dos seguintes tipos: 
• Microscópio óptico. 
ANÁLISE MICROSCÓPICA 
• Microscópio eletrônico de transmissão 
• Microscópio eletrônico de varredura 
• Microscópio de varredura por sonda 
A utilização do microscópio leva à necessidade de se 
preparar a superfície do material que será examinado. 
Basicamente, a preparação envolve: 
 seleção e obtenção da amostra do material; 
 polimento da amostra; 
 ataque da superfície polida com um reagente químico 
adequado; 
 colocação da amostra no microscópio. 
ANÁLISE MICROSCÓPICA 
ANÁLISE MICROSCÓPICA 
ANÁLISE MICROSCÓPICA