Ciência dos materiais

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28/09/2020
IMPERFEIÇÕES NOS SÓLIDOS
Capítulo 04
INTRODUÇÃO
• As propriedades de alguns materiais são significativamente influenciadas
pela presença de imperfeições. Assim, é importante conhecermos tipos
de imperfeições que existem e como elas afetam o comportamento dos
materiais. As propriedades mecânicas dos metais puros apresentam
alterações significativas quando esses materiais são ligados (isto é,
quando são adicionados átomos de impurezas) — por exemplo, o latão
(70% cobre/30% zinco) é muito mais duro e resistente do que o cobre
puro .
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INTRODUÇÃO
• Os dispositivos microeletrônicos nos circuitos integrados encontrados
em nossos computadores, calculadoras e utensílios domésticos
funcionam por causa das concentrações controladas de impurezas
específicas, que são incorporadas em regiões pequenas e localizadas nos
materiais semicondutores.
INTRODUÇÃO
• Até o momento, consideramos que existe uma ordenação perfeita por todo o material
cristalino. Entretanto, esse tipo de sólido ideal não existe; todos os materiais contêm
grande número de defeitos ou imperfeições. Na realidade, muitas das propriedades
dos materiais são profundamente sensíveis a desvios em relação à perfeição
cristalina; o que nem sempre é ruim, de fato, características específicas são
deliberadamente obtidas pela introdução de quantidades ou números controlados de
defeitos específicos.
• DEFEITO CRISTALINO: irregularidade na rede cristalina com uma ou mais das suas
dimensões na ordem do diâmetro atômico.
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INTRODUÇÃO
• A classificação de imperfeições cristalinas é feita, de acordo com a geometria ou
com a dimensionalidade do defeito.
• DEFEITOS PONTUAIS (aqueles associados a uma ou a duas posições atômicas),
• DEFEITOS LINEARES (ou unidimensionais)
• DEFEITOS INTERFACIAIS, ou CONTORNOS, que são bidimensionais. As
impurezas nos sólidos também são discutidas, uma vez que os átomos de impurezas
podem existir como defeitos pontuais. Finalmente, são descritas sucintamente
técnicas para o exame microscópico dos defeitos e da estrutura dos materiais.
DEFEITOS PONTUAIS
• LACUNAS E DEFEITOS INTERSTICIAIS
• LACUNA: defeito pontual mais simples → está faltando um átomo na rede
cristalina.
• Todos os sólidos cristalinos contêm lacunas,
• Não é possível criar um material que esteja livre desse tipo de defeito.
• A existência das lacunas é explicada pela 2ª Lei da Termodinâmica: a presença das
lacunas aumenta a entropia (isto é, a aleatoriedade) do cristal.
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LACUNAS E DEFEITOS 
INTERSTICIAIS
Micrografia de varredura por sonda de uma lacuna em 
um plano de superfície tipo (111) para o silício. 
Ampliação: 7.000.000 X
DEFEITOS PONTUAIS
• DEFEITO INTERSTICIAL: é um átomo do cristal que se encontra comprimido
em um sítio intersticial → um pequeno espaço vazio que sob circunstâncias normais
não estaria ocupado.
• Nos metais, um defeito intersticial introduz distorções relativamente grandes em sua
vizinhança na rede cristalina, pois o átomo é substancialmente maior que a posição
intersticial em que ele está localizado.
• A formação desse defeito não é muito provável, e ele existe somente em
concentrações muito reduzidas, que são significativamente menores que as exibidas
pelas lacunas.
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DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE 
LAGUNAS E DEFEITOS INTERSTICIAIS
IMPUREZAS NOS SÓLIDOS
• Um metal puro é simplesmente impossível; impurezas ou átomos diferentes estarão
sempre presentes, e alguns existirão como defeitos pontuais nos cristais. Na
realidade, mesmo com técnicas relativamente sofisticadas é difícil refinar metais até
uma pureza superior a 99,9999%. Assim, 1022 a 1023 átomos de impurezas estarão
presentes em cada metro cúbico do material.
• A maioria dos metais não são altamente puros → eles são ligas → intencionalmente
foram adicionados átomos de impurezas para conferir características específicas ao
material.
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IMPUREZAS NOS SÓLIDOS
•  a formação de ligas é utilizada em metais para aumentar a resistência mecânica e a
resistência à corrosão.
• Por exemplo, a prata de lei é uma liga composta por 92,5% de prata e 7,5% de cobre.
Sob condições ambientes normais, a prata pura é altamente resistente à corrosão, mas
também é muito macia. A formação de uma liga com o cobre aumenta
significativamente sua resistência mecânica, sem diminuir sua resistência à corrosão.
IMPUREZAS NOS SÓLIDOS
• A adição de átomos de impurezas a um metal resulta na formação de uma
SOLUÇÃO SÓLIDA e/ou de uma nova segunda fase, dependendo do tipo de
impurezas, das suas concentrações e da temperatura da liga.
• Em LIGAS os termos soluto e solvente são comumente empregados.
• Solvente é o elemento ou composto que está em maior quantidade; os átomos do
solvente também são denominados átomos hospedeiros.
• soluto é usado para indicar um elemento ou composto que está em menor
concentração.
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SOLUÇÕES SÓLIDAS
• na medida em que os átomos de soluto são adicionados ao material hospedeiro, a
estrutura cristalina é mantida e nenhuma estrutura nova é formada.
• Em uma analogia com uma solução líquida, se dois líquidos solúveis entre si (tais
como a água e o álcool) são combinados, será produzida uma solução líquida
conforme as moléculas se misturam e a composição se mantém homogênea como um
todo. Uma solução sólida também é homogênea em termos da sua composição; os
átomos de impurezas estão distribuídos aleatória e uniformemente no sólido.
SOLUÇÕES SÓLIDAS
• Defeitos pontuais, devido à presença de impurezas, são encontrados nas soluções sólidas, e
podem ser de dois tipos:
• SUBSTITUCIONAIS  os átomos de soluto ou átomos de impurezas repõem ou
substituem os átomos hospedeiros. Várias características dos átomos do soluto e do solvente
determinam o grau no qual os primeiros se dissolvem nos segundos. Essas características são
expressas como quatro regras de Hume-Rothery:
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SOLUÇÕES SÓLIDAS
• 1. Fator do tamanho atômico. Grandes quantidades de soluto podem ser acomodadas nesse
tipo de solução sólida apenas quando a diferença entre os raios atômicos dos dois tipos de
átomos é menor que aproximadamente 15%. Senão, os átomos do soluto criarão distorções
significativas na rede, e uma nova fase se formará.
• 2. Estrutura cristalina. Para que a solubilidade sólida seja possível, as estruturas cristalinas
dos metais de ambos os tipos de átomos devem ser as mesmas.
• 3. Fator de eletronegatividade. Quanto mais eletropositivo for um elemento e mais
eletronegativo for o outro, maior será a probabilidade de eles formarem um composto
intermetálico em vez de uma solução sólida substitucional.
• 4. Valências. Se os demais fatores forem iguais, um metal terá maior tendência a se dissolver
em outro metal de maior valência que em um metal de menor valência.
EXEMPLO:
• Solução sólida substitucional formada pelo cobre e o níquel.
• Esses dois elementos são completamente solúveis um no outro, em todas as proporções.
• Em relação às regras que determinam o grau de solubilidade:
1. Os raios atômicos para o cobre e para o níquel são de 0,128 e 0,125 nm;
2. Ambos têm estruturas cristalinas CFC,
3. Suas eletronegatividades são de 1,9 e 1,8.
4. As valências mais comuns são +1 para o cobre e +2 para o níquel
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DIFERENÇAS ENTRE AS SOLUÇÕES 
SÓLIDA INTERSTICIAL E 
SUBSTITUCIONAL
Soluções sólidas 
intersticiais: os átomos de 
impureza preenchem os 
espaços vazios ou 
interstícios entre os átomos 
hospedeiros.
SOLUÇÃO SÓLIDA INTERSTICIAL
• Os metais tem fatores de empacotamento atômico altos → as posições intersticiais
são relativamente pequenas. Assim, o diâmetro atômico de uma impureza intersticial
deve ser bem menor que dos átomos hospedeiros.
• A concentração máxima de átomos de impureza intersticial é baixa (inferior a 10%).
• Mesmo os átomos de impurezas muito pequenos são maiores que os sítios
intersticiais → introduzem algumas deformações na rede dos átomos hospedeiros
adjacentes.
• O carbono forma uma solução sólidaintersticial quando adicionado ao ferro; a
concentração máxima de carbono é de aproximadamente 2%. O raio atômico do
átomo de carbono é muito menor que o do ferro: 0,071 nm contra 0,124 nm.
• Também são possíveis soluções sólidas para os materiais cerâmicos.
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ESPECIFICAÇÃO DA 
COMPOSIÇÃO
• As duas maneiras mais comuns para especificar a composição são pela porcentagem em
peso (ou massa) e pela porcentagem atômica.
• A base para a PORCENTAGEM EM PESO (%p) é o peso de um elemento específico em
relação ao peso total da liga. Para uma liga que contém dois átomos hipotéticos identificados
como 1 e 2, a concentração do átomo 1 em %p, C1, é definida como
C1= 
m1
m1 +m2
 ×100%
ESPECIFICAÇÃO DA 
COMPOSIÇÃO
• A base para os cálculos da PORCENTAGEM ATÔMICA (%a) é o número de mols de um
elemento em relação ao número total de mols de todos os elementos na liga. O número de
mols em uma dada massa de um elemento hipotético 1, nm1, pode ser calculado por:
𝑛 =
𝑚
𝑀𝑀
E assim a composição atômica ou molar pode ser determinada por:
𝐶 =
𝑛
𝑛 + 𝑛
× 100%
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DISCORDÂNCIAS — DEFEITOS 
LINEARES
• Em cunha
• Uma discordância é um defeito linear ou
unidimensional em torno do qual alguns
átomos estão desalinhados.
• Porção extra de um plano de átomos, ou
semiplano, cuja aresta termina no interior do
cristal.
DISCORDÂNCIAS — DEFEITOS 
LINEARES
• DISCORDÂNCIA HELICOIDAL, é a
consequência da tensão de cisalhamento: a
região anterior superior do cristal é
deslocada uma distância atômica para a
direita em relação à porção inferior.
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DISCORDÂNCIAS — DEFEITOS 
LINEARES
• DISCORDÂNCIA HELICOIDAL
• A distorção atômica associada a uma
discordância helicoidal também é linear e
está localizada ao longo da linha da
discordância, a linha AB.
• A discordância helicoidal tem seu nome
derivado da trajetória ou inclinação em
espiral que é traçada ao redor da linha da
discordância pelos planos atômicos de
átomos.
• O símbolo ↻ é usado para designar uma
discordância helicoidal.
DISCORDÂNCIAS —
DEFEITOS LINEARES
• DISCORDÂNCIAS MISTAS: A maioria
das discordâncias encontradas nos
materiais cristalinos não é nem puramente
em cunha nem puramente helicoidal, mas
tem componentes de ambos os tipos;
• Os três tipos de discordâncias estão
representados esquematicamente ao lado;
a distorção da rede produzida longe das
duas faces é mista, exibindo níveis
variáveis de natureza helicoidal e em
cunha.
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DEFEITOS INTERFACIAIS
• São contornos que possuem duas dimensões e que normalmente separam regiões dos
materiais que possuem estruturas cristalinas e/ou orientações cristalográficas
diferentes. Essas imperfeições incluem:
• Superfícies externas,
• Contornos de grão,
• Contornos de fases,
• Contornos de maclas e
• Falhas de empilhamento.
DEFEITOS INTERFACIAIS
• SUPERFÍCIES EXTERNAS
• Um dos contornos mais óbvios é a superfície externa, ao longo da qual termina a 
estrutura do cristal. 
• Os átomos de superfície não estão ligados ao número máximo de vizinhos mais 
próximos e estão, portanto, em um estado de maior energia que os átomos nas 
posições interiores. 
• As ligações desses átomos de superfície, que não estão completas, dão origem a uma 
energia de superfície, que é expressa em unidades de energia por unidade de área 
(J/m2 ou erg/cm2). Para reduzir essa energia, os materiais tendem a minimizar, caso 
isso seja possível, a área total de sua superfície. Por exemplo, os líquidos assumem 
uma forma que minimiza a área — as gotículas tornam-se esféricas. Obviamente, 
isso não é possível nos sólidos.
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DEFEITOS INTERFACIAIS
• Contornos de Grão
• Na região do contorno, que possui
largura de apenas alguns átomos,
existe algum desajuste atômico na
transição da orientação cristalina de
um grão para a orientação de um
grão adjacente.
DEFEITOS INTERFACIAIS
• É possível haver vários graus de desalinhamento
cristalográfico entre grãos adjacentes.
• Quando esse desajuste da orientação é pequeno,
da ordem de alguns poucos graus, usamos o
termo contorno de grão de baixo (ou pequeno)
ângulo.
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DEFEITOS INTERFACIAIS
• Esses contornos podem ser descritos em termos
de arranjos de discordâncias.
• Um contorno de grão de baixo ângulo simples é
formado quando discordâncias em cunha são
alinhadas da maneira mostrada. Esse contorno é
chamado de contorno de inclinação; o ângulo de
desorientação, θ, também está indicado na
figura.
• Quando o ângulo de desorientação é paralelo ao
contorno, o resultado é um contorno de torção,
que pode ser descrito por um arranjo de
discordâncias espirais.
DEFEITOS INTERFACIAIS
• Os átomos estão ligados de maneira menos regular ao longo de um contorno de grão
(por exemplo, os ângulos de ligação são maiores) e assim surge existe uma energia
interfacial, ou de contorno de grão, semelhante à energia de superfície descrita
anteriormente.
• A magnitude dessa energia é uma função do grau de desorientação, sendo maior para
contornos de alto ângulo.
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DEFEITOS INTERFACIAIS
• Os contornos de grão são quimicamente mais reativos que os grãos propriamente
ditos, como consequência dessa energia de contorno
• Os átomos de impurezas segregam-se preferencialmente ao longo desses contornos,
em razão de seus maiores níveis de energia.
• A energia interfacial total é menor nos materiais com grãos maiores que nos
materiais com grãos mais finos, pois a área total de contorno é menor nos materiais
com grãos maiores.
• Os grãos crescem em temperaturas elevadas para reduzir a energia total dos
contornos, como será explicado mais adiante.
DEFEITOS INTERFACIAIS
• Apesar desse arranjo desordenado dos átomos e da falta de uma ligação regular ao
longo dos contornos dos grãos, um material policristalino ainda é muito resistente.
• Existem forças de coesão no interior e através dos contornos.
• Além disso, a massa específica de uma amostra policristalina é praticamente idêntica
à de um monocristal do mesmo material.
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DEFEITOS INTERFACIAIS
• CONTORNOS DE FASE
• Existem nos materiais multifásicos, em que há uma fase diferente em cada lado do
contorno;
• Cada uma das fases constituintes possui suas próprias características físicas e/ou
químicas distintas.
• Os contornos de fase desempenham papel importante na definição das características
mecânicas de algumas ligas metálicas multifásicas.
DEFEITOS INTERFACIAIS
• DIFERENÇAS ENTRE DEFEITOS
PONTUAIS, LINEARES E
INTERFACIAIS
• Um contorno de macla é um tipo
especial de contorno de grão.
• Existe uma simetria em espelho da rede
cristalina; isto é, os átomos em um dos
lados do contorno estão localizados em
posições de imagem em espelho em
relação aos átomos no outro lado do
contorno.
• A região de material entre esses
contornos é, denominada macla
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DEFEITOS INTERFACIAIS
• DIFERENÇAS ENTRE DEFEITOS PONTUAIS, LINEARES E
INTERFACIAIS
• As maclas resultam de deslocamentos atômicos produzidos a partir da aplicação de
forças mecânicas de cisalhamento (maclas de deformação) e também durante
tratamentos térmicos de recozimento realizados após deformações (maclas de
recozimento).
• A maclagem ocorre em um PLANO CRISTALOGRÁFICO definido e em uma
DIREÇÃO ESPECÍFICA.
DEPENDEM DA ESTRUTURA 
CRISTALINA
DEFEITOS INTERFACIAIS
• DIFERENÇAS ENTRE DEFEITOS PONTUAIS, LINEARES E
INTERFACIAIS
• As maclas de recozimento são encontradas tipicamente nos metais que possuem
estrutura cristalina CFC,
• As maclas de deformação são observadas nos metais CCC e HC.
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DEFEITOS INTERFACIAIS
• Defeitos Interfaciais Diversos
• Outros defeitos interfaciais possíveis incluem:
• As FALHAS DE EMPILHAMENTO: encontradas nos metais CFC quando existe
uma interrupção na sequência de empilhamento ABCABCABC... dos planos
compactos .
• Nos materiais ferromagnéticos e ferrimagnéticos, o contorno que separa regiões com
diferentes direções de magnetização é denominado parede de domínio.
• Uma energiainterfacial está associada a cada um dos defeitos. A magnitude dessa
energia interfacial depende do tipo de contorno, e varia de material para material.
Normalmente, a energia interfacial será maior para as superfícies externas e menor
para as paredes de domínio.
DEFEITOS INTERFACIAIS
• DEFEITOS VOLUMÉTRICOS OU DE MASSA
• Existem outros defeitos em todos os materiais sólidos que são muito maiores que
todos os discutidos até o momento.
• Esses defeitos incluem os poros, as trincas, as inclusões exógenas e outras fases.
• Normalmente, eles são introduzidos durante as etapas de processamento e fabricação
dos materiais.
• Alguns desses defeitos e seus efeitos sobre as propriedades dos materiais serão
discutidos em breve.
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VIBRAÇÕES ATÔMICAS
• Todos os átomos em um material sólido vibram muito rapidamente em torno da sua
posição na rede em um cristal.
• As VIBRAÇÕES ATÔMICAS podem ser consideradas como imperfeições ou
defeitos. Em um dado momento, nem todos os átomos em um material estão
vibrando na mesma frequência ou amplitude, tampouco com a mesma energia.
• Em uma dada temperatura haverá uma distribuição de energias para os átomos
constituintes em torno de um valor médio de energia. Ao longo do tempo, a energia
vibracional de qualquer átomo específico também irá variar de maneira aleatória.
VIBRAÇÕES ATÔMICAS
• Com o aumento da temperatura, essa energia média aumenta, e, de fato, a
temperatura de um sólido é realmente apenas uma medida da atividade vibracional
média dos átomos e moléculas. À temperatura ambiente, a frequência de vibração
típica é da ordem de 1013 vibrações por segundo, enquanto a amplitude é de poucos
milésimos de nanômetro.
• Muitas propriedades e processos nos sólidos são manifestações desse movimento de
vibração dos átomos. Por exemplo, a fusão ocorre quando as vibrações são
suficientemente vigorosas para romper um grande número de ligações atômicas.
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ATIVIDADES
1) Descreva os defeitos cristalinos de lacuna e intersticiais.
2) Descreva uma solução sólida.
3) Defina porcentagem em peso e a porcentagem atômica de determinado elemento 
em uma liga.
4) Para as discordâncias em cunha, helicoidal e mista:
(a) descreva e faça um desenho esquemático da discordância e,
(b) indique a direção ao longo da qual a linha da discordância se estende.
5) Descreva a estrutura atômica na vizinhança de:
(a) um contorno de grão;
(b) um contorno de macla.
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