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Defeitos nos sólidos




Prof. Belarmino B. Lira
"defeito cristalino" São irregularidade na rede cristalina com uma ou mais
dimensões na ordem de um diâmetro atômico. Existem diferentes tipos de
imperfeições na rede e que são freqüentemente classificadas de acordo com a
geometria 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
Defeitos Pontuais
Lacunas ( 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)
Defeitos Pontuais
Defeitos em Sólidos Iônicos: Frenkel e Schottky


Defeito de Frenkel

Envolve um par composto por uma lacuna de cátion e um
cátion intersticial.
Um cátion que deixa a sua posição normal e se move para o
interior de um sítio intersticial.


Defeito de Schottky

Consiste em um par formado por uma lacuna de cátion e
uma lacuna de ânion.

Remoção de um cátion e de um ânion do interior do
cristal, seguido pela colocação de ambos os íons em uma
superfície externa.
Impurezas em Sólidos

Os metais mais conhecidos não são altamente puros, eles são ligas, nas quais
os átomos de impurezas são adicionados intencionalmente para conferir
características específicas ao material.

Muito comumente, a formação de ligas é utilizada em metais para aumentar
sua resistência mecânica, resistência à corrosão, aumentar a condutividade
elétrica,etc.

A adição de impurezas irá resultar na formação de uma solução sólida
e/ou numa nova segunda fase, dependendo do tipo de impurezas, de suas
concentrações, e da temperatura da liga.
Densidade de defeitos pontuais cresce com                                     Eav
                                                                                    kT
a temperatura (rel. tipo Arrhenius). Ex. vacâncias,            nv      N 0e
.

                                                      onde: N0 é a densidade do Si,
                                                      Eav a energia de ativação
Alguns termos empregados para as ligas:

Solvente – representa o elemento ou composto que está presente em maior
quantidade; os átomos de solvente são chamados de átomos hospedeiros.

Soluto – indica o elemento ou composto que está presente em menor
concentração.

Fase - pode ser definida como uma porção homogênea de um sistema que possui
características físicas e químicas uniformes.

Exemplo: solução de xarope açúcar-água é uma fase, enquanto que o açúcar sólido
é outra fase; ou ainda, quando uma substância pode existirem duas ou mais formas
polimórficas (ex: Fe CCC e Fe CFC), cada uma destas estruturas consiste em um a
fase separada, pois suas características físicas são diferentes
Defeitos pontuais devidos à presença de impurezas são encontrados em soluções
sólidas e podem ser de dois tipos:
Substitucional

Neste tipo de defeito, os átomos do soluto ou átomos de impurezas tomam o lugar
dosátomos hospedeiros ou os substituem. Existem características dos átomos do
soluto e solvente que determinam o grau segundo o qual o primeiro se dissolve no
segundo (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.
Intersticial


Os átomos de impurezas preenchem os espaços vazios ou interstícios que
existem entre os átomos hospedeiros. Nos metais que possuem
empacotamento atômico elevado, estas posições intersticiais são pequenas e
conseqüentemente, o raio atômico das impurezas deve ser bem menor que o
raio do hospedeiro.

 Geralmente, um máximo de 10% de impurezas éincorporado nos
interstícios.Exemplo: aço – solução sólida intersticial de carbono no ferro.
Apesar do raio atômico do carbono (0,071 nm) ser muito menor que o do
ferro (0,124 nm), a concentração solubilidade máxima do C no Fe é de 2,1%
Defeitos Lineares
Discordância ⇒
É um defeito linear ou unidimensional em torno do qual os átomos estão
desalinhados. As discordâncias existem em materiais cristalinos. No caso de
materiais cerâmicos, como estes apresentam estruturas cristalinas mais
complexas e ligações direcionais,




                                                discordância em cunha
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 numa
direção perpendicular ao seu comprimento. A direção de deslizamento é
representada por um vetor-deslizamento, ou vetor de Burger
b) Discordância espiral

Considerada como sendo formada por uma tensão cisalhante que é
aplicada para produzir a distorção :
Defeitos Planares
a) Superfícies Externas

Os átomos da superfície não estão ligados ao número máximo de
vizinhos mais próximos e,portanto, estão em um estado de energia
maior que os átomos em posições interiores. As ligações destes
átomos da superfície que não estão completadas dão origem a uma
energia de superfície. Para reduzir esta energia, os materiais tendem
a minimizar, se isto for possível, a área total da superfície.


Ex: as gotículas dos líquidos são esféricas pois assim os líquidos
assumem 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.
Defeitos planares




Stacking fault
ou falha de
empilhamento
Na região do contorno de grãos existem desencontros atômicos na transição
da orientação cristalina de um grão para aquela de outro grão adjacente.
São possíveis vários graus de desalinhamento cristalográfico entre grãos
adjacentes
Determinação do tamanho de grãos
As propriedades mecânicas de um material cristalino estão ligadas ao tamanho de
seus grãos; um material com granulação fina é mais duro e resistente que um
material com granulação grosseira já que o primeiro possui uma maior área total de
contornos de grãos para dificultar o movimento das discordâncias
O método mais utilizado para a determinação do tamanho de grãos é o
estabelecido pela Sociedade Americana para Testes e Materiais (ASTM).


O número do tamanho de grãos vai de 1-10 ; quanto maior for este
número, menor o tamanho dos grãos. Ou, através da equação:

   n-1
N=2

n é o número do tamanho de grãos

N é o número médio de grãos por polegada quadrada a uma ampliação
micrográfica da amostra policristalina de 100x.
Contorno de Macla


É um tipo especial de contorno de grãos, através do qual existe uma
simetria em espelho da rede cristalina. A região entre estes contornos é
chamada de macla.
Defeitos Interfaciais diversos


São as falhas de empilhamento, os contornos de fase e as paredes de domínio
ferromagnético.

Falhas de empilhamento são encontradas em metais quando existe interrupção
naseqüência de empilhamento.Os contornos de fase existem em materiais com
múltiplas fases, através dos quais há uma mudança repentina nas
características físicas ou químicas.

Para os materiais ferromagnéticos e ferrimagnéticos, o contorno que separa as
regiões que possuem diferentes regiões de magnetização é conhecido como
parede de domínio.
Defeitos Volumétricos


São : poros, precipitados, trincas, inclusões exógenas, rechupes.

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  • 2. "defeito cristalino" São irregularidade na rede cristalina com uma ou mais dimensões na ordem de um diâmetro atômico. Existem diferentes tipos de imperfeições na rede e que são freqüentemente classificadas de acordo com a geometria 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.
  • 4. Defeitos Pontuais Lacunas ( 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)
  • 6. Defeitos em Sólidos Iônicos: Frenkel e Schottky Defeito de Frenkel Envolve um par composto por uma lacuna de cátion e um cátion intersticial. Um cátion que deixa a sua posição normal e se move para o interior de um sítio intersticial. Defeito de Schottky Consiste em um par formado por uma lacuna de cátion e uma lacuna de ânion. Remoção de um cátion e de um ânion do interior do cristal, seguido pela colocação de ambos os íons em uma superfície externa.
  • 7. Impurezas em Sólidos Os metais mais conhecidos não são altamente puros, eles são ligas, nas quais os átomos de impurezas são adicionados intencionalmente para conferir características específicas ao material. Muito comumente, a formação de ligas é utilizada em metais para aumentar sua resistência mecânica, resistência à corrosão, aumentar a condutividade elétrica,etc. A adição de impurezas irá resultar na formação de uma solução sólida e/ou numa nova segunda fase, dependendo do tipo de impurezas, de suas concentrações, e da temperatura da liga.
  • 8. Densidade de defeitos pontuais cresce com Eav kT a temperatura (rel. tipo Arrhenius). Ex. vacâncias, nv N 0e . onde: N0 é a densidade do Si, Eav a energia de ativação
  • 9. Alguns termos empregados para as ligas: Solvente – representa o elemento ou composto que está presente em maior quantidade; os átomos de solvente são chamados de átomos hospedeiros. Soluto – indica o elemento ou composto que está presente em menor concentração. Fase - pode ser definida como uma porção homogênea de um sistema que possui características físicas e químicas uniformes. Exemplo: solução de xarope açúcar-água é uma fase, enquanto que o açúcar sólido é outra fase; ou ainda, quando uma substância pode existirem duas ou mais formas polimórficas (ex: Fe CCC e Fe CFC), cada uma destas estruturas consiste em um a fase separada, pois suas características físicas são diferentes
  • 10. Defeitos pontuais devidos à presença de impurezas são encontrados em soluções sólidas e podem ser de dois tipos: Substitucional Neste tipo de defeito, os átomos do soluto ou átomos de impurezas tomam o lugar dosátomos hospedeiros ou os substituem. Existem características dos átomos do soluto e solvente que determinam o grau segundo o qual o primeiro se dissolve no segundo (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.
  • 11. Intersticial Os átomos de impurezas preenchem os espaços vazios ou interstícios que existem entre os átomos hospedeiros. Nos metais que possuem empacotamento atômico elevado, estas posições intersticiais são pequenas e conseqüentemente, o raio atômico das impurezas deve ser bem menor que o raio do hospedeiro. Geralmente, um máximo de 10% de impurezas éincorporado nos interstícios.Exemplo: aço – solução sólida intersticial de carbono no ferro. Apesar do raio atômico do carbono (0,071 nm) ser muito menor que o do ferro (0,124 nm), a concentração solubilidade máxima do C no Fe é de 2,1%
  • 12. Defeitos Lineares Discordância ⇒ É um defeito linear ou unidimensional em torno do qual os átomos estão desalinhados. As discordâncias existem em materiais cristalinos. No caso de materiais cerâmicos, como estes apresentam estruturas cristalinas mais complexas e ligações direcionais, discordância em cunha
  • 13. 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 numa direção perpendicular ao seu comprimento. A direção de deslizamento é representada por um vetor-deslizamento, ou vetor de Burger
  • 14. b) Discordância espiral Considerada como sendo formada por uma tensão cisalhante que é aplicada para produzir a distorção :
  • 15. Defeitos Planares a) Superfícies Externas Os átomos da superfície não estão ligados ao número máximo de vizinhos mais próximos e,portanto, estão em um estado de energia maior que os átomos em posições interiores. As ligações destes átomos da superfície que não estão completadas dão origem a uma energia de superfície. Para reduzir esta energia, os materiais tendem a minimizar, se isto for possível, a área total da superfície. Ex: as gotículas dos líquidos são esféricas pois assim os líquidos assumem 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.
  • 16. Defeitos planares Stacking fault ou falha de empilhamento
  • 17. Na região do contorno de grãos existem desencontros atômicos na transição da orientação cristalina de um grão para aquela de outro grão adjacente. São possíveis vários graus de desalinhamento cristalográfico entre grãos adjacentes
  • 18. Determinação do tamanho de grãos As propriedades mecânicas de um material cristalino estão ligadas ao tamanho de seus grãos; um material com granulação fina é mais duro e resistente que um material com granulação grosseira já que o primeiro possui uma maior área total de contornos de grãos para dificultar o movimento das discordâncias
  • 19. O método mais utilizado para a determinação do tamanho de grãos é o estabelecido pela Sociedade Americana para Testes e Materiais (ASTM). O número do tamanho de grãos vai de 1-10 ; quanto maior for este número, menor o tamanho dos grãos. Ou, através da equação: n-1 N=2 n é o número do tamanho de grãos N é o número médio de grãos por polegada quadrada a uma ampliação micrográfica da amostra policristalina de 100x.
  • 20. Contorno de Macla É um tipo especial de contorno de grãos, através do qual existe uma simetria em espelho da rede cristalina. A região entre estes contornos é chamada de macla.
  • 21. Defeitos Interfaciais diversos São as falhas de empilhamento, os contornos de fase e as paredes de domínio ferromagnético. Falhas de empilhamento são encontradas em metais quando existe interrupção naseqüência de empilhamento.Os contornos de fase existem em materiais com múltiplas fases, através dos quais há uma mudança repentina nas características físicas ou químicas. Para os materiais ferromagnéticos e ferrimagnéticos, o contorno que separa as regiões que possuem diferentes regiões de magnetização é conhecido como parede de domínio.
  • 22. Defeitos Volumétricos São : poros, precipitados, trincas, inclusões exógenas, rechupes.