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UFR Disciplina: Ciência dos Materiais 1°Semestre de 2019 Professora: Dra. Vanessa Motta Chad E-mail: vanessamotta@ufmt.br AULA 6 IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS (PARTE 1) IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS ➢ Imperfeições cristalinas ou defeitos são irregularidades no arranjo periódico dos átomos em um cristal. ➢ Todos os materiais contêm grande número de uma variedade de defeitos ou imperfeições. ➢ A quantidade e tipo das imperfeições depende da forma como o cristal foi formado. ➢ A classificação das imperfeições cristalinas é feita frequentemente de acordo com a geometria ou dimensão do defeito. NÃO EXISTEM ESTRUTURAS CRISTALINAS PERFEITAS. ➢ Pontuais: Lacunas e auto-intersticiais; Impurezas ➢ Lineares: Discordâncias ➢ De Superfície: Contornos de grão; Contornos de macla; Falhas de empilhamento ➢ De volume: Inclusões; Precipitados; Porosidade ALGUNS TIPOS DE IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS EM METAIS IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS LACUNAS E AUTO-INTERSTICIAIS DEFEITOS PONTUAIS – LACUNAS E AUTO-INTERSTICIAIS ➢ LACUNA: ou sítio vago na rede cristalina. Uma posição que normalmente deveria estar ocupada está com um átomo faltando. ➢ AUTO-INTERSTICIAL: é um átomo do cristal que se encontra comprimido no interior de um interstício (um pequeno espaço vazio que sob circunstâncias ordinárias não é ocupado). ➢ O número de lacunas (ou vazios) em equilíbrio no material é função da temperatura. Nv = Número de lacunas ou vazios N = Número de posições atômicas Qv = Energia de ativação T = Temperatura absoluta [Kelvin] k = Constante de Boltzman= 1,38x10-23 J/át.K = 8,62x10-5 ev/át.K − = kT Q v v NeN ➢ O número de vazios aumenta exponencialmente quando aumenta-se a temperatura. A .ρN atômico Peso específica Massa x Avogadro de Número N A== ≠ n: número de átomos associados a cada célula unitária DEFEITOS PONTUAIS – LACUNAS E AUTO-INTERSTICIAIS ➢ Exemplo de cálculo do número de lacunas: ➢Exercício 1: Calcule o número de lacunas ou vazios em equilíbrio (em vazios atômicos por metro cúbico) de Cobre a uma temperatura de 1000°C. A energia para a formação de um vazio é de 0,9 eV/átomo. O peso atômico e a massa específica a 1000°C para o Cobre são de 63,5 g/mol e 8,4 g/cm3, respectivamente. A constante de Boltzman é igual a 8,62x10-5 eV/át.k. EXEMPLO IMPUREZAS DEFEITOS PONTUAIS - IMPUREZAS ➢ Átomos estranhos (impurezas ou elementos de liga) sempre estarão dispersos na estrutura cristalina. ➢ Por técnicas de refino é muito difícil e caro retirar as impureza dos metais. ➢ Os processos metalúrgicos geralmente produzem metais com uma quantidade de impurezas que varia em geral de menos de 0,01% e cerca de 2,0% em peso. ➢ Em metais com pureza superior a 99,9999% estão, ainda, presentes cerca de 1022 a 1023 impurezas por m3 de metal. ➢ Nas ligas metálicas, átomos de impurezas são adicionados intencionalmente para conferir características específicas ao material, como aumentar a sua resistência mecânica, sua resistência à corrosão, sua conformabilidade ou outra propriedade específica. ➢ Essas impurezas afetam em maior ou menor grau as propriedades dos metais. → Se a influência das impurezas é mínima ou nula diz-se que o metal é comercialmente puro, possuindo pureza variável entre 99,0 a 99,99%. → Alguns metais como o cobre, zinco e chumbo podem, por exemplo, ser produzidos com uma pureza próxima a 99,99%. DEFEITOS PONTUAIS - IMPUREZAS ➢ Exemplo: → Prata 950 ou Prata de lei: é uma liga composta por 92,5% de prata e 7,5% de cobre. • Em temperatura ambiente, a prata pura não apresenta resistência mecânica elevada. • A formação de uma liga com o cobre aumenta significativamente a resistência mecânica. ➢ Curiosidade: O termo Prata de Lei foi estabelecido no século XIII pelo rei de Portugal Dom Afonso II ao decretar uma lei que punia quem fabricasse peças de prata com ligas com teor de prata inferior ao da prata 950, sendo que este mantém-se até hoje como padrão internacional na fabricação de joias de prata. DEFEITOS PONTUAIS - IMPUREZAS ➢ Exemplo: → Ouro 18k (ou 750): é uma liga composta por 75% ouro e 25% de cobre. • O ouro puro se utilizado em joias, por exemplo, não resistiria aos esforços mecânicos do dia-a-dia, uma simples pressão de um aperto de mão ao se cumprimentar uma pessoa deformaria uma aliança. Ao ser ligado com cobre, a liga ouro-cobre adquire resistência mecânica. DEFEITOS PONTUAIS - IMPUREZAS ➢Exemplo: → Latão: é uma liga metálica formada por cobre e zinco, com porcentagens de zinco variando entre 3 e 45% em peso. • São utilizados na fabricação de objetos de uso doméstico, como tachos e bacias e de instrumentos musicais de sopro, entre outros. DEFEITOS PONTUAIS - IMPUREZAS IMPUREZAS – SOLUÇÕES SÓLIDAS ➢ A adição de átomos de impurezas em um metal irá resultar na formação de uma solução sólida e/ou uma nova fase, dependendo dos tipos de impurezas e de suas concentrações. Solução sólida: uma fase cristalina homogênea que contém dois ou mais componentes químicos. ➢ As soluções sólidas podem ser: → Substitucionais → Intersticiais → Elemento em maior quantidade: solvente → Elemento em menor quantidade: soluto Fase: Porção homogênea de um sistema que possui características físicas e químicas uniformes. DEFEITOS PONTUAIS - IMPUREZAS SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS ➢ No caso dos defeitos substitucionais, os átomos do soluto ou átomos de impurezas tomam o lugar dos átomos hospedeiros (do solvente) ou os substituem. Exemplo: Cu-Zn; Cu-Sn ➢ Dependendo do tamanho do soluto no solvente: a estrutura do solvente se deforma, ou seja, ocorre uma distorção na rede cristalina, causando tensões de compressão ou tração. ➢ Os átomos de soluto (ou substitucionais) podem ter: → Mesmo tamanho que o átomo do solvente → Tamanho menor do que o átomo do solvente → Tamanho maior do que o átomo do solvente DEFEITOS PONTUAIS - IMPUREZAS SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS ➢ Um átomo substitucional pode ter o mesmo tamanho que o átomo hospedeiro que ele esteja substituindo. → Neste caso não há tensões de tração e nem de compressão associadas a presença do átomo substitucional. DEFEITOS PONTUAIS - IMPUREZAS ➢ Um átomo substitucional menor do que o átomo hospedeiro que ele esteja substituindo exerce tensão de tração sobre sua vizinhança. SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS Tensões de tração DEFEITOS PONTUAIS - IMPUREZAS ➢ Um átomo substitucional maior do que o átomo hospedeiro que ele esteja substituindo impõe deformações compressivas sobre a sua vizinhança. SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS Tensões de compressão DEFEITOS PONTUAIS - IMPUREZAS ➢ Em uma solução sólida substitucional, para que haja total miscibilidade entre dois metais, ou seja, para que os átomos do soluto substituam perfeitamente os átomos do solvente, é preciso que eles satisfaçam algumas condições (Regra de Hume-Rothery): → Seus raios atômicos não difiram em mais de 15% → Tenham a mesma estrutura cristalina → Tenham eletronegatividades similares → Tenham a mesma valência SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS DEFEITOS PONTUAIS - IMPUREZAS SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAIS ➢ Neste caso, átomos intersticiais (soluto) estão posicionados nos interstícios (ou espaços vazios) das células cristalinas do solvente, formando uma solução sólida intersticial. → Impureza tipo intersticial: ocorre quando a diferença de tamanho entre soluto e solvente é grande; geralmente a impureza (soluto) apresenta raio atômico bem menor que o do solvente. ➢ Os átomos do soluto se alocam nos vazios (interstícios) da rede cristalina do solvente. Isso, produz uma distorção no reticulado, já que o átomo intersticial, geralmente, é maior que o espaço do interstício. DEFEITOS PONTUAIS - IMPUREZAS SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAIS ➢ No caso dos defeitos intersticiais, os átomos do soluto ou átomos de impurezas ocupam espaços vazios na rede cristalina (interstícios). Exemplo: Fe-C Raio atômico: Fe: 0,140 nm C: 0,070 nm Raio atômico do Ferro +15%: 0,161 nm Raio atômico do Ferro -15%: 0,119 nm DEFEITOSPONTUAIS - IMPUREZAS Composição (concentração): porcentagem peso (%p) → peso de um elemento específico em relação ao peso total da liga. 𝐶1 = 𝑚1 𝑚1 +𝑚2 × 100 C1 → concentração do átomo 1. m1 → peso (massa) do elemento 1. m2 → peso (massa) do elemento 2. SOLUÇÕES SÓLIDAS SOLUÇÕES SÓLIDAS Composição (concentração): porcentagem atômica (%at) → número de mols de um elemento em relação ao número total de mols de todos os elementos na liga. 𝑛𝑚1 = 𝑚′1 𝐴1 nm1 → número de mols em uma dada massa especificada do elemento 1. m’1 →massa (em gramas) do elemento 1. A1 → peso atômico do elemento 1. 𝐶′1 = 𝑛𝑚1 𝑛𝑚1 + 𝑛𝑚2 C’1 = Concentração do elemento 1 em %at. SOLUÇÕES SÓLIDAS Composição (concentração): Conversões: %p → %at. (C’) 𝐶′1 = 𝐶1𝐴2 𝐶1𝐴2 + 𝐶2𝐴1 × 100 𝐶′2 = 𝐶2𝐴1 𝐶1𝐴2 + 𝐶2𝐴1 × 100 Composição (concentração): Conversões: %at. → %p (C) 𝐶1 = 𝐶′1𝐴1 𝐶′1𝐴1 + 𝐶′2𝐴2 × 100 𝐶2 = 𝐶′2𝐴2 𝐶′1𝐴1 + 𝐶′2𝐴2 × 100 SOLUÇÕES SÓLIDAS SOLUÇÕES SÓLIDAS Composição (concentração): Conversões: Considerando 2 elementos: C1 + C2 =100 C’1 + C’2 = 100 Composição (concentração): Conversões: %p →massa/volume (kg/m3) → C”1, C”2 𝐶"1 = 𝐶1 𝐶1 𝜌1 + 𝐶2 𝜌2 × 103 𝐶"2 = 𝐶2 𝐶1 𝜌1 + 𝐶2 𝜌2 × 103 ρ (g/cm3) → C” (kg/m3) SOLUÇÕES SÓLIDAS SOLUÇÕES SÓLIDAS Exercício 2: Determine a composição, em porcentagem atômica, de uma liga que consiste em 97%p Al e 3%p Cu. Dados: AAl = 26,98 g/mol ACu = 63,55 g/mol 𝐶′1 = 𝐶1𝐴2 𝐶1𝐴2 + 𝐶2𝐴1 × 100 INTERSTÍCIOS NA ESTRUTURA CCC ➢ Número de interstícios na estrutura CCC = 42 ➢ Existem 18 posições intersticiais (octaedros), 24 posições intersticiais (tetraedros). ➢ O sítio maior é o tetraédrico. → Existem 18 posições intersticiais (octaedro) na estrutura CCC: 6 Centro das faces posições (½, ½, 0) 12 Centro de arestas (½, 0,0) → Existem 24 posições intersticiais (tetraedros) na estrutura CCC: 4 tetraedros para cada face (½, ¼, 0) Como a célula unitária tem 6 faces x 4 tetraedros = 24 interstícios. →24 posições intersticiais (tetraedros) na estrutura CCC: 4 tetraedros para cada face (½, ¼, 0) Como a célula unitária tem 6 faces x 4 tetraedros = 24 interstícios INTERSTÍCIOS NA ESTRUTURA CCC →18 posições intersticiais (octaedro) na estrutura CCC: 6 Centro das faces posições (½, ½, 0) 12 Centro de arestas (½, 0,0) INTERSTÍCIOS NA ESTRUTURA CCC INTERSTÍCIOS NA ESTRUTURA CFC ➢ Número de insterstícios na estrutura CFC = 21 ➢ Existem 13 posições intersticiais em octaedros e 8 posições intersticiais em tetraedros = 21 ➢ O sítio maior é o octaédrico → Existem 13 posições intersticiais (octaedro) na estrutura CFC: 1 Centro do octaedro de coordenadas (½, ½, ½) 12 localizados no centro das arestas (½, 0,0) → Existe 8 posições intersticiais (tetraedro) na estrutura CFC: Centro do tetraedro de coordenadas (¼, ¼, ¼) →8 posições intersticiais (tetraedro) na estrutura CFC: Centro do tetraedro de coordenadas (¼, ¼, ¼) INTERSTÍCIOS NA ESTRUTURA CFC →13 posições intersticiais (octaedro) na estrutura CFC: 1 Centro do octaedro de coordenadas (½, ½, ½) 12 localizados no centro das arestas (½, 0,0), INTERSTÍCIOS NA ESTRUTURA CFC ➢ No caso da estrutura CCC os raios atômicos máximos possíveis para que não haja distorção na rede cristalina correspondem a: → 0,29R para os interstícios tetraédricos → 0,15R para os interstícios octaédricos ➢ Na estrutura CFC estes valores correspondem a: → 0,23R para os interstícios tetraédricos → 0,41R para os interstícios octaédricos ▪ R é o raio atômico do átomo que forma a estrutura (solvente) INTERSTÍCIOS E AS LIGAS Fe-C ➢ Quando o átomo de soluto é maior que o interstício da rede cristalina, há uma distorção da rede. ➢ Em razão dos interstícios existentes na estrutura CFC serem um pouco maiores do que os interstícios existentes na estrutura CCC, uma quantidade maior de átomos de carbono pode ser acomodada no ferro CFC, embora o fator de empacotamento da estrutura CFC (FEA = 0,74) seja maior do que o da CCC (FEA = 0,68). INTERSTÍCIOS E AS LIGAS Fe-C DEFEITOS LINEARES - DISCORDÂNCIAS ➢ Os cristais apresentam defeitos ou imperfeições em linha, chamadas discordâncias. ➢ Uma discordância é um defeito linear ou unidimensional em torno do qual alguns átomos estão desalinhados. ➢ Estas imperfeições podem ser introduzidas nos materiais metálicos durante processos como: a solidificação e a deformação plástica (ou deformação permanente). ➢ A quantidade de discordâncias pode ser controlada pelo grau de deformação plástica e/ou por tratamentos térmicos. → Nos metais deformados a frio ocorre um aumento na quantidade de discordâncias. → Com aumento da temperatura as discordâncias podem se movimentar com maior facilidade, o que favorece o aniquilamento das mesmas. ➢ Um metal contém em média 106 a 108 cm de discordâncias por cm3 ➢ Um metal severamente deformado apresenta cerca de 1012 cm de discordâncias por cm3. DEFEITOS LINEARES - DISCORDÂNCIAS ➢ As discordâncias podem ser observadas em materiais cristalinos mediante o uso de técnicas de Microscopia Eletrônica de Transmissão. Micrografia eletrônica de transmissão de uma liga de titânio na qual as linhas escuras são discordâncias (Ampliação: 51.450x): DEFEITOS LINEARES - DISCORDÂNCIAS Vídeos 1, 2 e 3: Movimentação de discordâncias em aço Vídeo 1 DEFEITOS LINEARES - DISCORDÂNCIAS Vídeos 1, 2 e 3: Movimentação de discordâncias em aço Vídeo 2 DEFEITOS LINEARES - DISCORDÂNCIAS Vídeos 1, 2 e 3: Movimentação de discordâncias em aço Vídeo 3 DEFEITOS LINEARES - DISCORDÂNCIAS Vídeo 4 Vídeo 4: Discordâncias em bronze (Cu-Sn) DEFEITOS LINEARES - DISCORDÂNCIAS ➢ Um microscópio eletrônico de transmissão (MET) consiste de um feixe de elétrons e um conjunto de lentes eletromagnéticas em uma coluna em vácuo. ➢ A imagem vista em um MET é formada por um feixe de elétrons que passa através da amostra e interage com ela, após essa interação, a intensidade do feixe é analisada. ➢ Para uma amostra poder ser examinada ela deve ser preparada na forma de uma película muito fina, isso assegura a transmissão de pelo menos uma fração apreciável do feixe incidente através da amostra. ➢ A imagem obtida pode ser vista em uma tela fosforescente e é projetada em um filme fotográfico. ➢ Regiões mais densas, como discordâncias e contornos de grão, espalham mais elétrons quando estes passam através da amostra, essas regiões ficam mais escuras na imagem. ➢ No MET são possíveis ampliações que se aproximam de 1.000.000 de vezes. DEFEITOS LINEARES - DISCORDÂNCIAS DEFEITOS LINEARES - DISCORDÂNCIAS ➢ Discordância aresta ou cunha: Um defeito cristalino linear associado com a distorção do retículo cristalino que é produzida na vizinhança da extremidade de um semiplano adicional de átomos no interior de um cristal. Discordância aresta ➢ Existem três tipos de discordâncias: espiral ou hélice, aresta ou cunha e mista. DEFEITOS LINEARES - DISCORDÂNCIAS As posições atômicas em torno de uma discordância aresta Regiões de compressão e tração localizadas ao redor de uma discordância aresta DEFEITOS LINEARES - DISCORDÂNCIAS 2 - A discordância se move uma distância atômica para a direita à medida que A se liga à porção inferior do plano B. Tensão de cisalhamentoTensão de cisalhamento Discordância em cunha Plano de escorregamento 1 - O semiplano de átomos adicional é chamado de A. Tensão de cisalhamento Degrau unitário de escorregamento 3 - Forma-se um degrau sobre a superfície do cristal à medida que deixa o semiplano adicional. DEFEITOS LINEARES - DISCORDÂNCIAS Representação da analogia entre os movimentos de uma lagarta e de uma discordância DEFEITOS LINEARES - DISCORDÂNCIAS ➢ Duas discordâncias em cunha de mesmo sinal e localizadas sobre o mesmo plano de escorregamento exercem uma força repulsiva uma sobre a outra, C e T representam as regiões de compressãoe tração, respectivamente. ➢ Discordâncias em cunha com sinais opostos e localizadas sobre o mesmo plano de escorregamento exercem uma força atrativa uma sobre a outra. Ao se encontrarem, as discordâncias se anulam mutuamente, deixando uma região de cristal perfeito. DEFEITOS LINEARES - DISCORDÂNCIAS ➢ Discordância espiral ou hélice: pode ser considerada como sendo formada por uma tensão cisalhante que é aplicada para produzir uma distorção. Ela normalmente se forma na superfície de um cristal durante o seu crescimento Linha da discordância espiral DEFEITOS LINEARES - DISCORDÂNCIAS DISCORDÂNCIA EM HÉLICE NA SUPERFÍCIE DE UM MONOCRISTAL DE SiC. AS LINHAS ESCURAS SÃO DEGRAUS DE ESCORREGAMENTO SUPERFICIAIS. DEFEITOS LINEARES - DISCORDÂNCIAS ➢ Discordância mista: uma discordância que possui componentes tanto em aresta como espiral. DEFEITOS LINEARES - DISCORDÂNCIAS ➢ Os defeitos interfaciais são contornos que possuem duas dimensões e normalmente separam regiões dos materiais que possuem diferentes estruturas cristalinas e/ou orientações cristalográficas. ➢ Entre essas imperfeições tem-se: ❖ Contornos de grão ❖ Contornos de macla ❖ Falhas de empilhamento DEFEITOS INTERFACIAIS (PLANARES OU SUPERFICIAIS) Contornos de grão ➢ Grão é um cristal individual em um material policristalino. ➢ O contorno de grão separa grãos ou cristais que possuem diferentes orientações cristalográficas em materiais policristalinos. DEFEITOS INTERFACIAIS (PLANARES OU SUPERFICIAIS) DEFEITOS INTERFACIAIS (PLANARES OU SUPERFICIAIS) ➢ Durante a deformação plástica, o contorno do grão atua como uma barreira ao movimento das discordâncias. ➢ Um material com granulação fina (que possui grãos pequenos) é mais duro e mais resistente do que um material que possui granulação grosseira (grãos grandes), pois possui maior área total de contornos de grão para dificultar o movimento das discordâncias. ➢ Para muitos materiais, o limite de escoamento e varia de acordo com o tamanho do grão conforme a seguinte relação: d: representa o diâmetro médio do grão 0: constante de atrito interno ligada ao movimento de discordâncias não travadas k: constante ligada à propagação da deformação através dos contornos d k σσ 0e += (Equação de Hall-Petch) DEFEITOS INTERFACIAIS (PLANARES OU SUPERFICIAIS) Contornos de macla ➢ Maclas podem surgir a partir de tensões térmicas ou mecânicas. ➢ Tal defeito ocorre quando parte da rede cristalina é deformada, de modo que a mesma forme uma imagem especular da parte não deformada. ➢As maclas ocorrem em planos cristalográficos definidos e direções cristalográficas específicas, que são dependes da estrutura cristalina. DEFEITOS INTERFACIAIS (PLANARES OU SUPERFICIAIS) Contornos de macla ➢Maclas de deformação ou maclas mecânicas ocorrem em metais que possuem estruturas cristalinas CCC e HC, em baixas temperaturas, e sob taxas de escorregamento elevadas. DEFEITOS INTERFACIAIS (PLANARES OU SUPERFICIAIS) Maclas de deformação em de titânio deformado por laminação até 8%. Falhas de empilhamento ➢ Representam uma falha na sequência de empilhamento dos planos compactos do material. Amostra deformada de aço inoxidável. Imagem obtida utilizando microscópio eletrônico de transmissão (MET) Discordâncias em uma liga de a base de níquel. Imagem obtidas utilizando microscópio eletrônico de transmissão (MET) Falha de empilhamento Discordâncias DEFEITOS INTERFACIAIS (PLANARES OU SUPERFICIAIS) DEFEITOS VOLUMÉTRICOS ➢ São introduzidas no processamento do material e/ou na fabricação do componente. Eles ocupam um determinado volume no interior do material. → Inclusões: Impurezas estranhas, geralmente na forma de óxidos. → Precipitados: são aglomerados de partículas cuja composição difere da matriz. → Porosidade: pode ser originado durante a compactação de pós metálicos. Inclusões de óxido de cobre (Cu2O) em cobre de alta pureza (99,26%) laminado a frio e recozido a 800ºC. Compactado de pó de ferro após sinterização a 1150oC/120min em atmosfera de hidrogênio. Precipitados. Microestrutura da liga Al- Si-Cu + Mg. Fases Intermetálicas Matriz de Al DEFEITOS VOLUMÉTRICOS Técnicas de análise Microscopia óptica: utiliza sistemas ópticos e de iluminação. Contrastes produzidos pela diferença de refletividade de várias regiões. Técnicas de análise Microscopia óptica Técnicas de análise Microscopia eletrônica: imagem produzida utilizando feixe de elétrons. Microscopia eletrônica de varredura Técnicas de análise Microscopia eletrônica: imagem produzida utilizando feixe de elétrons. Microscopia eletrônica de transmissão
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