4. Imperfeicoes em Solidos

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CIÊNCIA DOS MATERIAIS
1º Semestre
Imperfeições em Sólidos
Cristal – arranjo regular e periódico dos átomos
Defeito – irregularidade (imperfeição ou “erro”) no arranjo 
cristalino
– na posição dos átomos
Irregularidade
– no tipo dos átomos
O tipo e número de defeitos dependem do material, do 
meio ambiente e das circunstâncias sob as quais o cristal é 
processado.
Imperfeições Estruturais
• Apenas uma pequena fração dos sítios atômicos são 
imperfeitos
Menos de 1 em 1 milhão
• Mesmo sendo poucos eles influenciam muito nas • Mesmo sendo poucos eles influenciam muito nas 
propriedades dos materiais e nem sempre de forma 
negativa
• Características específicas são deliberadamente 
produzidas pela introdução de quantidades controladas de 
imperfeições.
Ex.: dopagem de semicondutores
Defeitos Cristalinos
A classificação dos defeitos cristalinos é frequentemente 
feita de acordo com a geometria ou dimensão dos 
defeitos
Defeitos pontuais – associados a 1 ou 2 posições atômicas
Defeitos lineares – uma dimensão (unidimensional)
Defeitos planos (interfaciais) – fronteiras (2 dimensões)
Defeitos volumétricos – 3 dimensões
Defeitos Pontuais
Vacâncias
• Envolve a falta de um átomo (uma posição do reticulado, 
normalmente ocupada, encontra-se vazia)
• São formados durante a solidificação do cristal ou como • São formados durante a solidificação do cristal ou como 
resultado das vibrações atômicas (O número de vacâncias 
aumenta exponencialmente com a temperatura)
• As propriedades dos materiais podem ser controladas 
criando ou controlando estes defeitos
Defeitos Pontuais
Átomos Intersticiais
• Um átomo extra no interstício do cristal (mesmo material)
• Produz uma distorção no reticulado, uma vez que o átomo 
é, geralmente, maior que o interstício.é, geralmente, maior que o interstício.
• A formação de um defeito intersticial implica na criação de 
uma vacância
• Existem em concentrações menores que as
vacâncias
Defeitos Lineares (Discordâncias)
• As discordâncias estão associadas com a cristalização e a 
deformação (origem: térmica, mecânica e supersaturação de defeitos 
pontuais)
• A presença deste defeito é a responsável pela deformação, • A presença deste defeito é a responsável pela deformação, 
falha e rompimento dos materiais
• A quantidade e o movimento das discordâncias podem ser 
controlados pelo grau de deformação (conformação mecânica) 
e/ou por tratamentos térmicos 
Defeitos Lineares (Discordâncias)
Discordância é um defeito linear ou unidimensional em 
torno do qual alguns dos átomos estão desalinhados. 
Discordância em inglês é chamada “dislocation”.
Podem ser:
- Cunha
- Hélice
- Mista
Discordância em Cunha
Envolve um plano extra de átomos
O vetor de Burger é perpendicular à direção da linha de 
discordância
Envolve zonas de tração e compressão
Discordância em Cunha
Átomos acima da linha de discordância estão espremidos 
(compressãocompressão) e os átomos abaixo da linha estão separados 
(traçãotração)
Discordância em Hélice
• Produz distorção na rede
• O vetor de burger é paralelo à direção da linha de 
discordância
•Formada por uma tensão de cisalhamento
•A parte superior do cristal é deslocada uma distância atômica.
Discordâncias
• Com o aumento da temperatura há um aumento na 
velocidade de deslocamento das discordâncias favorecendo 
o aniquilamento mútuo das mesmas e formação de 
discordâncias únicas
• Impurezas tendem a difundir-se e concentrar-se em torno • Impurezas tendem a difundir-se e concentrar-se em torno 
das discordâncias formando uma atmosfera de impurezas
• As discordâncias geram vacâncias.
•As discordâncias influem no processo de difusão.
• As discordâncias contribuem para a deformação plástica.
Movimentação das Discordâncias
Defeitos Interfaciais
São fronteiras bidimensionais e normalmente separam 
regiões de materiais que tem diferentes estruturas 
cristalinas ou orientações cristalográficas
• Superfícies externas
• Contornos de grão
• Fronteiras entre fases
• Maclas (“twins”)
• Defeitos de empilhamento
Defeitos na Superfície Externa 
– Na superfície os átomos não estão completamente 
ligados ao número máximo de vizinhos (o estado energia dos 
átomos na superfície é maior que no interior do cristal)
– As ligações desses átomos de superfície que não estão 
completadas dão origem a uma energia de superfíciecompletadas dão origem a uma energia de superfície
– Os materiais tendem a minimizar está energia. Por 
exemplo, os líquidos assumem uma forma que possuem 
uma área mínima – as gotículas se tornam esféricas, 
assim diminui sua área superficial. Obviamente isso não é 
possível nos sólidos, que são mecanicamente rígidos.
Contorno de Grão
– Corresponde à região que separa dois ou mais cristais de 
orientações diferentes em materiais policristalinos
um cristal = um grão
– No interior de cada grão todos os átomos estão arranjados 
segundo um único modelo e única orientação, 
caracterizada pela célula unitária
Material com apenas uma orientação cristalina, ou seja, 
que contém apenas um grão é chamado de monocristalmonocristal
Contorno de Grão
A forma do grão é controlada:
- pela presença dos grãos circunvizinhos
O tamanho de grão é controlado
- Composição
-Taxa de cristalização ou solidificação-Taxa de cristalização ou solidificação
Energia
- Energia do contorno de grão é similar à da energia 
da superfície externa, ou seja, mais elevada que no 
interior do grão.
Maclas ou Cristais Gêmeos (“Twins”)
• É um tipo especial de contorno de grão.
• Os átomos de um lado do contorno são imagens 
espelhadas dos átomos do outro lado do contorno.
• A macla ocorre num plano definido e numa direção 
específica, dependendo da estrutura cristalina.específica, dependendo da estrutura cristalina.
Imperfeições Volumétricas
São introduzidas no processamento do material e/ou na 
fabricação do componente.
-Inclusões – Impurezas estranhas
-Precipitados – são aglomerados de partículas cuja composição -Precipitados – são aglomerados de partículas cuja composição 
difere da matriz
-Porosidade – origina-se devido a presença ou formação de gases 
(metalurgia do pó)
- Fases – devido à presença de impurezas (ocorre quando o limite 
de solubilidade é ultrapassado)
Soluções Sólidas
Um metal considerado puro sempre tem impurezas 
(átomos estranhos) presentes
Metal com 99,9999% de pureza = 1022-1023 impurezas por cm3
A presença de impurezas promove a formação de defeitos 
pontuais na estrutura do metal.pontuais na estrutura do metal.
As impurezas podem ser adicionadas intencionalmente 
com a finalidade:
- aumentar a resistência mecânica
- aumentar a resistência à corrosão
Quando a adição é feita intencionalmente formam-se as 
ligas. 
Soluções Sólidas
A estrutura do cristal é mantida e não formam-se novas 
estruturas.
As soluções sólidas formam-se mais facilmente quando 
impureza e hospedeiro tem estrutura e dimensões 
eletrônicas semelhantes.eletrônicas semelhantes.
As impurezas são chamadas solutosoluto (< quantidade) e a 
matriz é chamada solventesolvente (> quantidade).
Soluções Sólidas
1. Substitucionais
Há a substituição de átomos do solvente no reticulado 
cristalino por átomos de soluto.
Átomos de soluto e do solvente devem ter aproximadamente 
o mesmo tamanho.
Para formar uma solução sólida substitucional ambos os 
átomos de soluto e de solvente devem obedecer uma série 
de condições chamadas “Regras de Regras de HumeHume –– RotheryRothery”.
Soluções Sólidas
Raio atômico – deve ter uma diferença de no máximo 
15%, caso contrário pode promover distorções na rede e 
assim formação de nova fase
Estrutura cristalina – mesma
Regras de Hume – Rothery
Estruturacristalina – mesma
Eletronegatividade – próximas
Valência – mesma ou maior que a do hospedeiro (diferença 
máxima 1 unidade)
Tanto o soluto como o solvente devem obedecer a essas 
regras simultaneamente.
Soluções Sólidas
2. Substitucionais
Os átomos de impurezas ocupam os espaços dos 
interstícios.
Como os materiais metálicos tem geralmente fator de Como os materiais metálicos tem geralmente fator de 
empacotamento alto as posições intersticiais são 
relativamente pequenas.
Geralmente, no máximo 10% de impurezas são 
incorporadas nos interstícios.
Soluções Sólidas
Interstícios octaédricos e tetraédricos em estrutura CCC
Razão entre o raio do interstício (r) e o raio do átomo da rede (R): 
Na estrutura CCC o raio do interstício tetraédrico é maior que o do 
interstício octaédrico.
Soluções Sólidas
Interstícios octaédricos e tetraédricos em estrutura CFC
Razão entre o raio do interstício (r) e o raio do átomo da rede (R): 
Na estrutura CFC o raio do interstício tetraédrico é menor que o do 
interstício octaédrico.
Soluções Sólidas
Átomos intersticiais provocam grande distorção na rede 
cristalina, aumentando acentuadamente o parâmetro de rede. 
O seu efeito nas propriedades mecânicas é muito maior que 
o efeito nos átomos substitucionais, para uma mesma o efeito nos átomos substitucionais, para uma mesma 
concentração.
Ex.: o carbono forma uma solução sólida quando adicionado 
ao ferro, a concentração máxima de carbono no ferro é cerca 
de 2,1%.
RC = 0,071 nm e RFe = 0,124 nm