Defeitos nos sólidos

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Defeitos nos sólidos

  1. 1. Defeitos nos sólidosProf. Belarmino B. Lira
  2. 2. "defeito cristalino" São irregularidade na rede cristalina com uma ou maisdimensões na ordem de um diâmetro atômico. Existem diferentes tipos deimperfeições na rede e que são freqüentemente classificadas de acordo com ageometria ou dimensionalidade do defeito.1. vibrações da rede: quantizadas por fônons.2. defeitos pontuais: Estão envolvidos individualmente átomos deslocados, átomos extras oufalta de átomos. São eles: vacâncias (lacuna), átomos intersticiais, átomos substitucionais,defeitos de Frenkel e de Schottky;3. defeitos lineares: defeitos que envolvem a aresta de um plano extra de átomos, são as discordâncias;4. defeitos planares: superfície interna, superfície externa e interfaces (falhas deempilhamento, contorno de fases, superfícies livres);5. defeitos volumétricos: estruturas amorfas ou não-cristalinas
  3. 3. Defeitos PontuaisLacunas ( vacancy) A ausência de um átomo em uma posição atômica originalmente ocupada por um átomo. Este defeito pode resultar do empacotamento imperfeito na solificicação do cristal ou decorrer de vibrações térmicas dos átomos As lacunas constituem o ÚNICO tipo de defeito que está em equilíbrio com o cristal.• O n° de lacunas para uma dada quantidade de material é função da temperatura de acordo com a equação:• Nv = N.exp(-Qv /KT)• onde: N é o n° de átomos• T é a temperatura absoluta (K)• k é a constante de Boltzmann (1,38 10-23 J/átomo K ou 8,62 10-5 eV/átomo K)• Q é a energia de ativação para a formação de uma lacuna (J ou eV, isto é, um sítio da rede cristalina em cada 10.000 sítios está vazio)
  4. 4. Defeitos Pontuais
  5. 5. Defeitos em Sólidos Iônicos: Frenkel e SchottkyDefeito de FrenkelEnvolve um par composto por uma lacuna de cátion e umcátion intersticial.Um cátion que deixa a sua posição normal e se move para ointerior de um sítio intersticial.Defeito de SchottkyConsiste em um par formado por uma lacuna de cátion euma lacuna de ânion.Remoção de um cátion e de um ânion do interior docristal, seguido pela colocação de ambos os íons em umasuperfície externa.
  6. 6. Impurezas em SólidosOs metais mais conhecidos não são altamente puros, eles são ligas, nas quaisos átomos de impurezas são adicionados intencionalmente para conferircaracterísticas específicas ao material.Muito comumente, a formação de ligas é utilizada em metais para aumentarsua resistência mecânica, resistência à corrosão, aumentar a condutividadeelétrica,etc.A adição de impurezas irá resultar na formação de uma solução sólidae/ou numa nova segunda fase, dependendo do tipo de impurezas, de suasconcentrações, e da temperatura da liga.
  7. 7. Densidade de defeitos pontuais cresce com Eav kTa temperatura (rel. tipo Arrhenius). Ex. vacâncias, nv N 0e. onde: N0 é a densidade do Si, Eav a energia de ativação
  8. 8. Alguns termos empregados para as ligas:Solvente – representa o elemento ou composto que está presente em maiorquantidade; os átomos de solvente são chamados de átomos hospedeiros.Soluto – indica o elemento ou composto que está presente em menorconcentração.Fase - pode ser definida como uma porção homogênea de um sistema que possuicaracterísticas físicas e químicas uniformes.Exemplo: solução de xarope açúcar-água é uma fase, enquanto que o açúcar sólidoé outra fase; ou ainda, quando uma substância pode existirem duas ou mais formaspolimórficas (ex: Fe CCC e Fe CFC), cada uma destas estruturas consiste em um afase separada, pois suas características físicas são diferentes
  9. 9. Defeitos pontuais devidos à presença de impurezas são encontrados em soluçõessólidas e podem ser de dois tipos:SubstitucionalNeste tipo de defeito, os átomos do soluto ou átomos de impurezas tomam o lugardosátomos hospedeiros ou os substituem. Existem características dos átomos dosoluto e solvente que determinam o grau segundo o qual o primeiro se dissolve nosegundo (Regra de Home-Rothery); são estas:1. Raio atômico: quantidades apreciáveis de soluto podem ser acomodadas neste tipo desolução somente quando a diferença entre os raios atômicos dos dois átomos formenor que +/- 15%. Do contrário, os átomos do soluto irão criar grandes distorções narede cristalina e uma nova fase irá se formar.2. Estrutura Cristalina: uma apreciável solubilidade ocorre se as estruturas cristalinas dosoluto e solvente forem as mesmas.3. Eletronegatividade: Quanto maior a diferença de eletronegatividade, maior a tendência dos átomos formarem um composto intermetálico ao invés de uma solução sólida substitucional.4. Valências: Sendo iguais os demais fatores, um metal terá uma maior tendência de dissolver um outro metal de maior valência do que um de menor valência.
  10. 10. IntersticialOs átomos de impurezas preenchem os espaços vazios ou interstícios queexistem entre os átomos hospedeiros. Nos metais que possuemempacotamento atômico elevado, estas posições intersticiais são pequenas econseqüentemente, o raio atômico das impurezas deve ser bem menor que oraio do hospedeiro. Geralmente, um máximo de 10% de impurezas éincorporado nosinterstícios.Exemplo: aço – solução sólida intersticial de carbono no ferro.Apesar do raio atômico do carbono (0,071 nm) ser muito menor que o doferro (0,124 nm), a concentração solubilidade máxima do C no Fe é de 2,1%
  11. 11. Defeitos LinearesDiscordância ⇒É um defeito linear ou unidimensional em torno do qual os átomos estãodesalinhados. As discordâncias existem em materiais cristalinos. No caso demateriais cerâmicos, como estes apresentam estruturas cristalinas maiscomplexas e ligações direcionais, discordância em cunha
  12. 12. As discordâncias A discordância representada no esquema acima é chamada de discordância-aresta ou do tipo cunha. Tipos de discordância a) Discordância-aresta, ocorre uma porção extra de um plano de átomos, ou semi plano, cuja aresta termina no interior do cristal.Uma discordância-aresta movimenta-se no plano de deslizamento numadireção perpendicular ao seu comprimento. A direção de deslizamento érepresentada por um vetor-deslizamento, ou vetor de Burger
  13. 13. b) Discordância espiralConsiderada como sendo formada por uma tensão cisalhante que éaplicada para produzir a distorção :
  14. 14. Defeitos Planaresa) Superfícies ExternasOs átomos da superfície não estão ligados ao número máximo devizinhos mais próximos e,portanto, estão em um estado de energiamaior que os átomos em posições interiores. As ligações destesátomos da superfície que não estão completadas dão origem a umaenergia de superfície. Para reduzir esta energia, os materiais tendema minimizar, se isto for possível, a área total da superfície.Ex: as gotículas dos líquidos são esféricas pois assim os líquidosassumem uma forma que possui uma área mínima b) Contornos de Grãos É o contorno que separa dois pequenos grãos ou cristais que possuem diferentes orientações cristalográficas.
  15. 15. Defeitos planaresStacking faultou falha deempilhamento
  16. 16. Na região do contorno de grãos existem desencontros atômicos na transiçãoda orientação cristalina de um grão para aquela de outro grão adjacente.São possíveis vários graus de desalinhamento cristalográfico entre grãosadjacentes
  17. 17. Determinação do tamanho de grãosAs propriedades mecânicas de um material cristalino estão ligadas ao tamanho deseus grãos; um material com granulação fina é mais duro e resistente que ummaterial com granulação grosseira já que o primeiro possui uma maior área total decontornos de grãos para dificultar o movimento das discordâncias
  18. 18. O método mais utilizado para a determinação do tamanho de grãos é oestabelecido pela Sociedade Americana para Testes e Materiais (ASTM).O número do tamanho de grãos vai de 1-10 ; quanto maior for estenúmero, menor o tamanho dos grãos. Ou, através da equação: n-1N=2n é o número do tamanho de grãosN é o número médio de grãos por polegada quadrada a uma ampliaçãomicrográfica da amostra policristalina de 100x.
  19. 19. Contorno de MaclaÉ um tipo especial de contorno de grãos, através do qual existe umasimetria em espelho da rede cristalina. A região entre estes contornos échamada de macla.
  20. 20. Defeitos Interfaciais diversosSão as falhas de empilhamento, os contornos de fase e as paredes de domínioferromagnético.Falhas de empilhamento são encontradas em metais quando existe interrupçãonaseqüência de empilhamento.Os contornos de fase existem em materiais commúltiplas fases, através dos quais há uma mudança repentina nascaracterísticas físicas ou químicas.Para os materiais ferromagnéticos e ferrimagnéticos, o contorno que separa asregiões que possuem diferentes regiões de magnetização é conhecido comoparede de domínio.
  21. 21. Defeitos VolumétricosSão : poros, precipitados, trincas, inclusões exógenas, rechupes.

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