Aula 04 - Defeitos em sólidos cristalinos

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10/03/2016 
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Ciência dos Materiais 
Prof ͣ MSc. Larisse Maria de O. M de Cunto 
Engenharia Civil 
Aula 04 – Defeitos em 
sólidos cristalinos 
 Na aula anterior foi admitido que existe uma ordem de 
arranjo atômico perfeita ao logo dos materiais cristalinos. 
 
 este sólido idealizado não existe 
 
 Todos os materiais contém grandes números de defeitos 
ou imperfeições 
1. DEFEITOS CRISTALINOS 
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 Defeito cristalino: imperfeição ou “erro” periódico regular 
dos átomos em um cristal. 
 Os defeitos presentes em um material cristalino podem 
melhorar ou piorar profundamente suas propriedades. 
 Com frequência características específicas de um material 
são moldadas pela introdução controlada de defeitos 
específicos. 
 Exemplo: Introdução de carbono no ferro – aumenta a resistência 
do material 
 
1. DEFEITOS CRISTALINOS 
 Defeitos Lacunas ou vacância: 
ausência de um átomo em uma 
posição atômica da rede 
cristalina 
 
 Defeito auto-intersticial: um 
átomo do mesmo tipo da 
estrutura ocupando o interstício 
da célula unitária 
1. DEFEITOS PONTUAIS 
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 Impurezas em sólidos 
 Um material 100% puro é simplesmente impossível, terá sempre 
impurezas. 
 Na verdade, os metais comumente utilizados são ligas onde 
átomos de impureza são intencionalmente adicionados para 
conferir propriedades específicas ao metal. 
 Exemplo: A prata pura é muito macia para ser utilizada, assim, para 
torná-la aplicável se adiciona 7,5% de cobre para aumentar sua 
resistência sem interferir nas outras propriedades. 
1. DEFEITOS PONTUAIS 
 Tipos de impurezas em sólidos 
 Defeitos átomo intersticial: ocorre quando o átomo da impureza, 
menor que o átomo do material, entra nos interstícios da estrutura 
1. DEFEITOS PONTUAIS 
 Defeitos átomo substitucional: 
ocorre quando o átomo da 
impureza, maior que o átomo do 
material, substitui o átomo da 
estrutura 
 
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 As impurezas, chamadas elementos de liga, são 
adicionadas intencionalmente com a finalidade de 
aumentar: 
 Resistência mecânica 
 Resistência à corrosão 
 Condutividade elétrica, etc. 
 A adição de impurezas pode formar: 
 Soluções sólidas < limite de solubilidade 
 Segunda fase > limite de solubilidade 
1. DEFEITOS PONTUAIS 
 Exemplo defeito átomo intersticial 
 O carbono adicionado ao ferro será um defeito intersticial. A 
concentração máxima de carbono que é possível adicionar ao ferro é 
de 2%, ao ultrapassar esse valor uma nova fase será formada, 
cemetita. 
 
 Exemplo defeito átomo substitucional 
 O cobre e o níquel são completamente solúveis um no outro em 
qualquer proporção. 
 
1. DEFEITOS PONTUAIS 
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1. DEFEITOS PONTUAIS 
 Uma discordância é um defeito linear em torno do qual os 
átomo estão desalinhados causando uma distorção na 
rede cristalina. 
 Existem dois tipos de defeitos: 
 discordância aresta e 
 espiral 
 Esses defeitos serão os principais facilitadores da 
deformação plástica do material. 
1. DISCORDÂNCIAS - DEFEITOS LINEARES 
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 As discordâncias existem em materiais cristalinos. 
 A movimentação de discordâncias é o principal fator envolvido 
na deformação plástica de metais e ligas 
 A mobilidade de discordâncias pode ser alterada por diversos 
fatores (composição, processamento...) ⇒ manipulação das 
propriedades mecânicas do material 
 Discordâncias afetam outras propriedades do material, além 
das mecânicas (p. ex. propriedades elétricas de semi-
condutores) 
 
1. DISCORDÂNCIAS - DEFEITOS LINEARES 
 Defeito Aresta 
1. DISCORDÂNCIAS - DEFEITOS LINEARES 
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VíDEO DISCORDÂNCIA ARESTA 
 Defeito Espiral 
 
 Exemplo: 
 cisalhamento 
 torque 
 
 
 
 
 
 
 Vetor de Burgers: esta associado com a magnitude e direção da distorção da 
rede 
 
1. DISCORDÂNCIAS - DEFEITOS LINEARES 
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DISCORDÂNCIA ARESTA E ESPIRAL 
• Ilustração de uma discordância a) aresta ou cunha e 
 b) espiral ou parafuso 
 O mecanismo é diferente para materiais cristalino e amorfos. 
 
 Nos materiais cristalinos o principal mecanismo de 
deformação plástica geralmente consiste no 
escorregamento de planos atômicos através da 
movimentação de discordâncias 
 
 Cristalinos metálicos: consiste no escorregamento de planos 
atômicos através da movimentação de discordâncias. 
 
 Cristalinos cerâmicos: por possuir ligações rígidas covalentes ou 
iônicas não irão permitir a movimentação de discordâncias 
apresentando baixa deformação plástica. 
 
 
1.1. DEFORMAÇÃO PLÁSTICA 
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 O mecanismo é diferente para materiais cristalino e amorfos. 
 
 Já nos materiais amorfos consiste no escoamento viscoso 
 
 
 Amorfos: consiste no escorregamento viscoso, sendo necessário 
atingir a temperatura em que o material deixa de apresentar 
comportamento frágil e passa a ser viscoso. 
 
 Exemplo: o vidro em temperatura ambiente ao ser deformado irá 
quebrar, ou seja, não apresentará deformação plástica por não 
possuir planos de escorregamento para os defeitos. 
 
 
 
1.1. DEFORMAÇÃO PLÁSTICA 
Deformação plástica produzida pela movimentação de uma 
discordância em aresta 
 
1.1. DEFORMAÇÃO PLÁSTICA 
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1.1. DEFORMAÇÃO PLÁSTICA 
2. DEFEITOS INTERFACIAIS 
 São contornos que possuem duas dimensões e normalmente 
separam as regiões dos materiais que possuem diferentes 
estruturas cristalinas e/ou orientações cristalográficas. 
 
 Superfícies externas 
 Contornos de grão 
 Contorno de macla 
 Fases de empilhamento 
 Contornos de fases. 
 
 
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2. DEFEITOS INTERFACIAIS 
 Superfícies Externas: 
 Átomos na superfície não tem todas suas ligações 
satisfeitas e possuem maior energia livre. 
 
 
 
 
 
 
 
 
2. DEFEITOS INTERFACIAIS 
 Contornos de Grão: 
 
 Normalmente uma amostra de um material cristalino não 
é constituída por único cristal mas por vários 
GRÃOS 
 Corresponde à região que separa dois ou mais 
cristais de orientação diferentes 
 No interior de cada grão todos os átomos estão num 
arranjo regular e periódico caracterizado pela célula 
unitária 
 
 
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2. DEFEITOS INTERFACIAIS 
 Contornos de Grão: 
 
 
 
 
 
 
 
 
2. DEFEITOS INTERFACIAIS 
 Defeitos em Maclas: 
 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. 
 
 Também é conhecida como Twin (gemêos) 
 
 
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2. DEFEITOS INTERFACIAIS 
 Defeitos em Maclas: 
 
 
 
 
 
 
 
 
2. DEFEITOS INTERFACIAIS 
 Falha de empacotamento: 
 Corresponde a interrupção de uma sequência regular de 
empacotamento de planos em uma rede cristalográfica 
 
 
 
 
 
 
 
 
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3. DEFEITOS VOLUMÉTRICOS 
 São introduzidos no processamento do material e/ou na 
fabricação do componente (ex. durante a soldagem) 
 
 Tipos de defeitos volumétricos: 
 Inclusões: impurezas presentes no material 
 Precipitados: aglomerados de partículas diferentes da matriz 
 Fases: se formam devido à presença de impurezas ou 
elementos de liga. 
 Porosidade: Ocorre devido a presença ouformação de gases. 
 Trincas: Adicionadas de diversas maneiras ao material, e uma 
das principais causas de falhas. 
 
3. DEFEITOS VOLUMÉTRICOS 
 Inclusões: 
 Impurezas, normalmente óxidos, que estão presentes no 
material devido a sua falta de pureza. 
 
 
 
 
 
 
 
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3. DEFEITOS VOLUMÉTRICOS 
 Precipitados: 
 Ocorre quando um componente que estava solubilizado na 
matriz precipita. 
 Normalmente ocorre durante o resfriamento do material, ou 
através de processamento mecânico. 
 
 
 
 
 
 
 
Na figura ao lado, é demonstrado o 
óxido de cobre (pontos escuros) 
precipitados de uma matriz de 
cobre puro. 
 
Durante a fusão do cobre, o oxigênio 
estava dissolvido na matriz de 
cobre, porém durante seu 
resfriamento ocorreu a 
precipitação. 
3. DEFEITOS VOLUMÉTRICOS 
 Fases: 
 Quando dois ou mais componentes são insolúveis ou tem 
solubilidade limitada (não formam solução sólida), irá ocorrer a 
presença de duas ou mais fases distintas no material. 
 Ex: Água e Óleo 
 
 
 
 
 
 
 
Na figura ao lado, é mostrado um aço 
com excesso de carbono. 
 
A estrutura do aço será a perlita 
(contém 95,7% de ferro e 4,3% de 
carbono), porém devido ao 
excesso de carbono ocorrerá a 
formação de uma fase grafita. 
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3. DEFEITOS VOLUMÉTRICOS 
 Porosidade: 
 São “buracos” presentes na estrutura devido à presença de 
gases ou falta de fusão. 
 
 
 
 
 
 
Poro adicionado ao material 
devido a presença de umidade 
durante a soldagem. 
3. DEFEITOS VOLUMÉTRICOS 
 Trincas: 
 São fissuras de grande comprimento, que dividem a estrutura 
cristalina do material. 
 A maioria das falhas de materiais estão atrelados à trinca. 
 Ocorrem devido: 
 Esforço ciclico; 
 Ciclos térmicos; 
 Diferença na dilatação térmica entre as fases do material; 
 Fragilização do contorno de grão; 
 Material submetido a grandes esforços. 
 
 
 
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3. DEFEITOS VOLUMÉTRICOS 
 Trincas: 
 
 
 
 
 
 
1. Por que os defeitos são importantes na determinação de 
algumas propriedades físicas e mecânicas? Cite alguns 
exemplos. 
 
2. Como são classificadas as imperfeições/defeitos estruturais 
em materiais sólidos? 
 
3. Cite quais são os 4 tipos de defeitos existentes em sólidos 
cristalinos. 
 
4. Os defeitos pontuais ocorrem em nível atômico e podem 
ser divididos em 4 tipos, quais são eles? Explique-os. 
 
 
 
Exercícios 
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4. Os defeitos lineares são mais conhecidos como discordâncias, 
explique o que é uma discordância. 
 
5. Como ocorre o mecanismo de deformação plástica nos materiais 
cristalinos? 
 
6. Descreva o que forma os contornos de grão. 
 
 
 
 
 
 
7. Qual o defeito que é a principal causa de falhas em materiais? 
Descreva-o. 
 
 
Exercícios