4 imperfeicoes cristalinas

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DEFEITOS EM METAIS

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4 imperfeicoes cristalinas

  1. 1. ASSUNTO 4- IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS - Defeitos pontuais - Defeitos de linha (discordâncias) -   Defeitos de interface (grão e maclas) -   Defeitos volumétricos (inclusões, precipitados) 1
  2. 2. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS O QUE É UM DEFEITO? É uma imperfeição ou um "erro" no arranjo periódico regular dos átomos em um cristal. Podem envolver uma irregularidade na posição dos átomos no tipo de átomos O tipo e o número de defeitos dependem do material, do meio ambiente, e das circunstâncias sob as quais o cristal é processado. 2
  3. 3. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS Apenas uma pequena fração dos sítios atômicos são imperfeitos Menos de 1 em 1 milhão Menos sendo poucos eles influenciam muito nas propriedades dos materiais e nem sempre de forma negativa 3
  4. 4. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS - IMPORTÂNCIADEFEITOS INTRODUÇÃO SELETIVA CONTROLE DO NÚMERO ARRANJO Permite desenhar e criar novos materiais com a combinação desejada de propriedades 4
  5. 5. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS Exemplos de efeitos da presença de imperfeições o o o O processo de dopagem em semicondutores visa criar imperfeições para mudar o tipo de condutividade em determinadas regiões do material A deformação mecânica dos materiais promove a formação de imperfeições que geram um aumento na resistência mecânica (processo conhecido como encruamento) Wiskers de ferro (sem imperfeições do tipo discordâncias) apresentam resistência maior que 70GPa, enquanto o ferro comum rompe-se a aproximadamente 270MPa. 5
  6. 6. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS São classificados de acordo com sua geometria ou dimensões 6
  7. 7. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS Defeitos Pontuais associados c/ 1 ou 2 posições atômicas Defeitos lineares uma dimensão Defeitos planos ou interfaciais duas dimensões Defeitos volumétricos (fronteiras) três dimensões 7
  8. 8. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 1- DEFEITOS PONTUAIS Vacâncias ou vazios Átomos Intersticiais Schottky Ocorrem em sólidos iônicos Frenkel 8
  9. 9. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS VACÂNCIAS OU VAZIOS 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) 9
  10. 10. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS VACÂNCIAS OU VAZIOS O número de vacâncias aumenta exponencialmente com a temperatura Nv= N exp (-Qv/KT) Nv= número de vacâncias N= número total de sítios atômicos Qv= energia requerida para formação de vacâncias K= constante de Boltzman = 1,38x1023J/at.K ou 8,62x10-5 eV/ at.K 10
  11. 11. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS INTERSTICIAIS 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 11
  12. 12. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS INTERSTICIAIS Átomo intersticial grande Átomo intersticial pequeno Gera maior distorção na rede 12
  13. 13. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS FRENKEL Ocorre em sólidos iônicos Ocorre quando um íon sai de sua posição normal e vai para um interstício 13
  14. 14. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS SCHOTTKY Presentes em compostos que tem que manter o balanço de cargas Envolve a falta de um ânion e/ou um cátion 14
  15. 15. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS CONSIDERAÇÕES GERAIS Vazios e Schottky favorecem a difusão Estruturas de empacotamento fechado tem um menor número intersticiais e Frenkel que de vazios e Schottky Porque é necessária energia adicional para forçar os átomos para novas posições 15
  16. 16. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 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 16
  17. 17. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS LIGAS METÁLICAS - 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. 17
  18. 18. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS A ADIÇÃO DE IMPUREZAS PODE FORMAR Soluções sólidas Segunda fase < limite de solubilidade > limite de solubilidade A solubilidade depende : Temperatura Tipo de impureza Concentração da impureza 18
  19. 19. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS Termos usados Elemento de liga ou Impureza soluto (< quantidade) Matriz ou Hospedeiro solvente (>quantidade) 19
  20. 20. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS SOLUÇÕES SÓLIDAS A estrutura cristalina do material que atua como matriz é mantida e não formam-se novas estruturas As soluções sólidas formam-se mais facilmente quando o elemento de liga (impureza) e matriz apresentam estrutura cristalina e dimensões eletrônicas semelhantes 20
  21. 21. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS SOLUÇÕES SÓLIDAS Nas soluções sólidas as impurezas podem ser: - Intersticial - Substitucional Ordenada Desordenada 21
  22. 22. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAIS INTERSTICIAL Os átomos de impurezas ou os elementos de liga ocupam os espaços dos interstícios Ocorre quando a impureza apresenta raio atômico bem menor que o hospedeiro Como os materiais metálicos tem geralmente fator de empacotamento alto as posições intersticiais são relativamente pequenas Geralmente, no máximo 10% de impurezas são incorporadas nos interstícios 22
  23. 23. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS EXEMPLO DE SOLUÇÃO SÓLIDA INTERSTICIAL Fe + C solubilidade máxima do C no Fe é 2,1% a 910 C (Fe CFC) O C tem raio atômico bastante pequeno se comparado com o Fe rC= 0,071 nm= 0,71 A rFe= 0,124 nm= 1,24 A 23
  24. 24. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS Solubilidade do Carbono no Ferro O carbono é mais solúvel no Ferro CCC ou CFC, considerando a temperatura próxima da transformação alotrópica? ccc cfc 24
  25. 25. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS TIPOS DE SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS SUBSTITUCIONAL ORDENADA SUBSTITUCIONAL DESORDENADA 25
  26. 26. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS FATORES QUE INFLUEM NA FORMAÇÃO DE SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS REGRA DE HOME-ROTHERY Raio atômico deve ter uma diferença de no máximo 15%, caso contrário pode promover distorções na rede e assim formação de nova fase Estrutura cristalina mesma Eletronegatividade próximas Valência mesma ou maior que a do hospedeiro 26
  27. 27. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS EXEMPLO DE SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTICIONAL Cu + Ni são solúveis em todas as proporções Cu Ni Raio atômico 0,128nm=1,28 A 0,125 nm=1,25A Estrutura CFC CFC Eletronegatividade 1,9 1,8 Valência +1 (as vezes +2) +2 27
  28. 28. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 2- DEFEITOS 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 ruptura dos materiais 28
  29. 29. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 2- DEFEITOS LINEARES: DISCORDÂNCIAS Podem ser: - Cunha - Hélice - Mista 29
  30. 30. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS VETOR DE BURGER (b) Dá a magnitude e a direção de distorção da rede Corresponde à distância de deslocamento dos átomos ao redor da discordância 30
  31. 31. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 2.1- DISCORDÂNCIA EM CUNHA Envolve um SEMIplano extra de átomos O vetor de Burger é perpendicular à direção da linha da discordância Envolve zonas de tração e compressão 31
  32. 32. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS DISCORDÂNCIAS EM CUNHA Fonte: Prof. Sidnei, DCMM, PUCRJ 32
  33. 33. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS DISCORDÂNCIAS EM CUNHA Fonte: Prof. Sidnei, DCMM, PUCRJ 33
  34. 34. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 2.2- DISCORDANCIA EM HÉLICE Produz distorção na rede O vetor de burger é paralelo à direção da linha de discordância 34
  35. 35. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS DISCORDANCIA EM HÉLICE 35
  36. 36. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 2.2- DISCORDANCIA EM HÉLICE DISCORDÂNCIA EM HÉLICE NA SUPERFÍCIE DE UM MONOCRISTAL DE SiC. AS LINHAS ESCURAS SÃO DEGRAUS DE ESCORREGAMENT SUPERFICIAIS. (Fig. 5.3-2 in Schaffer et al.). 36
  37. 37. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS OBSERVAÇÃO DAS DISCORDANCIAS Diretamente TEM ou HRTEM Indiretamente SEM e microscopia óptica (após ataque químico seletivo) 37
  38. 38. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS DISCORDÂNCIAS NO TEM 38
  39. 39. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS DISCORDÂNCIAS NO HRTEM 39
  40. 40. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS DISCORDÂNCIAS NO HRTEM 40
  41. 41. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS FIGURA DE ATAQUE PRODUZIDA NA DISCORDÂNCIA VISTA NO SEM Plano (111) do InSb Plano (111) do GaSb 41
  42. 42. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS CONSIDERAÇÕES GERAIS A quantidade e o movimento das discordâncias podem ser controlados pelo grau de deformação (conformação mecânica) e/ou por tratamentos térmicos 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 42
  43. 43. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 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 discordâncias contribuem para a deformação plástica 43
  44. 44. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 3- DEFEITOS PLANOS OU INTERFACIAIS Envolvem fronteiras (defeitos em duas dimensões) e normalmente separam regiões dos materiais de diferentes estruturas cristalinas ou orientações cristalográficas 44
  45. 45. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 3- DEFEITOS PLANOS OU INTERFACIAIS Superfície externa Contorno de grão Fronteiras entre fases Maclas ou Twins Defeitos de empilhamento 45
  46. 46. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 3.1- DEFEITOS NA SUPERFÍCIE EXTERNA É o mais óbvio  Na superfície os átomos não estão completamente ligados  Então o estado energia dos átomos na superfície é maior que no interior do cristal  Os materiais tendem a minimizar está energia  A energia superficial é expressa em erg/cm2 ou J/m2) 46
  47. 47. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 3.2- CONTORNO DE GRÃO  Corresponde à região que separa dois ou mais cristais de orientação diferente um cristal = um grão  No interior de cada grão todos os átomos estão arranjados segundo um único modelo e única orientação, caracterizada pela célula unitária 47
  48. 48. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS Monocristal e Policristal Monocristal: Material com apenas uma orientação cristalina, ou seja, que contém apenas um grão Policristal: Material com mais de uma orientação cristalina, ou seja, que contém vários grãos 48
  49. 49. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS LINGOTE DE ALUMÍNIO POLICRISTALINO 49
  50. 50. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS GRÃO A forma do grão é controlada: controlada - pela presença dos grãos circunvizinhos O tamanho de grão é controlado - Composição química - Taxa (velocidade) de cristalização ou solidificação 50
  51. 51. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS FORMAÇÃO DOS GRÃOS A forma do grão é controlada: controlada - pela presença dos grãos circunvizinhos O tamanho de grão é controlado - Composição - Taxa de cristalização ou solidificação 51
  52. 52. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE CONTORNO DE GRÃO Há um empacotamento ATÔMICO menos eficiente Há uma energia mais elevada Favorece a nucleação de novas fases (segregação) favorece a difusão O contorno de grão ancora o movimento das discordâncias 52
  53. 53. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS Discordância e Contorno de Grão A passagem de uma discordância através do contorno de grão requer energia DISCORDÂNCIA O contorno de grão ancora o movimento das discordância pois constitui um obstáculo para a passagem da mesma, LOGO QUANTO MENOR O TAMANHO DE GRÃO 53 .........A RESISTÊNCIA DO MATERIAL
  54. 54. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS CONTORNO DE PEQUENO ÂNGULO Ocorre quando a desorientação dos cristais é pequena É formado pelo alinhamento de discordâncias 54
  55. 55. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS OBSERVAÇÃO DOS GRÃOS E CONTORNOS DE GRÃO Por microscopia (ÓTICA OU ELETRÔNICA) utiliza ataque químico específico para cada material O contorno geralmente é mais reativo 55
  56. 56. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS GRÃOS VISTOS NO MICROSCÓPIO ÓTICO 56
  57. 57. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS TAMANHO DE GRÃO O tamanho de grão influi nas propriedades dos materiais Para a determinação do tamanho de grão utiliza-se cartas padrões ASTM ou ABNT 57
  58. 58. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS DETERMINAÇÃO DO TAMANHO DE GRÃO (ASTM) Tamanho: 1-10 Aumento: 100 X Quanto maior o número menor o tamanho de grão da amostra N= 2 n-1 N= número médio de grãos por polegada quadrada n= tamanho de grão 58
  59. 59. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS Existem vários softwares comerciais de simulação e determinação do tamanho de grão 59
  60. 60. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS CRESCIMENTO DO GRÃO com a temperatura Em geral, por questões termodinâmicas (energia) os grãos maiores crescem em detrimento dos menores 60
  61. 61. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 3.3- TWINS MACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS É um tipo especial de contorno de grão Os átomos de um lado do contorno são imagens especulares dos átomos do outro lado do contorno A macla ocorre num plano definido e numa direção específica, dependendo da estrutura cristalina 61
  62. 62. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS ORIGENS DOS TWINS MACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS O seu aparecimento está geralmente associado com A PRESENÇA DE: - tensões térmicas e mecânicas - impurezas - Etc. 62
  63. 63. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 4- IMPERFEIÇÕES VOLUMÉTRICAS São introduzidas no processamento do material e/ou na fabricação do componente 63
  64. 64. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS 4- IMPERFEIÇÕES VOLUMÉTRICAS - Inclusões - Precipitados Impurezas estranhas são aglomerados de partículas cuja composição difere da matriz - Fases forma-se devido à presença de impurezas ou elementos de liga (ocorre quando o limite de solubilidade é ultrapassado) - Porosidade origina-se devido a presença ou formação de gases 64
  65. 65. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS Inclusões INCLUSÕES DE ÓXIDO DE COBRE (Cu2O) EM COBRE DE ALTA PUREZA (99,26%) LAMINADO A FRIO E RECOZIDO A 800o C. 65
  66. 66. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS Inclusões SULFETOS DE MANGANÊS (MnS) EM AÇO RÁPIDO. 66
  67. 67. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS Porosidade As figuras abaixo apresentam a superfície de ferro puro durante o seu processamento por metalurgia do pó. Nota-se que, embora a sinterização tenha diminuído a quantidade de poros bem como melhorado sua forma (os poros estão mais arredondados), ainda permanece uma porosidade residual. COMPACTADO DE PÓ DE FERRO,COMPACTAÇÃO UNIAXIAL EM MATRIZ DE DUPLO EFEITO, A 550 MPa COMPACTADO DE PÓ DE FERRO APÓS SINTERIZAÇÃO A 1150oC, POR 120min EM ATMOSFERA DE HIDROGÊNIO 67
  68. 68. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS EXEMPLO DE PARTÍCULAS DE SEGUNDA FASE A MICROESTRUTURA É COMPOSTA POR VEIOS DE GRAFITA SOBRE UMA MATRIZ PERLÍTICA. CADA GRÃO DE PERLITA, POR SUA VEZ, É CONSTITUÍDO POR LAMELAS ALTERNADAS DE DUAS FASES: FERRITA (OU FERRO-A) E CEMENTITA (OU CARBONETO DE FERRO). 68
  69. 69. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS microestrutura da liga Al-Si-Cu + Mg mostrando diversas fases precipitadas 69
  70. 70. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS Micrografia da Liga Al-3,5%Cu no Estado Bruto de Fusão 70

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