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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