1525066 Defeitos Cristalinos 1

Prévia do material em texto

Prof. Dr. Diego Pinheiro Aun
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Imperfeições em 
arranjos atômicos 
Prof. Dr. Diego Pinheiro Aun
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
• Defeitos Planares (2-D)
 Interfaces e contorno de grãos
• Defeitos Volumétricos (3-D)
 Vazios, fraturas, inclusões e outras fases.
• Defeitos Lineares (1-D)
 discordâncias ou deslocações (dislocations)
• Defeitos Pontuais (0-D)
 Vacâncias ou Lacunas
 Impurezas Intersticiais e substitucionais
Defeitos cristalinos
 São irregularidades na rede cristalina com
dimensões da ordem do diâmetro atômico.
Prof. Dr. Diego Pinheiro Aun
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Defeitos pontuais – 0D
•Vacâncias ou lacunas: sítios atômicos vagos na 
estrutura cristalina
Número de Lacunas (Nv)
Nv = Ne-Q/kT
N = número de posições atômicas na estrutura cristalina
Q = energia para formação de uma lacuna
T = temperatura absoluta (K)
k = 1,38x10-23J/átomo-K = 8,62x10-5 eV/átomo-K = 1,987 cal/mol-K (constante de
Boltzmann)
Prof. Dr. Diego Pinheiro Aun
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Calcule a concentração de vacâncias no cobre a 25oC. A que temperatura será
necessário aquecer este metal para que a concentração de vacâncias
produzidas seja 1000 vezes maior que a quantidade existente a 25oC? Assuma
que a energia para a formação de lacunas seja 20000 cal/mol e o parâmetro de
rede para o cobre CFC é 0,36151 nm.
Solução:
O número de átomos ou posições na rede cristalina, por unidade de volume,
do cobre é
para que Nv seja 1000 vezes maior,
Exemplo - Número de Lacunas 
N= = 8,47x1022 átomos Cu/cm34 átomos/célula(3,6151x10-8cm)3
Nv = 8,47x1022 e-20000/(1,987 x 298) = 1,81x108 lacunas / cm3
1,81x1011 = 8,47x1022e-20000/(1,987 T) 374,60 k T = 102 °C
a 25°C (T=298K):
Prof. Dr. Diego Pinheiro Aun
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Defeitos pontuais – 0D
Defeitos substitucionais = quando um átomo
da rede cristalina é substituído por outro de
tamanho diferente.
Prof. Dr. Diego Pinheiro Aun
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Defeitos pontuais – 0D
•Intersticiais: átomos extras ocupando posições entre os sítios 
atômicos
Prof. Dr. Diego Pinheiro Aun
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
• Adição de átomos de impureza na rede cristalina cria uma 
solução sólida e/ou segunda fase
Soluções sólidas
Solução sólida 
substitucional. Ex: CuNi
Solução sólida intersticial. 
Ex: aço - FeC
Não é solução sólida
2ª fase
• Maioria dos metais são utilizados como solução sólida (ligas 
metálicas).
• Impurezas modificam as propriedades da matriz (mecânica, 
química, elétrica, ...).
Prof. Dr. Diego Pinheiro Aun
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Soluções sólidas
Regras para formação de solução substitucional:
 Fator tamanho  diferença entre raio atômico do soluto e solvente ≤ 
15%.
 Estrutura cristalina  soluto e solvente devem ter a mesma estrutura 
cristalina.
 Eletronegatividade: soluto e solvente devem ter eletronegatividades 
próximas (diferenças formam compostos iônicos – segunda fase).
 Valências: Sendo igual os demais fatores, um metal terá maior 
facilidade em se dissolver em uma matriz composta de outro metal 
com maior valência.
Prof. Dr. Diego Pinheiro Aun
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
• Composição da solução:
Soluções sólidas
Porcentagem em peso (massa)
Porcentagem atômica
Prof. Dr. Diego Pinheiro Aun
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Exercício
Elemento Raio(nm) Estrutura Eletronegatividade Valência Massa atômica 
(g/mol)
Ni 0,1246 CFC 1,8 +2 58,69
Pd 0,1376 CFC 2,2 +2 106,42
Pt 0,1387 CFC 2,2 +2 195,08
1. O Ni, Pd e Pt podem formar uma solução sólida em qualquer proporção? 
Por que?
2. Qual a concentração em massa de Ni numa solução contendo 1,2 g de Ni, 
197,5 g de Pd e 212,0 g de Pt?
3. Qual a concentração atômica de Ni da solução proposta no exercício 2?
Prof. Dr. Diego Pinheiro Aun
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Defeito Frenkel Defeito Schottky
Defeitos pontuais – 0D
Prof. Dr. Diego Pinheiro Aun
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Defeitos lineares – 1D
•Discordância ou deslocações: plano atômico extra inserido na rede 
cristalina.
Discordância 
em aresta Discordâncias vistas através de
microscopia eletrônica de
transmissão (liga de titânio).
Discordância em Aresta
Prof. Dr. Diego Pinheiro Aun
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Discordância de Aresta
é um defeito provocado
pela adição de um
semiplano extra de
átomos.
Compressão
Expansão
Semiplano
adicional
Defeitos lineares – 1D
Prof. Dr. Diego Pinheiro Aun
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Deslizamento ou deformação plástica é o processo que ocorre quando uma
força causa o deslocamento de uma discordância.
Tensão
Defeitos lineares – 1D
Prof. Dr. Diego Pinheiro Aun
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Defeitos lineares – 1D
Discordância Espiral ocorre quando uma região do cristal é
deslocada de uma posição atômica.
Prof. Dr. Diego Pinheiro Aun
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Discordância Espiral ocorre quando uma região do cristal é
deslocada de uma posição atômica.
Defeitos Lineares
Linha 
de Discordância
Vetor de Burgers
Prof. Dr. Diego Pinheiro Aun
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Discordância Mista é o tipo mais provável de discordância e
corresponde à mistura de discordâncias de aresta e espiral.
Defeitos lineares – 1D
Prof. Dr. Diego Pinheiro Aun
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Defeitos superficiais – 2D
São contornos que separam regiões dos materiais com diferentes 
estruturas cristalinas ou orientações cristalográficas.
Superfície externa: final da estrutura cristalina, átomos com maiores energias
Contornos de grãos: fronteira entre cristais com diferentes orientações.
Contornos de macla: fronteira entre cristais com diferentes orientações 
apresentando simetria (imagem especuar).
Falha de empilhamento: Erro na sequência de 
empilhamento dos planos atômicos: ABCABCABCACBABC
Prof. Dr. Diego Pinheiro Aun
Curso de EngenhariaMecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
• Superfícies Externas:
 Átomos na superfície não têm todas suas ligações satisfeitas e possuem maior
energia livre que os átomos sob a superfícies;
 Área da superfície tende a minimizar;
 A superfície dos sólidos podem se “reconstruir” para satisfazer as ligações
atômicas dos seus átomos.
Átomos 
insaturados
Superfície com 
energia livre
Material 
cristalino
Prof. Dr. Diego Pinheiro Aun
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
• Regiões entre cristais
• Transição entre diferentes estruturas 
cristalinas
• Ligeiramente desordenados
• Baixa densidade de contorno de grãos: 
– Alta mobilidade das deslocações.
Contorno de grãos 
Prof. Dr. Diego Pinheiro Aun
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
• Contornos de Grão:
 Materiais policristalinos são formados por muitos cristais ou grãos, que têm diferentes
direções cristalográficas;
 Nas regiões onde estes grãos se encontram ocorre um desordenamento atômico. Elas são
chamadas de contorno de grão;
 Os átomos próximos à fronteira dos 3 grãos não têm
um espaçamento uniforme ou ordenamento. Microestrutura do Pd (100x)
Prof. Dr. Diego Pinheiro Aun
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Contornos de Grão
• Ângulos de desalinhamento:
 Em função do
desalinhamento dos planos
atômicos entre os grãos
adjacentes, pode-se distinguir
os contornos de grão de baixo e
alto ângulo.
Ângulo de 
desalinhamento
Ângulo de 
desalinhamento
Alto ângulo
Baixo ângulo
Prof. Dr. Diego Pinheiro Aun
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Contorno de Macla
São contornos de grão com simetria especular da rede cristalina.
Plano da Macla
Prof. Dr. Diego Pinheiro Aun
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
• Maclas podem ser causadas por deformações do material, causadas por tensões
térmicas ou mecânicas;
• Ligas com memória de forma:
 Esse defeito é observado em materiais com memória de forma, que podem recuperar sua
forma original quando expostos a uma fonte de calor;
 As maclas desaparecem quando estes materiais são deformados e ressurgem quando
são aquecidos a altas temperaturas, recuperando sua forma original.
Microscopia de maclas em grão de bronze
(a)
(b)
Prof. Dr. Diego Pinheiro Aun
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Defeitos Interfaciais: Falha de Empilhamento
 Corresponde a interrupção de uma seqüência regular de empacotamento de planos
em uma rede cristalina
Prof. Dr. Diego Pinheiro Aun
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Defeitos em Volume
Poros: podem modificar substancialmente as propriedades ópticas, mecânicas e térmicas de um
material;
Fraturas: podem afetar as propriedades mecânicas do material;
Inclusões: podem modificar substancialmente as propriedades elétricas, mecânicas e ópticas de
um material;
Fases secundárias
Inclusões
poros
Heterogeneidade
(materiais multifásicos)
Prof. Dr. Diego Pinheiro Aun
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Curso de Engenharia Mecânica
Ciências Tecnologia dos Materiais
Defeitos volumétricos– 3D
Micrografia - filme poroso 
de Cd2SnO4
Micrografia – trincas em 
ppt de FeP
Micrografia – Precipitado 
de Ti3Ni4 em ligas de NiTi
POROS
TRINCAS
PRECIPITAD
OS