Aula_5_Imperfeições nos sólidos cristalinos

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08/10/2011 
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Imperfeições nos sólidos 
cristalinos 
Profª. Msc. Luana Sena 
Tecnologia e Mecânica dos Materiais 
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Por que estudar imperfeições nos sólidos? 
 As propriedades de alguns materiais são influenciados pela 
presença de imperfeições. 
 Portanto, é importante conhecer os tipos de imperfeições 
existentes e os papéis que elas desempenham ao afetar o 
comportamento dos materiais. 
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Exemplo de efeitos da presença de 
imperfeições 
 Propriedades mecânicas de metais puros experimentam 
alterações significativas quando átomos de impurezas são 
adicionados (latão – 70% Cu e 30% Zn – é mais duro e resistente 
que o cobre puro). 
 Dispositivos microeletrônicos dos circuitos integrados 
encontrados nos computadores, calculadora e utensílios 
domésticos funcionam devido a concentrações controladas de 
impurezas específicas que são incorporadas em regiões 
pequenas e localizadas de materiais semicondutores. 
 Endurecimento de metais e ligas por encruamento 
(deformação a frio). 
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São irregularidades na rede cristalina com dimensões da ordem 
do diâmetro atômico. 
 
 Não existe um sólido ideal; 
 Todos os materiais contêm inúmeros defeitos ou imperfeições 
em suas estruturas cristalinas. 
 Muitas das propriedades dos materiais são profundamente 
sensíveis a desvios da perfeição cristalina; 
 Freqüentemente determinadas características são 
intencionalmente alteradas pela introdução de quantidades 
controladas de defeitos. 
Imperfeições cristalinas 
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O que é um defeito? 
 É uma imperfeição ou um "erro" 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. 
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Defeitos cristalinos 
 Defeitos pontuais Lacunas ou Vacâncias 
 Átomos intersticiais 
 Átomos substitucionais 
 Defeitos de linha (discordâncias) 
 Defeitos de interface (grão e maclas) 
 Defeitos volumétricos (inclusões, precipitados) 
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Defeitos pontuais 
 São aqueles que estão associados a uma ou duas 
posições atômicas. 
 
• Lacunas ou Vacâncias 
• Átomos Intersticiais 
• Átomos Substitucionais 
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Defeitos pontuais 
O defeito pontual mais simples é a lacuna. 
Do inglês: vacancy = ausência de um átomo em uma posição 
atômica originalmente ocupada por um átomo. 
As lacunas constituem o único tipo 
de defeito que está em equilíbrio 
com o cristal. 
 Lacunas ou Vacâncias 
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 São formados durante a solidificação do cristal ou como 
resultado das vibrações atômicas (os átomos deslocam-se de 
suas posições normais). 
 Todos os sólidos cristalinos possuem lacunas 
 Lacunas 
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 O n° de lacunas (NV) para uma dada quantidade de material é 
função da temperatura de acordo com a equação: 
 Para grande parte dos metais, a fração de lacunas (Nv/N) logo 
abaixo da temperatura de fusão é da ordem de 10-4 (0,01%) 
Exemplo: m3 de Cobre possui 8 1028 átomos e a 1000°C 
apresenta Nv = 2.2 1025 
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Defeitos pontuais 
 Auto-intersticial 
 É um átomo do cristal posicionado 
em uma sítio intersticial, que em 
circunstâncias normais estaria vago. 
 Produz uma distorção no 
reticulado, já que o átomo 
geralmente é maior que o espaço 
do interstício. 
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A formação de um defeito intersticial 
implica na criação de um vazio, por 
isso este defeito é menos provável 
que um vazio. 
 Auto-intersticial 
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Impurezas 
 NÃO existe metal 100% puro! 
 Átomos estranhos (impurezas ou elementos de liga) sempre 
estarão na estrutura cristalina. 
 Na realidade, utilizando-se as técnicas atuais de refino, é 
muito difícil e caro refinar metais com níveis de pureza 
superiores a 99,9999% (“quatro noves”). 
 Estas impurezas são classificadas em duas classes: 
Substitucionais - Na qual os átomos de soluto estão alocados em 
posições atômicas originalmente pertencentes ao átomo de 
solvente. 
Intersticiais - Na qual os átomos de soluto estão posicionados 
nos interstícios das células cristalinas do solvente. 
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Impurezas 
 Impurezas são adicionadas intencionalmente com a 
finalidade: 
- aumentar a resistência mecânica 
- aumentar a resistência à corrosão 
- aumentar a condutividade elétrica 
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 Elemento de liga ou Impureza → soluto 
 (< quantidade) 
Matriz ou Hospedeiro → solvente 
 (>quantidade) 
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Soluções sólidas 
 A solução sólida é obtida com a adição intencional de outros 
elementos (elementos de liga) no metal solvente. 
 Em uma liga, o elemento presente em menor concentração 
denomina-se soluto e aquele em maior quantidade, solvente. 
 A solução sólida ocorre quando a adição de átomos do soluto não 
modifica a estrutura cristalina nem provoca a formação de novas 
estruturas. 
 Deve haver menos de cerca de 15% de diferença nos raios atômicos e 
a mesma valência. 
 Esta adição deve manter a estrutura cristalina e evitar a precipitação 
de outra fase. 
 Do mesmo modo que os defeitos, as soluções sólidas também são 
classificadas em substitucionais e intersticiais 
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Exemplos: 
 Solução sólida substitucional: Prata 925 - constitui uma 
solução sólida substitucional com 7,5% de cobre na prata. 
 Solução sólida intersticial: Aços extra-doce (teor muito 
baixo de Carbono - Menos de 0,15 %) - nestes aços, os 
átomos de C ficam alocados nos interstícios das células 
cristalinas. 
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 Quando um átomo da rede cristalina é substituído por outro 
de tamanho diferente. 
Defeitos pontuais 
 Substitucional 
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Defeitos de linha 
 Discordâncias 
 Uma discordância é um defeito cristalino linear no qual 
diversos átomos estão desalinhados e conseqüentemente 
provocam uma distorção na estrutura cristalina. 
 As discordâncias estão associadas com a cristalização e a 
deformação (origem: térmica, mecânica e supersaturação de 
defeitos pontuais). 
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 A presença deste defeito é a responsável pela deformação, 
falha e ruptura dos materiais. 
 Podem ser: 
•Aresta 
•Hélice 
•Mista 
 Discordâncias 
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 Pode ser entendida como um plano extra de átomos no 
reticulado que provoca uma imperfeição linear. 
 Discordância Aresta (“edge 
dislocation”) 
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 Dá a magnitude e a direção de distorção da rede. 
 A magnitude desta distorção normalmente tem a ordem 
de uma distância interatômica. 
Vetor de Burger (b) 
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 O vetor de Burger é perpendicular à 
direção da linha da discordância. 
O cristal perfeito em (a) é cortado e um meio plano atômico 
extra é inserido (b). A extremidade da parte inferior do plano 
extra é uma discordância em cunha (c). 
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 Ocorre quando uma região 
do cristal é deslocada de uma 
posição atômica. 
 Discordância em espiral 
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 O vetor de burger é paralelo à direção da 
linha de discordância. 
 Pode ser imaginada como sendo 
o resultado da aplicação de uma 
tensão de cisalhamento (aplicação 
de forças paralelas mas em 
sentidos opostos). 
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O cristal perfeito (a) é cortado e cisalhado em um espaçamento 
interatômico, (b) e (c). A linha ao longo da qual ocorre o 
cisalhamento é uma discordância em hélice. Um vetor de Burgers 
b é requerido para fechar o circuito de igual espaçamento 
interatômico ao redor da discordância. 
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Uma discordância que contem componentes de discordâncias 
em cunha e em hélice. 
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 Discordância mista 
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Defeitos interfaciais 
 São imperfeições que ocorrem ao longo de uma superfície. 
 Normalmente separam regiões de materiais que possuem 
diferentes estruturas cristalinas. 
 Envolvem fronteiras (defeitos em duas dimensões) e 
normalmente separam regiões dos materiais de diferentes 
estruturas cristalinas ou orientações cristalográficas 
 Essas imperfeições incluem: 
• Superfície externa 
• Contornode grão 
• Contorno de Maclas ou Twins 
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Defeitos interfaciais 
 Superfícies Externas 
 Demarca os limites do cristal. 
 Na superfície os átomos não estão completamente ligados. 
 Nesta região existem muitas ligações desfeitas e átomos 
deslocados de suas posições regulares. 
 Então o estado energia dos átomos na superfície é maior que 
no interior do cristal. 
 A alta energia superficial é uma barreira para o processo de 
crescimento de cristal no início da solidificação e é a causa da 
sinterização. 
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Defeitos interfaciais 
 Contornos de Grão 
 Corresponde à região que separa dois ou 
mais cristais de orientação diferente. 
 Nestes locais, têm-se o desalinhamento 
das redes dos grãos adjacentes. 
 Há maior concentração de defeitos e 
ligações desfeitas. 
 No interior de cada grão todos os 
átomos estão arranjados segundo um 
único modelo e única orientação, 
caracterizada pela célula unitária. 
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O contorno de grão ou macla é um tipo de defeito 
cristalino que pode ocorrer durante a solidificação, 
deformação plástica, recristalização ou crescimento de 
grão. 
• Tipos de macla: maclas de recozimento e maclas de 
deformação. 
Defeitos Volumétricos 
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• Esses defeitos normalmente são introduzidos nos processos 
de fabricação, e podem afetar fortemente as propriedades 
dos produtos. 
• Exemplos: poros, trincas, precipitados . 
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MOVIMENTAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS E SISTEMAS DE 
ESCORREGAMENTO 
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DEFORMAÇÃO ELÁSTICA: 
 
Está diretamente relacionada com a energia de ligação entre os 
átomos. 
Removida a tensão, a deformação desaparece (comportamento 
de uma mola). 
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MOVIMENTAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS E SISTEMAS DE 
ESCORREGAMENTO 
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DEFORMAÇÃO PLÁSTICA: 
É permanente, ou seja, cessada a tensão teremos deformação residual 
ou plástica. 
A resistência e dureza são medidas da “resistência” do material à 
deformação. 
Em escala microscópica, a deformação plástica corresponde ao 
movimento total de um grande n° de átomos em resposta a uma 
tensão. 
No materiais cristalinos a deformação plástica envolve o movimento de 
um grande número de discordâncias. 
Em escala atômica, as ligações entre os átomos da estrutura cristalina 
são rompidas e reformadas durante a movimentação das discordâncias.