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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
