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Imperfeições Cristalinas
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
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.
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
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.
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
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.
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
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
Líquido
Embriões da
fase sólida
Ciências dos Materiais - Aula 6 - Imperfeições Cristalinas
Ciências dos Materiais - Aula 6 - Imperfeições Cristalinas
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.
As propriedades dos
materiais podem ser
controladas criando
ou controlando estes
defeitos
Lacunas / vacâncias / vazios
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
Encontre os Defeitos de Schottky e Frenkel
Encontre os Defeitos de Schottky e Frenkel
Schottky
Frenkel
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.
(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.
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%.
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.
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.
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).
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
Solução sólida intersticial
Átomo de carbono
dissolvido no Fe
ccc
Solução sólida intersticial
ferro e carbono
• Concentração máxima de 2%;
• Raio atômico carbono: 0,071 nm;
• Raio atômico ferro: 0,124 nm
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.
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
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
IMPERFEIÇÕES LINEARES:
DISCORDÂNCIAS
• Defeito cristalino linear ao redor do qual
existe um desalinhamento atômico.
• Podem ser:
- Cunha
- Hélice
- Mista
Discordância em cunha – plano extra de átomos
Movimento da discordânica – passo a passo
Discordância em Hélice
Imperfeições de Linha
Pontos de corrosão que ocorrem ao longo de linhas
de discordância
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
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
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.
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.
Ciências dos Materiais - Aula 6 - Imperfeições Cristalinas
Contorno de grão
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.
Ciências dos Materiais - Aula 6 - Imperfeições Cristalinas
Grão de diferentes
tamanhos em um
mesmo aumento
N = 2G-1
G : 1 - 8
Tamanho grão x Resistência mecânica
(c)2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning
Tensãodeescoamento(psi)
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.
Exemplos de maclas
Exemplos de maclas
(c)2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning
(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.
• Outros defeitos bidimensionais são possíveis:
– Falhas de empilhamento (encontradas em
metais CFC)
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.
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.
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Ciências dos Materiais - Aula 6 - 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
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • 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.