Fundamentos de Ciência e Engenharia de materiais 2 Aula 2_2019

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Fundamentos de Ciência e 
Engenharia dos Materiais
 (Aula 2)
Imperfeições nos Sólidos e Discodâncias
Prof. Dr. Márcio Yee
E-mail: marcioyee@hotmail.com
Importância
Por que estudar Defeitos Cristalinos?
1. As propriedades de alguns materiais são influenciadas 
pela presença de imperfeições. As propriedades 
mecânicas dos metais puros apresentam alterações 
significativas quando eles são ligados (adicionados 
átomos de impurezas) – por exemplo, o latão (70% cobre 
e 30% zinco) é muito mais duro e resistente do que o 
cobre puro.
2. O processo de dopagem em semicondutores visa incluir 
concentrações controladas de impurezas para mudar o 
tipo de condutividade em determinadas regiões do 
material.
O q é um Defeito?
É uma imperfeição ou uma 
irregularidade no reticulado cristalino. 
A classificação é feita de acordo com a:
❖ a geometria dos defeitos
❖ a dimensionalidade dos defeitos
Imperfeições nos Sólidos
✔ Cristal perfeito não existe!
✔ Todos os materiais contêm 
inúmeros defeitos ou 
imperfeições.
✔ Muitas das propriedades 
dos materiais são muito 
sensíveis a desvios da 
perfeição cristalina.
Imperfeições Estruturais
▪ Defeitos pontuais 🡪 associados com uma ou duas posições 
atômicas: lacunas e átomos intersticiais.
▪ Defeitos lineares 🡪 defeitos unidimensionais: discordâncias.
▪ Defeitos planos ou interfaciais 🡪 defeitos bidimensionais: 
contornos de grão, superfícies externas, contornos de maclas, 
defeitos de empilhamento.
▪ Defeitos volumétricos 🡪 defeitos tridimensionais: poros, 
trincas e inclusões.
Dimensões dos Defeitos
Os defeitos cristalinos 
são estudados por 
microscópios ópticos, 
eletrônicos, de 
transmissão, entre 
outros.
Defeitos Pontuais: Lacunas
o Lacuna (“vacancy”): ausência de um átomo ou um sítio vago 
na rede cristalina.
o Todos os sólidos cristalinos contêm lacunas.
o Podem ser formadas durante a deformação plástica ou como 
resultado das (os átomos deslocam-se de suas posições 
normais). vibrações atômicas 
o Existe uma concentração de equilíbrio de lacunas.
 onde: N ≡ número total de posições atômicas
 NL ≡ número de lacunas
 QL ≡ energia de ativação para formação de lacunas
 k ≡ constante de Boltzmann
 T ≡ temperatura absoluta
Defeitos Pontuais: Lacunas
o Lacuna (“vacancy”): ausência de um átomo ou um sítio vago 
na rede cristalina.
o Todos os sólidos cristalinos contêm lacunas.
o Podem ser formadas durante a deformação plástica ou como 
resultado das (os átomos deslocam-se de suas posições 
normais). vibrações atômicas 
o Existe uma concentração de equilíbrio de lacunas.
Defeitos Pontuais: Auto-Intersticiais
✔ AUTO-INTERSTICIAL: é um átomo que se encontra comprimido em 
um sítio intersticial (pequeno espaço vazio) que não é uma posição 
típica da rede.
✔ Os defeitos auto-intersticiais causam uma grande distorção do 
reticulado cristalino a sua volta.
lacuna
auto-intersticial
auto-intersticial
Impurezas nos Sólidos
� É impossível existir um metal consistindo de um só tipo de 
átomo. Um metal considerado puro sempre tem impurezas 
(átomos estranhos) presentes. 
� As técnicas de refino atualmente disponíveis permitem obter 
metais com um grau de pureza no máximo de:
� A presença de impurezas promove a formação de defeitos 
pontuais.
Impurezas nos Sólidos
As impurezas (chamadas elementos de liga) são adicionadas 
intencionalmente com a finalidade:
Por exemplo, a prata de lei é uma liga composta de 92,5% de 
prata e 7,5% de cobre. A prata pura é altamente resistente à 
corrosão, mas também é muito mole. A formação de uma liga 
com o cobre aumenta significativamente a resistência mecânica 
sem diminuir a resistência à corrosão.
� Aumentar a resistência mecânica;
� Aumentar a resistência à corrosão;
� Aumentar a condutividade elétrica; etc.
Impurezas nos Sólidos
A adição de átomos de impurezas a um metal irá formar uma 
solução sólida. Também é possível para os materiais cerâmicos.
A solubilidade depende :
✔ Temperatura
✔ Tipo de impureza
✔ Concentração da impureza
Impurezas nos Sólidos
Termos usados às soluções sólidas:
Uma solução sólida também é homogênea em termos de 
composição; os átomos de impurezas estão distribuídos 
aleatória e uniformemente no sólido.
Soluções Sólidas
Nas soluções sólidas, dependendo do tamanho, as impurezas 
podem ser:
Substitucional: Os átomos de 
soluto substituem átomos de 
solvente no reticulado. 
Átomos de soluto apresentam 
tamanho ~ igual aos átomos do 
solvente. Ex: latão (Cu/Zn), 
bronze (Cu/Sn).
Intersticial: Os átomos de soluto 
ocupam os interstícios existentes 
no reticulado. 
Átomos de soluto são muito 
menores que os de solvente. Ex: 
carbono em ferro.
Soluções Sólidas
Quando um átomo é deslocado de sua posição original por 
outro, e conforme o tamanho, pode:
(a) aproximar os átomos da rede
(b) separar os átomos da rede
Conseqüência 🡪 distorção da rede
(a) (b) 
Soluções Sólidas
A presença de átomos de 
tamanho distinto do solvente 
gera distorções no reticulado:
Influência da dimensão dos 
átomos de soluto numa 
solução sólida com matriz 
de cobre:
Soluções Sólidas
Solução Sólida Intersticial:
Desenho mostra um plano de uma solução intersticial de 
carbono em ferro acima de 912°C. Nota-se a distorção dos 
átomos de ferro em volta dos átomos de carbono.
Soluções Sólidas
FATORES QUE INFLUEM NA FORMAÇÃO DE SOLUÇÕES 
SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS (REGRA DE 
HOME-ROTHERY)
Uma grande solubilidade, no estado sólido, de um elemento 
em outro é favorecida pelas seguintes condições:
Soluções Sólidas
Cu + Ni 🡪 são solúveis em todas as proporções!
Composição de uma Liga
Concentrações: 
Defeitos Lineares: Discordâncias
Definição:
✔ Defeito em uma dimensão ao redor do qual alguns átomos 
encontram-se desalinhados.
Classificação:
� Discordância em cunha ou aresta
� Discordância em hélice ou espiral
� Discordância mista
Discordância em Cunha
Envolve um semi-plano extra de 
átomos, cuja aresta termina no 
interior do cristal. 
(a)Um cristal perfeito; 
(b) Um plano extra é 
inserido no cristal (a);
Discordância em Cunha
✔ A linha de discordância corresponde a borda do plano extra.
✔ Ao redor da linha de discordância existe uma distorção 
localizada da rede: zonas de tração e compressão.
✔ Ligeira curvatura dos planos verticais de átomos.
Discordância em Cunha
• Vetor de Burgers (b) 
representa a magnitude e a 
direção da distorção do 
reticulado;
• A magnitude desta distorção 
🡪 ordem de uma distância 
interatômica;
• Na discordância em cunha o 
vetor de Burgers é 
perpendicular a linha de 
discordância (plano extra).
Discordância em Hélice
A discordância em hélice pode ser entendida como sendo a 
distorção resultante da aplicação de uma tensão de 
cisalhamento. Arranjo dos átomos em torno de uma 
discordância em hélice vista de cima:
Região superior é deslocada uma distância atômica 
para a direita em relação a parte inferior.
Discordância em Hélice
• Tensões de cisalhamento estão 
associadas aos átomos adjacentes à 
linha da discordância em hélice.
• O vetor de Burgers é paralelo a 
linha de discordância A-B.
Discordância Mista
❑ Exibe comportamento de discordâncias em cunha e em hélice.
❑ Na verdade os materiais metálicos só apresentarão 
discordâncias mistas.
Discordância Mista
✔ O vetor de Burgers 
forma outro ângulo 
com sua linha.
✔ O vetor de Burgers 
serão mesmo em 
todos os pontos ao 
longo de sua linha.
Movimento de Discordâncias e 
a Deformação Plástica
1. Discordâncias movem-se devido à aplicação de uma tensão 
de cisalhamento;
2. A deformação plástica corresponde à deformação 
permanente que se dá pelo movimento de discordâncias(em cunha ou em hélice).
Movimento de Discordâncias
Rearranjos atômicos que acompanham o movimento de uma 
discordância em cunha na medida em que ela se move em 
resposta à aplicação de uma tensão de cisalhamento:
Plano de escorregamento
Direção de escorregamento
Uma distância interatômica
Movimento de Discordâncias
O movimento de uma discordância é análogo ao modo de locomoção 
utilizado por uma lagarta:
Criação e deslizamento de discordância em cunha
Aplicando uma tensão
 de cisalhamento
Movimento de Discordâncias 
em Monocristais
✔ Durante a deformação plástica o 
número de discordâncias aumenta 
drasticamente; 
✔ As discordâncias movem-se mais 
facilmente nos planos de maior 
densidade atômica (chamados 
planos de escorregamento). Neste 
caso, a energia necessária para 
mover uma discordância é mínima;
✔ Então, o número de planos nos quais 
pode ocorrer o escorregamento 
depende da estrutura cristalina.
Movimento de Discordâncias 
em Cunha e em Hélice
A formação de um degrau na superfície de um cristal pelo movimento de 
discordâncias (a) em cunha e (b) em hélice.
O efeito final é 
o mesmo!
Observação de Discordâncias
✔ Diretamente 🡪 TEM ou HRTEM
✔ Indiretamente 🡪 MEV e microscopia 
óptica (após ataque químico seletivo)
Discordâncias no TEM
Discordâncias no HRTEM
Defeitos Planos ou Interfaciais
• São defeitos bidimensionais ou interfaciais que 
compreendem regiões do material com diferentes estruturas 
cristalinas e/ou diferentes orientações cristalográficas.
Estes defeitos incluem:
✔ superfícies externas;
✔ contornos de grão;
✔ contornos de macla;
✔ defeitos de empilhamento.
Superfícies Externas
❖ Átomos na superfície não têm todas suas ligações satisfeitas e 
possuem energia maior que os átomos nas posições interiores;
❖ As ligações insatisfeitas dos átomos da superfície dão origem 
a uma energia de superfície ou energia interfacial (J/m2).
Contorno de Grão
� Corresponde à região que separa dois ou mais cristais de 
diferentes orientações cristalográficas.
Um cristal = Um grão
� Na região de contorno, largura de apenas alguns átomos, 
existe algum desalinhamento cristalográficos entre os grãos 
adjacentes (na região de transição da orientação cristalina).
Contorno de Grão
✔ Quando o desalinhamento entre os GRÃOS vizinhos é grande (maior que 
~150), o contorno formado é chamado CONTORNO DE GRÃO ou 
CONTORNO DE ALTO ÂNGULO.
✔ Se o desalinhamento é pequeno (em geral, menor que 50), o contorno é 
chamado CONTORNO DE BAIXO ÂNGULO, e as regiões que tem essas 
pequenas diferenças de orientação são chamadas de SUBGRÃOS. 
Os contornos de pequeno 
ângulo podem ser 
representados por arranjos 
de discordâncias em 
cunha.
Contorno de Grão
▪ Os contornos de grão são criados durante a solidificação do 
material ou durante processos de deformação e recristalização.
▪ Os átomos estão ligados de uma maneira menos regular ao longo 
de um contorno, conseqüentemente, existe uma energia interfacial 
e por isso são regiões mais reativas.
▪ Os átomos de impurezas tendem a segregar nos contornos, devido 
aos seus estados mais elevados de energia. 
Microestrutura típica dos grãos em aço 
de baixo teor de C. 
Ataque: nital3%.
Contorno de Grão
✔ A forma do grão é controlada:
-pela presença dos grãos circunvizinhos
✔ O tamanho de grão é controlado:
-Composição química
-Taxa (velocidade) de cristalização ou solidificação.
Contorno de Macla
✔ Maclas é um tipo especial de contorno de grão, através do qual existe 
uma simetria espelhada da rede cristalina, ou seja, os átomos de um 
lado do contorno estão localizados em uma posição que é a posição 
refletida do outro lado.
✔ A região de material entre os contornos é chamada de macla.
✔ As maclas são resultantes de deslocamentos atômicos produzidos por 
tensões de cisalhamento ou durante tratamento térmico.
Contorno de macla que separa duas regiões cristalinas.
Plano de macla
Contorno de Macla
A macla ocorre num plano definido e numa direção específica, 
dependendo da estrutura cristalina.
Macla
Imperfeições Volumétricas
• Tipos de defeitos, que se apresentam, usualmente, em escalas 
muito maiores.
• São introduzidas no processamento do material, e podem 
afetar fortemente suas propriedades.
- Inclusões 🡪 Impurezas estranhas;
- Precipitados 🡪 são aglomerados de partículas cuja 
composição difere da matriz;
- Fases 🡪 forma-se devido à presença de impurezas ou 
elementos de liga (ocorre quando o limite de 
solubilidade é ultrapassado);
- Poros 🡪 são vazios no material e origina-se devido a 
presença ou formação de gases.
Imperfeições Volumétricas
INCLUSÕES: Partículas formadas a partir de reações entre os 
constituintes do material e/ou a partir da reações entre os 
componentes do material e o ambiente, durante os processos 
de fabricação; sendo tais partículas insolúveis na matriz. Ex: 
óxidos, sulfetos e fosfetos. 
INCLUSÕES DE ÓXIDO DE COBRE 
(Cu2O) EM COBRE DE ALTA PUREZA 
(99,26%) LAMINADO A FRIO E 
RECOZIDO A 800°C. 
Imperfeições Volumétricas
A MICROESTRUTURA É COMPOSTA POR GRAFITA SOBRE UMA MATRIZ 
PERLÍTICA. CADA GRÃO DE PERLITA, POR SUA VEZ, É CONSTITUÍDO POR 
LAMELAS ALTERNADAS DE DUAS FASES: FERRITA (OU FERRO-A) E CEMENTITA 
(OU CARBONETO DE FERRO). 
Imperfeições Volumétricas
As figuras abaixo apresentam a superfície de ferro puro durante 
o seu processamento por metalurgia do pó. 
Poros
Observação Microestrutural
o É necessário examinar os elementos estruturais e os defeitos 
que influenciam as propriedades dos materiais.
o Observação da macroestrutura: a olho nu ou com baixos 
aumentos (até ~ 10X).
o Observação da microestrutura: microscopia óptica e 
microscopia eletrônica.
Macroestrutura de um lingote de chumbo 
policristalino apresentando os diferentes 
grãos.
Resumo
⚫ Os defeitos influem nas propriedades macroscópicas dos materiais. 
⚫ Os principais defeitos do cristal podem ser classificados em termos 
geométricos em: puntiformes, lineares (unidimensionais), planares 
(bidimensionais) e volumétricas (tridimensionais). E classificam-se 
termodinamicamente em: de equilíbrio e de não-equilíbrio.
⚫ Usualmente, os defeitos tridimensionais apresentam dimensões muito 
maiores que os outros tipos de defeitos geométricos.
⚫ Nos defeitos de equilíbrio, o aumento da entalpia é compensado pelo 
aumento da entropia. Para um dado material em cada temperatura é 
observada um número relativo de defeitos em equilíbrio.
⚫ Em metais, a solução sólida ocorre com a adição de um segundo tipo de 
átomo sem alteração da estrutura cristalina e classifica-se em: 
substitucional e intersticial.
⚫ A análise microestrutural permite a observação e o estudo de defeitos. 
Resumo
⚫ Capítulos do Callister (7ª Ed., 2008)
⚫ Capítulo 4 : completo
⚫ Capítulo 7 : Maclas, item 7.7 .
⚫ Capítulo 12: Defeitos em sólidos iônicos, item 12.5 .
⚫ Outras referências importantes
⚫ Callister – Ciência e Eng. Mat: Uma introdução, 5ª ed. Capítulo 4 
completo; Capítulo 7 : Maclas, item 7.7; e Capítulo 13: Defeitos em sólidos 
iônicos, item 13.5. 
⚫ Shackelford, J. F. – Ciência dos Materiais, 6ª ed., 2008. Cap. 4
⚫ Van Vlack , L. - Princípios de Ciência dos Materiais, 3a ed.
⚫ Capítulo 4 : itens 4-1 a 4-9
⚫ Padilha, A.F. – Materiais de Engenharia. Hemus. São Paulo. 1997. 
⚫ Capítulos 9 e 10.