Aula sobre Imperfeições Cristalinas - Ulbra Canoas

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IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS E 
SUAS IMPLICAÇÕES 
 
Ciência dos Materiais 
O QUE É UM DEFEITO? 
 
Imperfeição no arranjo periódico regular dos átomos em um cristal. 
Podem envolver uma irregularidade : 
• na posição dos átomos 
• no tipo de átomos 
 
 
O tipo e o número de defeitos dependem do material, do meio 
ambiente, e das circunstâncias sob as quais o cristal é 
processado. 
IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS 
 
• Apenas uma pequena fração dos sítios atômicos são imperfeitos 
 menos de 1 em 1 milhão 
 
• Mesmo sendo poucos eles influenciam muito nas propriedades dos 
materiais : 
– influência positiva 
– influência negativa 
 
Através da : 
• introdução de defeitos, 
• do controle do número e arranjo destes defeitos 
 
é possível desenvolver e criar novos materiais com a combinação 
desejada de propriedades 
 
IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS 
 
São classificados de acordo com sua geometria ou dimensões 
 
• Defeitos Pontuais associados c/ algumas 
 irregularidade em posições atômicas 
 
• Defeitos lineares uma dimensão 
 (irregularidade em linhas atômicas) 
 
• Defeitos planos ou interfaciais duas dimensões 
 (irregularidade em planos) 
 
• Defeitos volumétricos três dimensões 
DEFEITOS PONTUAIS 
 
 
 
• Vacâncias ou vazios 
 
• Átomos Intersticiais 
 
• Defeitos Schottky 
 
• Defeitos Frenkel 
DEFEITOS PONTUAIS 
 
São formados durante a solidificação do cristal ou como resultado das vibrações 
atômicas (os átomos deslocam-se de suas posições normais) 
 
Propriedades podem ser controladas criando ou controlando estes defeitos 
 
 
VACÂNCIAS OU VAZIOS 
• Envolve a falta de um átomo 
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DEFEITOS PONTUAIS 
 
VACÂNCIAS OU VAZIOS 
• O número de vacâncias aumenta exponencialmente 
com a temperatura 
 
 Nv= N exp (-Qv/kT) 
 
Nv= número de vacâncias 
N = número total de sítios atômicos 
Qv= energia requerida para formação de vacâncias 
k = constante de Boltzman = 1,38x1023J/at.K ou 
 8,62x105 eV/at.K 
 
DEFEITOS PONTUAIS 
 
ÁTOMOS INTERSTICIAIS 
• Envolve um átomo extra no interstício (do próprio cristal) 
 
• Produz uma distorção no reticulado, já que o átomo geralmente é maior que o 
espaço do interstício 
DEFEITOS PONTUAIS 
 
ÁTOMOS INTERSTICIAIS 
Átomo intersticial pequeno 
Átomo intersticial grande gera 
distorção na rede 
DEFEITOS PONTUAIS 
 
vazios 
intersticiais 
DEFEITOS PONTUAIS 
 
DEFEITOS FRENKEL 
 
• Ocorre em sólidos iônicos 
• Ocorre quando um íon sai de sua posição normal e vai para um interstício 
 
 DEFEITOS PONTUAIS 
 
DEFEITOS SCHOTTKY 
 
• Presentes em compostos que tem que manter o balanço de cargas (sólidos 
iônicos) 
• Envolve a falta de um ânion e um cátion 
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 DEFEITOS PONTUAIS 
 
DEFEITOS SCHOTTKY 
 
• A compensação de 
cargas leva à 
formação de vazios 
Cristal covalente: vacância Cristal iônico: par de vacâncias 
CONSIDERAÇÕES GERAIS 
• Vacâncias e Defeitos Schottky favorecem a difusão 
• Estruturas de empacotamento compacto apresentam 
um menor número de defeitos intersticiais e Frenkel 
do que vacâncias e Schottky 
 
Porque é necessária energia adicional para forçar os 
átomos para novas posições 
IMPUREZAS NOS SÓLIDOS 
• Um metal considerado puro sempre tem impurezas 
(átomos estranhos) presentes 
 
 
99,9999% = 1022-1023 impurezas por cm3 
 
• A presença de impurezas promove a formação de 
defeitos pontuais 
LIGAS 
• As impurezas são adicionadas 
intencionalmente com a finalidade: 
 
- aumentar a resistência mecânica 
- aumentar a resistência à corrosão 
- Aumentar a condutividade elétrica 
ADIÇÃO DE IMPUREZAS PODE FORMAR 
• Soluções sólidas < limite de 
 solubilidade 
• Segunda fase > limite de 
 solubilidade 
 
 Dependente da : 
• Temperatura 
• Tipo de impureza 
• Concentração da impureza 
 
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TERMINOLOGIA 
 
• Impureza soluto (< quantidade) 
 
 
• Hospedeiro solvente (> quantidade) 
 ou matriz 
 
 
 - Intersticiais 
 
 
 
 
 
 - Substitucionais: - Ordenada 
 Desordenada 
SOLUÇÕES SÓLIDAS 
 
• A estrutura do cristal é mantida e não formam-se novas estruturas 
 
SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONAL 
REGRA DE HOME-ROTHERY 
• Raio atômico deve ter uma diferença de no 
máximo 15%, caso contrário pode promover distorções na rede 
e assim formação de nova fase. 
 
• Estrutura cristalina semelhante 
• Eletronegatividade próximas 
• Valência mesma ou maior que a do hospedeiro 
EXEMPLO:SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONAL 
• Cu + Ni são solúveis em todas as proporções 
 
 
 
Cu 
 
Ni 
 
Raio atômico 
 
0,128nm 
 
0,125 nm 
 
Estrutura 
 
CFC 
 
CFC 
 
Eletronegatividade 
 
1,9 
 
1,8 
 
Valência 
 
+1 (as vezes +2) 
 
+2 
 
EXEMPLO:SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONAL EXEMPLO: SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONAL 
Ag + Cu Prata 925 
 
 
Constitui uma solução sólida substitucional com 7,5% de 
cobre na prata. 
 
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SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAIS 
 
• As impurezas ocupam os espaços dos interstícios 
• Materiais metálicos - possuem fator de empacotamento alto - 
posições intersticiais são relativamente pequenas 
• Geralmente, no máximo 10% de impurezas são incorporadas 
nos interstícios 
• Fe + C solubilidade máxima do C no 
 Fe é 2,1% a 910 C (Fe CFC) 
O C tem raio atômico pequeno comparado ao Fe 
 
 
 
 
rC= 0,071 nm 
rFe= 0,124 nm 
 
 
 
EXEMPLO: SOLUÇÃO SÓLIDA INTERSTICIAL 
DEFEITOS LINEARES: DISCORDÂNCIAS 
• Origem: - condições de processamento (cristalização); 
 - térmica 
 - mecânicas, 
 - supersaturação de defeitos pontuais 
 
• A presença deste defeito é a responsável pela deformação, falha e 
rompimento dos materiais 
 
• A quantidade e o movimento das discordâncias podem ser 
controlados por tratamentos térmicos 
• Podem ser em: 
 
 - Cunha 
 - Hélice 
 - Mista 
DEFEITOS LINEARES: DISCORDÂNCIAS 
 
DEFEITOS LINEARES: DISCORDÂNCIAS 
 
DISCORDÂNCIA EM CUNHA 
Envolve um semi-plano extra de átomos 
A magnitude desta distorção normalmente tem a ordem de uma distância interatômica. 
O vetor de Burger é perpendicular a linha de discordância (plano extra) 
 
 
 
• Como uma discordância se move através do cristal, sob a aplicação de uma tensão de cisalhamento: 
 Pela aplicação da tensão, o átomo C pode mover-se para a posição C' indicada na figura. Se isso 
acontecer, a discordância move-se de uma distância atômica para a direita. A contínua aplicação da 
tensão levará à movimentação da discordância em etapas repetidas. O resultado final é que o cristal 
é cisalhado no plano de escorregamento de uma distância atômica. 
 
DEFEITOS LINEARES: DISCORDÂNCIAS 
 
DISCORDÂNCIA EM CUNHA 
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DISCORDÂNCIAS VISTAS ATRAVÉS DE MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE TRANSMISSÃO 
 
DEFEITOS LINEARES: DISCORDÂNCIAS 
 
DISCORDÂNCIA EM CUNHA 
 
DEFEITOS LINEARES: DISCORDÂNCIAS 
 
DISCORDÂNCIA EM HÉLICE 
 
• Produz distorção 
na rede 
A discordância em hélice pode 
ser imaginada como sendo o 
resultado da aplicação de uma 
tensão de cisalhamento. 
O vetor de Burger é paralelo a 
linha de discordância 
 
DEFEITOS LINEARES: DISCORDÂNCIAS 
 
DISCORDÂNCIA MISTA 
Os materiais metálicos 
só apresentarão 
discordâncias mistas, 
entretanto como estas 
discordâncias são 
complexas, é mais fácil 
estudá-las como 
misturas de 
discordâncias em 
cunha e hélice. 
OBSERVAÇÃO DAS DISCORDÂNCIAS 
 
• Diretamente TEM 
 
• Indiretamente SEM 
 e 
 microscopia óptica 
 (após ataque químico seletivo) 
DISCORDÂNCIAS NO TEM 
ATAQUE PRODUZIDO NA DISCORDÂNCIA VISTA NO SEM 
Plano (111) do InSb 
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CONSIDERAÇÕES GERAIS 
• Com o aumento da temperatura há um aumento na velocidade de 
deslocamento das discordâncias favorecendo o aniquilamento mútuo das 
mesmas e formação de discordâncias únicas. 
• Impurezastendem a difundir-se e concentrar-se em torno das discordâncias 
formando uma região de impurezas. 
• As discordâncias geram vacâncias 
• As discordâncias influem nos processos de difusão 
• As discordâncias contribuem para a deformação plástica 
 
Escorregamento de um monocristal de zinco 
 
DEFEITOS PLANARES OU INTERFACIAIS 
 
• Envolvem fronteiras - defeitos em duas dimensões 
• normalmente separam regiões dos materiais de diferentes estruturas cristalinas ou 
orientações cristalográficas 
OBSERVAÇÃO DOS CONTORNOS DE GRÃO 
Contorno de grão no alumínio. 
Microscopia Eletrônica de Transmissão de Alta Resolução. 
Sandia National Lab. 
CONTORNOS DE GRÃO DE ALTO E BAIXO ÂNGULO 
TWINS 
MACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS 
• É um tipo especial de contorno de grão: Os átomos de 
um lado do contorno são imagens especulares dos 
átomos do outro lado do contorno. 
 O twin ocorre num plano definido e em uma direção 
específica. 
• Ocorrência: metais com memória, que com 
aquecimento recuperam sua forma original 
 Ligas com memória: são twins e quando deformados 
tornam-se untwin.. 
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ORIGEM DOS TWINS 
• presença de tensões 
térmicas e mecânicas 
 
• desvio estequiométrico 
 
• presença de impurezas 
 
IMPERFEIÇÕES VOLUMÉTRICAS 
 
 
• São introduzidas no processamento do 
material e/ou na fabricação do componente 
 
IMPERFEIÇÕES VOLUMÉTRICAS 
- Inclusões impurezas estranhas 
- Precipitados aglomerados de partículas cuja 
composição difere da matriz 
- Porosidade devido a presença ou formação 
de gases 
- Fases devido à presença de impurezas 
(ocorre quando o limite de solubilidade é ultrapassado) 
- Estrias segregacionais ocorre em 
materiais semicondutores dopados 
INCLUSÕES 
INCLUSÕES DE ÓXIDO DE COBRE (Cu2O) EM COBRE DE ALTA 
PUREZA (99,26%) 
 SULFETOS DE MANGANÊS (MnS) EM AÇO 
INCLUSÕES 
METALURGIA DO PÓ - Pó de ferro compactado 550 MPa 
POROSIDADE 
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 COMPACTADO DE PÓ DE FERRO APÓS SINTERIZAÇÃO 
A 1150oC, POR 120 min EM ATMOSFERA DE HIDROGÊNIO 
POROSIDADE SEGUNDA FASE 
A MICROESTRUTURA É COMPOSTA POR VEIOS DE GRAFITA SOBRE UMA MATRIZ PERLÍTICA. 
ESTA, POR SUA VEZ, É CONSTITUÍDA POR LAMELAS ALTERNADAS DE DUAS FASES: FERRITA 
(OU FERRO- ) E CEMENTITA (OU CARBONETO DE FERRO). 
Zeron 100 após tratamento térmico a 850ºC/10h e anodicamente 
polarisado a 0.46 V SCE em 0.6 M NaCl (pH 2.0) por 60 min 
Identificar: vacâncias, discordâncias, impureza substitucional 
e impureza intersticial 
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