Imperfeições nos Sólidos

Prévia do material em texto

*
Faculdade Pitágoras de Betim
Ciência dos Materiais
Professora: Luciana
*
Seção 2.3
	Imperfeições cristalinas.
Capítulo 4:
Imperfeições nos sólidos
Cálister
	Pré aula:
	https://www.youtube.com/watch?v=ImzKwnDTD9I
Por que estudar as imperfeições?
DEFEITO CRISTALINO: Trata-se da irregularidade na rede cristalina, tendo uma ou mais de suas dimensões da ordem de um diâmetro atômico.
TIPOS:
A deformação dos materiais promove a formações de imperfeições que geram uma aumento da resistência mecânica do material (encruamento).
Defeitos Pontuais
→ LACUNAS OU VACÂNCIAS: Trata-se de um sitio, local na rede cristalina que normalmente deveria estar ocupado e que apresenta a falta de um átomo.
Defeitos Pontuais
→ Todos os materiais tem lacunas!
→ A presença de lacunas aumenta a entropia de uma material!
Defeitos Pontuais
→ INTERSTICIAIS: átomos extras ocupando posições entre os sítios atômicos.
Podem ser: AUTOINTERSTICIAIS ou IMPUREZAS
Defeitos Pontuais
Defeitos Pontuais
 → Um metal puro é simplesmente impossível!!
→ Essas impurezas podem ser adicionadas propositalmente: LIGAS METÁLICAS.
Defeitos Pontuais
	O número de lacunas em equilíbrio N1 para uma dada quantidade de material depende da temperatura e aumenta com a temperatura:
 
N1= N exp (-Q1/KT)
N1=número de vacâncias
N=número de sítios atômicos
Q1= energia necessária para formação de uma lacuna
K= constante dos gases ou constante de Boltzmann= 
 8,62x10-5 ev/átomo.k
T=temperatura absoluta em Kelvin
 Cálculo do número de lacunas a uma temperatura específica.
	Calcule o número de lacunas em equilíbrio, por metro cúbico de cobre, a 1000°C. A energia para formação para uma lacuna é de 0,9 ev/átomo, o peso atômico e a massa específica (a 1000°C) para o cobre são 63,5 g/mol e 8,4 g/cm3.
N= (NA d) / A
N1=N exp(-Q1) 2,2x1025 lacunas/m3
 KT
K= 8,62x10-5 ev/átomo.k
Transformações de unidades
Inserir exp equivale a ex
 exp-8,2
Shift ln
e e digita -8,2
e-8,2
Resultado: 2,74x10-4
Atenção exp das fórumlas é diferente do exp da calculadora!!!
	Vamos determinar o número de lacunas no ferro em 900 °C, sabendo que a massa específica do ferro e igual a 7,65 g/cm3, peso atômico igual a 55,85 g/mol, o número de Avogadro igual a 6,023 × 1023 átomos/mol e
 energia de formação de uma lacuna é 1,08 eV/átomo.
*
K= 8,62x10-5 ev/átomo.k
1,89x1018 lacunas/cm3
	Calcule a energia para formação de lacunas na prata, sabendo que o número de lacunas em equilíbrio na temperatura de 800°C (1073K) é de 3,6x1023 lacunas. m-3. O peso atômico e a massa específica (a 800°C) para a prata são, respectivamente, 107,9 g/mol e 9,5 g/cm3.
	1,10 ev/átomo.
*
Defeitos Pontuais
 Resultam na formações de soluções sólidas e/ou segunda fase:
Defeitos Pontuais
INTERSTICIAL:
→ Os átomos de impurezas ou os elementos de liga ocupam os interstícios. Geralmente NO MÁX. 10%.
→ Ocorre quando a impureza apresenta raio atômico bem menor do que o hospedeiro ou matriz. Como os materiais metálicos tem geralmente fator de empacotamento alto as posições intersticiais são relativamente pequenas.
Defeitos Pontuais
EXEMPLO DE SOLUÇÃO INTERSTICIAL:
Defeitos Pontuais
Defeitos Lineares
→ OS DEFEITOS LINEARES (DISCORDÂNCIAS): Defeito unidirecional entorno do qual alguns dos átomos estão desalinhados.
→ Translação incompleta de uma das partes da rede em relação as outras.
Defeitos lineares
→ DISCORDÂNCIA EM ARESTA: Defeito linear centralizado ao redor da linha que é definida ao longo da extremidade do semiplano extra de átomos. Essa linha é denominada linha de discordância
→ A natureza de uma discordância (aresta, espiral ou mista) é definida pelas orientações reativas da linha da discordância e do vetor de Burgers.
Defeitos lineares
→ DISCORDÂNCIA EM ARESTA:
- O vetor de de Burgers e a linha de discordância são perpendiculares.
	Para materiais metálicos o vetor de Burgers para uma discordância irá apontar para uma direção cristalográfica compacta e terá uma magnitude igual à do espaçamento interatômico.
Defeitos Lineares
Defeitos Lineares
Defeitos Lineares
→ DISCORDÂNCIA EM ESPIRAL: Defeito linear gerado por uma tensão de cisalhamento, aplicada para produzir a distorção. Recebeu então o nome de espiral devido a trajetória ou inclinação em espiral que é traçada ao redor da linha de discordância pelos planos atômicos.
Defeitos Lineares
Defeitos Lineares
Defeitos Lineares
→ DISCORDÂNCIA MISTA: A maioria das discordâncias encontradas em materiais cristalinos não é provavelmente de um tipo puro de discordância, aresta ou espiral, mas exibe componentes de ambos os tipos; essas são chamadas discordâncias mistas.
Defeitos Lineares
→ MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE TRANSMISSÃO: 
	A deformação permanente da maioria dos materiais cristalinos se dá pelo movimento de discordâncias.
*
Defeitos interfaciais
→ OS DEFEITOS INTERFACIAIS: São contornos que possuem duas dimensões e que normalmente separam regiões dos materiais que possuem diferentes estruturas cristalinas e/ou orientações cristalográficas.
Podem ser: 
Superfície externas
→ Os átomos da superfície não estão ligados ao número máximo de vizinhos mais próximos, e estão portanto, em um estado de energia maior que os átomos nas posições inferiores.
Contorno de grão
→ Trata-se de um contorno que separa dois pequenos grãos ou cristais que possuem diferentes orientações cristalográficas em materiais policristalinos.
→ Nas regiões onde estes grãos se encontram ocorre um desordenamento atômico. Elas são chamadas de contorno de grão
Contorno de grão
Contorno de grão
Contorno de grão
Contorno de grão
Contorno de macla
	→ Trata-se de um tipo especial de contorno de grão através do qual existe uma simetria espelhada específica da rede cristalina, ou seja, os átomos de um lado do contorno estão localizados em posições de imagem em espelho em relação aos átomos no outro lado do contorno. 
Defeitos volumétricos
Defeitos volumétricos
Sem medo de errar
	Chegamos ao final do estudo desta seção e, neste momento, como vendedor técnico da metalúrgica, você deve ser capaz de responder às dúvidas do cliente: o que são essas impurezas? E quais tipos de defeitos o ferro α pode apresentar? 
*
Sem medo de errar
	As impurezas também são consideradas defeitos pontuais e são do tipo impureza substitucional em que um átomo diferente dos átomos que formam a rede cristalina substituiu um átomo da estrutura e geralmente apresentam diferenças de no máximo 15% do raio do átomo da estrutura original. Um exemplo de átomos de impureza substitucional são os átomos de zinco no latão. 
*
Sem medo de errar
	Os átomos de zinco têm raio igual a 0,133 nm e substituem alguns átomos do cobre que tem raio 0,128 nm. 
	Já átomos de impurezas intersticiais são muito menores do que os átomos da rede cristalina. Esses tipos de átomos de impurezas intersticiais encaixam-se no espaço vazio entre os átomos da estrutura cristalina. 
*
Sem medo de errar
	É importante destacar que a adição de impurezas também pode resultar na formação de uma solução sólida que se forma quando a adição de soluto (elemento em menor quantidade) ao material hospedeiro (solvente – material em maior quantidade) não provoca nenhuma mudança na estrutura cristalina.
*
Sem medo de errar
	A Figura 2.26 apresenta um esquema do que poderia acontecer com o ferro α e os átomos de carbono. A rede cristalina é “esticada” por meio da adição de soluto intersticial provocando uma tensão. 
	No caso do ferro α o soluto seria o carbono e, o ferro, o solvente. Os átomos de carbono nos locais intersticiais da rede criam um campo de tensão que impede o movimento de deslocação e consequentemente aumenta a resistência mecânica.
*
Sem medo de errar
*
	O ferro alfa, assim como os outros materiais sólidos, pode apresentar diversos tipos de defeitos, tais como: defeitos pontuais;defeitos lineares; defeitos interfaciais e os defeitos volumétricos. 
	E como observamos, muitas vezes, a presença desses defeitos é imprescindível para termos materiais com determinadas propriedades.
*
	Os átomos de impureza que se colocam ou uma solução sólida substitucional ou como uma solução sólida intersticial aumentam a resistência e endurecem os metais
	Os metais com pureza elevada são quase sempre muito deformáveis e menos resistentes que as ligas compostas pelo mesmo metal base
*
	O aumento da concentração de impurezas resulta em um consequente aumento no limite de resistência à tração e no limite de escoamento
	As ligas são mais resistentes que os metais puros, porque os átomos de impurezas colocados em solução sólida normalmente impõe deformações de rede sobre os átomos hospedeiros vizinhos. Como resultado têm-se interações do campo de deformação da rede cristalina entre as discordâncias e esses átomos de impureza e consequentemente, o movimento de discordâncias é restringido.
*
	Os engenheiros metalúrgicos e de materiais são requisitados com frequência para projetar ligas que possuam altas resistências, mas com alguma tenacidade e ductilidade, normalmente a ductilidade é sacrificada quando sua liga tem resistência aumentada.
*
Avançando na prática
*
*
Faça valer a pena
*
*
*
Atividades diagnósticas
*
*
Enade 2011
	Defeitos na estrutura cristalina são imperfeições ou "erros" no arranjo periódico dos átomos em um cristal. Podem envolver irregularidades na posição dos átomos ou na natureza dos mesmos. O tipo e a quantidade de defeitos dependem do material, do meio ambiente e das circunstâncias sob as quais o material é processado. PADILHA, F. A. Materiais de engenharia microestrutura e propriedades, Ed. Humus, 2000.
	Os defeitos cristalinos podem ser classificados em puntiformes (lacunas ou vacâncias, substitucionais e intersticiais), lineares (discordâncias ou deslocações) e bidimensionais (defeitos de empilhamento, contornos de macla, contornos de sub-grão, contornos de grão, contornos de antifase e interfaces entre fases diferentes). Com base nas características dos defeitos, avalie as seguintes afirmações.
*
Enade 2011
	I. Os defeitos puntiformes mencionados acima causam distorções na rede cristalina, mas não influenciam as propriedades do material.
	II. Ao contrário dos sólidos iônicos, os metais não têm sua neutralidade elétrica alterada pela presença de defeitos cristalinos.
	III. Os átomos de soluto dissolvidos no metal desempenham um papel importante na deformação plástica, causando o endurecimento por solução sólida.
	IV. Denomina-se lacuna ou vacância uma posição desocupada do reticulado. Ela desempenha papel muito importante na difusão.
	V. Átomos estranhos, de impurezas ou adicionados intencionalmente, não são considerados defeitos puntiformes.
*
Enade 2011
	É correto apenas o que se afirma em 
	a) I, II e III.
	b) I, II e V.
	c) I, IV e V.
	d) II, III e IV.
	e) III, IV e V.
*
Lembretes para próxima aula!!!!!!
Realizar todas as atividades diagnósticas e de aprendizagem U2S3 e será avaliado pelo sistema.
*
*