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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 que

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