Aula 3 Imperfeições dos Sólidos

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Aula 3 – Imperfeições dos Sólidos
Classificadas de acordo com a geometria ou dimensionalidade do defeito
- Defeitos pontuais: associados com uma ou duas posições atômicas
- Defeitos lineares ou discordâncias: unidimensionais
- Defeitos interfaciais ou contornos: bidimensionais
Defeitos pontuais – nos metais:
- Lacunas: sítio vago da rede cristalina, ou seja, falta de um átomo no reticulado (todos os sólidos cristalinos contêm lacunas) – gera uma alteração da posição dos átomos, um deslocamento, porque naturalmente aquele espaço tem a tendência de ser ocupado. A temperatura interfere diretamente na geração de lacunas.
O número de lacunas em condições de equilíbrio (Nl) para uma dada quantidade de material depende da temperatura, de acordo com a expressão:
- Defeito intersticial (auto-intersticial): é o oposto de uma lacuna. Consiste em um átomo do cristalque se encontra comprimido no interior de um sítio intersticial (espaço vazio que existe entre os átomos na estrutura cristalina), produzindo distorção atômica. A formação deste defeito não é muito provável, existe em concentrações muito reduzidas, significantemente menores do que aquelas exibidas pelas lacunas.
Defeitos pontuais – nas cerâmicas: lacunas de ânions e cátions e um intersticial do cátion
- Defeito de Frenkel: formado por uma lacuna catiônica e um par de cátion-intersticial – um cátion deixa sua posição norma e se move para o interior de m sítio intersticial.
- Defeito de Schottky: vazio de um par de íons de cargas opostas, em compostos que devem manter um equilíbrio de cargas.
Como a razão entre o número de cátions e o número de ânions não é alterada pela formação de ambos defeitos, se nenhum outro tipo de defeito estiver presente, o material é estequiométrico.
Estequiometria: estado para os compostos iônicos onde existe a razão exata entre cátions e ânions prevista pela fórmula química.
Não-estequiometria: pode ocorrer se existirem dois estados de valência para um dos íons que formam o material. Para manter a eletroneutralidade da estrutura, existe a necessidade de criar uma lacuna.
Exemplo: 
Para cada 2 substituições de Fe2+ para Fe3+, vai haver um excesso de carga positiva, ficando não-estequiométrico. Para manter a eletroneutralidade, vai ocorrer o surgimento de uma lacuna catiônica.
X é a fração na qual um Fe2+ é substituído por um Fe3+.
É muito mais fácil para o material criar uma lacuna do que adicionar um cátion ou ânion intersticial.
Defeitos pontuais – impurezas nos sólidos:
Impureza nos metais: adição de átomos de impurezas a um metal resulta na formação de uma solução sólida e/ou uma mistura (2 ou mais fases), dependendo dos tipos de impurezas, de suas concentrações e da temperatura.
Liga = substância metálica composta por 2 ou mais elementos (solução sólida e mistura são ligas)
Solvente = material hospedeiro, elemento ou composto presente em maior quantidade
Soluto = elemento ou composto presente em menor concentração
Muitas vezes, esses átomos de impurezas são adicionados para conferir características específicas ao material
Exemplo 1: Perde a propriedade elétrica, mas ganha no quesito propriedade mecânica.
Exemplo 2: Aumenta a resistência mecânica com a adição do cobre, mas quanto a resistência a corrosão química não se tem grande perda porque ambos metais possuem boa resistência a corrosão.
Solução sólida: se forma à medida que os átomos do soluto são adicionados ao material hospedeiro, a estrutura cristalina é mantida e nenhuma nova estrutura é formada.
Tipos de soluções sólidas:
- Soluções substitucionais: os átomos do soluto ou átomos de impurezas tomam o lugar ou substituem os átomos hospedeiros.
Fatores que afetam o grau de solubilização (regras de Hume-Rothery):
1. Fator do tamanho atômico: quanto menor for o tamanho entre os átomos, melhor. Quanto mais próximos os átomos fores, maior é a possibilidade de adicionar um átomo na estrutura cristalina e essa estrutura ser mantida. A diferença entre os raios atômicos dos dois tipos de átomos deve ser menor que 15%.
2. Estrutura cristalina: para se ter uma boa solubilidade, os metais devem ter a mesma estrutura cristalina.
3. Eletronegatividade: quanto maior a diferença de eletronegatividade entre os elementos, pior, pois maior é a tendência deles segregarem e formarem um composto intermediário em vez de uma solução sólida substitucional.
4. Valência: sendo iguais os demais fatores, um metal tem maior tendência a se dissolver em um outro metal de maior valência do que em um metal de menor valência.
Exemplo: Cu2+→Al3+ (melhor)
	 Al3+→Cu2+ (ruim)
- Soluções intersticiais: 
Os átomos de impureza preenchem os espaços vazios ou interstícios que existem entre os átomos hospedeiros (concentração máxima permissível inferior a 10%).
O diâmetro de uma impureza intersticial (C,H,O,N) deve ser substancialmente menor do que o diâmetro dos átomos hospedeiros.
Impurezas nas cerâmicas: uma vez que existem tanto ânions como cátions nesse tipo de material, uma impureza substitucional irá substituir o íon hospedeiro que mais se assemelha a ela no aspecto elétrico.
Um ânion é muito grande, por isso é muito improvável que ocorra a inserção de um ânion em alguma posição intersticial em um material cerâmico.
Especificação da composição:
- Concentração do átomo 1 em percentagem em peso (%p):
- Concentração do átomo 1 em percentagem atômica (%a):
- Conversões entre as composições:
Determinação da densidade média (ρm) e peso atômico médio (PAm) de uma liga binária:
Obs: 100 porque a concentração está sendo tratada em porcentageml. Se as concentrações forem 30% e 70%, utiliza-se 30 e 70. Se a concentração for utilizada em fração, como 0.3 e 0.7, o numerador é 1.
Defeitos lineares – discordâncias:
Discordância = defeito linear ou unidimensional em torno do qual alguns dos átomos estão desalinhados
De maneira geral, todos os materiais cristalinos contêm algumas discordâncias que foram introduzidas durante o processo de fabricação/solidificação/deformação plástica, como consequência das tensões térmicas que resultam de um resfriamento rápido.
- Discordância aresta: 
 
Acima da discordância existem forças de compressão e abaixo da discordância existem forças de tração ocorrendo na rede cristalina querendo ocupar o espaço.
- Discordância espiral:
Ocorre um trecho de sobreposição dos átomos, um desalinhamento, uma discordância.
- Discordância mista: 
Defeitos interfaciais – bidimensionais:
Consistem em contornos que possuem duas dimensões e que, normalmente, separam regiões dos materiais com diferentes estruturas cristalinas e/ou orientações cristalográficas.
- Superfícies externas:
- Contorno de grão:
Materiais policristalinos = compostos por muitos cristais pequenos ou grãos
Materiais monocristalinos = composto por um único cristal pequeno ou grão
Determinação do tamanho do grão:
Exemplo: