Ciências dos materiais - Imperfeições Cristalinas dos materiais - Aula 6

1. Imperfeições Cristalinas

2. Objetivo
• Apresentar os principais tipos de imperfeições
cristalinas dos materiais de engenharia.
Roteiro
• Defeitos puntiformes.
• Impurezas.
• Soluções sólidas.
• Defeitos de linha.
• Defeitos bidimensionais.
• Observação da Microestrutura
Imperfeições Cristalinas

3. O que é uma imperfeição?
Uma imperfeição é uma falha no arranjo
periódico regular dos átomos em um cristal.
Pode envolver uma irregularidade
• na posição dos átomos
• no tipo de átomos
O tipo e o número de imperfeições dependem
do material, do meio ambiente, e das
circunstâncias sob as quais o cristal é
processado.

4. 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 e
nem sempre de forma negativa

5. Imperfeições Estruturais
- Importância-
• Através da introdução de imperfeições, do
controle do número e arranjo destes, é
possível desenhar e/ou criar novos
materiais com a combinação desejada de
propriedades.

6. Imperfeições Estruturais
• Exemplos:
Dopagem em semicondutores
Aumento da resistência por encruamento
Whiskers* de ferro (sem discordâncias)
apresentam resistência maior que 70.000
MPa, enquanto o ferro comum falha a
aproximadamente 275 MPa.
* Pequenos monocristais sem discordâncias

7. Imperfeições Cristalinas
• Defeito cristalino: imperfeição do reticulado
cristalino
• Classificação dos defeitos cristalinos:
– Defeitos puntiformes (associados com uma ou duas
posições atômicas): lacunas e átomos intersticiais.
– Defeitos de linha (defeitos unidimensionais):
discordâncias
– Defeitos bidimensionais (fronteiras entre duas regiões
com diferentes estruturas cristalinas ou diferentes
orientações cristalográficas): contornos de grão,
interfaces, superfícies livres, contornos de macla,
defeitos de empilhamento.
– Defeitos volumétricos (defeitos tridimensionais):
poros, trincas e inclusões.

8. Lacunas e Auto-Intersticiais
• Lacuna (“vacancy”): ausência de um átomo em um ponto do
reticulado cristalino.
• Podem ser formadas durante a solidificação ou como resultado de
vibrações atômicas.
• Existe uma concentração de equilíbrio de lacunas.
• onde:
N = n° total de posições/sítios atômicos NL = n° de lacunas
NA = n° de Avogadro A = massa atômica
k = constante de Boltzmann  = densidade
T = temperatura absoluta
QL= energia de ativação para formação de lacunas
O número de vacâncias aumenta exponencialmente com a temperatura

9. Lacunas e Auto-Intersticiais
• Lacuna (“vacancy”): ausência de um átomo em um ponto do
reticulado cristalino.
• Podem ser formadas durante a solidificação ou como resultado de
vibrações atômicas.
• Existe uma concentração de equilíbrio de lacunas.
• onde:
N = n° total de posições/sítios atômicos NL = n° de lacunas
NA = n° de Avogadro A = massa atômica
k = constante de Boltzmann  = densidade
T = temperatura absoluta
QL= energia de ativação para formação de lacunas
O número de vacâncias aumenta exponencialmente com a temperatura
Exercício do Livro – 4.1

10. Líquido
Embriões da
fase sólida

13. Lacunas e Auto-Intersticiais
• Auto-intersticial: é um átomo que ocupa um
interstício da estrutura cristalina.
• Os defeitos auto-intersticiais causam uma
grande distorção do reticulado cristalino a sua
volta.

14. As propriedades dos
materiais podem ser
controladas criando
ou controlando estes
defeitos
Lacunas / vacâncias / vazios

15. Defeitos puntiformes em sólidos iônicos
• A neutralidade elétrica tende a ser respeitada.
• Defeito de Schottky: lacuna aniônica + lacuna catiônica
• Defeito de Frenkel: cátion intersticial + lacuna catiônica

16. Encontre os Defeitos de Schottky e Frenkel

17. Encontre os Defeitos de Schottky e Frenkel
Schottky
Frenkel

18. Defeitos puntiformes em sólidos iônicos
• Exemplos de aplicação
– Resistências de fornos elétricos
(condutividade elétrica de
cerâmicas em alta temperatura).
– Sensores de gases.
– Materiais com propriedades
magnéticas diferentes.

19. (c)2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning
Defeitos pontuais: (a) vacância, (b) átomo intersticial, (c) átomo
substitucional pequeno, (d) átomo substitucional grande, (e) defeito
de Frenkel, (f) defeito de Schottky. Todos estes defeitos perturbam o
perfeito arranjo dos átomos das redondezas.

20. Impurezas
• É impossível existir um metal consistindo de um
só tipo de átomo (metal puro).
• As técnicas de refino atualmente disponíveis
permitem obter metais com um grau de pureza
no máximo de 99,9999%.

21. Soluções Sólidas
• As ligas são obtidas através da adição de
elementos de liga (átomos diferentes do
metal-base). Esses átomos adicionados
intencionalmente podem ficar em solução
sólida e/ou fazer parte de uma segunda
fase.
• Em uma liga, o elemento presente em
menor concentração denomina-se soluto e
aquele em maior quantidade, solvente.

22. Soluções Sólidas
• Solução sólida: ocorre quando a adição de
átomos do soluto não modifica a estrutura
cristalina nem provoca a formação de
novas estruturas.
• Solução sólida substitucional: os átomos de
soluto substituem uma parte dos átomos de
solvente no reticulado.
• Solução sólida intersticial: os átomos de
soluto ocupam os interstícios existentes no
reticulado.

23. Substitucional
• Características entre os átomos:
– Fator tamanho atômico – diferença entre os
raios atômicos é menor que 15%;
– Estrutura cristalina – as estruturas cristalinas
devem ser as mesmas;
– Eletronegatividade – quanto mais próxima,
mais favorável;
– Valência – mesma valência (ou tendência é
dissolver um metal de maior valência).

24. Substitucional
• Cobre:
– Raio at.: 0,128 nm,
– CFC;
– Eletronegatividade:
1,9
– Valência: + 1
• Níquel:
– Raio at.: 0,125
– CFC;
– Eletronegatividade:
1,8
– Valência: + 2
Regra de Hume-Rothery

25. Solução sólida intersticial
Átomo de carbono
dissolvido no Fe
ccc

26. Solução sólida intersticial
ferro e carbono
• Concentração máxima de 2%;
• Raio atômico carbono: 0,071 nm;
• Raio atômico ferro: 0,124 nm

27. Especificação da composição de uma liga
• Concentração em massa (porcentagem em massa):
onde m é a massa (ou peso) dos elementos
• Concentração atômica (porcentagem atômica, %-at.):
onde NA e NB são os números de moles dos elementos A e B.

28. Especificação da composição de uma liga
• Concentração em massa (porcentagem em massa):
onde m é a massa (ou peso) dos elementos
• Concentração atômica (porcentagem atômica, %-at.):
onde NA e NB são os números de moles dos elementos A e B.
Exercício do Livro – 4.3

29. IMPERFEIÇÕES LINEARES
DISCORDÂNCIAS
• As discordâncias estão associadas com a
cristalização e a deformação (origem: térmica, mecânica e
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 pelo grau de deformação
(conformação mecânica) e/ou por tratamentos
térmicos

30. IMPERFEIÇÕES LINEARES:
DISCORDÂNCIAS
• Defeito cristalino linear ao redor do qual
existe um desalinhamento atômico.
• Podem ser:
- Cunha
- Hélice
- Mista

31. Discordância em cunha – plano extra de átomos

32. Movimento da discordânica – passo a passo

33. Discordância em Hélice

34. Imperfeições de Linha

35. Pontos de corrosão que ocorrem ao longo de linhas
de discordância

36. 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
• Impurezas tendem a difundir-se e concentrar-se
em torno das discordâncias formando uma
atmosfera de impurezas

37. Considerações Gerais
• O cisalhamento se dá mais facilmente nos
planos de maior densidade atômica, por isso a
densidade das mesmas depende da orientação
cristalográfica
• As discordâncias geram vacâncias
• As discordâncias influem nos processos de
difusão
• As discordância contribuem para a deformação
plástica

38. Imperfeições Bidimensionais
• Interface: contorno entre duas fases diferentes.
• Contornos de Grão: contornos entre dois cristais sólidos
da mesma fase.
• Superfície Externa: superfície entre o cristal e o meio
que o circunda
• Contorno de Macla: tipo especial de contorno de grão
que separa duas regiões com uma simetria tipo
”espelho”.
• Falhas de Empilhamento: ocorre nos materiais quando
há uma interrupção na sequência de empilhamento, por
exemplo na sequência ABCABCABC.... dos planos
compactos dos cristais CFC.

39. Defeitos Bidimensionais: Contorno de Grão
• Quando o desalinhamento entre os grãos vizinhos é grande (maior
que 15º), o contorno formado é chamado contorno de grão de alto
ângulo.

41. Contorno de grão

42. Defeitos Bidimensionais: Contorno de Grão
• Se o desalinhamento é pequeno (em geral, menor que 5º), o
contorno é chamado contorno de pequeno ângulo, e as regiões que
tem essas pequenas diferenças de orientação são chamadas de
subgrãos.

44. Grão de diferentes
tamanhos em um
mesmo aumento
N = 2G-1
G : 1 - 8

45. Tamanho grão x Resistência mecânica
(c)2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning
Tensãodeescoamento(psi)

46. Defeitos Bidimensionais: Contornos de Macla
• A 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.
• A maclação ocorre em um plano
cristalográfico determinado
segundo uma direção
cristalográfica específica. Tal
conjunto plano/direção depende
do tipo de estrutura cristalina.

47. Exemplos de maclas

48. Exemplos de maclas

49. (c)2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning

50. (c)2003Brooks/ColePublishing/Thomson
Learning
(c)2003Brooks/ColePublishing/Thomson
Learning
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
Figure 4.13 Electron photomicrographs of dislocations in
Ti3Al: (a) Dislocation pileups (x26,500). (b) Micrograph at
x 100 showing slip lines and grain boundaries in AI. (c)
Schematic of slip bands development.

51. • Outros defeitos bidimensionais são possíveis:
– Falhas de empilhamento (encontradas em
metais CFC)

52. Defeitos em Volume
• Além dos defeitos apresentados nas
transparências anteriores, os materiais podem
apresentar outros tipos de defeitos, que se
apresentam em escalas muito maiores.
• Esses defeitos normalmente são introduzidos
nos processos de fabricação, e podem afetar
fortemente as propriedades dos produtos.
• Exemplos: inclusões, poros, trincas,
precipitados.

53. Observação Microestrutural
• Observação estrutural: macroestrutura e
microestrutura.
• Observação da macroestrutura: a olho nu
ou com baixos aumentos (até 10X).
• Observação da microestrutura:
microscopia óptica e microscopia
eletrônica.

54. Luz
Incidente
Luz
Refletida