112020_4337_12.03.2015 08.52.07_UnidadeIV

Prévia do material em texto

INTRODUÇÃO 
• Conhecer as imperfeições nos arranjos 
cristalinos; 
• Tipos de imperfeições ; 
• Importância dos defeitos e sua 
importância nas propriedades dos 
materiais. 
 
4.1 Introdução ao defeitos cristalinos 
• DEFEITOS EM SÓLIDOS CRISTALINOS são desvios em relação à estrutura de 
um cristal perfeito, descontinuidades ou irregularidades da rede cristalina. 
Estas irregularidades podem ser: 
– NA POSIÇÃO DOS ÁTOMOS. 
– NO TIPO DE ÁTOMOS. 
• O tipo e o número de defeitos dependem do material, do meio ambiente e 
das condições de processamento do material. 
• De acordo com a geometria (dimensionalidade), são classificados em: 
– PONTUAIS (dimensão zero). 
– LINEARES (unidimensionais). 
– INTERFACIAIS (bidimensionais). 
– VOLUMÉTRICOS (tridimensionais). 
 
 
 
Materiais para Construção Mecânica 
Imperfeições em Sólidos Cristalinos 
04 
4.2 Defeitos Pontuais – Vacância e Auto-intersticiais 
• Os defeitos pontuais normalmente encontrados nos metais são: 
– LACUNA OU VACÂNCIA: posição vazia na rede cristalina; 
• Formam-se durante a solidificação ou como resultado do deslocamento dos 
átomos de suas posições normais (VIBRAÇÕES ATÔMICAS). 
• O número de lacunas existentes em um material aumenta 
exponencialmente com a temperatura segundo a expressão: 
 
 
 
 
05 





 

T
exp
k
Q
NN vv
Onde: 
Nv: número de lacunas. 
N: número total de posições na rede. 
Qv: energia necessária para se criar uma lacuna. 
T: temperatura absoluta [K]. 
k: constante de Boltzmann (1,38x10-23 J/átomo·K ou 
8,62x10-5 eV/átomo·K). 
4.2 Defeitos Pontuais – Vacância e Auto-intersticiais 
– AUTO-INTERSTICIAL: átomo da própria rede ocupando 
um interstício. Ocorre em freqüência muito menor do 
que a lacuna por gerar maiores deformações na rede 
cristalina do material. 
 
05 
Materiais para Construção Mecânica 
Imperfeições em Sólidos Cristalinos 
06 
Lacuna 
Auto-intersticial 
Átomo de impureza 
substitucional 
Átomo de impureza 
intersticial 
4.2 Defeitos Pontuais – Vacância e Auto-intersticiais 
SOLUÇÃO: inicialmente, determina-se o número N de sítios 
atômicos em V = 1 m3 = (1 m)3 = (102 cm)3 = 106 cm3: 
Materiais para Construção Mecânica 
Imperfeições em Sólidos Cristalinos 
08 
Calcule o número de lacunas em equilíbrio/m3 de cobre a 1000 °C. A energia para a 
formação de uma lacuna é 0,9 eV/átomo. O peso atômico e a densidade (a 1000 °C) 
para o cobre são 63,5 g/mol e 8,4 g/cm3, respectivamente. 
A
VN
AN

 
   33 átomos/m
g/mol63,5
cmátomos/mol
g/cm 28
3623
100,8
1010023,6
4,8 

 NN
Então, para T = 1000 °C = 1000 + 273 K = 1273 K: 
 
 
  












KeV/K108,62
eV
átomos/cm
T 5-
3
1273
9,0
exp100,8exp 23
v
v
v
N
k
Q
NN
3lacunas/m25102,2 
v
N
A
VN
A N
Nv/N = 2,2 ×10
25/ 8,0 × 1028 
Nv/N ~ 0,0275% dos sítios atômicos ESTÃO VAZIOS. 
 
4.2 Defeitos Pontuais – Vacância e Auto-intersticiais 
• Impurezas ou átomos estranhos estarão SEMPRE presentes nos materiais de uma forma 
geral. 
• É IMPOSSÍVEL obter um METAL PURO constituído por apenas um tipo de átomo. Com 
pureza de 99,9999%, há ~ 1022 a 1023 átomos/m3. 
• Nas LIGAS, os átomos de impurezas são adicionados para se conferir características 
específicas aos materiais: aumentar a resistência mecânica, à corrosão, a condutividade 
elétrica. Exemplo: liga DURALUMÍNIO (96% Al + 4% Cu) é 10 VEZES MAIS RESISTENTE 
MECANICAMENTE do que o alumínio puro, sendo empregada na indústria aeronáutica. 
• A adição de átomos de impureza a um metal pode resultar em uma SOLUÇÃO SÓLIDA e/ou 
em uma NOVA FASE. No primeiro caso, fala-se em SOLVENTE (elemento em maior 
concentração) e SOLUTO (elemento em menor concentração). 
 
 
Materiais para Construção Mecânica 
Imperfeições em Sólidos Cristalinos 
09 
4.3 Impurezas em sólidos 
Materiais para Construção Mecânica 
Imperfeições em Sólidos Cristalinos 
10 
Solução sólida: aço com 
0,06%p de C 
Duas fases: aço com 
1,4%p de C 
4.3 Impurezas em sólidos 
• Podem ser de dois tipos: 
– SUBSTITUCIONAIS: os átomos do soluto (impureza) tomam o lugar dos átomos do 
solvente (ÁTOMOS HOSPEDEIROS). Exemplo: Cu + Zn. 
– INTERSTICIAIS: os átomos de impureza ocupam os interstícios entre os átomos do 
solvente. O raio atômico do soluto deve ser substancialmente menor do que o do 
solvente. Concentração máxima: <10%. Exemplo: Fe- + C (FERRITA). 
Materiais para Construção Mecânica 
Imperfeições em Sólidos Cristalinos 
11 
Ferro 
Carbono 
Zinco 
Cobre 
4.3 Impurezas em sólidos – Solução sólida 
• O raio do interstício existente no centro de cada face da célula CCC pode ser 
determinado como se segue. Dados: raio atômico do ferro e do carbono, RFe = 
0,124 nm = 1,24 Å e RC = 0,071 nm = 0,71 Å. Das figuras abaixo, segue-se: 
 
Materiais para Construção Mecânica 
Imperfeições em Sólidos Cristalinos 
12 
Para a célula CCC, , logo: 
FeR
2
r 
a
int
3
4RFea
rint 
Plano (200) 
a/2 
RFe 
 
3
R32
R
3
2R
r FeFe
Fe int
  

A0,19
3
A1,2432
r 

int
Rc/rint = 0,71/0,19 = 3,7, o que explica a baixíssima solubilidade do 
C no Fe- (máxima de 0,022%p a 727°C) 
Exemplo 
• Grau de mistura entre soluto e solvente, depende: 
 
1. TAMANHOS SEMELHANTES: raios atômicos não podem diferir em 
mais do que 14-15%. 
2. MESMA ESTRUTURA CRISTALINA. 
3. ELETRONEGATIVIDADE SEMELHANTE. 
4. MESMO NÚMERO DE VALÊNCIA. 
Materiais para Construção Mecânica 
Imperfeições em Sólidos Cristalinos 
13 
4.3 Impurezas em sólidos – Hume-Rothery 
• Especifica a composição pelas formas a seguir: 
• % em peso (%p) (kg do componente/kg da mistura): 
 
 
 
 
 
Onde m1 e m2 representam, respectivamente, o peso (ou massa)dos 
elementos 1 e 2. 
• % molar/atômica (nº de moles do componente/nº de moles da mistura): 
 
 
 
 
Onde nm1 e nm2 representam, respectivamente, o nº de moles dos elementos 
1 e 2. 
Materiais para Construção Mecânica 
Imperfeições em Sólidos Cristalinos 
15 
100
mm
m
C
21
1
1 


1
1
m1
A
'm
n 4.3 Impurezas em sólidos – Especificação da composição 100
nn
n
C'
m2m1
m1
1 


4.3 Impurezas em sólidos – Composições de ligas 
binárias: conversões 
• Porcentagem em peso PARA porcentagem atômica: 
 
 
 
 
 
 
 
• Porcentagem atômica PARA porcentagem em peso: 
 
16 
100
1A2C2A1C
2A1C
1C' 

 100
1A2C2A1C
1ACC
2
2 


'
100
1A2C2A1C
2A1C
1C 


''
' 100
1A2C2A1C
1AC'C
2
2 



''
• Porcentagem em peso PARA massa por unidade de volume (kg/m3): 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Onde C” é a massa do componente/volume da mistura,  é a densidade do 
componente (em kg/m3). 
 
Materiais para Construção Mecânica 
Imperfeições em Sólidos Cristalinos 
17 
3
2
2
1
1
1
1
" 10
ρ
C
ρ
C
C
C 














3
2
2
1
1
2
2
" 10
ρ
C
ρ
C
C
C 














4.3 Impurezas em sólidos – Composições de ligas 
binárias por volume de material 
• DENSIDADE • PESO ATÔMICO 
Materiais para Construção Mecânica 
Imperfeições em Sólidos Cristalinos 
18 
2
2
1
1
med
ρ
C
ρ
C
100
ρ


2
2
'
2
1
1
'
1
2
'
21
'
1
medρ
AC
ρ
AC
ACAC
ρ



2
2
1
1
med
A
C
A
C
100
A


100
ACAC
A 2
'
21
'
1
med


4.3 Impurezas em sólidos – Determinação de densidade 
e peso a partir da composições de ligas binárias 
• DISCORDÂNCIA: defeito unidimensional em torno do qual há um 
desalinhamento de átomos. 
– ORIGEM: solidificação, deformação plástica, tensões térmicas (resfriamento 
rápido). 
– Responsáveis pela deformação plástica de sólidos cristalinos 
(especialmente metais). 
• TIPOS DE DISCORDÂNCIAS 
– Aresta. 
– Espiral. 
– Mista. 
 20 
Materiais para Construção Mecânica 
Imperfeições em Sólidos Cristalinos 
4.4 Discordâncias – Defeitos lineares 
• Corresponde à aresta de um semiplano adicional de átomos. 
• É representada pelo símbolo “┴”. 
• Gera tensões de tração/compressão na rede. 
 
22 
Materiais para Construção Mecânica 
Imperfeições em Sólidos Cristalinos 
4.4 Discordâncias tipo Aresta 
• Os átomos formam uma trajetória helicoidal em torno 
da linha da discordância. 
23 
4.4 Discordâncias tipo espiral 
• Apresenta características de discordâncias aresta e espiral. 
24 
Materiais para Construção Mecânica 
Imperfeições em Sólidos Cristalinos 
4.4 Discordâncias tipo mista – espiral +aresta 
• Em um cristal perfeito, os pontos inicial de final de um circuito de mxn distâncias 
atômicas coincidem. 
• O VETOR DE BURGERS é o vetor necessário para se fechar um circuito traçado em 
torno de uma discordância, ligando o ponto final ao inicial. 
Materiais para Construção Mecânica 
Imperfeições em Sólidos Cristalinos 
25 
5→ 
5← 
4
↓ 
4
↑ 
5→ 
4
↓ 5← 
4
↑ 
Cristal perfeito Cristal com discordância em 
aresta 
4.4 Discordâncias – Vetor de Burgers 
• O vetor de Burgers é constante. Sua magnitude é igual à distância interatômica. 
• Caracteriza a natureza da discordância (aresta, hélice ou mista): 
– ARESTA: o vetor é perpendicular à linha de discordância. 
– ESPIRAL: o vetor é paralelo à linha de discordância. 
– MISTA: o vetor não perpendicular, nem paralelo à linha de discordância. 
(a) (b) (c) 
Materiais para Construção Mecânica 
Imperfeições em Sólidos Cristalinos 
26 
4.4 Discordâncias – Vetor de Burgers 
21 
Tecnologia dos Materiais 
Defeitos em Sólidos Cristalinos 
• Deformação plástica refere-se a mudança irreversível de forma, que 
permanece mesmo após a remoção que causou a deformação; 
• Deformação elástica mudança temporária de forma, relacionada ao 
estiramento das ligações atômicas; 
• Deformação plástica – movimento das discordâncias; 
• Deslizamento realizado pelas discordâncias proporciona ductilidade do 
material; 
• O aumento das discordâncias dificulta seu movimento, aumentando a 
resistência do material; 
 
 
 
Observações das discordâncias 
• São contornos que possuem duas dimensões e, normalmente, 
separam regiões dos materiais de DIFERENTES ESTRUTURAS 
CRISTALINAS e/ou ORIENTAÇÕES CRISTALOGRÁFICAS. 
• Essas imperfeições incluem, entre outros: 
– Superfície externa. 
– Contorno de grão. 
– Contorno de macla. 
– Falhas de empilhamento. 
– Fronteiras entre fases. 
28 
Materiais para Construção Mecânica 
Imperfeições em Sólidos Cristalinos 
4.5 Defeitos Interfaciais 
• É o tipo de “contorno” (defeito planar) mais óbvio, ao longo do qual termina a 
estrutura do cristal. 
• Na superfície, os átomos não estão ligados ao número máximo de vizinhos mais 
próximos. Isto implica que estão em um estado energético maior do que o dos 
átomos do interior do cristal. 
• Esta energia adicional gera uma ENERGIA DE SUPERFÍCIE (J/m2). 
29 
Átomo normal 
Átomo com maior energia 
Materiais para Construção Mecânica 
Imperfeições em Sólidos Cristalinos 
4.5 Defeitos Interfaciais – Superfícies externas 
• Materiais POLICRISTALINOS são formados por um grande número de cristais com 
diferentes orientações cristalográficas (GRÃOS). Cada cristal é formado por inúmeras 
células unitárias. 
 
 
 
• CONTORNO DE GRÃO: superfície que separa dois cristais adjacentes. Essa fronteira é 
um defeito bidimensional. 
• No interior do grão todos os átomos estão arranjados segundo um “ÚNICO MODELO” e 
“ÚNICA ORIENTAÇÃO”, caracterizada pela célula unitária. 
• De modo semelhante à superfície, os átomos do contorno de grão possuem um estado 
energético mais elevado do que os átomos do interior do grão. Por isso eles são MAIS 
QUIMICAMENTE REATIVOS. 
 
 
 
 
 
 
 
30 
GRÃO = CRISTAL 
4.5 Defeitos Interfaciais – Contornos de grão 
• Mudanças de fase e segregação de átomos de impureza ocorrem 
preferencialmente ao longo do contorno de grão. 
• GRÃOS GRANDES → MENOR ÁREA DO CONTORNO DE GRÃO → MENOR 
ENERGIA SUPERFICIAL. 
• GRÃOS PEQUENOS → MAIOR ÁREA DE CONTORNO DE GRÃO → MAIOR 
ENERGIA INTERFACIAL. 
31 
Materiais para Construção Mecânica 
Imperfeições em Sólidos Cristalinos 
4.5 Defeitos Interfaciais – Contornos de grão 
• É um tipo especial de contorno de grão, onde existe uma simetria em 
“ESPELHO” da rede cristalina: Os átomos de um lado do contorno são 
“IMAGENS” dos átomos do outro lado do contorno. 
• A macla ocorre num plano definido e numa direção específica, conforme a 
estrutura cristalina. 
 
 
 
 
• Formam-se pela aplicação de tensão 
mecânica (MACLAS DE DEFORMAÇÃO) 
ou em tratamentos térmicos de recozimento 
(MACLAS DE RECOZIMENTO). 
 
 
 
Materiais para Construção Mecânica 
Imperfeições em Sólidos Cristalinos 
35 
Plano de macla (“twin 
plane”) 
4.5 Defeitos Interfaciais – Contornos de grão 
• FALHA DE EMPILHAMENTO: erro na seqüência ABCABC... de 
metais CFC. 
• CONTORNOS DE FASE: descontinuidade das propriedades 
físicas/químicas. 
Materiais para Construção Mecânica 
Imperfeições em Sólidos Cristalinos 
36 
Duas fases: perlita 
4.5 Defeitos Interfaciais – Contornos de grão 
• São normalmente introduzidos durante o 
processamento e a fabricação do material. 
• Tipos: 
– POROS. 
– TRINCAS. 
– OUTRAS FASES. 
– INCLUSÕES. 
 
37 
Inclusões de óxido de cobre (Cu2O) em 
cobre de alta pureza (99,26%) 
4.6 Defeitos Volumétricos ou de massa 
• Os átomos de todo material sólido a uma temperatura acima de 0 K 
não estão em repouso, mas sim VIBRANDO em torno de posições 
médias. 
• A uma dada temperatura, nem todos os átomos estão vibrando com 
a mesma freqüência e amplitude. 
• FREQÜÊNCIA TÍPICA À TEMPERATURA AMBIENTE: 1013 vibrações/s, 
com amplitude de poucos milésimos de nanômetro 
Materiais para Construção Mecânica 
Imperfeições em Sólidos Cristalinos 
38 
4.7 Vibrações atômicas 
Materiais para Construção Mecânica 
Imperfeições em Sólidos Cristalinos 
40 
Imagem no 
microscópio 
Microscópio 
Ranhura 
Superfície 
polida e 
atacada 
4.9 Microscopia – microscopia ótica 
• Preparação: lixamento, polimento, ataque; 
Materiais para Construção Mecânica 
Imperfeições em Sólidos Cristalinos 
41 
• MICROSCOPIA ELETRÔNICA: utiliza feixe de elétrons ao invés de 
radiação luminosa. 
– MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE TRANSMISSÃO (MET) 
• Ampliações de até 1.000.000X 
– MICROSCÓPIO ELETRÔNICO DE VARREDURA (MEV) 
• Ampliações de 10 a mais de 50.000X 
• MICROSCÓPIO COM SONDA DE VARREDURA (MSV) 
– Gera imagens tridimensionais 
– Ampliações de até 109X 
 
4.8 Vibrações atômicas 
• Determinação do diâmetro do grão (MÉTODO DOS INTERCEPTOS) 
 
 
 
 
Onde: 
d: diâmetro médio do grão. 
L: comprimento da linha. 
n: número de grãos interceptados pela linha. 
A: ampliação linear da imagem. 
 
• Tamanho do grão (MÉTODOASTM): define o NÚMERO DE TAMANHO DE 
GRÃO n como: 
 
 
Onde: 
– N: número de grãos por POLEGADA QUADRADA em uma superfície do 
material, polida e contrastada, observada com uma ampliação de 100x. 
– n: número designado NÚMERO ASTM DE TAMANHO DE GRÃO. 
 
 
 
 
An
L
d


Materiais para Construção Mecânica 
Imperfeições em Sólidos Cristalinos 
42 
N = 2n-1 
4.10 Determinação do tamanho de grão 
Nº de tamanho de grão (n) Número de grãos por mm2 com 1x 
1 15,5 
2 31,0 
3 62,0 
4 124 
5 248 
6 496 
7 992 
8 1980 
9 3970 
10 7940 
43 
Materiais para Construção Mecânica 
Imperfeições em Sólidos Cristalinos 
4.10 Determinação do tamanho de grão 
TG ASTM 1: 15,5 grãos/ mm2 
d  0,287 mm 
TG ASTM 8: 1980 grãos/ mm2 
d  0,0127 mm 
44 
Materiais para Construção Mecânica 
Imperfeições em Sólidos Cristalinos 
4.10 Determinação do tamanho de grão 
44 
Materiais para Construção Mecânica 
Imperfeições em Sólidos Cristalinos 
Importância dos defeitos 
• Os defeitos dos materiais , tais como discordâncias, defeitos pontuais e contornos de 
grão, atuam como barreiras para discordâncias, 03 mecanismos de endurecimento 
baseia-se nas três categorias de defeitos; 
• Endurecimento por deformação (encruamento): Aumentando o n° de 
discordâncias aumenta a tensão necessária para seu movimento, material fica mais 
resistente; 
• Endurecimento por solução sólida: átomos ou íons estão completamente 
solubilizados pela estrutura cristalina da matriz, necessitando de tensões maiores 
para movimento das discordâncias; 
• Endurecimento por tamanho de grão: Aumentar o número de grãos, reduz o 
tamanho do grão, dificultando a movimentação das discordâncias, aumentando 
resistência; 
• Efeitos nas propriedades elétricas, ópticas e magnéticas: Incorporação adequada de 
dopantes permite controlar de modo preciso as propriedades elétricas dos 
semicondutores.