CM I - Imperfeições nos sólidos cristalinos

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Imperfeições nos 
Sólidos 
 
Profa. Laédna Neiva 
 
Universidade Federal do Cariri – UFCA 
Engenharia de Materiais 
Juazeiro do Norte/CE 
Disciplina: Ciência dos Materiais I 
 
 Uma irregularidade na rede cristalina com 
uma ou mais das suas dimensões na ordem de 
um diâmetro atômico. A classificação das 
imperfeições é feita de acordo com a geometria 
ou magnitude do defeito. 
 
 Definição: 
Imperfeições nos Sólidos 
 Conceitos Fundamentais 
Imperfeições nos Sólidos 
Na prática, a existência de um sólido com total perfeição cristalina 
é idealizado. 
 
Apenas uma pequena fração dos sítios atômicos apresentam 
imperfeições “erros”. Menos de 1 em 1 milhão. 
 
Algumas propriedades são profundamente influenciadas pela 
presença das imperfeições. 
 
A influência nem sempre é negativa. 
 Importância 
Imperfeições nos Sólidos 
Permite o desenvolvimento de materiais com a combinação 
desejada. 
 
 Classificação das Imperfeições 
Imperfeições nos Sólidos 
Defeitos Pontuais associados c/ 1 ou 2 posições atômicas 
 
Defeitos Lineares uma dimensão 
 
Defeitos Interfaciais ou Planos (fronteiras) duas dimensões 
 
Defeitos Volumétricos três dimensões (inclusões e precipitados) 
 Defeitos Pontuais 
Imperfeições nos Sólidos 
Defeitos 
Pontuais 
*Lacuna (vacância) 
*Intersticial 
Schottky 
Frenkel 
METAIS 
CERÂMICAS 
*Impurezas 
em Soluções 
Sólidas 
 
 Defeito Pontual 
Imperfeições nos Sólidos 
LACUNA 
 Defeito Pontual 
Imperfeições nos Sólidos 
LACUNA 
 Defeito Pontual 
Imperfeições nos Sólidos 
LACUNA 
Na prática, não é possível criar um material que esteja isento desse tipo 
de defeito. 
 
O número de lacunas aumenta exponencialmente com o aumento da 
temperatura. 
 
 
 
 
 
 
 Nv= N exp (-Qv/KT) 
 
 
Nv= número de vacâncias 
N= número total de sítios atômicos 
Qv= energia requerida para formação de vacâncias 
K= constante de Boltzman = 1,38x1023J/at.K ou 8,62x10-5 eV/ at.K 
 
 Defeito Pontual 
Imperfeições nos Sólidos 
INTERSTICIAL 
Corresponde a presença de átomo posicionado erroneamente em um 
sítio intersticial, que em circunstâncias normais não seria ocupado. 
 
Em metais, os defeitos intersticiais introduzem distorções relativamente 
grandes. 
 
A formação desse defeito não é comum e quando ocorre é detectada em 
concentrações significativamente menor do que o defeito de lacuna. 
 
 Defeito Pontual 
Imperfeições nos Sólidos 
INTERSTICIAL 
 Defeito Pontual 
Imperfeições nos Sólidos 
INTERSTICIAL 
Átomo intersticial pequeno Átomo intersticial grande - 
Gera maior distorção na rede 
 Defeitos Pontuais (Impurezas nos Metais) 
Imperfeições nos Sólidos 
Um metal puro, constituído por 
apenas um tipo de átomo é 
praticamente impossível. 
Na prática, é difícil refinar metais a 
pureza superior a 99, 9999%. 
 
Imperfeições nos Sólidos 
No máximo nível de pureza, os átomos de impureza estarão presentes 
em uma concentração de 1022 a 1023 átomos por m3. 
 
Em alguns casos, átomos de impurezas são desejáveis e, por isso, são 
adicionados propositalmente. Exemplo: prata de lei. 
 
A formação de liga é feita normalmente para melhorar a resistência 
mecânica, resistência à corrosão e a condutividade elétrica. 
 
 Defeitos Pontuais (Impurezas nos Metais) 
 Defeitos Pontuais Soluções Sólidas 
Por definição, solução 
sólida consiste em uma 
estrutura 
majoritariamente 
constituída por um 
elemento, mas que 
contém também a 
presença de alguns 
átomos de impureza. 
 
 Estrutura dos átomos do solvente = Estrutura Hospedeira 
 Átomos do soluto = presentes em menor concentração 
Imperfeições nos Sólidos 
 Defeito Pontual Soluções Sólidas 
Tipos de solução sólida: 
 
Intersticial Substitucional 
Ordenada Desordenada 
Imperfeições nos Sólidos 
 Solução Sólida Intersticial 
Os átomos de impureza 
preenchem os espaços 
intersticiais da estrutura 
hospedeira. 
 
Quanto maior o FEA da 
estrutura hospedeira, menores 
serão os espaços intersticiais 
dessa estrutura. 
 
Normalmente, a concentração 
desse tipo de defeito é baixa (< 
10%). 
 
Imperfeições nos Sólidos 
 Solução Sólida Intersticial 
O exemplo mais conhecido de 
solução sólida intersticial é caso 
da liga Fe-C (aço). 
 
O C tem raio atômico muito 
pequeno em comparação ao Fe. 
 
 
 
 
rC= 0,071 nm = 0,71 Å 
rFe= 0,124 nm = 1,24 Å 
Imperfeições nos Sólidos 
 Solução Sólida Intersticial 
Localizações das imperfeições intersticiais nas estruturas CFC e CCC. 
 
 
 
 
Imperfeições nos Sólidos 
O átomo de impureza tende a ocupar o sítio intesrticial maior da célula. 
 Solução Sólida Substitucional 
SUBSTITUCIONAL 
ORDENADA 
SUBSTITUCIONAL 
DESORDENADA 
Imperfeições nos Sólidos 
 Solução Sólida Substitucional 
Ocorre quando os átomos do soluto substituem os átomos do solvente na 
estrutura cristalina aleatoriamente, não modificando o modelo (arranjo) 
cristalino. 
 
É bastante comum em materiais cerâmicos e pode ocorrer a substituição de um 
íon por qualquer outro. 
 
 
 
 
(a) (b) (c) 
Solução sólida substitucional de estrutura CFC, com íons de tamanho: (a) pequeno; (b) 
médio e (c) elevado. 
Imperfeições nos Sólidos 
 Regras para Formação Solução Sólida 
Substitucional (Regras de Hume – Rothery) 
Para que haja total miscibilidade entre dois metais, é 
preciso que eles satisfaçam as seguintes condições 
 
1. Seus raios atômicos não difiram de mais de 15%. 
2. Tenham a mesma estrutura cristalina. 
3. Tenham eletronegatividades similares. 
4. Tenham as valências o mais próximas possível. 
Impurezas em Metais 
 Exemplo de Solução Sólida Substitucional 
Impurezas em Metais 
Cu + Ni são solúveis em todas as proporções 
 
Elemento 
Cu 
 
Ni 
 
Raio atômico 
 
0,128nm=1,28 A 
 
0,125 nm=1,25A 
 
Estrutura 
 
CFC 
 
CFC 
 
Eletronegativida
de 
 
1,9 
 
1,8 
 
Valência 
 
+1 (as vezes +2) 
 
+2 
 
 Exemplo de Solução Sólida Substitucional 
Impurezas em Metais 
Visualização da estrutura de uma solução sólida substitucional 
(Cu-Ni) 
 
Estado 
 líquido / 
Desordenado 
Estado 
 Sólido / 
Cristalino 
 Exemplo de Solução Sólida Substitucional 
Impurezas em Metais 
Visualização da estrutura de uma solução sólida substitucional 
(Cu-Zn) 
 
Impurezas em Sólidos Iônicos 
 Defeito Pontual Exclusivo de Estruturas Cerâmicas 
DEFEITOS DE 
FRENKEL 
DEFEITOS DE 
SCHOTTKY 
Impurezas em Sólidos Iônicos 
 Defeito Pontual Exclusivo de Estruturas Cerâmicas 
DEFEITOS DE 
FRENKEL 
LACUNA DE CÁTION E CÁTION INTERSTICIAL. 
Impurezas em Sólidos Iônicos 
 Defeito Pontual Exclusivo de Estruturas Cerâmicas 
DEFEITOS DE 
SCHOTTKY 
Lacuna de cátion e lacuna de ânion. 
Impurezas em Sólidos Iônicos 
 Defeito Pontual Exclusivo de Estruturas Cerâmicas 
Para ambos os tipos de defeitos a eletroneutralidade é mantida. 
 
Para Schottky: as vacâncias encontradas representam a falta de um 
par de íons de cargas opostas, onde o balanço de cargas é mantido. 
 
As vacâncias formadas pelo defeito de Schottky favorecem o fenômeno 
da difusão. 
 
 
 
 
Considerações sobre Frenkel e Schottky: 
Impurezas em Sólidos Iônicos 
 Exercícios de Fixação 
 
 1. Estruturas com alto FEA tendem a apresentar uma maior 
concentração de defeitos de Schottky do quede Frenkel. 
 Verdadeiro ou falso? Porquê? 
 
2. O Fe e o C formam solução sólida de qual tipo? Por quê? 
 Defeitos Lineares (Discordâncias) 
Imperfeições nos Sólidos 
É um defeito linear ou unidimesional em torno do qual alguns átomos ficam 
desalinhados. 
Trata-se de uma porção extra de um plano de átomos, ou semiplano, cuja 
aresta termina dentro do retículo. 
 
 
 
 Defeitos Lineares (Discordâncias) 
Imperfeições nos Sólidos 
 
Classificam-se em: 
 
 Discordância em aresta (cunha) 
 Discordância em espiral (hélice) 
 Discordância mista 
 
 O vetor de Burgers expressa a magnitude de distorção da rede e 
corresponde à distância do deslocamento dos átomos ao redor da 
discordância. 
 
 Defeitos Lineares (Discordâncias) 
Imperfeições nos Sólidos 
 
Discordância Aresta 
 
 Esse tipo de defeito é caracterizado 
por uma distorção na perfeição do 
retículo em torno do semiplano 
adicional de átomos. 
 A magnitude dessa distorção diminui 
com a distância de afastamento da 
linha de discordância. 
 Esse tipo de discordância é 
representada pelo símbolo que 
indica a posição em que a linha de 
discordância está. 
 
 
T 
 Defeitos Lineares (Discordâncias) 
Imperfeições nos Sólidos 
 
Discordância em Espiral 
 
 Esse tipo de defeito é formado por uma tensão cisalhante que é aplicada 
para produzir distorção na rede cristalina da estrutura. 
 Essa discordância recebeu esse nome devido a trajetória em espiral que é 
traçada pelos átomos em torno da linha dessa discordância (linear). 
 
 
 Defeitos Lineares (Discordâncias) 
Imperfeições nos Sólidos 
 
Discordância em Espiral 
 
 Discordância em espiral na superfície de um monocristal de SiC, as linhas 
escuras são degraus de escorregamento superficiais. 
 O crescimento do retículo acontece então em espiral dando voltas em 
torno da deslocação de uma linha imaginária (perpendicular ao plano). 
 
 
 
 
Imperfeições nos Sólidos 
Discordância em Espiral 
 Defeitos Lineares (Discordâncias) 
Imperfeições nos Sólidos 
 
Discordância Aresta e em Espiral 
 
 Para ambos os casos, a magnitude e a direção é expressa pelo vetor de 
Burger. 
 Já a natureza (aresta ou espiral) é definida pela orientação relativa da 
linha de discordância e pelo posicionamento do vetor de Burger. 
 
 
 
 
Vetor de Burgers 
 Defeitos Lineares (Discordâncias) 
Imperfeições nos Sólidos 
 
Discordância Mista 
 
 Na prática, as discordâncias nem são puramente aresta e nem puramente 
espiral; mas, apresentam características de ambos os tipos. 
 Para a discordância mista, os parâmetros nem são perpendiculares e nem 
paralelos a linha da discordância. 
 
 
 
 
Imperfeições nos Sólidos 
 Defeitos Lineares (Discordâncias) 
Discordância Vista por Microscopia Eletrônica 
de Transmissão 
Imperfeições nos Sólidos 
 Defeitos Lineares (Discordâncias) 
Considerações Gerais 
 
 Na prática, todos os materiais cristalinos contém discordâncias que foram 
introduzidas durante a solidificação, durante a deformação plástica ou 
como consequência de tensões térmicas resultantes de resfriamentos 
rápidos. 
 O cisalhamento nos planos de átomos se dá mais facilmente nos planos 
de maior densidade atômica, por isso a densidade das discordâncias 
depende da orientação cristalográfica. 
 As discordâncias geram lacunas. Consequentemente, influem nos 
processos de difusão. 
 A presença de discordâncias exercem influência no processo de 
deformação plástica do material. 
 Existem três tipos: aresta, espiral e mista. 
 
 
Imperfeições nos Sólidos 
 Defeitos Interfaciais 
 
 Envolvem fronteiras ou contornos e normalmente separam as 
regiões dos materiais que possuem diferentes estruturas 
cristalinas. 
 
 
 
 
 
 
 
Classificação 
Superfícies externas 
Contornos de grão 
Contornos de fases 
Contornos de macla 
Imperfeições nos Sólidos 
 Defeitos Interfaciais – Superfícies Externas 
 
 
 É a superfície onde a estrutura do cristal termina. 
 
 Os átomos localizados na superfície externa estão em um estado 
de maior energia do que os átomos que estão no interior da 
estrutura. 
 
 Para reduzir essa energia, os materiais tendem a minimizar se 
for possível, a área total da superfície. 
 
 
 
 
 
 
 Exemplo: líquidos  gotículas esféricas. 
Imperfeições nos Sólidos 
 Defeitos Interfaciais – Superfícies Externas 
Cristal de Si (2D hipotético). 
Cada átomo pode formar 4 ligações covalentes, cada ligação com 2 elétrons. 
Na superfície os Si ficam com dangling bonds (ligações “disponíveis” no ar): 
aptas a interagir com outros átomos instáveis. 
Imperfeições nos Sólidos 
 Defeitos Interfaciais – Contornos de Grão 
 
 
 É o contorno que separa dois pequenos grãos ou cristais que 
possuem diferentes orientações cristalográficas. 
 
 É uma peculiaridade de materiais policristalinos. 
 
 
 
 
 
 
Imperfeições nos Sólidos 
 Defeitos Interfaciais – Contornos de Grão 
 
 
 Quando o desencontro da orientação cristalográfica é pequeno, 
entre os grãos, o mesmo é chamado de contorno de grão de 
baixo ângulo (consequência de discordâncias do tipo aresta). 
 
 
 
 
 
 
 
Imperfeições nos Sólidos 
 Defeitos Interfaciais – Contornos de Grão 
 
 
 Os átomos que estão à margem de um contorno de grão se 
ligam de maneira pouco regular, como consequência existe uma 
energia interfacial no contorno de grão. 
 
 A magnitude dessa energia é proporcional ao grau de 
desencontro da orientação cristalográfica. 
 
 
 
 
 
 
 
O contorno geralmente é mais reativo! 
Os átomos de impureza se agregam preferencialmente 
ao longo dos contornos de grãos. 
Imperfeições nos Sólidos 
 Defeitos Interfaciais – Contornos de Grão 
 
 
 Com base nos conceitos sobre contornos de grãos explique 
porque estruturas compostas por grãos pequenos são mais 
reativas do que estruturas compostas por grãos grandes. 
 
 
 
 
 
 
 
 Exercício 
Imperfeições nos Sólidos 
 Defeitos Interfaciais – Contornos de Macla 
 
 
 É um tipo especial de contorno de grão. 
 Existe uma simetria equivalente a uma imagem de espelho da 
rede cristalina separada pelo contorno. 
 
 
 
 
 
 
 
Imperfeições nos Sólidos 
 Defeitos Interfaciais – Contornos de Macla 
 
 Macla corresponde a área do material que fica entre os contornos 
de direções retas e paralelas. 
 As maclas são produzidas por deslizamentos atômicos que 
ocorrem por ação de forças mecânicas de cisalhamento ou 
por tratamentos térmicos de recozimento. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Twin = Macla 
 Estruturas CCC e HC são 
propensas à formação de 
maclas de deformação. 
 
 Estruturas CFC são 
propensas à formação de 
macla de recozimento. 
 
Imperfeições nos Sólidos 
 Defeitos Interfaciais – Contornos de Macla 
 
 Contornos de Macla vistos por meio de Exame Microscópico. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Imperfeições nos Sólidos 
 Defeitos Interfaciais – Contornos de Fases 
 
 
 São encontradas em materiais constituídos por diferentes fases, 
as quais são caracterizadas por diferentes aspectos químicos 
e/ou físicos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Imperfeições nos Sólidos 
 Defeitos Volumétricos 
 
 
 São defeitos (ou imperfeições) presentes em todos os materiais 
sólidos, sem exceção. 
 
 Exemplos: poros, trincas,inclusões, outras fases etc. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Imperfeições nos Sólidos 
 Defeitos Volumétricos 
 
 Normalmente, são introduzidos durante as etapas de 
processamento e fabricação. 
 Em geral, exercem influência negativa sobre as propriedades 
mecânicas do material. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Compactado de pó de ferro, compactação 
uniaxial em matriz de 
duplo efeito, a 550 MPa 
 Compactado de pó de ferro após 
sinterização 
a 1150°C, por 120 min em atmosfera de 
hidrogênio 
Imperfeições nos Sólidos 
 Vibrações Atômicas 
 
 
 Imperfeição inevitável e presente em todos os materiais 
cristalinos. 
 
 Todos os átomos vibram em suas posições reticulares dentro da 
estrutura cristalina. 
 
 A imperfeição está na diferença da frequência, amplitude e 
energia de vibração. 
 
 Na temperatura ambiente, os átomos vibram com uma 
frequência considerada baixa, em torno de 1013 vibrações por 
segundo. 
 
 O processo de fusão é consequência de grandes vibrações 
atômicas. 
 
Imperfeições nos Sólidos 
 Exame Microscópico 
 
 Técnica para examinar a estrutura dos materiais. 
 
 A realização desses exames permite averiguar se a estrutura 
está em concordância com o comportamento do material, uma 
vez que a estrutura esteja estabelecida. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tipos de Técnicas 
Microscopia Óptica 
Microscopia Eletrônica 
MEV 
MET 
Imperfeições nos Sólidos 
 Microscopia Óptica 
 
 São necessários os seguintes elementos: sistema ótico 
(microscópio ótico) e um sistema de iluminação. 
 
 Requer preparação específica da amostra com uso de ataque 
químico para realçar detalhes da estrutura. 
 
 Tem poder de ampliação limitado (máximo ~ 100 X). 
 
 Utiliza incidência de um feixe de luz para captar a imagem da 
amostra analisada. 
 
 É muito adequada para investigação de superfícies metálicas. 
 
 
Imperfeições nos Sólidos 
 Microscopia Óptica 
 
 Imagem de uma liga Al-Cu. É perceptível a existência de duas 
fases. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Imperfeições nos Sólidos 
 Microscopia Eletrônica 
 
 Utiliza um microscópio eletrônico para realizar a análise. 
 
 Sua principal vantagem é alto poder de ampliação da imagem 
investigada quando comparada à técnica da MO. 
 
 Dependendo do objetivo do exame, a MO não é eficiente, 
tornado necessário o uso de um microscópio eletrônico. 
 
 Utiliza a incidência de feixe de elétrons para captar a imagem da 
amostra analisada. 
 
 O referido feixe pode ser utilizado em duas modalidades: 
varredura (MEV) e transmissão (MET). 
 
 
Imperfeições nos Sólidos 
 Imagens obtidas por MEV 
Imperfeições nos Sólidos 
 Imagens obtidas por MET 
 Imagens de um nanocompósito de matriz polimérica reforçada com nanopartículas de argila. 
Imperfeições nos Sólidos 
 Imagem obtida por MET 
Fotomicrografia (MET) de uma liga de titânio na qual as linhas escuras são discordâncias. 
Ampliação de 51.450X. Fonte: (Callister Jr., 2008). 
Imperfeições nos Sólidos 
 Exercícios 
1) Abaixo estão os valores para o raio atômico, a estrutura cristalina, a eletronegatividade e as 
valências mais comuns para vários elementos. Para aqueles que são não-metais, apenas o raio 
atômico está indicado. 
Elemento Raio Atômico 
(nm) 
Estrutura 
Cristalina 
Eletronegatividade Valência 
Cu 0,1278 CFC 1,9 +2 
C 0,071 
H 0,046 
O 0,060 
Ag 0,1445 CFC 1,9 +1 
Al 0,1431 CFC 1,5 +3 
Co 0,1253 HC 1,8 +2 
Cr 0,1249 CCC 1,6 +3 
Fe 0,1241 CCC 1,8 +2 
Ni 0,1246 CFC 1,8 +2 
Pd 0,1376 CFC 2,2 +2 
Pt 0,1387 CFC 2,2 +2 
Zn 0,1332 HC 1,6 +2 
Quais desses elementos você esperaria que formassem o seguinte com o cobre: 
a) Uma solução sólida substitucional com solubilidade completa. 
b) Uma solução sólida substitucional com solubilidade incompleta. 
c) Uma solução sólida instersticial. 
Imperfeições nos Sólidos 
 Exercícios 
2) Para um dado material, você esperaria que a energia de superfície fosse maior que, igual ou 
menor que a energia de contorno de grão? Por quê? Explique também o porquê da energia de 
contorno de grão para um contorno de baixo ângulo é menor do que para aquela para um de alto 
ângulo. 
3) Descreva sucintamente uma macla e um contorno de macla. Prossiga a resposta citando a 
diferença entre maclas de deformação e maclas de recozimento. 
 
4) Explique sucintamente a diferença entre as técnicas de caracterização: Microscopia Óptica e 
Microscopia Eletrônica. 
5) Como se deve preparar uma amostra para submeter à mesma à técnica MEV? E para a técnica 
MET?