Aula de ciências dos materiais: Imperfeições nos Arranjos atômicos

1. Aula 05 – Ciências dos Materiais
Imperfeições nos Arranjos atômicos

2. Defeitos Cristalinos – o que é um
defeito? Devem ser evitados?
• - Defeitos pontuais
• - Defeitos de linha
(discordâncias)
• - Defeitos de interface
(grão e maclas)
• - Defeitos volumétricos
(inclusões, precipitados)

3. • É uma imperfeição no arranjo periódico
regular dos átomos em um cristal.
• Podem envolver uma irregularidade na
posição dos átomos e no tipo de átomos
• O tipo e o número de defeitos dependem:
- da constituição química do material
- das circunstâncias sob as quais o
material é processado.

4. Tipos de Defeitos: classificados de acordo com sua
geometria ou dimensões
• Defeitos Pontuais associados c/ 1 ou 2
posições atômicas
•
• Defeitos lineares uma dimensão
• Defeitos planos ou interfaciais (fronteiras)
duas dimensões
• Defeitos volumétricos três dimensões

5. Nem sempre é Maléfico
DEFEITOS
INTRODUÇÃO
SELETIVA
CONTROLE
DO NÚMERO
ARRANJO
Permite desenhar e criar novos materiais
com a combinação desejada de propriedades

6. Casos Positivos
• O processo de dopagem em semicondutores:
mudança no tipo de condutividade
• A deformação mecânica dos materiais promove a
formação de imperfeições:
geram um aumento na resistência mecânica
(processo encruamento):
• Wiskers de ferro (sem imperfeições do tipo discordâncias):
resistência maior que 70GPa
ferro comum r 270MPa.

7. Defeitos Pontuais
• Vacâncias ou vazios
• Átomos Intersticiais
Schottky
Frenkel
Ocorrem em sólidos iônicos

8. Defeitos Pontuais: visão geral

9. Defeitos Pontuais: vacâncias ou lacunas
• Envolve a falta de um
átomo.
• São formados durante
a solidificação do
cristal ou como
resultado das vibrações
atômicas (os átomos
deslocam-se de suas
posições normais).

10. Defeito Pontual: vacâncias ou vazios
• O número de vacâncias aumenta
exponencialmente com a temperatura
Nv= N exp (-Qv/KT) lacunas/m3
Nv= número de vacâncias
N= número total de sítios por unidade de volume
Qv= energia requerida para formação de vacâncias
K= constante de Boltzman = 1,38x1023J/at.K ou
8,62x10-5 eV/ at.K
N= NAρ
PA
Onde: NA=no avogrado;
ρ = densidade e PA=
peso atômico

11. Cálculo de lacunas a uma dada T
• Calcule o no de lacunas em equilíbrio por
m3 de Cu, a 1000oC. A energia para
formação de uma lacuna é de 0,9
eV/atomo.
PA: 63,5 g/mol
ρ= 8,4 g/cm3 (T=1000oC)
NAVOG= 6,02x1023 atomos/mol

12. Defeito Intersticial
Átomo intersticial pequeno
Átomo intersticial grande
Gera maior distorção na rede

13. Defeito Intersticial
• 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
• A formação de um defeito
intersticial implica na
criação de uma vacância, por
isso este defeito é menos
provável que uma vacância

14. Defeitos Pontuais

15. Defeitos Pontuais

16. FRENKEL
• Ocorre em sólidos
iônicos
• Ocorre quando um
íon sai de sua
posição normal e vai
para um interstício

17. SCHOTTKY
• Presentes em
compostos que tem
que manter o balanço
de cargas
• Envolve a falta de
um ânion e/ou um
cátion

18. Superfície metálica: microscópia eletrônica de
tunelamento ou microscopia de força atômica
Superfície (111) do ouro (estrutura
CFC)
adição uma monocamada de
cobre
Em níveis de monocamadas nem sempre o elemento de liga provoca
Aparecimento de de defeitos.

19. A ADIÇÃO DE IMPUREZAS PODE FORMAR
• Soluções sólidas [átomos] < limite de
solubilidade
• Segunda fase [átomos] > limite de
solubilidade
A solubilidade depende :
• Temperatura
• Tipo de impureza
• Concentração da impureza

20. IMPUREZAS NOS SÓLIDOS
• As impurezas (chamadas elementos de
liga) são adicionadas intencionalmente
com a finalidade:
• aumentar a resistência mecânica
• aumentar a resistência à corrosão
• aumentar a condutividade elétrica
• etc.

21. 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

22. Terminologia
• Elemento de liga soluto (< quantidade)
(ou impureza)
• Matriz solvente(>quantidade)
(ou hospedeiro)

23. Especificação da Composição
• Composição de uma liga em termos de
seus elementos constituintes:
porcentagem em peso (ou massa)(%p)
porcentagem atômica (no átomos) (%a)

24. Exercícios
• Uma liga contém 80% em peso de Al e 20% em
peso de Mg. Qual a porcentagem atômica de
cada um na liga?
• Suponha que 20% dos átomos de Cu são
substituídos por Al em um bronze de alumínio.
Quais porcentagens de peso que estão
presentes?
PA: Mg- 24,3 g/mol; Al- 26,98 g/mol; Cu- 63,54g/mol
Nv= 6,02x1023 atomos/mol